CN117014074A - 一种面向不同电子系统应用的超宽带一体化柔性变频装置 - Google Patents
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Abstract
本发明本发明涉及光通信技术领域，提出了一种面向不同电子系统应用的超宽带一体化柔性变频装置。利用中心波长可调谐、滤波带宽可重构的微波光子矩形滤波器，可以实现来自不同电子系统应用的不同中心频率、不同带宽微波信号的光域灵活弹性切分，能够满足变频系统超宽带、多功能、一体化、低串扰、可集成等要求。此外，该方案具有可集成、大带宽、综合化的优势，相对于广泛研究的外部电光调制变频方案而言，该方案基于可重构微波光子矩形滤波器实现宽频信号弹性切分，提升了系统灵活性和综合性，降低了串扰分量。此方案还包含了光精细移频及多通道混频功能，可实现不同电子系统应用信号的同时变频处理。
Description
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，主要涉及利用可重构微波光子滤波器实现超宽带可集成多功能一体化柔性变频技术。
背景技术
信息技术的发展促使现代战争形态演进为信息战争，制信息权对全面控制作战空间与占据信息化战争优势角色具有至关重要的作用。为了持续有效地获取信息与战场优势，单一功能的电子系统已无法满足战场态势全域感知、及时分发、迅速决策与有效打击的需求。现代电子系统正在变得越来越综合化，诸如探测、通信、控制等两种或以上的电子系统将会共享一套射频物理硬件和数字处理单元，并通过软件控制实现系统功能的可重构。
变频技术是现代电子系统中接收机和发射机的关键组成，可有效提高处理高频信号能力和抗干扰能力，并降低对模数转换采样率的需求。传统微波变频技术主要通过二极管、三极管和有源晶体管变频器来实现。然而，在现代电子系统的工作频率向高频段不断拓展的当下，由于电子器件的自身缺陷，传统电子手段难以突破高频段、超宽带、灵活重构的瓶颈限制，在对多频段射频信号变频时易出现频段间串扰、镜频干扰和本振泄露等问题。通过多次变频来避免镜频干扰不仅会严重降低系统的动态范围和变频效率，而且需要大量本振源和混频器，这将大幅增加系统成本、复杂度和体积功耗重点等。因此，传统电子手段难以满足现代综合一体化电子系统多频段大带宽、多功能可重构的发展需求。不同于传统的电子技术，光子技术具有大瞬时带宽、宽频谱覆盖、低传输损耗、灵活可重构、抗电磁干扰等技术优势，微波光波高效融合形成微波光子技术，能够提供一类多频段大带宽、抗电磁串扰和低复杂度的变频方案。
目前，外部电光调制器法是国内外研究最为广泛的微波光子变频方案，该方案利用电光调制器件来实现频率变换，其中电光调制器件可以是单个电光调制器混频调制，也可以是多个电光调制器复合调制，或是集成性电光调制器调制。其中，单个电光调制器混频调制方案是将信号和本振一同加载在单个电光调制上，再利用光电探测器将产生的混频信号探测出来，从而得到变频信号。该方案利用电光调制器的非线性传输区域，通常需要较大的射频驱动功率，不适用于实际应用中常见的小信号情况；多个电光调制器复合调制方案将多个电光调制器进行分离式布置，能够有效避免信号与本振过早地混频而产生干扰信号，且不以非线性传输为原理，使得该方案具备并行处理多路信号的能力，但该变频方案的最大缺点是过多的调制器增大了链路损耗、降低了变频效率；另外，在第二级调制过程中，本振会同时加载在第一级调制产生的信号的各阶谐波分量上，变频输出的信号中具有相对较多的杂散分量；而集成性电光调制器调制方案则是将常用的电光调制器布设结构集成到一个调制器件中，形成集成调制器。双平行马赫曾德尔强度调制器是一个典型的集成调制器代表。信号和本振可以在一个集成调制器中分别进行强度调制，并且集成化的光波导能够有效缩短分立器件之间的传输间隔，减少光纤耦合次数，降低光信号在传输中的损耗。相比于级联强度调制器的变频方案，基于双平行马赫曾德尔强度调制器的变频方案具有低噪声系数和高无杂散动态范围的特点，与其它级联调制器变频方案相比，该方案使得频率转换效率提高了约23dB。但在一体化射频处理方面，该方案无法区分同时输入的、多频段不同带宽的多功能信号，导致严重的串扰分量。
发明内容
为了解决技术背景中所存在的问题，本发明提出了一种面向不同电子系统应用的超宽带一体化柔性变频装置。本发明方案利用中心波长可调谐、滤波带宽可重构的微波光子矩形滤波器，可以实现来自不同电子系统应用的不同中心频率、不同带宽微波信号的光域灵活弹性切分，能够满足变频系统超宽带、多功能、一体化、低串扰、可集成等要求。
本发明具体采用了以下技术方案：
一种面向不同电子系统应用的超宽带一体化柔性变频装置，包括多业务信号调制模块、信号弹性选择模块、光学精细移频模块和相干解调混频模块；
多业务信号调制模块，用于将不同频率及不同带宽的多业务宽带信号调制到光载波上输出至信号弹性选择模块，并将光本振信号输出至光学精细移频模块；
信号弹性选择模块，用于根据外部控制调整中心波长和带宽，对输入的光信号进行可重构滤波处理，弹性切分具有不同频率及不同带宽的不同业务宽带信号，并将切分后的光载业务宽带信号输出至相干解调混频模块；
光学精细移频模块，用于根据外部控制对光本振信号进行移频，将移频后的光本振信号输出至相干解调混频模块；
相干解调混频模块，用于将具有不同频率及不同带宽的光载业务宽带信号与对应频率的光本振信号进行合束，并进行光电转换得到目标中频信号。
进一步的，所述的多业务信号调制模块包括激光器、光耦合器、电光调制器、微波放大器、微波移相器和微波合束器；
接收到的多业务宽带信号分别经过微波放大器进行信号功率的放大，经过微波移相器进行相位的调节，以及经过微波合束器进行合束，合束后的业务信号输出至电光调制器；
激光器用产生连续光信号，并经光耦合器进行分束，分束后的光信号一路作为信号光输出至电光调制器，一路作为本振光输出至光学精细移频模块；
电光调制器将合束后的业务信号调制到信号光上，并输出至信号弹性选择模块。
进一步的，电光调制器的种类包括但不限于相位调制器、强度调制器和双平行马赫增德尔调制器。
进一步的，电光调制器的调制类型包括相位调制、强度调制、单边带调制和载波抑制单边带调制。
进一步的，信号弹性选择模块为可重构微波光子滤波器，可重构微波光子滤波器的种类包括并联微环谐振腔滤波器、串联微环谐振腔滤波器和级联的微环辅助马赫曾德尔干涉仪滤波器。
进一步的，相干解调混频模块包括光合束器和光电探测器；光合束器将不同频率及不同带宽的光载业务宽带信号与对应频率的光本振信号进行合束，光电探测器对合束后的信号进行光电转换得到中频信号。
本发明相比现有技术优点为：
本发明利用基于可重构微波光子滤波器实现宽频信号弹性切分以产生不同带宽、不同频率范围宽带信号，提升了系统灵活性和综合性同时降低了通道间的串扰，方案中所包含的基于集成性电光调制器的光精细移频降低链路损耗、提高变频效率，多通道混频功能可实现宽带信号的任意中心频率的变频，从而实现不同电子系统应用信号的灵活可调谐变频处理，为实现超宽带可集成柔性变频系统的实现提供了可靠的技术路径。
此外，本发明方案具有可集成、大带宽、综合化的优势，相对于广泛研究的外部电光调制变频方案而言，该方案基于可重构微波光子矩形滤波器实现宽频信号弹性切分，提升了系统灵活性和综合性，降低了串扰分量。此方案还包含了光精细移频及多通道混频模块，可实现不同电子系统应用信号的同时变频处理。
附图说明
图1为本发明超宽带一体化柔性变频装置的基本结构图。
图2为本发明超宽带一体化柔性变频装置的基本原理图。
图3为本发明超宽带一体化柔性变频装置的实施例原理框图。
图4为本发明激光器输出光谱图。
图5为三组业务信号光域宽带信号副本光谱图。
图6为滤出的中心频率为1.5GHz，带宽10MHz的业务信号光域宽带信号副本光谱图。
图7为滤出的中心频率为16GHz，带宽800MHz的业务信号光域宽带信号副本光谱图。
图8为滤出的中心频率为30GHz，带宽2GHz的业务信号光域宽带信号副本光谱图。
图9为移频前后的激光本振信号光谱对比图。
图10为中心频率为1.5GHz，带宽10MHz的业务信号与其对应的移频后激光本振信号合束后的光谱图。
图11为中心频率为16GHz，带宽800MHz的业务信号与其对应的移频后激光本振信号合束后的光谱图。
图12为中心频率为30GHz，带宽2GHz的业务信号与其对应的移频后激光本振信号合束后的光谱图。
图13为中心频率为1.5GHz，带宽10MHz的业务信号与其对应的移频后激光本振信号拍频后的频谱图。
图14为中心频率为16GHz，带宽800MHz的业务信号与其对应的移频后激光本振信号拍频后的频谱图。
图15为中心频率为30GHz，带宽2GHz的业务信号与其对应的移频后激光本振信号拍频后的频谱图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施作详细说明：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流程，但本发明的保护范围不限于下属的实施例。
在本实施例中，如图1所示，一种面向不同电子系统应用的超宽带一体化柔性变频装置，包括多业务信号调制模块、信号弹性选择模块、光学精细移频模块和相干解调混频模块；
多业务信号调制模块，用于将不同频率及不同带宽的多业务宽带信号调制到光载波上输出至信号弹性选择模块，并将光本振信号输出至光学精细移频模块；
信号弹性选择模块，用于根据外部控制调整中心波长和带宽，对输入的光信号进行可重构滤波处理，弹性切分具有不同频率及不同带宽的不同业务宽带信号，并将切分后的光载业务宽带信号输出至相干解调混频模块；
光学精细移频模块，用于根据外部控制对光本振信号进行移频，将移频后的光本振信号输出至相干解调混频模块；
相干解调混频模块，用于将具有不同频率及不同带宽的光载业务宽带信号与对应频率的光本振信号进行合束，并进行光电转换得到目标中频信号。
其中，所述的多业务信号调制模块包括激光器、光耦合器、电光调制器、微波放大器、微波移相器和微波合束器；
接收到的多业务宽带信号分别经过微波放大器进行信号功率的放大，经过微波移相器进行相位的调节，以及经过微波合束器进行合束，合束后的业务信号输出至电光调制器；
激光器用产生连续光信号，并经光耦合器进行分束，分束后的光信号一路作为信号光输出至电光调制器，一路作为本振光输出至光学精细移频模块；
电光调制器将合束后的业务信号调制到信号光上，并输出至信号弹性选择模块。
本实施例中，激光器选用的是半导体激光器(LD)，光耦合器选用的是3dB Y型耦合器，电光调制器选用的是双平行马赫增德尔调制器(DPMZM)，光学精细移频模块为光精细移频器，选用的是双平行马赫增德尔调制器(DPMZM)，信号弹性选择模块为可重构微波光子滤波器，可重构微波光子滤波器选择的是基于微环谐振腔阵列的可重构微波光子矩形滤波器(微环阵列可重构滤波器)，光合束器选用的是3dB Y型耦合器，光电探测器选用的是光电探测器(PD)。如图2所示，电光调制器和可重构微波光子滤波器为信号调制路，光精细移频器为本振移频路。
图3为一种面向不同电子系统应用的超宽带可集成多功能一体化柔性变频方案的实施例原理框图。装置包括：半导体激光器LD、两个3dB光耦合器、两个双平行马赫增德尔调制器DPMZM、1个基于微环谐振腔阵列的可重构微波光子矩形滤波器、1个光电二极管PD。
本发明在工作时包括以下过程：
从半导体激光器LD发出的连续波激光经过一个3dB光耦合器功分两路，激光器输出光谱图如图4所示。
上支路(信号调制路)，半导体激光器LD输出的连续激光信号进入上支路工作在载波抑制单边带模式下的双平行马赫增德尔调制器，从而将输入双平行马赫增德尔调制器的多业务宽带射频信号调制到光域生成光域宽带信号副本。以中心频率为1.5GHz，带宽10MHz、中心频率为16GHz，带宽800MHz、中心频率为30GHz，带宽2GHz的三组业务信号为例，得到的三组业务信号光域宽带信号副本光谱图如图5所示。
调节微环阵列可重构滤波器的滤波特性控制信号将滤波器的滤波特性设置到特定的中心频率和带宽处；产生的多业务光域副本经过微环阵列可重构滤波器以实现对光域宽带信号副本中单一业务信号的滤波，最终得到单一业务光域宽带信号副本。单独滤出的三组业务信号的光谱图如图6～8所示。
下支路(本振移频路)，半导体激光器LD输出的连续激光信号进入下支路工作在载波抑制单边带模式下的双平行马赫增德尔调制器，调节控制双平行马赫增德尔调制器的移频控制信号以实现激光信号的移频，得到本振光信号。激光信号的移频量为下支路双平行马赫增德尔调制器输入移频控制信号的射频频率。移频前后的激光本振信号光谱对比图如图9所示。
单一业务光域宽带信号副本和移频后的激光信号经过一个3dB光耦合器实现两路光信号的合束。分别滤出的三组业务信号与其对应的移频后激光本振信号合束后得到的合束信号光谱图如图10～12所示。
合束后的两路光信号输入到一个光电二极管中进行混频并产生中频信号。分别滤出的三组业务信号与其对应的移频后激光本振信号拍频后产生的中频信号的频谱图如图13～15所示。
综上，本发明超宽带可集成多功能一体化柔性变频技术。该技术基于微环谐振腔阵列的可重构微波光子滤波器实现宽频信号弹性切分以产生不同带宽、不同频率范围宽带信号，提升了系统灵活性和综合性同时降低了通道间的串扰，基于集成性电光调制器的光精细移频可以降低链路损耗、提高变频效率，多通道混频功能可实现宽带信号的任意中心频率的变频，从而实现不同电子系统应用信号的灵活可调谐变频处理。
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，电光调制器的种类、可重构微波光子滤波器的种类，光精细移频器的种类、光电探测器的种类等都可改变。这些等同变形、替换以及各器件参量的调整也应视为本发明保护的范围。
Claims (6)
1.一种面向不同电子系统应用的超宽带一体化柔性变频装置，其特征在于，包括多业务信号调制模块、信号弹性选择模块、光学精细移频模块和相干解调混频模块；
多业务信号调制模块，用于将不同频率及不同带宽的多业务宽带信号调制到光载波上输出至信号弹性选择模块，并将光本振信号输出至光学精细移频模块；
信号弹性选择模块，用于根据外部控制调整中心波长和带宽，对输入的光信号进行可重构滤波处理，弹性切分具有不同频率及不同带宽的不同业务宽带信号，并将切分后的光载业务宽带信号输出至相干解调混频模块；
光学精细移频模块，用于根据外部控制对光本振信号进行移频，将移频后的光本振信号输出至相干解调混频模块；
相干解调混频模块，用于将具有不同频率及不同带宽的光载业务宽带信号与对应频率的光本振信号进行合束，并进行光电转换得到目标中频信号。
2.根据权利要求1所述的一种面向不同电子系统应用的超宽带一体化柔性变频装置，其特征在于，所述的多业务信号调制模块包括激光器、光耦合器、电光调制器、微波放大器、微波移相器和微波合束器；
接收到的多业务宽带信号分别经过微波放大器进行信号功率的放大，经过微波移相器进行相位的调节，以及经过微波合束器进行合束，合束后的业务信号输出至电光调制器；
激光器用产生连续光信号，并经光耦合器进行分束，分束后的光信号一路作为信号光输出至电光调制器，一路作为本振光输出至光学精细移频模块；
电光调制器将合束后的业务信号调制到信号光上，并输出至信号弹性选择模块。
3.根据权利要求2所述的一种面向不同电子系统应用的超宽带一体化柔性变频装置，其特征在于，电光调制器的种类包括但不限于相位调制器、强度调制器和双平行马赫增德尔调制器。
4.根据权利要求3所述的一种面向不同电子系统应用的超宽带一体化柔性变频装置，其特征在于，电光调制器的调制类型包括相位调制、强度调制、单边带调制和载波抑制单边带调制。
5.根据权利要求1所述的一种面向不同电子系统应用的超宽带一体化柔性变频装置，其特征在于，信号弹性选择模块为可重构微波光子滤波器，可重构微波光子滤波器的种类包括并联微环谐振腔滤波器、串联微环谐振腔滤波器和级联的微环辅助马赫曾德尔干涉仪滤波器。
6.根据权利要求1所述的一种面向不同电子系统应用的超宽带一体化柔性变频装置，其特征在于，相干解调混频模块包括光合束器和光电探测器；光合束器将不同频率及不同带宽的光载业务宽带信号与对应频率的光本振信号进行合束，光电探测器对合束后的信号进行光电转换得到中频信号。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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