CN115776340A - 一种星上微波光子柔性转发方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种星上微波光子柔性转发方法,该方法涉及微波技术领域和光通信技术领域。所述方法如说明书附图图1所示,包括激光器LD,耦合器OC,偏振复用的马赫曾德尔调制器PDM‑MZM、偏压控制器BC、波分复用器WDM、N*N微机电系统MEMS全光交换机、相位调制器PM、掺铒光纤放大器EDFA、偏振控制器PC、起偏器Pol、光电探测器PD、电带通滤波器EBPF。射频信号通过载波光梳复制多份,经过光耦合器和波分复用器两级复用后分为多路信道,与另一个偏振态调制的本振信号合路在光交换模块中实现多转发器的光交换,偏振复用后拍频滤波耦合发射,实现柔性转发。本发明克服了双光梳信道化方案中信道化数量少,颗粒度大的问题,在卫星通信、雷达领域均有潜在的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及光通信技术领域和微波技术领域,主要涉及微波光子信道化技术和微波光子变频技术。
背景技术
通信技术和电子技术的快速发展要求卫星通信系统以及雷达系统有更高的工作频段,更大的工作带宽。在雷达系统中,频率高带宽大的雷达信号意味着更小的雷达系统体积,更高的雷达分辨率;在卫星通信系统中,目前的通信业务传输的通信信号所处的频段已日渐拥挤,存在严重的频谱资源稀缺问题,而大带宽的通信信号也给通信系统带来更大的通信容量。
高频段大带宽是未来卫星通信系统以及雷达系统的发展趋势。然而,传统的电子设备在高频段工作时,会遭遇电子设备的性能瓶颈,会给信号调制传输带来诸多问题。得益于微波光子技术的高频段大带宽,低损耗以及抗电磁干扰性能强等优势,将高频段大带宽的电信号转换到光域传输处理可以解决传统电域信号调制传输的问题。将宽带信号在光域传输,经过微波光子信道化接收机信道化后,将宽带信号划分为可以供模数转换采样器采样的中频信号进行采样,再由数字信号处理进行对采样后的数字信号进行处理,因此微波光子信道化技术也逐渐成为了目前的研究热点。
目前研究较多的微波光子信道化方案可分为三类:第一类是基于光滤波器组的方案;第二类是基于单光梳和周期光滤波的方案;第三类是基于双光梳的方案。第一类方案采用光滤波器组,信道化的性能严重依赖光滤波器的滤波性能,且光滤波器组的使用将会大幅增加系统的体积。第二类方案采用单光梳和周期光滤波器,系统体积得以减小,但信道化性能依然依赖于光滤波器的滤波滚降性能,且周期滤波后的光信号经过光电转换只能实现测频的功能,无法完全恢复接收到的信号;第三类方案采用双光梳进行微波光子信道化接收,基于双光频梳的微波光子信道化接收机可采用阻带衰减快、通带中心频率稳定的电域滤波来代替光域滤波,解决了基于光滤波器的微波光子信道化接收机存在的问题。然而双光梳方案产生的子信道的个数受限于光梳个数,子信道的频率受限于射频和本振的光梳间隔,大间隔、多梳线光梳生成困难,进而限制了信道化的工作频段、信道化的数量,此外双光梳方案的信道划分的颗粒度一般在GHz级别,难以实现几十MHz级别的小颗粒度的信道化转发应用,不能满足密集信道化的应用需求。
发明内容
为了解决背景技术中所存在的问题,本发明提出了一种星上微波光子柔性转发方法。该方案有三大优点:第一该方案采用了双偏振低杂散分布式可灵活调谐一次变频的结构,将宽带信号在偏振复用马赫曾德尔调制器PDM-MZM中进行多波长的调制,本振信号通过相位调制器PM在正交偏振态进行相位调制,强度检测器件光电探测器PD拍频输出无本振信号,杂散降低,本振隔离度高,分布式的结构使本振灵活可调谐,可实现多频段、大带宽信号的多通道全光变频;第二该方案采用微波光子密集信道化技术,利用两级复用提高系统工作带宽及通道数,可以实现较小颗粒度的密集信道划分;第三该方案采用多转发器小颗粒度全光柔性转发架构,增加光交换模块,可以实现多转发器架构下的任意子信道的任意耦合输出,插损小,可实现小颗粒度的柔性转发。
本发明所采用的技术方案是:所述装置包括激光器LD,耦合器OC,偏振复用的马赫曾德尔调制器PDM-MZM、偏压控制器BC、波分复用器WDM、N*N微机电系统MEMS全光交换机、相位调制器PM、掺铒光纤放大器EDFA、偏振控制器PC、起偏器Pol、光电探测器PD、电带通滤波器EBPF。如说明书附图图1所示,其特征在于:所述的多转发器架构中可包括n个转发器,一个转发器包括Ln个激光器LD,LD输出光经过耦合器OC后连接到所述偏振复用的马赫曾德尔调制器PDM-MZM的光输入端口,射频宽带信号加载在PDM-MZM的上子调制器X-MZM中,加载在第n个转发器上宽带信号的带宽记为Bn GHz,Bn=Nn*K,Nn为第n个转发器实现的信道化数量,K为整体方案需求的子信道带宽K GHz。PDM-MZM的输出经过1:9和1:1的两个光功分器后,分为功率为原输出十分之一的相等的两路进入两个偏压控制器BC,两个偏压控制器BC连接子调制器的直流输入和PDM-MZM的输出,PDM-MZM的输出连接掺铒光纤放大器EDFA后经过耦合器OC分为Mn路,每一路连接波分复用器WDM分为Ln路,Ln路输出中每一路再连接相位调制器PM调制上本振信号后,每一个转发器的共有Nn=Ln*Mn个输出,因此n个转发器总输出数量记为N=N1+N2+···+Nn,将N个输出连接到N*N MEMS全光交换机中的N个输入口,N*NMEMS全光交换机中的N个输出口连接掺饵光纤放大器EDFA,EDFA输出连接偏振控制器PC,再连接起偏器Pol,Pol输出连接到光电探测器PD中,PD的输出连接电带通滤波器EBPF,滤波后的各子信道信号耦合后,可以形成宽带转发信号,从而实现N路子信道的任意变频转发。
所述N*N微机电系统MEMS全光交换机是由MEMS光开关和波长选择开关(WSS)组成。MEMS光开关是由Si等半导体构成的,它利用微电机系统的优势,在芯片上实现了光信号的透明、高速转发。
本发明在工作时包括以下步骤:
(1)所述方案共有n个转发器,一个转发器包括Ln个激光器LD,Ln个激光器输出功率相等,频率间隔相等的Ln根光梳,经过耦合器耦合为一路后,将Ln根光梳耦合为一路光信号输入到PDM-MZM中。
(2)射频源输出需要信道化的宽带射频信号,加载在第n个转发器上宽带信号的带宽记为Bn GHz,加载在PDM-MZM的上子调制器X-MZM的射频输入端口,PDM-MZM的下子调制器Y-MZM射频空载。X-MZM的直流偏置通过偏压控制器偏置在最小点,Y-MZM的直流偏置通过偏压控制器偏置在最大点。两个子调制器的输出经过偏振复用后合为一路偏振复用的信号输出。
(3)偏振复用信号经过EDFA放大后,经过一个光耦合器将调制后的Ln个双边带宽带电信号复制Mn路输出,每一路的输出经过一个WDM可以分为Ln路分别是Ln根光梳调制对应的双边带宽带光信号,这样Mn个WDM后总共有Nn路输出。
(4)WDM输出每一路包含偏振复用的光载波信号以及双边带宽带光信号,输入到一个相位调制器PM中,只对包含光载波偏振态的光信号用不同频率的本振信号进行调制,另外一个包含宽带信号的光信号不进行调制。
(5)综合所有的转发器的所有路PM输出可以得到N路信号,输入到N*NMEMS全光交换机中进行任意通道的全光交换,多个转发器之间的子信道可以任意变频转发,全光交换机的输出到EDFA放大后,经过偏振控制器和起偏器合为一个偏振态,输入到PD中拍频实现宽带信号的光电转换以及变频。
(6)宽带信号经过电带通滤波器EBPF滤波后可以实现信道划分,滤波后的各子信道信号耦合后,可以形成宽带转发信号,从而实现N路子信道的任意变频转发。
本发明提出了一种星上微波光子柔性转发方法,整体架构包含了多个转发器,每个转发器中激光器生成的多波长载波光梳输入到偏振复用调制器,宽带信号在调制器中通过光梳的其中一个偏振态复制多份。调制器的输出经过光耦合器分为多路,再次将宽带信号复制。经过WDM将每一路中的双边带宽带信号滤出,在相位调制器中对另一个偏振态的光载波调制上本振信号,多个转发器输出信号经过MEMS全光交换机光交换后,将两个偏振态通过PC和Pol合为一个偏振态,输入到PD中拍频得到变频后的宽带信号,最后通过EBPF将宽带信号信道划分,耦合器将各路子信道信号耦合后,可以形成宽带转发信号,实现N路子信道的任意变频转发。
本方案针对未来大带宽,高频段卫星通信系统和雷达系统的传输需求,可以实现宽带信号不同信道的全光独立上下变频。通过多个激光器组合输出的方式生成多波长载波光梳,光梳间隔大,光梳数量可控;采用了双偏振低杂散分布式可灵活调谐一次变频的结构,系统本振隔离度高,杂散低,是全光变频的系统;利用两级复用提高系统工作带宽及通道数,可以实现较小颗粒度的密集信道划分转发,独立本振使得系统调谐性好;采用多转发器小颗粒度全光柔性转发架构,增加光交换模块,可以实现任意子信道的任意耦合输出。
附图说明
图1为本发明一种星上微波光子柔性转发方法原理图。
图2为基于本发明原理多转发器架构具体实施方式的原理图。
图3为基于本发明原理多转发器架构具体实施方式的原理图中各部分的光谱示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明:本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例:
如说明书附图图2所示,本实例中,包括激光器LD,耦合器OC,偏振复用的马赫曾德尔调制器PDM-MZM、偏压控制器BC、波分复用器WDM、84*84 MEMS全光交换机、相位调制器PM、掺铒光纤放大器EDFA、偏振控制器PC、起偏器Pol、光电探测器PD、电带通滤波器EBPF。具体实施方式中使用了三个转发器的架构,三个转发器对应的工作带宽分别为3GHz(可划分为42个72MHz带宽的子信道)、2GHz(可划分为28个72MHz带宽的子信道)、1GHz(可划分为14个72MHz带宽的子信道)。以第一个转发器作说明,7个激光器LD输出功率相同,频率间隔相同的载波光梳,在偏振复用的马赫曾德尔调制器PDM-MZM中的被宽带信号调制,偏压控制器将直流偏置在最小点实现载波抑制的双边带调制,将宽带信号在光的一个偏振态上复制了7份,另一个偏振态保持光载波不变,偏压控制器直流偏置在最大点保留光载波。合为一路后经过掺铒光纤放大器EDFA放大后通过光耦合器OC分为功率相等的6路,每一路再经过波分复用器WDM依据每路的光载波频率分为7路,输出的每一路再输入到一个相位调制器PM中,在相位调制器PM中对只包含光载波的偏振态调制本振信号,每一路独立的本振信号源保证了系统可调谐性高。因此总共有42路PM输出光信号,将42路输出光信号输入到84*84 MEMS全光交换机中,可以实现任意通道的全光交换,每一路输出EDFA放大后再经过偏振控制器PC和起偏器Pol将偏振态合并送入到光电探测器PD中拍频实现宽带信号的变频,将变频后的宽带信号输入到电带通滤波器EBPF中实现信道的划分,滤波后的各子信道信号耦合后,可以形成宽带转发信号,从而实现42路子信道的任意变频转发,其他两个转发器工作原理同第一个转发器,且子信道信号可以通过84*84 MEMS全光交换机进行任意通道的交换,根据需求将不同频段的信号发送至不同的端口,随后通过耦合器耦合之后发射出去。
本实例中,方法的具体实施步骤是:
步骤一:第一个转发器的7个激光器LD输出功率15.5dBm,频率间隔为200GHz的7根载波光梳,输入到PDM-MZM中。
步骤二:射频源输出3GHz带宽的信号,3GHz带宽的信号中包含了42个子信道的宽带信号,每个宽带信号带宽72MHz。3GHz带宽的信号在PDM-MZM中的上子调制器X-MZM中对光载波的一个偏振态实现载波抑制的双边带调制,偏压控制器保证直流偏置在最小点,下子调制器Y-MZM空载,偏压控制器保证直流偏置在最大点,对另一个偏振态保留光载波,偏振复用后输出一路光信号。光谱图如说明书附图图3中的a图所示。
步骤三:PDM-MZM输出的光信号经过EDFA放大后,通过一个光耦合器分为6路相同的输出,每一路再经过波分复用器WDM依据每路的光载波频率分为7路,总共就有了42路信道输出。
步骤四:42路输出每一路都会输入到一个PM中,在PM中对只包含光载波偏振态的光进行本振信号的调制,独立的本振源保证了信道化结构良好的可调谐性。另一个包含宽带信号的偏振态在PM中不进行调制。光谱图如说明书附图图3中的b图所示。
步骤五:将42个PM的输出输入到84*84 MEMS全光交换机中进行任意通道的全光交换,全光交换机的输出到EDFA放大后,经过PC和Pol合为一个偏振态,光谱图如说明书附图图3中的c图所示。输入到PD中拍频实现宽带信号的光电转换以及变频。
步骤六:宽带信号经过电带通滤波器EBPF滤波后可以实现信道划分,1信道信号和42信道信号光谱图如说明书附图图3中的d图和e图所示。滤波后的各子信道信号耦合后,可以形成宽带转发信号,从而实现42路子信道的任意变频转发。
步骤七:其他两个转发器工作原理同第一个转发器,且子信道信号可以通过84*84MEMS全光交换机进行任意通道的交换,根据需求将不同频段的信号发送至不同的端口,随后通过耦合器耦合之后发射出去。
须强调的是如说明书附图图2所示,该方法适用于多个转发器之间的宽带信号子信道划分和任意变频转发,每个转发器采用单个独立转发器的方法进行子信道划分和变频滤波,采用更大规模的MEMS全光交换机实现多个转发器的所有子信道之间的全光交换,从而实现多个转发器之间的宽带信号子信道划分和任意变频转发。
综上,本发明实现了一种星上微波光子柔性转发方法,采用多波长光源,光梳功率稳定,间隔大,数量可控;双偏振低杂散分布式可灵活调谐一次变频的结构保证了较高的本振隔离度,系统杂散低;两级复用结构保证了微波光子密集信道化的应用,独立的本振源保证了系统的信道化结构良好的可调谐性;全光交换模块的使用可以实现多转发器架构下任意子信道的任意耦合输出,保证了系统灵活可重构。
总之,以上所述实施方案仅为本发明的实施例而已,并非仅用于限定本发明的保护范围,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在本发明公开的内容上,还可以做出若干等同变形和替换,宽带信号的频率范围、宽带信号带宽、调制格式、激光器个数、子信道带宽和数量、交换机规模都可改变。这些等同变形和替换以及频率范围的调整也应视为本发明保护的范围。
Claims (2)
1.一种星上微波光子柔性转发方法,包括激光器LD,耦合器OC,偏振复用的马赫曾德尔调制器PDM-MZM、偏压控制器BC、波分复用器WDM、N*N微机电系统MEMS光交换机、相位调制器PM、掺铒光纤放大器EDFA、偏振控制器PC、起偏器Pol、光电探测器PD、电带通滤波器EBPF,其中,PDM-MZM由两个马赫曾德尔调制器MZM、一个90度偏振旋转镜90°PR、一个偏振合束器PBC组成,所述方法的多转发器架构中可包括n个转发器,一个转发器包括Ln个激光器LD,Ln个激光器LD输出功率相同、频率间隔相同的载波光梳,经过耦合器OC耦合后输入到偏振复用的马赫曾德尔调制器PDM-MZM中,将BnGHz宽带射频信号RF加载在PDM-MZM的其中一个子MZM的射频端口,Bn=Nn*K,Nn为第n个转发器实现的信道化数量,K为整体方案需求的子信道带宽KGHz,PDM-MZM的输出经过1:9和1:1的两个光功分器后,分为功率为原输出十分之一的相等的两路进入两个偏压控制器BC,偏压控制器BC控制X-MZM直流偏置在最小点Min,实现载波抑制的双边带调制,将宽带信号调制在Ln路光载波上,Y-MZM的射频端口空载,偏压控制器控制其直流偏置在最大点Max,输出未调制的光载波,经过90度偏振旋转镜后,通过PBC合为一路偏振复用的信号,随后经过掺铒光纤放大器EDFA放大后通过光耦合器OC分为功率相等的Mn路,每一路连接波分复用器WDM分为Ln路,Ln路输出中每一路再连接相位调制器PM调制上本振信号LO后,每一个转发器的共有Nn=Ln*Mn个输出,因此n个转发器总输出数量记为N=N1+N2+···+Nn,将N个输出连接到N*NMEMS全光交换机中的N个输入口,可以实现任意通道的光交换,每一路输出经EDFA放大后再经过偏振控制器PC和起偏器Pol将偏振态合并送入到光电探测器PD中拍频,实现N路子信道的变频,将变频后的信号输入到电带通滤波器EBPF中实现子信道的滤波,滤波后的各子信道信号耦合后,可以形成宽带转发信号,从而实现多转发器之间N路子信道的任意变频转发。
2.根据权利要求1所述的一种星上微波光子柔性转发方法,其特征在于,该方法所述的转发器数量n、激光器数量Ln、宽带信号带宽BnGHz、子信道带宽KGHz和数量Nn、交换机规模N等参数均可根据需要灵活选择。
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PB01 | Publication | ||
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