CN115580354A - 一种基于光频梳的低杂散上变频系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光频梳的跨频程低杂散上变频系统及方法，属于通信技术领域。该系统包括激光器、第一微波源、第二微波源、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第一相位调制器、第二相位调制器、光滤波器、双平行马赫‑增德尔强度调制器、90°混频器、光电探测器、电滤波器、跨阻放大器，其通过级联相位调制器时实现光频梳的产生，能够提供丰富的频谱资源，结合双平行马赫‑增德尔调制器的载波抑制单边带调制与外差检测，可实现低杂散高效率下变频。

Description

一种基于光频梳的低杂散上变频系统及方法
技术领域
本发明属于微波光子、通信、信号处理等技术领域，具体涉及一种基于光频梳的跨频程低杂散上变频系统及方法。
背景技术
随着社会信息化进程的加快和无线通信需求的爆发式增长，无线电频谱的低频资源愈发紧张，因此对高频微波波段的应用越发受到重视。通过将低频信号变频到高频信号进行传输，可以有效避免基带杂散信号的干扰、增加信息携带量以及实现远距离传输。但是传统微波变频方法采用基于CMOS微波变频器实现，随着变频频率的提高，受制于变频器件自身的性能，导致变频转化效率、噪声等方面指标大大降低，因此很难实现低频信号到20GHz以上的高频程信号变频工作。
针对这一问题，微波光子技术可以将微波与光子学相结合，利用光子学中大带宽、低损耗和抗电磁干扰等优势来突破电子瓶颈，解决电域中上变频的性能局限。通过电-光和光-电转换，将电域信号转换到光域进行上变频处理，充分利用光子学的优势，实现超宽带一次变频、高隔离度和超低损耗传输，无论是在测控通信、电磁频谱战、卫星通信等方面都有着广泛的应用前景。
目前，基于微波光子的变频方法主要可以分为双边带微波光子频率变换、载波抑制双边带微波光子频率变换、载波抑制单边带微波光子变换和基于本振多倍频的微波光子频率变换。其中，双边带、载波抑制双边带和载波抑制单边带的方法都无法实现多倍频变频，为了实现高频率变频，只能通过提高本振微波信号频率的方式，因此这些方案对微波源要求很高，造成系统成本的提升。基于本振多倍频的微波光子频率变换虽然可以利用多载波信号实现跨频程的变频，降低对微波源的要求，但是需要利用光电探测器进行低阶边带的拍频，从而实现多倍频的变频，而此时不同的调制边带之间也会互相进行拍频，从而产生过多的杂散信号，造成输出信号中有过多的干扰信号。因此，如何基于微波光子技术，实现微波信号的低杂散跨频程变频方法是亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光频梳的低杂散上变频系统及方法，能够解决现有技术中跨频程和低杂散无法兼顾的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于光频梳的低杂散上变频系统，包括激光器、第一微波源、第二微波源、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第一相位调制器、第二相位调制器、光滤波器、双平行马赫-增德尔强度调制器、90°混频器、光电探测器、电滤波器、跨阻放大器；
激光器产生的载波光束经第一耦合器分为两路，一路给到第一相位调制器，另一路给到第三耦合器；
第一微波源产生的本振信号经第二耦合器分为两路，一路给到第一相位调制器，另一路给到第二相位调制器；
第一相位调制器将第二耦合器传来的本振信号调制到第一耦合器传来的载波光束上，产生功率不断降低的多阶边带，然后将调制后的载波光束传给第二相位调制器；
第二相位调制器将第二耦合器传来的本振信号调制到第一相位调制器传来的载波光束上，调节第一相位调制器和第二相位调制器的相位偏移，从而调平各阶边带，然后通过光滤波器滤出所需的边带，并将载波光束传给双平行马赫-增德尔强度调制器；
第二微波源产生待上变频的低频信号，该信号经90°混频器后变成相位差为90°的两个射频信号，传给双平行马赫-增德尔强度调制器；
双平行马赫-增德尔强度调制器通过载波抑制单边带调制将上变频的低频信号调制到所需滤出的边带上；
第三耦合器将双平行马赫-增德尔强度调制器输出的单边带调制信号与第一耦合器传来的载波光束耦合成一路，然后传给光电探测器；
光电探测器采用光外差探测的方法产生拍频，实现光电转换，产生高频射频信号；
电滤波器和跨阻放大器依次对高频射频信号进行滤波和放大。
一种基于光频梳的低杂散上变频方法，基于如上所述的基于光频梳的低杂散上变频系统实现，包括以下步骤：
将激光器产生的载波光束经第一耦合器分为两路，一路给到第一相位调制器，另一路给到第三耦合器；
将第一微波源产生的本振信号经第二耦合器分为两路，一路给到第一相位调制器，另一路给到第二相位调制器；
通过第一相位调制器将第二耦合器传来的本振信号调制到第一耦合器传来的载波光束上，产生功率不断降低的多阶边带，然后将调制后的载波光束传给第二相位调制器；
通过第二相位调制器将第二耦合器传来的本振信号调制到第一相位调制器传来的载波光束上，调节第一相位调制器和第二相位调制器的相位偏移，从而调平各阶边带，然后通过光滤波器滤出所需的边带，并将载波光束传给双平行马赫-增德尔强度调制器；
通过第二微波源产生待上变频的低频信号，该信号经90°混频器后变成相位差为90°的两个射频信号，传给双平行马赫-增德尔强度调制器；
使用双平行马赫-增德尔强度调制器，通过载波抑制单边带调制将上变频的低频信号调制到所需滤出的边带上；
通过第三耦合器将双平行马赫-增德尔强度调制器输出的单边带调制信号与第一耦合器传来的载波光束耦合成一路，然后传给光电探测器；
使用光电探测器，采用光外差探测的方法产生拍频，实现光电转换，产生高频射频信号；
通过电滤波器和跨阻放大器依次对高频射频信号进行滤波和放大，完成上变频。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明在低频信号上变频的过程中，通过利用光频数所产生的丰富的光域资源跨频程上变频，降低了对本振源频率的要求。
2、本发明通过结合载波抑制单边带调制技术，避免了不同边带之间的拍频，保证上变频信号纯净没有杂散信号，提高了频谱纯净度。
3、本发明通过调节微波源的频率或者滤出不同的光频梳边带，可以实现对于不同频段的上变频覆盖。
总之，本发明通过级联相位调制器时实现光频梳的产生，能够提供丰富的频谱资源，结合双平行马赫-增德尔调制器的载波抑制单边带调制与外差检测，可实现低杂散高效率下变频。
附图说明
图1为本发明实施例系统的结构示意图。
图2为本发明实施例中单相位调制器调制产生的边带图。
图3为本发明实施例中双相位调制器调制产生的边带图。
图4为本发明实施例的上变频效果图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员能够更加清晰地了解本发明的具体内容，下面将结合附图对本发明做进一步的详细描述。
如图1所示，一种基于光频梳的低杂散上变频系统，包括激光器、第一微波源、第二微波源、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第一相位调制器、第二相位调制器、光滤波器、双平行马赫-增德尔强度调制器、90°混频器、光电探测器、电滤波器、跨阻放大器和天线；
激光器产生的载波光束经第一耦合器分为两路，一路给到第一相位调制器，另一路给到第三耦合器；
第一微波源产生的本振信号经第二耦合器分为两路，一路给到第一相位调制器，另一路给到第二相位调制器；
第一相位调制器将第二耦合器传来的本振信号调制到第一耦合器传来的载波光束上，产生功率不断降低的多阶边带，然后将调制后的载波光束传给第二相位调制器；
第二相位调制器将第二耦合器传来的本振信号调制到第一相位调制器传来的载波光束上，调节第一相位调制器和第二相位调制器的相位偏移，从而调平各阶边带，然后通过光滤波器滤出所需的边带，并将载波光束传给双平行马赫-增德尔强度调制器；
第二微波源产生待上变频的低频信号，该信号经90°混频器后变成相位差为90°的两个射频信号，传给双平行马赫-增德尔强度调制器；
双平行马赫-增德尔强度调制器通过载波抑制单边带调制将上变频的低频信号调制到所需滤出的边带上；
第三耦合器将双平行马赫-增德尔强度调制器输出的单边带调制信号与第一耦合器传来的载波光束耦合成一路，然后传给光电探测器；
光电探测器采用光外差探测的方法产生拍频，实现光电转换，产生高频射频信号；
电滤波器用于将上变频信号从中滤出，跨阻放大器用于实现功率放大，提高上变频转化效率，从而实现跨频程的上变频功能；
最后，通过天线进行发射。
本系统中，第一相位调制器用于获得各阶边带信号，级联的第二相位调制器用于获得平坦的多阶边带。通过光滤波器滤出所需边带，接着使用双平行马赫-增德尔调制器，经载波抑制单边带调制，可将低频信号调制到滤出的边带上。使用第三耦合器将调制之后的光与光载波耦合成一路，经光电探测器拍频接收，通过光电转换生成高频信号。第三耦合器采用了外差检测的方式，可提高上变频增益。最后，利用电滤波器，选择对应上变频信号滤出，使用跨阻放大器，将上变频信号进行放大，从而进一步提高上变频增益。
可见，该系统利用级联相位调制器、双平行马赫-增德尔强度调制器和光外差探测的配合，实现了跨频程低杂散的上变频。
采用上述系统，可实现基于光频梳的低杂散上变频。该方法首先使用耦合器将本振信号均分为两路，一路使用相位调制器将本振信号调制到光载波上，从而产生功率不断降低的多阶边带；随后将光载波输入至级联的相位调制器，使得另一路本振信号经相位调制器调制在光载波上，调节两个相位调制器的相位偏移，从而提高调平各阶边带；接着使用光滤波器滤出需要的边带，例如，将基带信号上变频至60GHz以上，如果使用的是20GHz微波源作为光频梳产生时的射频输入，即光频梳重频为20GHz，则需要滤出第三阶边带。然后，使用双平行马赫-增德尔强度调制器将待上变频的低频信号通过载波抑制单边带调制到所滤出的边带上，避免产生其他边带影响信号的纯净度。接着，再通过耦合器将该信号与光载波信号耦合成一路，经探测器接收后产生拍频，从而实现光电转换产生高频射频信号，完成低频信号的跨频程上变频功能。
该方法使用了光外差探测，可以提高变频增益，也可以通过EDFA掺铒光纤放大器进一步放大光载波功率，从而使得变频增益进一步提高。
以下为一个更具体的例子：
一种基于光频梳的低杂散上变频方法，包括以下步骤：
步骤1，确定激光器、微波源、相位调制器、功分器的参数：激光器为1550nm波段，高频、低频微波源信号分别为20Ghz、10MHz，功分器为50:50，两个相位调制器相移偏离都为180°；
步骤2，使用1550nm波段的激光器发出光载波，经过功分器分为两路，一路作为载波完成低频信号低杂散跨频程上变频，另一路作为相干检测光路。在上变频分路中，利用第一个相位调制器，将微波源发出的经功分器分功率后的20GHz微波信号经相位调制器，调制到1550nm波段的光信号上，产生功率递减的±6阶边带，参考图2；
步骤3，在第二路中，使用第二个相位调制器将20GHz微波信号再次调制到光信号上，使得功率更为平坦，提高整体功率，用于为频率变换提供丰富的光域资源，也可以提高上变频转换效率。随后，通过光滤波器将所需边带滤出；本实施例将10MHz基带信号上变频至60.01GHz，因此所选取的是正三阶边带，参考图3；
步骤4，使用双平行马赫-增德尔强度调制器将待上变频的10MHz信号通过载波抑制单边带调制方法调制到+3阶边带上。
步骤5，通过外差检测的方法，将上变频光路的光与分束的光进行耦合，通过光电探测器进行相干接收，从而完成外差检测功能，实现光电转换，生成60.01GHz的射频信号，从而仅使用20GHz的微波源，即可实现10MHz到60.1GHz的跨频程上变频，并且借由外差检测，进一步提高上变频转化效率。上变频效果图如图4所示；
步骤6，将上变频获得的高频信号，经过带通滤波器滤出，随后使用跨阻放大器组件，进行高频信号放大，从而提高整个系统的上变频增益，完成上变频功能。
总之，本发明通过级联两个相位调制器产生功率平坦其他各阶边带，使用光滤波器滤出对应上变频信号所需边带，如微波源选用20GHz时，如果想将基带信号上变频至60GHz以上，选用滤出地三阶边带，随后使用双平行马赫-增德尔强度调制器将射频信号通过载波抑制单边带技术调制到相应边带上，实现低频信号到高频信号的低杂散跨频程变频，经光电探测器与光载波进行外差探测实现光电转换，最后使用跨阻放大器对上变频信号进行放大，提高上变频增益，通过调节微波源频率或者滤出不同的边带，可以实现对于射频频段的覆盖。
本发明可以降低上变频过程中对高频微波源的要求，减少杂散信号，避免了以往变频方案中由于拍频引起的多余杂散信号，保证了输出频谱的纯净度，从而拓宽了基于微波光子的变频系统的应用范围。
以上所述仅为本发明在实施例中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于光频梳的低杂散上变频系统，其特征在于，包括激光器、第一微波源、第二微波源、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第一相位调制器、第二相位调制器、光滤波器、双平行马赫-增德尔强度调制器、90°混频器、光电探测器、电滤波器、跨阻放大器；
激光器产生的载波光束经第一耦合器分为两路，一路给到第一相位调制器，另一路给到第三耦合器；
第一微波源产生的本振信号经第二耦合器分为两路，一路给到第一相位调制器，另一路给到第二相位调制器；
第一相位调制器将第二耦合器传来的本振信号调制到第一耦合器传来的载波光束上，产生功率不断降低的多阶边带，然后将调制后的载波光束传给第二相位调制器；
第二相位调制器将第二耦合器传来的本振信号调制到第一相位调制器传来的载波光束上，调节第一相位调制器和第二相位调制器的相位偏移，从而调平各阶边带，然后通过光滤波器滤出所需的边带，并将载波光束传给双平行马赫-增德尔强度调制器；
第二微波源产生待上变频的低频信号，该信号经90°混频器后变成相位差为90°的两个射频信号，传给双平行马赫-增德尔强度调制器；
双平行马赫-增德尔强度调制器通过载波抑制单边带调制将上变频的低频信号调制到所需滤出的边带上；
第三耦合器将双平行马赫-增德尔强度调制器输出的单边带调制信号与第一耦合器传来的载波光束耦合成一路，然后传给光电探测器；
光电探测器采用光外差探测的方法产生拍频，实现光电转换，产生高频射频信号；
电滤波器和跨阻放大器依次对高频射频信号进行滤波和放大。
2.一种基于光频梳的低杂散上变频方法，其特征在于，基于如权利要求1所述的基于光频梳的低杂散上变频系统实现，包括以下步骤：
将激光器产生的载波光束经第一耦合器分为两路，一路给到第一相位调制器，另一路给到第三耦合器；
将第一微波源产生的本振信号经第二耦合器分为两路，一路给到第一相位调制器，另一路给到第二相位调制器；
通过第一相位调制器将第二耦合器传来的本振信号调制到第一耦合器传来的载波光束上，产生功率不断降低的多阶边带，然后将调制后的载波光束传给第二相位调制器；
通过第二相位调制器将第二耦合器传来的本振信号调制到第一相位调制器传来的载波光束上，调节第一相位调制器和第二相位调制器的相位偏移，从而调平各阶边带，然后通过光滤波器滤出所需的边带，并将载波光束传给双平行马赫-增德尔强度调制器；
通过第二微波源产生待上变频的低频信号，该信号经90°混频器后变成相位差为90°的两个射频信号，传给双平行马赫-增德尔强度调制器；
使用双平行马赫-增德尔强度调制器，通过载波抑制单边带调制将上变频的低频信号调制到所需滤出的边带上；
通过第三耦合器将双平行马赫-增德尔强度调制器输出的单边带调制信号与第一耦合器传来的载波光束耦合成一路，然后传给光电探测器；
使用光电探测器，采用光外差探测的方法产生拍频，实现光电转换，产生高频射频信号；
通过电滤波器和跨阻放大器依次对高频射频信号进行滤波和放大，完成上变频。
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