CN115801129A - 一种基于高重频相干光频梳的信道化系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高重频相干光频梳的信道化系统，涉及微波光子学、信道化接收等领域。本发明包括相干光频梳产生模块、信道划分与精细移频模块以及相干探测模块，基于级联调制器以及非线性展宽技术，构建了具有超宽带频率感知接收和下变频的信道化系统，通过利用级联调制器以及非线性技术得到高重频的相干光频梳，通过波分复用及高速光开关进行精确信道划分，并利用相干解调实现光电探测及镜频抑制，实现对DC到40GHz频段范围内任意6GHz宽带信号信道化接收以及跨频程下变频，并实现3dB通道一致性以及30dB以上镜频抑制，可为超宽带测控通信、综合射频前端以及电磁空间一体化系统提供技术支撑。

Description

一种基于高重频相干光频梳的信道化系统

技术领域

本发明涉及微波光子学、信道化接收、超宽带测控通信等领域，具体是指一种基于级联调制器和非线性效应的高重频相干光频梳的信道化系统。

背景技术

未来测控通信呈现出频率覆盖范围宽、瞬时带宽大、电磁信号类型多（线性调频、跳/扩频、脉冲压缩等）、信号动态范围大等多种特征。为满足高速大容量卫星通信、高速跳频抗干扰测控以及电磁空间一体化等系统对高密集度和复杂度射频信号的感知接收、处理的需求，电子信息系统需要传输处理的瞬时带宽、频带范围日益提升，需要实现对几十GHz宽谱范围内大瞬时带宽通信测控等信号的接收以及变频接收，并且对分辨率、杂散抑制、动态范围等指标也提出了更高的要求。传统电子技术在射频信号处理方面存在超宽带信号处理幅度一致性差、超快频率捷变信号捕获跟踪困难、超大瞬时带宽处理速度实时性差等技术瓶颈。

近年来，新兴的微波光子信道化接收技术已经被证明在频率测量带宽、实时性以及抗干扰性等方面优于传统技术，且利用光子集成的优势，系统更容易实现集成化和小型化，对于机载、星载等SWaP（即体积、重量和功耗）受限平台至关重要。信道化接收分为多种类型，包括基于自由空间光学、时分复用、光滤波器组、光频梳等多种信道化接收机方案，目前研究最多的是基于相干光频梳类型的，但由于光频梳性能的限制，频段覆盖范围不超过30GHz，且动态范围、杂散抑制性能较差。

发明内容

有鉴于此，本发明基于级联调制器以及非线性展宽技术，提出了一种利用基于高重频相干光频梳信道化接收系统。该系统利用级联调制器和非线性效应实现了高重频多梳齿的相干光频梳，能够为超宽频率覆盖、超大瞬时带宽的射频信号提供频率载波资源。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于高重频相干光频梳的信道化系统，包括相干光频梳产生模块、信道划分与精细移频模块以及相干探测模块；

相干光频梳产生模块包括窄线宽激光器、偏振控制器、第一耦合器、第一射频信号支路、第二射频信号支路、光信号上支路、光信号下支路；光信号上支路包括第一强度调制器、第一相位调制器、第一单模光纤、第一光放大器、第一高非线性光纤、第一梳状滤波器，光信号下支路包括第二强度调制器、第二相位调制器、第二单模光纤、第二光放大器、第二高非线性光纤、第二梳状滤波器，第一射频信号支路包括第一功率放大器、第一功分器、第一移相器，第二射频信号支路包括第二功率放大器、第二功分器、第二移相器；

信道划分模块包括第三强度调制器、双平行调制器、第一90度电桥、第二耦合器、调制器控制板、第一密集波分复用器、第二密集波分复用器、第一光开关、第二光开关和光开关驱动；第三强度调制器、第一密集波分复用器、第一光开关位于上支路，第一90度电桥、调制器控制板、双平行调制器、第二耦合器、第二密集波分复用器、第二光开关位于下支路；

相干探测模块包括第三光放大器、第四光放大器、90度光混频器、第一平衡探测器、第二平衡探测器和第二90度电桥；

相干光频梳产生模块中，窄线宽激光器输出窄线宽光信号到偏振控制器，偏振控制器对光载波信号进行偏振控制，输出的偏振光信号经过第一耦合器进行50:50分束，分束后的两路光信号分别输入给光信号上支路和光信号下支路；外部输入的第一/第二射频信号进入第一/第二射频信号支路，经过第一/第二功率放大器进行放大，再经过第一/第二功分器分为两路射频信号，其中一路输出给第一/第二强度调制器，另一路通过第一/第二移相器后输出给第一/第二相位调制器，第一/第二移相器对第一/第二功分器传来的射频信号进行移相，控制第一/第二功分器输出的两路射频信号的相位相等；第一/第二强度调制器和第一/第二相位调制器将第一/第二功分器分成的两路射频信号依次调制到分束后的上/下支路光信号，得到初级信号光频梳信号/初级本振光频梳信号；初级信号光频梳信号/初级本振光频梳信号经过第一/第二单模光纤进行时域压缩，时域压缩后的信号经过第一/第二光放大器进行放大，放大后的光信号经过第一/第二高非线性光纤进行非线性展宽，得到梳齿个数较多的次级信号光频梳/次级本振光频梳；第一射频信号和第二射频信号的频率具有间隔，次级信号光频梳和次级本振光频梳分别经过第一梳状滤波器和第二梳状滤波器，滤出重频较高的光频梳，得到相干的高重频多梳齿信号光频梳和高重频多梳齿本振光频梳，并分别输出给信道划分与精细移频模块的上支路和下支路；

信道划分与精细移频模块中，外部输入的第三射频信号被上支路的第三强度调制器调制到相干光频梳产生模块传来的高重频多梳齿信号光频梳上，完成射频信号的多播，多播后的信号通过第一密集波分复用器进行解波分复用，实现各信号梳齿的分离，各信号梳齿输入到第一光开关中进行选择；下支路中，外部输入的移频信号经过第一90度电桥输出相位相差90度的两路移频信号，双平行调制器将相位相差90度的两路移频信号调制到相干光频梳产生模块传来的高重频多梳齿本振光频梳上，实现本振光频梳的移频，双平行调制器输出的信号通过第二耦合器进行90:10分束，其中，10%分束输出给调制器控制板，用于控制双平行调制器的工作点，使得双平行调制器工作在抑制载波单边带工作模式，90%分束输出到第二密集波分复用器进行解波分复用，实现各本振梳齿的分离，各本振梳齿输出到第二光开关中进行选择；光开关驱动控制第一光开关和第二光开关的切换，实现通道选择，将选择的信号梳齿和本振梳齿输出到相干探测模块；

相干探测模块中，将信道划分与精细移频模块选定的信号梳齿通过第三光放大器进行放大，将信道划分与精细移频模块选定的本振梳齿通过第四光放大器进行放大，两路放大后的信号输入到90度光混频器，分别生成相位为0度、180度、90度和270度的4路信号，其中，0度和180度信号输入到第一平衡探测器，90度和270度信号输入到第二平衡探测器，分别进行相干探测，第一平衡探测器和第二平衡探测器相干探测输出的电信号，输入到第二90度电桥进行电混频，最终输出变频信号。

本发明的有益效果在于：

1、本发明利用级联调制器和非线性效应实现了高重频多梳齿的相干光频梳，能够为超宽频率覆盖、超大瞬时带宽的射频信号提供频率载波资源。

2、本发明的频率覆盖范围可覆盖DC（即直流）到40GHz，能够实现瞬时带宽为任意6GHz测控通信信号的信道化接收机下变频，且通道一致性可达3dB，镜频抑制大于30dB，可为未来超宽频率覆盖、超大瞬时带宽的通信测控系统前端提供解决方案。

附图说明

图1为本发明实施例中采用的相干光频梳产生结构的示意图。

图2为本发明实施例中采用的精细移频信道划分结构的示意图。

图3为本发明实施例中采用的相干探测模块的示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

如图1~3所示，一种基于高重频相干光频梳的信道化系统，包括相干光频梳产生模块、信道划分与精细移频模块以及相干探测模块；

相干光频梳产生模块包括窄线宽激光器、偏振控制器、第一耦合器、第一射频信号支路、第二射频信号支路、光信号上支路、光信号下支路；光信号上支路包括第一强度调制器、第一相位调制器、第一单模光纤、第一光放大器、第一高非线性光纤、第一梳状滤波器，光信号下支路包括第二强度调制器、第二相位调制器、第二单模光纤、第二光放大器、第二高非线性光纤、第二梳状滤波器，第一射频信号支路包括第一功率放大器、第一功分器、第一移相器，第二射频信号支路包括第二功率放大器、第二功分器、第二移相器；

信道划分模块包括第三强度调制器、双平行调制器、第一90度电桥、第二耦合器、调制器控制板、第一密集波分复用器、第二密集波分复用器、第一光开关、第二光开关和光开关驱动；第三强度调制器、第一密集波分复用器、第一光开关位于上支路，第一90度电桥、调制器控制板、双平行调制器、第二耦合器、第二密集波分复用器、第二光开关位于下支路；

相干探测模块包括第三光放大器、第四光放大器、90度光混频器、第一平衡探测器、第二平衡探测器和第二90度电桥；

相干光频梳产生模块中，窄线宽激光器输出窄线宽光信号到偏振控制器，偏振控制器对光载波信号进行偏振控制，输出的偏振光信号经过第一耦合器进行50:50分束，分束后的两路光信号分别输入给光信号上支路和光信号下支路；

外部输入的第一射频信号进入第一射频信号支路，经过第一功率放大器进行放大，功率输出为27dBm，再经过第一功分器分为两路射频信号，其中一路输出给第一强度调制器，另一路通过第一移相器后输出给第一相位调制器，第一移相器对第一功分器传来的射频信号进行移相，控制第一功分器输出的两路射频信号的相位相等；第一强度调制器和第一相位调制器将第一功分器分成的两路射频信号依次调制到分束后的上支路光信号，得到初级信号光频梳信号；初级信号光频梳信号经过第一单模光纤进行时域压缩，时域压缩后的信号经过第一光放大器进行放大，输出光功率信号为30dBm，放大后的光信号经过第一高非线性光纤进行非线性展宽，得到梳齿个数较多的次级信号光频梳；

外部输入的第二射频信号进入第二射频信号支路，经过第二功率放大器进行放大，功率输出为27dBm，再经过第二功分器分为两路射频信号，其中一路输出给第二强度调制器，另一路通过第二移相器后输出给第二相位调制器，第二移相器对第二功分器传来的射频信号进行移相，控制第二功分器输出的两路射频信号的相位相等；第二强度调制器和第二相位调制器将第二功分器分成的两路射频信号依次调制到分束后的下支路光信号，得到初级本振光频梳信号；初级本振光频梳信号经过第二单模光纤进行时域压缩，时域压缩后的信号经过第二光放大器进行放大，输出光功率信号为30dBm，放大后的光信号经过第二高非线性光纤进行非线性展宽，得到梳齿个数较多的次级本振光频梳；

第一射频信号和第二射频信号的频率具有间隔，次级信号光频梳和次级本振光频梳分别经过第一梳状滤波器和第二梳状滤波器，滤出重频较高的光频梳，得到相干的高重频多梳齿信号光频梳和高重频多梳齿本振光频梳，并分别输出给信道划分与精细移频模块的上支路和下支路；

信道划分与精细移频模块中，外部输入的第三射频信号被上支路的第三强度调制器调制到相干光频梳产生模块传来的高重频多梳齿信号光频梳上，完成射频信号的多播，多播后的信号通过第一密集波分复用器进行解波分复用，实现各信号梳齿的分离，各信号梳齿输入到第一光开关中进行选择；下支路中，外部输入的移频信号经过第一90度电桥输出相位相差90度的两路移频信号，双平行调制器将相位相差90度的两路移频信号调制到相干光频梳产生模块传来的高重频多梳齿本振光频梳上，实现本振光频梳的移频，双平行调制器输出的信号通过第二耦合器进行90:10分束，其中，10%分束输出给调制器控制板，用于控制双平行调制器的工作点，使得双平行调制器工作在抑制载波单边带工作模式，90%分束输出到第二密集波分复用器进行解波分复用，实现各本振梳齿的分离，各本振梳齿输出到第二光开关中进行选择；光开关驱动控制第一光开关和第二光开关的切换，实现通道选择，将选择的信号梳齿和本振梳齿输出到相干探测模块；

相干探测模块中，将信道划分与精细移频模块选定的信号梳齿通过第三光放大器进行放大，将信道划分与精细移频模块选定的本振梳齿通过第四光放大器进行放大，输出光信号均功率达到0dBm，两路放大后的信号输入到90度光混频器，分别生成相位为0度、180度、90度和270度的4路信号，其中，0度和180度信号输入到第一平衡探测器，90度和270度信号输入到第二平衡探测器，分别进行相干探测，第一平衡探测器和第二平衡探测器相干探测输出的电信号，输入到第二90度电桥进行电混频，最终输出变频信号。

本系统中，相干光频梳产生模块通过调制器级联与非线性效应的方式，生成重频频率为的100GHz的信号光频梳和99.4GHz的本振光频梳，且产生梳齿数大于10根，信道划分模块接收来自射频前端的宽带射频信号。接收系统前端所捕捉的跳频信号通过光电调制，以边带的形式加载到光载波上，将接收信号无差地复制到所有波分通道中，同时波分通道高速控制模块根据处理终端的控制信息经控制单元控制数字频率合成模块，输出可变调制频率输出给移频器件，控制本振光频梳进行600MHz内的精细移频，控制及移频速度经分析满足跳频速度的要求，两个光频梳通过带宽为大于100GHz的波分解复用器件，分出10个带宽为600MHz带宽的信道，根据终端控制信息，通过光电开关控制输出最多10路并行信道信号给处理终端，实现带宽600MHz，频率范围DC-40GHz内任意6GHz宽带信号的信道化感知和变频处理。

该系统的频率测量范围覆盖DC到40GHz，能够实现精细信道划分，并通过相干探测和镜频抑制实现高抑制比的信道化接收和跨频程下变频，能够为未来超宽频率覆盖、超大瞬时带宽的通信测控系统前端提供解决方案。

该系统的工作过程如下：

步骤1，窄线宽激光器产生的光载波被光耦合器通过50:50耦合器分成两个种子光，两个种子光分别通过一个由强度调制器和相位调制器组成的级联调制器，产生20GHz重频频率的种子频率梳。每个级联调制器对应一路外部输入的射频信号，外部输入的射频信号首先经过功率放大器放大到30dBm，然后通过功分器分为两路，两路射频信号之间通过一个射频移相器进行相位匹配，保证输入级联调制器的两射频信号相位差为零，生成初级的相干光频梳。上下两个支路中分别通过各自的级联调制器产生19.88GHz的频率梳，两支路的调制射频信号使用同一10MHz参考源，保证相干。

步骤2，参照图1，初级的相干光频梳通过G652单模光纤进行时域压缩，通过计算得到单模光纤的长度，后通过高功率光纤放大器，将光功率放大到30dBm，然后通过一段高非线性光纤，实现光频梳梳齿的展宽和复制，通过梳状滤波器得到高重频的光频梳。

步骤3，参照图2，在信号光频梳利用宽带强度调制器调制宽带射频信号，设置工作点为抑制载波双边带模式，在本振光频梳支路利用双平行调制器实现抑制载波单边带调制，实现对本振光频梳的移频，调制信号的信号光梳和移频后的本振光频梳各自通过一个密集波分复用器进行信道划分。

步骤4，参照图3，信道划分后的梳齿接入N*1高速控制光开关，根据需求控制光开关的输出通道。输出的信号经过由光混频器、平衡探测器和90度电桥组成的相干探测模块，实现光电转换和镜频抑制，得到下变频信号。

该系统的原理如下：

基于微波光子的信道化接收技术将DC到40GHz频段内任意6GHz范围宽带信号的实时接收，首先相干光频梳产生模块产生信号光频梳和本振光频梳，信道划分模块接收来自射频前端的宽带射频信号，将其调制到信号光频梳上，同时根据6GHz信号所处40GHz位置对本振光频梳进行精细控制，通过波分解复用器件后，经过由控制单元控制的高速光开关选择，从而选出此射频信号的通道进行相干探测和镜频抑制。

相干光频梳产生模块是为接收射频信号或者基带信号的生成提供光域的“频率池”，是整体系统功能实现的关键基础。需要根据系统设计每次切换所得微波频率的变化范围以及整体系统的工作频率覆盖范围实现信号光频梳和本振光频梳的生成，光频梳的FSR（即，重频频率）均需满足由后续光信号波长分离模块决定的频率限制；且通过级联调制器的方式可近似线性叠加梳齿数目，通过光纤参量放大等非线性过程实现重频频率的展宽。

精细移频信道划分模块的主要功能是实现对生成的多光载波对频差进行小范围精确控制，以及将射频信号以光载波边带的形式加载到光域上。需要特别注意的是，无论是频差细调还是数据加载，均是同时对所有波分通道进行相同的操作，即所有通道内光载波对的频差均发生相同变化，以及基带数据或射频信号以复制的形式出现在每一个波分通道内。

高速控制相干探测模块的主要功能是基于控制单元的控制信号，在不同的波分通道间实现高速的切换，以选择出频差模式合适的光信号输入光电转换模块以及进行镜频抑制、线性化补偿等数字信号处理方面的设计。

总之，本发明针对超宽带测控通信领域宽带、高效、并行处理和体积、重量、功耗和抗干扰等方面的迫切需求，提出了一种基于微波光子的信道化接收技术，通过利用级联调制器以及非线性技术得到高重频的相干光频梳，通过波分复用及高速光开关进行精确信道划分，并利用相干解调实现光电探测及镜频抑制，实现对DC到40GHz频段范围内任意6GHz宽带信号信道化接收以及跨频程下变频，并实现3dB通道一致性以及30dB以上镜频抑制，可为超宽带测控通信、综合射频前端以及电磁空间一体化系统提供技术支撑。

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 (1)

1.一种基于高重频相干光频梳的信道化系统，其特征在于，包括相干光频梳产生模块、信道划分与精细移频模块以及相干探测模块；

相干光频梳产生模块包括窄线宽激光器、偏振控制器、第一耦合器、第一射频信号支路、第二射频信号支路、光信号上支路、光信号下支路；光信号上支路包括第一强度调制器、第一相位调制器、第一单模光纤、第一光放大器、第一高非线性光纤、第一梳状滤波器，光信号下支路包括第二强度调制器、第二相位调制器、第二单模光纤、第二光放大器、第二高非线性光纤、第二梳状滤波器，第一射频信号支路包括第一功率放大器、第一功分器、第一移相器，第二射频信号支路包括第二功率放大器、第二功分器、第二移相器；

信道划分模块包括第三强度调制器、双平行调制器、第一90度电桥、第二耦合器、调制器控制板、第一密集波分复用器、第二密集波分复用器、第一光开关、第二光开关和光开关驱动；第三强度调制器、第一密集波分复用器、第一光开关位于上支路，第一90度电桥、调制器控制板、双平行调制器、第二耦合器、第二密集波分复用器、第二光开关位于下支路；

相干探测模块包括第三光放大器、第四光放大器、90度光混频器、第一平衡探测器、第二平衡探测器和第二90度电桥；

相干光频梳产生模块中，窄线宽激光器输出窄线宽光信号到偏振控制器，偏振控制器对光载波信号进行偏振控制，输出的偏振光信号经过第一耦合器进行50:50分束，分束后的两路光信号分别输入给光信号上支路和光信号下支路；外部输入的第一/第二射频信号进入第一/第二射频信号支路，经过第一/第二功率放大器进行放大，再经过第一/第二功分器分为两路射频信号，其中一路输出给第一/第二强度调制器，另一路通过第一/第二移相器后输出给第一/第二相位调制器，第一/第二移相器对第一/第二功分器传来的射频信号进行移相，控制第一/第二功分器输出的两路射频信号的相位相等；第一/第二强度调制器和第一/第二相位调制器将第一/第二功分器分成的两路射频信号依次调制到分束后的上/下支路光信号，得到初级信号光频梳信号/初级本振光频梳信号；初级信号光频梳信号/初级本振光频梳信号经过第一/第二单模光纤进行时域压缩，时域压缩后的信号经过第一/第二光放大器进行放大，放大后的光信号经过第一/第二高非线性光纤进行非线性展宽，得到梳齿个数较多的次级信号光频梳/次级本振光频梳；第一射频信号和第二射频信号的频率具有间隔，次级信号光频梳和次级本振光频梳分别经过第一梳状滤波器和第二梳状滤波器，滤出重频较高的光频梳，得到相干的高重频多梳齿信号光频梳和高重频多梳齿本振光频梳，并分别输出给信道划分与精细移频模块的上支路和下支路；

信道划分与精细移频模块中，外部输入的第三射频信号被上支路的第三强度调制器调制到相干光频梳产生模块传来的高重频多梳齿信号光频梳上，完成射频信号的多播，多播后的信号通过第一密集波分复用器进行解波分复用，实现各信号梳齿的分离，各信号梳齿输入到第一光开关中进行选择；下支路中，外部输入的移频信号经过第一90度电桥输出相位相差90度的两路移频信号，双平行调制器将相位相差90度的两路移频信号调制到相干光频梳产生模块传来的高重频多梳齿本振光频梳上，实现本振光频梳的移频，双平行调制器输出的信号通过第二耦合器进行90:10分束，其中，10%分束输出给调制器控制板，用于控制双平行调制器的工作点，使得双平行调制器工作在抑制载波单边带工作模式，90%分束输出到第二密集波分复用器进行解波分复用，实现各本振梳齿的分离，各本振梳齿输出到第二光开关中进行选择；光开关驱动控制第一光开关和第二光开关的切换，实现通道选择，将选择的信号梳齿和本振梳齿输出到相干探测模块；

相干探测模块中，将信道划分与精细移频模块选定的信号梳齿通过第三光放大器进行放大，将信道划分与精细移频模块选定的本振梳齿通过第四光放大器进行放大，两路放大后的信号输入到90度光混频器，分别生成相位为0度、180度、90度和270度的4路信号，其中，0度和180度信号输入到第一平衡探测器，90度和270度信号输入到第二平衡探测器，分别进行相干探测，第一平衡探测器和第二平衡探测器相干探测输出的电信号，输入到第二90度电桥进行电混频，最终输出变频信号。

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