CN114978343B - 一种超外差光子射频接收系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超外差光子射频接收系统，该系统的一个实施方式包括：光载波产生与分配单元、电光上变频单元、光电下变频单元、高中频下变频单元、光本振产生单元、一级变频本振源和二级变频本振源；电光上变频单元将射频信号调制在光载波产生与分配单元输出的光载波信号上，形成光载射频信号；光电下变频单元根据光本振产生单元输出的光本振信号将光载射频信号变换为高中频电信号；光本振信号是光本振产生单元将一级变频本振源产生的一级电本振信号调制在光载波信号上形成的；高中频下变频单元根据二级变频本振源产生的二级电本振信号将高中频电信号变换为低中频电信号或基带信号之后输出。该实施方式能够实现超宽带高性能电磁频谱信号的接收。

Description

一种超外差光子射频接收系统

技术领域

本发明涉及微波光子技术领域，尤其涉及一种超外差光子射频接收系统。

背景技术

超外差接收架构是当前应用最广泛、综合性能最优的射频接收架构，具有许多技术优势，比如高镜像干扰抑制能力、大动态范围、高接收灵敏度、低直流干扰和本振泄露问题等，因此特别适用于频谱分析、电子战、雷达等应用场景。尽管传统接收机技术和器件已经相当成熟，得到了广泛应用，但也遇到了很大的发展瓶颈。主要问题在于，受限于电变频器、电滤波器等器件的性能限制，传统超外差接收架构在大接收频谱范围、大瞬时带宽、高镜像/杂散抑制等方面，性能难以兼顾。因此，近年来业界开始尝试将光子技术与微波技术相结合，研究利用光子技术的优势突破传统电子接收机的发展瓶颈。

当前微波光子接收架构通常采用零中频或低中频光子变频技术，其主要优势在于，光混频器件可以在超宽的频谱范围上将射频信号直接下变频到基带或低中频，瞬时带宽较大等。但该架构仍存在若干技术瓶颈：1、镜像等杂散抑制差；2、存在本振泄漏；3、互调谐波杂散性能仍有待提升；4、存在直流偏移等。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种超外差光子射频接收系统，与传统的微波光子接收架构相比，能够突破以上技术瓶颈，实现超宽带高性能电磁频谱信号的接收。

本发明实施例的超外差光子射频接收系统包括：光载波产生与分配单元、电光上变频单元、光电下变频单元、高中频下变频单元、光本振产生单元、一级变频本振源和二级变频本振源；所述电光上变频单元将待接收的射频信号调制在所述光载波产生与分配单元输出的光载波信号上，形成光载射频信号；所述光电下变频单元根据所述光本振产生单元输出的光本振信号将所述光载射频信号变换为高中频电信号；其中，所述光本振信号是所述光本振产生单元将所述一级变频本振源产生的一级电本振信号调制在所述光载波信号上形成的；所述高中频下变频单元根据所述二级变频本振源产生的二级电本振信号将所述高中频电信号变换为低中频电信号或基带信号之后输出。

在本发明实施例中，所述系统进一步包括：与所述电光上变频单元连接的预处理单元；所述预处理单元包括：多通道电分路器件、多通道电合路器件、电预放大器和频段预选滤波器；其中，所述多通道电分路器件将待接收的所述射频信号分路为预设的第一数量的预处理通道以执行开关选择，所述频段预选滤波器对所述预处理通道中的信号进行滤波，所述电预放大器用于执行信号预放大，所述多通道电合路器件对所述预处理通道中的信号进行合路后向所述电光上变频单元输出；所述多通道电分路器件包括：射频开关或电分路器；所述多通道电合路器件包括：射频开关或电合路器；所述多通道电分路器件和所述多通道电合路器件中的至少之一为射频开关。

在本发明实施例中，所述系统进一步包括：连接在所述电光上变频单元与所述光电下变频单元之间的光子预处理单元，所述光子预处理单元包括：多通道光分路器件、多通道光合路器件、第一光放大器和第一光滤波器；其中，所述多通道光分路器件将所述光载射频信号分路为预设的第二数量的光通道以执行开关选择，第一光滤波器对所述光通道中的光信号进行滤波，第一光放大器用于执行光信号预放大，所述多通道光合路器件对所述光通道中的光信号进行合路后向所述光电下变频单元输出；所述多通道光分路器件包括：光开关或光分路器；所述多通道光合路器件包括：光开关或光合路器；所述多通道光分路器件和所述多通道光合路器件中的至少之一为光开关。

在本发明实施例中，所述光电下变频单元包括：光耦合器和第一光电探测器；其中，所述光耦合器用于将所述光载射频信号与所述光本振信号进行光耦合；经过所述光耦合的所述光载射频信号与所述光本振信号在第一光电探测器发生拍频，形成所述高中频电信号。

在本发明实施例中，所述光本振产生单元包括：第二电光调制器、第二光放大器和第二光滤波器；其中，第二电光调制器用于将所述一级电本振信号调制在所述光载波信号上，形成所述光本振信号；第二光放大器用于光信号放大，第二光滤波器用于光信号滤波。

在本发明实施例中，所述高中频下变频单元包括：二级变频混频器、高中频放大器、高中频滤波器和第一滤波器；其中，第一滤波器为低通滤波器或带通滤波器；所述高中频放大器用于对所述高中频电信号进行放大，所述高中频滤波器用于对所述高中频电信号进行滤波；所述二级变频混频器用于将所述高中频电信号与所述二级电本振信号进行混频；第一滤波器用于对经过所述混频的信号进行滤波，形成所述低中频电信号或所述基带信号。

在本发明实施例中，所述高中频下变频单元包括：二级变频激光器、第三电光调制器、第二光电探测器和第一滤波器；其中，第一滤波器为低通滤波器或带通滤波器；所述二级变频激光器用于产生单频光载波；第三电光调制器用于将所述高中频电信号和所述二级电本振信号调制在所述单频光载波；经过该调制的信号在第二光电探测器发生拍频，并经过第一滤波器形成所述低中频电信号或所述基带信号。

在本发明实施例中，所述系统进一步包括：管理与控制单元，用于对所述光载波产生与分配单元、所述预处理单元、所述电光上变频单元、所述光子预处理单元、所述光电下变频单元、所述高中频下变频单元、所述光本振产生单元、所述一级变频本振源和所述二级变频本振源进行功能管理、参数控制及供电。

在本发明实施例中，所述低中频电信号为单路实信号，所述基带信号为I路和Q路的复信号；第一光滤波器、第二光滤波器包括固定光滤波器和可调谐光滤波器，所述频段预选滤波器、所述高中频下变频单元中的高中频滤波器和第一滤波器包括固定电滤波器；所述光载射频信号的频率为所述射频信号频率与所述光载波信号频率之和，所述光本振信号的频率为所述一级电本振信号频率与所述光载波信号频率之和，所述高中频电信号的频率为所述一级电本振信号频率与所述射频信号频率之差，所述低中频电信号的频率为所述高中频电信号频率与所述二级电本振信号频率之差。

为了解决基于纯电子器件的传统接收机技术和当前微波光子接收机技术在超宽带、大瞬时带宽射频信号接收方面所遇到的一系列技术瓶颈，本发明提出一种基于多级超外差光子变频的新型超宽带射频接收技术与方法。在本技术中，典型多级超外差光子变频过程将采用两级超外差变频架构，其中一级变频为高中频光子变频，二级变频为低中频光子变频或电变频，以实现超宽带高性能电磁频谱信号的接收。本发明充分利用光子技术在超宽带工作频谱范围和低变频杂散等方面的优势，有效解决了传统纯电接收技术和现有的微波光子接收技术的瓶颈。

附图说明

图1是本发明实施例中超外差光子射频接收系统的架构示意图；

图2是本发明实施例的预处理单元的原理示意图；

图3是本发明实施例的光子预处理单元的原理示意图；

图4是本发明实施例的光电下变频单元的原理示意图；

图5是本发明实施例的高中频下变频单元的原理示意图；

图6是本发明实施例中超外差光子射频接收系统的第一整体结构示意图；

图7是本发明实施例中超外差光子射频接收系统的第二整体结构示意图；

图8A是本发明实施例的待接收的射频信号示意图；

图8B是本发明实施例的预处理单元处理后的射频信号示意图；

图8C是本发明实施例的光载射频信号示意图；

图8D是本发明实施例的光本振信号示意图；

图8E是本发明实施例的光本振信号与光载射频信号耦合以及高中频电信号形成示意图；

图8F是本发明实施例的高中频下变频示意图；

图8G是本发明实施例的低中频电信号示意图；

图9A是本发明实施例的射频信号示例示意图；

图9B是本发明实施例的光载射频信号和光本振信号示例示意图；

图9C是本发明实施例的高中频电信号示例示意图；

图9D是本发明实施例的低中频电信号示例示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

本发明的目标是利用超外差光子变频技术，解决传统纯电超外差接收架构和当前微波光子接收架构在超宽带变频方面的技术瓶颈，显著提升变频带宽、镜像和互调杂散抑制等性能，实现超宽带高性能电磁频谱信号的接收。本发明的主要创新点在于：提出一种基于多级超外差光子变频的新型超宽带射频接收技术与方法，其中至少一级变频环节采用高中频光子变频技术，替代传统接收架构中的纯电变频技术，进而显著抑制互调杂散。同时，高中频光子变频技术相比于当前微波光子接收技术中普遍采用的零中频或低中频光子变频技术，将显著提升镜像抑制能力。本发明为超宽带接收机指出了新的技术发展路线，借助于光子、光电子集成技术的不断成熟，本发明所指出的技术方法有望成为未来超宽带微波接收机的典型架构之一。

图1是根据本发明实施例中超外差光子射频接收系统方法的主要步骤示意图。本发明实施例的超外差光子射频接收系统可以包括：光载波产生与分配单元、电光上变频单元、光电下变频单元、高中频下变频单元、光本振产生单元、一级变频本振源和二级变频本振源。

本发明的工作原理是：采用超外差光子变频技术，通过多级下变频实现超宽带射频信号的高性能光子接收。具体地，本发明实施例的超外差光子射频接收技术为两级变频架构，其中1级变频是通过光子变频的方式，利用光本振将上变换到光载波上的光载射频信号下变换到一个确定的高中频频段。2级变频将高中频电信号进一步下变频到低中频或基带。2级变频可以采用光子变频方式，也可以采用电器件变频的方式。超外差光子变频架构可以实现超宽带、高性能的射频信号变频与接收。具体的实施方式可以在满足两级变频架构的技术要求基础上，按照典型实施方式的总体框架结构进行灵活的调整。

需要说明的是，本发明中的射频、高中频和低中频的频率范围可以根据技术环境进行设置和调整，例如可以设置射频的频率范围为300KHz到300GHz，高中频的频率范围为3GHz到30GHz，低中频的频率范围为0.3GHz到3GHz，以上频率范围并不对本发明技术方案形成任何限制。

在本发明实施例的超外差光子射频接收系统所包括的以上单元中，电光上变频单元、光电下变频单元以及以下将要说明的光子预处理单元用于实现1级变频，高中频下变频单元用于实现2级变频。具体地，1级变频的原理为：电光上变频单元将待接收的射频信号调制在光载波产生与分配单元输出的光载波信号上，形成光载射频信号；光本振产生单元将一级变频本振源产生的一级电本振信号调制在光载波上，形成光本振信号；光电下变频单元根据光本振产生单元输出的光本振信号将光载射频信号变换为高中频电信号。2级变频的原理为：高中频下变频单元根据二级变频本振源产生的二级电本振信号将高中频电信号变换为低中频电信号或基带信号之后输出。

以下分别说明各单元的工作情况。本发明实施例的超外差光子射频接收系统进一步包括预处理单元，其连接在信号输入端口与电光上变频单元之间，如图2所示，预处理单元包括：多通道电分路器件、多通道电合路器件、电预放大器和频段预选滤波器，还包括射频信号输入端口、射频信号输出端口和控制信号端口。其中，射频信号输入端口、射频信号输出端口分别用于射频信号的输入和输出，控制信号端口用于与下文将要说明的管理与控制单元连接来实现预处理单元的功能管理、参数控制及供电。

多通道电分路器件将待接收的射频信号分路为预设的第一数量的预处理通道(例如图2中的3个预处理通道)以执行开关选择，频段预选滤波器对预处理通道中的信号进行滤波，电预放大器用于执行信号预放大，多通道电合路器件对一个或多个预处理通道中的信号进行合路后向电光上变频单元输出。其中，多通道电分路器件可以是射频开关或电分路器；多通道电合路器件可以是射频开关或电合路器。为了进行预处理通道的开关选择，需要多通道电分路器件和多通道电合路器件中的至少之一为射频开关。也就是说，多通道电分路器件和多通道电合路器件可以都是射频开关；也可以多通道电分路器件是射频开关、多通道电合路器件是电合路器；还可以多通道电分路器件是电分路器、多通道电合路器件是射频开关，但是不允许多通道电分路器件是电分路器、同时多通道电合路器件是电合路器。

实际应用中，待接收的射频信号经由信号输入端口进入超外差光子射频接收系统。信号输入端口与预处理单元连接，输入的射频信号经预处理单元预处理后，输入给电光上变频单元。预处理单元除了以上器件之外，可以根据需要添加必要的电衰减器、电功率探测器、电限幅器等器件。在预处理单元中，多通道电分路器件的作用是将射频信号输入端口输入的射频信号分路为若干预处理通道，并依照管理与控制单元输出的控制命令对预处理通道进行开关选择。多通道电合路器件的作用是依照管理与控制单元输出的控制命令将某个预处理通道的射频信号导通给射频信号输出端口。预处理通道的数量可以按照接收机预选频段划分数量进行设置，本发明中典型的通道数量为3个通道。电预放大器的作用是预放大信号功率，其连接位置比较灵活，典型的连接位置位于多通道电分路器件与频段预选滤波器之间，也可以位于射频信号输入端口与多通道电分路器件之间，或频段预选滤波器与多通道电合路器件之间，或多通道电合路器件与射频信号输出端口之间。频段预选滤波器的作用是对输入的射频信号进行频段预选滤波，即利用若干宽带电滤波器将超宽带的射频频谱分段为若干宽带射频频段，以有利于高中频光子变频(即1级变频)过程中的镜像抑制。频段预选滤波器的器件选型可以是多样的，可以根据高中频光子变频的镜像抑制需求而灵活选取，可以采用各种类型的固定电滤波器和可调谐电滤波器。一种典型的低成本高性能频段预选滤波器的构成方式为宽带低通电滤波器组。相应地，参见图8A，以检测1GHz～40GHz超宽带电磁频谱信号为例，典型的频段预选滤波器配置为：将输入的超宽带电磁频谱信号预选滤波为三个待检测的宽带频段，低频段(例如<14GHz)、中频段(例如14GHz～27GHz，其与前述高中频、低中频的频率范围无关)和高频段(例如27GHz～40GHz)。

在本发明实施例中，光载波产生与分配单元包含载波激光器和光分束器。载波激光器用于输出单频光载波，该单频光载波用以在电光上变频单元和光本振产生单元中作为光载波，承载射频信号和一级变频本振信号。电光上变频单元包括：第一光偏振控制器和第一电光调制器。其中，第一光偏振控制器用于：在载波激光器与第一电光调制器之间连接非保偏光纤的情况下，使光载波信号的偏振方向与第一电光调制器的偏振输入要求相匹配；第一电光调制器用于将射频信号调制在光载波信号上，形成光载射频信号。

实际应用中，预处理单元和载波激光器分别与电光上变频单元的信号输入端口和光输入端口相连接。电光上变频单元的作用是利用内部器件的电光调制过程，将预处理单元输出的射频信号上变换到载波激光器输出的单频光载波上。载波激光器与电光上变频单元之间可以添加光偏振控制器、光放大器等器件，预处理单元的射频信号输出端口与电光上变频单元4之间可以加入电放大器、电衰减器、电分路器等器件，以优化链路性能。在电光上变频单元中(参见图6、图7)，第一电光调制器的类型包括但不限于电光强度调制器、电光偏振调制器、电光IQ调制器、电光相位调制器等，一般具有多个输入和输出端口。在本发明实施例中，最典型的电光调制器为单驱马赫曾德尔电光强度调制器(SD-MZM)，其具有1个信号输入端口、1个偏置电压控制端口、1个光输入端口和1个光输出端口。以SD-MZM为例，管理与控制单元输出偏置控制电压，以控制电光上变频单元工作在最优工作点。电光上变频单元与光子预处理单元相连接，第一光偏振控制器是可选的，如果载波激光器与第一电光调制器之间连接的是非保偏光纤，则需要使用第一光偏振控制器，其目的是使光载波信号的偏振方向与第一电光调制器的偏振输入要求相匹配。如果使用的是保偏光纤，则不需要使用第一光偏振控制器。

作为一个优选方案，超外差光子射频接收系统进一步包括：连接在电光上变频单元与光电下变频单元之间的光子预处理单元，光子预处理单元可以包括：多通道光分路器件、多通道光合路器件、第一光放大器和第一光滤波器。其中，多通道光分路器件将光载射频信号分路为预设的第二数量的光通道以执行开关选择，第一光滤波器对光通道中的光信号进行滤波，第一光放大器用于执行光信号预放大，多通道光合路器件对一个或多个光通道中的光信号进行合路后向光电下变频单元输出。

较佳地，多通道光分路器件可以是光开关或光分路器，多通道光合路器件可以是光开关或光合路器，为了进行光通道的开关选择，多通道光分路器件和多通道光合路器件中的至少之一为光开关。就是说，多通道光分路器件和多通道光合路器件可以都是光开关；也可以多通道光分路器件是光开关、多通道光合路器件是光合路器；还可以多通道光分路器件是光分路器、多通道光合路器件是光开关，但是不允许多通道光分路器件是光分路器、同时多通道光合路器件是光合路器。

参见图3，在光子预处理单元的典型构成中，多通道光分路器件的作用是将输入的光载射频信号分路为若干光通道，并依照管理与控制单元输出的控制命令对光通道进行开关选择。多通道光合路器件的作用是依照管理与控制单元输出的控制命令将某个光通道的光载射频信号导通给光载射频信号输出端口。以上光通道的数量可以按照接收机预选频段划分数量进行设置，本发明中典型的光通道数量为3个通道，第一光放大器的作用是放大由光载射频信号输入端口输入的光载射频信号的功率，其连接位置比较灵活，典型的连接位置位于光载射频信号输入端口与多通道光分路器件之间，也可以位于多通道光分路器件与第一光滤波器之间，或第一光滤波器与多通道光合路器件之间，或多通道光合路器件与光载射频信号输出端口之间。第一光滤波器的作用是对输入的光载射频信号进行光频段预选滤波，以进一步抑制镜像信号，同时也能够抑制宽带光噪声。第一光滤波器的器件选型可以是多样的，可以根据高中频光子变频的镜像抑制需求而灵活选取，可以采用各种类型的固定光滤波器和可调谐光滤波器。一种典型的光滤波器为宽带带通光滤波器组。例如，3组光滤波器中心频率间隔为13GHz，带宽为15GHz，分别对调制在频率为f_c的光载波上的射频信号，即光载射频信号，进行分段光滤波(参见图8C)。在具体实施例或实际应用过程中，是否使用光子预处理单元，或者如何使用，是比较灵活的。如果预处理单元能够有效达到高的镜像抑制滤波，并且在1级变频过程中的变频杂散很小，则光子预处理单元的多通道光分路器件、多通道光合路器件、第一光滤波器可以取消，仅保留第一光放大器。如果电光上变频单元输出的光载射频信号功率满足光电下变频单元的性能要求，则光子预处理单元的第一光放大器可以取消。

在本发明实施例中，光电下变频单元包括：光耦合器和第一光电探测器。其中，光耦合器用于将光载射频信号与光本振信号进行光耦合；经过光耦合的光载射频信号与光本振信号在第一光电探测器发生拍频，形成高中频电信号。

参见图4，光电下变频单元还具有光载射频信号输入端口、光本振信号输入端口以及高中频电信号输出端口，必要时也可以添加其它的输入输出端口。光载射频信号输入端口与光子预处理单元的光载射频信号输出端口连接，光本振信号输入端口与光本振产生单元的输出端口相连接。光耦合器的作用是将光载射频信号输入端口输入的光载射频信号与光本振信号输入端口输入的光本振信号进行光耦合，典型的光耦合器是180°光耦合器，还可以是90°光耦合器。一般地，当采用180°光耦合器时，有1个或者2个输出端口与第一光电探测器相连接。当采用90°光耦合器时，有2个或者4个输出端口与第一光电探测器相连接。第一光电探测器的作用是使光本振信号与光载射频信号在第一光电探测器上发生拍频，实现光载射频信号到高中频电信号的下变换。第一光电探测器一般采用高速光电探测器，典型带宽为20GHz，可以是单输入端口的光电探测器，也可以是双输入端口的光电平衡探测器，还可以是4个输入端口的并联平衡探测器，可以按照系统实际架构进行选择搭配。典型的光电下变频单元的构成为，双输入双输出180°光耦合器和双输入光电平衡探测器。

在本发明实施例中，高中频下变频单元可以采用光子变频方式或者电变频方式。如果采用电变频方式，则参见图5和图6，高中频下变频单元包括：二级变频混频器、高中频放大器、高中频滤波器和第一滤波器。其中，第一滤波器为低通滤波器或者带通滤波器，高中频放大器用于对高中频电信号进行放大，高中频滤波器用于对高中频电信号进行滤波；二级变频混频器用于将高中频电信号与二级电本振信号进行混频；第一滤波器用于对经过混频的信号进行滤波，形成低中频电信号或基带信号。

如果高中频下变频单元采用光子变频方式，则参见图7，高中频下变频单元包括：二级变频激光器、第四光偏振控制器、第三电光调制器、第二光电探测器和第一滤波器。其中，第一滤波器为低通滤波器或者带通滤波器，二级变频激光器用于产生单频光载波；第四光偏振控制器用于：在二级变频激光器与第三电光调制器之间连接非保偏光纤的情况下，使单频光载波的偏振方向与第三电光调制器的偏振输入要求相匹配；第三电光调制器用于将高中频电信号和二级电本振信号调制在单频光载波；经过该调制的信号在第二光电探测器发生拍频，并经过第一滤波器形成低中频电信号或基带信号。

实际应用中，高中频下变频单元进一步包括高中频电信号输入端口、信号输出端口和控制信号端口，必要时也可以添加其它输入输出端口。高中频放大器的作用是放大从光电下变频单元输出的高中频电信号，典型器件为固定增益的低噪声放大器，必要时可以采用增益可调放大器，并按照控制信号端口输入的命令调整高中频放大增益。高中频放大器输出的高中频信号经过高中频滤波器滤波，输入给二级变频混频器。高中频滤波器的作用是在二级变频混频器之前，滤除潜在的镜像杂散频段和互调杂散频段，典型的高中频滤波器为固定中心频率的带通电滤波器。为了进一步抑制从第一光电探测器输出到高中频放大器之间的杂散，可选地在高中频电信号输入端口与高中频放大器之间再添加一级高中频滤波器。为了优化二级变频混频器的工作状态，必要时可以在高中频电信号输入端口与高中频放大器之间，或高中频放大器与高中频滤波器之间，或高中频滤波器与二级变频混频器之间添加可调衰减器。二级变频混频器的作用是利用二级变频本振源输出的二级电本振信号，经二级变频混频器将高中频滤波器输出的高中频电信号下变频到基带或低中频。二级变频混频器可以是任何满足高中频下变频参数要求的电混频器，二级变频混频器的典型器件为三端口电混频器，包括1个高中频信号输入端口、1个二级电本振信号输入端口和一个信号输出端口。第一滤波器的作用是导通二级变频混频器输出的基带信号或低中频电信号，并滤除其它带外杂散信号。

参见图6或图7，在本发明实施例中，光本振产生单元包括：第二电光调制器、第二光放大器、第二光滤波器、第二光偏振控制器和第三光偏振控制器。其中，第二电光调制器用于将一级电本振信号调制在光载波上，形成光本振信号；第二光放大器用于光信号放大，第二光滤波器用于光信号滤波；第二光偏振控制器用于：在光载波产生与分配单元与第二电光调制器之间连接非保偏光纤的情况下，使光载波信号的偏振方向与第二电光调制器的偏振输入要求相匹配；第三光偏振控制器用于：在第二电光调制器与光电下变频单元之间连接非保偏光纤的情况下，使光本振信号的偏振方向与光载射频信号的偏振方向相匹配。

具体应用中，光本振产生单元的作用是产生光本振信号，用以在超外差光子射频接收系统的一级变频环节，将光载射频信号下变频到高中频。在光本振产生单元中，第二电光调制器的类型包括但不限于电光强度调制器、电光偏振调制器、电光IQ调制器、电光相位调制器等，一般具有多个输入和输出端口。在本发明实施例中，最典型的电光调制器的类型和使用方式与第一电光调制器相同。光本振产生单元与载波激光器的光分束器相连接，其输出端与光耦合器相连接。一级变频本振源产生频率为f_LO的可调谐单频电本振信号(即一级电本振信号)，该信号经第二电光调制器上变换到光载波上，成为光本振，其频率为f_C±f_LO，一种典型的本振使用方式是选择光载波正频段信号作为光本振，频率为f_C+f_LO。第二光放大器的目的是放大光本振信号，使之满足1级变频的本振功率要求，一般选用固定增益的光放大器。第二光滤波器的目的是从光本振信号中提取所需的光本振信号，滤除光载波和其它杂散信号，并一定程度上抑制第二光放大器的自发辐射噪声。第二光放大器和第二光滤波器的位置不是固定的，可以按照系统设计需要进行互换。第二光偏振控制器与第三光偏振控制器是可选的，第二光偏振控制器的作用是使输入的光载波信号偏振方向与第二电光调制器的偏振输入要求相匹配，第三光偏振控制器的作用是使输出的光本振信号偏振方向与光载射频信号偏振方向相匹配。如果光载波产生与分配单元与第二电光调制器之间连接的是非保偏光纤，则需要使用第二光偏振控制器，否则将不需要使用第二光偏振控制器。如果第二光滤波器与光耦合器之间连接的是非保偏光纤，则需要使用第三光偏振控制器，否则将不需要使用第三光偏振控制器。

在本发明的一个实施例中，典型工作模式是低中频输出模式，其中高中频下变频单元的典型工作状态是将高中频电信号下变频为低中频电信号并输出，此时输出的是单路实信号。本发明也可以是基带输出模式，其中高中频下变频单元的典型工作状态是将高中频电信号下变频到基带并输出，此时输出的是I路和Q路的复信号，可以理解，I路和Q路分别表示同相和正交。

在以上单元中，第一光滤波器、第二光滤波器可以是宽带固定光滤波器，频段预选滤波器、高中频滤波器和低通滤波器可以是宽带固定电滤波器，这有助于简化预处理单元和光子预处理单元，只需使用少量的低成本滤波器，能够在实现良好的镜像等杂散抑制的同时，显著降低系统复杂度、成本和体积，从而解决传统纯电接收机架构和当前微波光子接收架构中需要采用复杂的电或光可调谐滤波器，或复杂笨重的电或光窄带固定滤波器组的问题，并且使得系统在变频带宽和变频范围等方面，具有更大的灵活性。

在本发明实施例中，超外差光子射频接收系统可以进一步包括管理与控制单元，其用于对光载波产生与分配单元、预处理单元、电光上变频单元、光子预处理单元、光电下变频单元、高中频下变频单元、光本振产生单元、一级变频本振源和二级变频本振源进行功能管理、参数控制及供电。具体地，管理与控制单元的主要作用是对接收机整体、各个功能单元和具体器件进行功能管理和参数控制，包括接收信号的中心频率(相应的滤波器选择、1级变频和2级变频的频率选择等)，接收信号的功率控制(增益或衰减)，各个开关器件的选择与通断，各电光调制器的偏压控制，各个器件和节点的状态参数监测，载波激光器的稳定性控制与锁定，光滤波器的稳定性控制，信号均衡与补偿，器件的供电等。

图6是本发明实施例中超外差光子射频接收系统的第一整体结构示意图，在该结构中，高中频下变频单元采用电变频方式。如图6所示，射频信号经信号输入端口输入超外差光子射频接收系统，射频可调衰减器对输入的射频信号进行功率预调整，大功率输入信号进行大的功率衰减，小功率输入信号进行小功率衰减或不进行衰减。射频可调衰减器的输出信号经多通道电分路器件选择预处理通道后，经电预放大器放大，然后经频段预选滤波器预选滤波，再经由多通道电合路器件选择预处理通道后进入第一电光调制器，进行射频信号到光载波的上变换。单频光载波由载波激光器产生，经光分束器分成两路，其中主路光载波经由第一光偏振控制器进行偏振调整，以匹配第一电光调制器的偏振输入方向。子路光载波经由第二光偏振控制器进行偏振调整，以匹配第二电光调制器的偏振输入方向。主路光载波在第一电光调制器上经射频信号调制，产生光载射频信号。第一光放大器对光载射频信号进行放大，其输出的光载射频信号经多通道光分路器件选择光通道后，经第一光滤波器进行频段滤波，再经由多通道光合路器件选择光通道后输出到180°光耦合器。光本振由光本振产生单元产生，频率依照接收系统变频频段的位置要求，进行相应的设置。光本振输入到180°光耦合器，与光载射频信号进行光耦合。180°光耦合器输出两路光耦合信号，分别进入第一光电探测器的两个输入端口。光耦合信号中的光本振与光载射频信号在第一光电探测器上发生拍频，将光载射频信号下变换到高中频。高中频电信号经高中频放大器放大，以及高中频滤波器带通滤波后，进入二级变频混频器，被二级变频本振源下变频到低中频。二级变频本振源由管理与控制单元控制。

在实际应用过程中，所采用的各个单元和器件的选型、连接方式是灵活的。例如，电预放大器可以置于多通道电分路器件与射频可调衰减器之间，也可以置于频段预选滤波器与多通道电合路器件之间，或多通道电合路器件与第一电光调制器之间，或者在电预放大器与多通道电分路器件之间再补充添加一组必要的电频段预选滤波器；双端口输出的180°光耦合器可以采用单端口输出，而第一光电探测器也可以采用单端口输入的光电探测器；如第一光电探测器前端的光信号杂散性能和功率预算满足要求，则光子预处理单元可以省略，或者其中的部分器件可以省略。

图7是本发明实施例中超外差光子射频接收系统的第二整体结构示意图，在该结构中，高中频下变频单元采用光子变频方式，其它部分与图6结构相似。如图7所示，二级变频本振源产生的二级电本振信号与高中频电信号经第三电光调制器调制到同一单频光载波上。该光载波由二级变频激光器产生。调制后的光载信号经第二光电探测器进行光电下变换，实现高中频到低中频或基带的下变频。具体地，二级变频激光器输出单频光载波信号，经第四光偏振控制器的偏振控制后，输入到第三电光调制器，进行高中频电信号和二级电本振信号的电光上变换。第三电光调制器的两个射频输入端口分别输入高中频电信号和二级电本振信号，其输出的光载信号在单端口光电探测器(第二光电探测器)上相干拍频，拍频信号经第一滤波器滤波后，输出低中频电信号。第三电光调制器的典型器件为双端口驱动的平行马赫曾德尔调制器(DD-MZM)，也可以采用其它类型满足高中频电信号和二级电本振信号上变换到光载波的电光调制器，例如级联或并联电光相位调制器、级联或并联电光强度调制器、双端口输出的IQ调制器等；第二光电探测器也可以采用其它类型的光电探测器，例如平衡光电探测器等。如果二级变频激光器到第三电光调制器之间是保偏光纤连接，则第四光偏振控制器可以取消。

以下结合图8A到图8G说明本发明的技术原理。图8A是本发明实施例的待接收的射频信号示意图；图8B是本发明实施例的预处理单元处理后的射频信号示意图；图8C是本发明实施例的光载射频信号示意图；图8D是本发明实施例的光本振信号示意图；图8E是本发明实施例的光本振信号与光载射频信号耦合以及高中频电信号形成示意图；图8F是本发明实施例的高中频下变频示意图；图8G是本发明实施例的低中频电信号示意图。

以本发明的一种典型实施方式为例，其典型技术架构、器件类型、连接方式和主要技术原理如图6所示。输入射频信号的频谱如图8A所示(对应于图6和图7中的位置A)，各频段分别为：低频段(<14GHz)、中频段(14GHz～27GHz)和高频段(27GHz～40GHz)。经预处理单元2处理后的信号频谱如图8B所示(对应于图6和图7中的位置B)，其中低频段和高频段信号被有效抑制，使得在超外差光子射频接收系统的1级变频过程中，低频段或高频段信号无法带来镜像干扰。预处理后的射频信号随后进入超外差光子射频接收系统的1级变频过程，主要包含三个环节：①电光上变换，②光子预处理，和③光电下变换。

①电光上变换环节：

经预处理单元输出的信号(频率为f_RF)经由电光上变频单元中的第一电光调制器，上变换到载波激光器产生的频率为f_c的单频光载波上，如图8C所示(对应于图6和图7中的位置C)。光载射频信号可以表示为

其中对幅度进行了归一化，f_c+f_RF和f_c-f_RF分别为光载波正负频带上的信号频率。

②光子预处理环节：

电光上变频单元输出的光载射频信号进入光子预处理单元进行信号放大、滤波等处理，其中光载波的负频段信号和正频段中的干扰频段经第一光滤波器被进一步滤除，输出的光载射频信号表示为

其中f_c+f_RF为光载波正频带上的信号频率。

③光电下变换环节：

光本振产生单元中频率为f_LO的一级电本振信号电光调制光载波产生双边带光本振信号(对应于图6和图7中的位置D)，表示为

经第二光滤波器后仅保留单个边带光本振，例如光载波正频带的一阶光本振边带，如图8D所示，表示为

该光本振信号与光子预处理单元输出的光载射频信号在180°光耦合器上耦合(对应于图6和图7中的位置E)，耦合信号频谱如图8E(图8E的中频段信号为光载射频信号)所示。光耦合器两个端口输出的耦合信号表示为

其中对光本振信号和光载射频信号的幅度进行了归一化。两路耦合信号在第一光电探测器上相干拍频，实现光载射频信号到高中频电信号的下变换(对应于图6和图7中的位置F)，其频谱如图8E所示，表示为

I∝E^lX(E¹)*-E²X(E²)*

∝2cos((2π((f_e+f_LO)-(f_e+f_RF))t)

其中高中频的频率为f_sig＝f_LO-f_RF。环节③结束，即已完成1级变频过程。本发明实施例中，1级变频的光本振频率选择是灵活的，可以位于光载射频信号的正频带，也可以在负频带。一般依照不同的输入信号频段位置和一级电本振信号的可调谐范围，对光本振的频率位置进行合理的配置。上述推导过程和图8E所示，为一种典型的1级变频光本振频率配置方式，其位于光载射频信号的正频带。

在一个实施例中，预处理单元和1级变频的典型参数设置如下：高中频频率的典型值为8GHz；频段预选滤波器的典型参数为：通道1为低通滤波器，截止频率15GHz，带外抑制>70dB；通道2为带通滤波器，截止频率13～28GHz，带外抑制>70dB；通道3为高通滤波器，截止频率26GHz，带外抑制>70dB(通道1-3为预处理通道，从上向下排列)；第一光滤波器的典型参数为：3dB通带宽度15GHz，带外抑制比>30dB，3个第一光滤波器的中心频率间隔13GHz；第一电光调制器的典型器件为单驱马赫曾德尔电光强度调制器(SD-MZM)，3dB带宽40GHz；第一光电探测器的典型3dB带宽为20GHz。

如图8F所示，高中频电信号经过高中频滤波器带通滤波后，在2级变频过程中可能产生镜像干扰和互调干扰的信号频段将被滤除。输出的高中频电信号与二级变频本振源输出的频率为f′_LO的二级电本振信号在二级变频混频器上进行混频，实现高中频电信号f_sig到低中频电信号f′_sig的下变频。2级变频过程表示为

等式右边第一项为2级变频的差频项，第二项为和频项。经过低通滤波器(或低中频带通滤波器)滤波后，和频项被滤除，差频项即为所需的低中频电信号f′_sig＝f_LO-f_RF-f′_LO得以导通输出，其频谱如图8G所示(对应于图6和图7中的位置G)。本发明实施例中，2级变频的电本振频率选择是灵活的，可以位于高中频电信号的正频带，也可以在负频带。上述推导过程和图8F及8G所示，为一种典型的2级变频电本振频率配置方式，是位于高中频电信号的负频带。

需要说明的是，图8A、图8B、图8C、图8E、图8F中存在不同灰度和不同形状的填充区域，这些填充区域代表不同频率位置的输入信号，灰度最高的填充区域(一般为矩形，灰度为255)通常为图中的主要信号。

以下结合图9A到图9D说明本发明的一个具体示例。图9A为中心频率在24.5GHz的双音输入信号，频率间隔为100MHz。经过预处理单元处理后调制到频率为193.1THz的光载波上。光载波正频带的光载射频信号的频率为193.1245THz±50MHz。光载射频信号经过光子预处理单元后，在180°光耦合器上与频率为193.1325THz的光本振耦合，耦合信号光谱如图9B所示(图9B中的Δ表示横坐标的频率值)。耦合信号中的光载射频信号与光本振在第一光电探测器上发生相干拍频，使得光载射频信号被下变换到高中频，高中频频谱如图9C所示，双音中心频率为8GHz。二级变频本振源在二级变频混频器上将高中频电信号下变频到低中频，低中频频谱如图9D所示。二级电本振信号频率为6.5GHz，相应地，低中频频段的中心频率为1.5GHz。在以上示例中，光载射频信号的频率为射频信号频率与光载波信号频率之和，光本振信号的频率为一级电本振信号频率与光载波信号频率之和，高中频电信号的频率为一级电本振信号频率与射频信号频率之差，低中频电信号的频率为高中频电信号频率与二级电本振信号频率之差。

综上所述，在本发明实施例的技术方案中，提出了超外差光子变频技术，替代传统接收机架构中的全电变频技术和当前微波光子接收机架构中的光子变频技术，尤其替代普遍采用的零中频或低中频光子变频技术。超外差光子变频技术包含两级变频过程，分别是第1级光子变频，将任意频段的射频信号变频到固定的高中频，第2级变频(可以是光子变频也可以是电变频)将高中频信号下变频到低中频或基带。以上超外差光子变频技术具有超宽频谱的射频信号变频能力、大瞬时带宽(典型值500MHz)、良好的镜像和互调等杂散抑制(>70dB)、超宽带一致性好等优势，极大解决了传统接收机架构和当前微波光子接收机架构中变频技术的若干技术瓶颈。此外，本发明简化了预处理单元，由于本发明中所采用的电滤波器和光滤波器可以是宽带固定滤波器，数量少，成本低，能够在实现良好的镜像等杂散抑制的同时显著降低系统复杂度、成本和体积。因此解决了传统纯电接收机架构和当前微波光子接收架构中需要采用复杂的电或光可调谐滤波器，或复杂笨重的电或光窄带固定滤波器组的问题，并且使得系统在变频带宽和变频范围等方面具有更大的灵活性。

Claims (7)

1.一种超外差光子射频接收系统，其特征在于，包括：光载波产生与分配单元、电光上变频单元、光电下变频单元、高中频下变频单元、光本振产生单元、一级变频本振源和二级变频本振源；

所述电光上变频单元将待接收的射频信号调制在所述光载波产生与分配单元输出的光载波信号上，形成光载射频信号；所述光电下变频单元根据所述光本振产生单元输出的光本振信号将所述光载射频信号变换为高中频电信号；其中，所述光本振信号是所述光本振产生单元将所述一级变频本振源产生的一级电本振信号调制在所述光载波信号上形成的；

所述高中频下变频单元根据所述二级变频本振源产生的二级电本振信号将所述高中频电信号变换为低中频电信号或基带信号之后输出；

所述系统进一步包括：与所述电光上变频单元连接的预处理单元；所述预处理单元包括：多通道电分路器件、多通道电合路器件、电预放大器和频段预选滤波器；

其中，所述多通道电分路器件将待接收的所述射频信号分路为预设的第一数量的预处理通道以执行开关选择，所述频段预选滤波器对所述预处理通道中的信号进行滤波，所述电预放大器用于执行信号预放大，所述多通道电合路器件对所述预处理通道中的信号进行合路后向所述电光上变频单元输出；

所述多通道电分路器件包括：射频开关或电分路器；所述多通道电合路器件包括：射频开关或电合路器；所述多通道电分路器件和所述多通道电合路器件中的至少之一为射频开关；

所述系统进一步包括：连接在所述电光上变频单元与所述光电下变频单元之间的光子预处理单元，所述光子预处理单元包括：多通道光分路器件、多通道光合路器件、第一光放大器和第一光滤波器；

其中，所述多通道光分路器件将所述光载射频信号分路为预设的第二数量的光通道以执行开关选择，第一光滤波器对所述光通道中的光信号进行滤波，第一光放大器用于执行光信号预放大，所述多通道光合路器件对所述光通道中的光信号进行合路后向所述光电下变频单元输出；

所述多通道光分路器件包括：光开关或光分路器；所述多通道光合路器件包括：光开关或光合路器；所述多通道光分路器件和所述多通道光合路器件中的至少之一为光开关。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光电下变频单元包括：光耦合器和第一光电探测器；其中，

所述光耦合器用于将所述光载射频信号与所述光本振信号进行光耦合；

经过所述光耦合的所述光载射频信号与所述光本振信号在第一光电探测器发生拍频，形成所述高中频电信号。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光本振产生单元包括：第二电光调制器、第二光放大器和第二光滤波器；其中，

第二电光调制器用于将所述一级电本振信号调制在所述光载波信号上，形成所述光本振信号；第二光放大器用于光信号放大，第二光滤波器用于光信号滤波。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述高中频下变频单元包括：二级变频混频器、高中频放大器、高中频滤波器和第一滤波器；其中，

第一滤波器为低通滤波器或带通滤波器；

所述高中频放大器用于对所述高中频电信号进行放大，所述高中频滤波器用于对所述高中频电信号进行滤波；

所述二级变频混频器用于将所述高中频电信号与所述二级电本振信号进行混频；第一滤波器用于对经过所述混频的信号进行滤波，形成所述低中频电信号或所述基带信号。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述高中频下变频单元包括：二级变频激光器、第三电光调制器、第二光电探测器和第一滤波器；其中，

第一滤波器为低通滤波器或带通滤波器；

所述二级变频激光器用于产生单频光载波；

第三电光调制器用于将所述高中频电信号和所述二级电本振信号调制在所述单频光载波；经过该调制的信号在第二光电探测器发生拍频，并经过第一滤波器形成所述低中频电信号或所述基带信号。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括：管理与控制单元，用于对所述光载波产生与分配单元、所述预处理单元、所述电光上变频单元、所述光子预处理单元、所述光电下变频单元、所述高中频下变频单元、所述光本振产生单元、所述一级变频本振源和所述二级变频本振源进行功能管理、参数控制及供电。

7.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述低中频电信号为单路实信号，所述基带信号为I路和Q路的复信号；

第一光滤波器、第二光滤波器包括固定光滤波器和可调谐光滤波器，所述频段预选滤波器、所述高中频下变频单元中的高中频滤波器和第一滤波器包括固定电滤波器；

所述光载射频信号的频率为所述射频信号频率与所述光载波信号频率之和，所述光本振信号的频率为所述一级电本振信号频率与所述光载波信号频率之和，所述高中频电信号的频率为所述一级电本振信号频率与所述射频信号频率之差，所述低中频电信号的频率为所述高中频电信号频率与所述二级电本振信号频率之差。