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CN112134624B - 一种高效的微波光子信道化接收方法 - Google Patents

一种高效的微波光子信道化接收方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高效的微波光子信道化接收方法，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1所示，包括激光器、马增调制器、双平行马增调制器、双偏振马增调制器、偏振控制器、掺饵光纤光放大器、波分复用器、双偏振90度光耦合器、平衡光电探测器、电90度耦合器和电带通滤波器。射频信号通过偏振正交的射频光梳复制多份，本振光梳与对应的射频复制进行混频，控制两套光梳以及波分复用器的位置和间隔，通过镜像抑制的解调模块可以实现宽带信号的信道化接收。本发明克服了光子滤波器组方案中系统复杂，串扰严重的问题，克服了传统双光梳方案中多梳线，大间隔光梳难以生成的技术难点，在侦查、雷达等领域均有潜在的应用价值。

Description

一种高效的微波光子信道化接收方法
技术领域
本发明涉及光通信技术领域以及微波技术领域，主要涉及利用光子学技术实现宽带信号的信道化接收。
背景技术
随着电子战以及通信环境的不断复杂，自适应通信系统，电子侦察、对抗，雷达系统的不断发展，宽带范围内的无线频谱测量和分析变得愈发重要。一个实时，高分辨率的频谱监测系统可及时、准确地发现敌情，在电子战中占得先机。尽管利用数字或模拟滤波器组的技术已经能够实现信号的信道化接收，但是受限于模数转换的带宽限制以及目前电域器件的电子瓶颈，为来多频段，大带宽信号的信道化接收将成为技术难题，同时其定时抖动大，电磁干扰严重，系统体积功耗大等问题也限制了电子信道化接收机的应用场景。
得益于微波光子多频段、大带宽、抗电磁干扰、体积功耗小等一系列优势，采用光学技术实现宽带信号的信道化接收逐渐成为了研究的热点，可在多频段范围内实时、高分辨率的检测无线频谱，在下一代电子侦察、对抗、雷达、自适应通信系统等相关领域均有潜在的应用价值。
目前已报道的微波光子信道化接收方案主要分为两大类，一类为基于光子滤波器组的信道化接收方案，一类为基于双光梳的镜像抑制信道化接收方案。在第一种方案中，首先信号通过调制在光梳的方式实现信号的复制，等间隔的光子滤波器组实现信号的信道分割，随后本振光梳实现对不同子信道信号的下变频。在这种方案中，接收系统结构相对简单，但是需要滤波器组频率精确对准各子信道，同时理论需要光子滤波器具有精确的通带带宽和无限大的滚降系数，才能实现信号的无缝隙、无重叠信道化接收。在第二种方案中，同样需要射频光梳将射频信号复制多份，本振光梳对各个复制的射频信号进行下变频处理，然而使用了镜像抑制的接收技术，系统无需光子滤波器进行信道划分，使系统拥有更强的可重构性，同时降低了信道间串扰，提升了系统的性能。然而，早期基于双光梳的镜像抑制的信道化接收方案射频复制利用率低，子信道数目与射频信号复制份数相同。同时需要大间隔，多梳线的射频和本振光梳，产生难度大；设配复杂，成本高。
发明内容
为了解决技术背景中所存在的问题，本发明提出了一种高效的微波光子信道化接收方法。相对于传统双光梳方案，该方法利用偏振正交的射频光梳，同时改进了镜像抑制的解调模块，n个射频复制可以实现2(n-2)个子信道解调，使得射频复制利用率提高了近2倍，n/2根射频光梳和n/2-1根本振光梳可以实现2n-2个子信道解调，光梳梳线减少至近1/4，偏振正交的射频光梳使得射频复制可以频率重叠，因此光梳间隔降低至近1/2；同时解调模块中，采用n个Dpol-OHC可以实现4n个信道解调，将OHC减少至1/4，n个BPD实现n个信道解调，相交先前方案减少至1/2。此方案不仅包含了传统基于双光梳的镜像抑制的信道化接收方案中系统重构性强、信道间串扰低等优势，还降低了光梳实现难度，同时降低了系统复杂度，节约了成本。
镜像抑制解调模块，采用了Dpol-OHC和平衡探测的结构，系统稳定性高，平衡探测的使用还抑制了共模杂散分量，提高了信杂比。EHC的两个输出端均被使用，使得接收效率进一步加倍。一套镜像抑制解调模块包含1个Dpol-OHC，4个BPD，两个EHC和4个EBPF，可实现4个子信道的解调。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：所述装置包括1激光源LD、2双偏振马增调制器Dpol-MZM、3双平行马增调制器DPMZM、4、马增调制器MZM、5、偏振调制器PolM、6偏振控制器PC、7掺饵光纤光放大器EDFA、8波分复用器WDM、9双偏振90度光耦合器Dpol-OHC、10平衡光电探测器BPD、11电90度耦合器EHC、12电带通滤波器EBPF。光源的输出端首先功分两路，上路首先与Dpol-MZM的输入端相连，射频信号功分两路分别加载到Dpol-MZM的两个子调制器的射频输入口，Dpol-MZM的输出端与第一个PC相连，然后连接PolM，需要信道化接收的宽带射频信号加载到PolM的射频输入口，PolM的输出端连接EDFA，随后连接第二个PC，下支路首先与DPMZM的输入端相连，射频信号通过EHC后，分别加载到DPMZM的两个子调制器的射频输入口，DPMZM的输出端连接EDFA，随后通过第三个PC连接MZM的输入端，本振信号加载到MZM的射频输入口，MZM的输出端连接EDFA，随后连接第四个PC，上下两路的输出信号分别连接两个WDM的输入端，WDM的输出端依次输入对应的Dpol-OHC的输入端，例如上路WDM第一路输出与下路WDM的第一路输出同时输入第一个Dpol-OHC的射频输入口和本振输入口，Dpol-OHC的输出端连接BPD的光输入端，BPD的电输出端依次连接EHC的输入端口，EHC的输出端口连接EBPF，EBPF的输出端可连接示波器或频谱分析仪。
其中DPMZM由两个平行的子MZM和一个主MZM构成。
其中Dpol-MZM由两个平行的MZM，一个90°法拉第旋转镜和一个偏振合束器构成。
其中PolM可对两个偏振态引入调制指数大小相同，相位相反的相位调制。
其中Dpol-OHC由两个偏振正交的OHC构成，两路输入，8路输出，射频信号输入端集成一个PBS，本振信号输入端集成一个功分器。
其中BPD由两个性能相同或相似的光电探测器构成，BPD的输出时两个光电探测器各自输出相减的结果。
本发明在工作时包括以下步骤：
(1)从光源发出波长为λ的光载波功分两路。
(2)上支路，射频信号功分两路分别加载到DPol-MZM的两个子调制器的射频输入口，用来产生偏振正交的射频光梳，其中一个子调制器工作在最小点，另一个子调制器工作在最大点。
(3)调节PC1使得从DPol-MZM输出的信号主轴对准MZM的主轴。
(4)需要被信道化分的宽带射频信号加载到第二个MZM的射频输入口，用来产生宽带射频信号的复制，其可工作在正交点或最小点，最小点系统性能较好。
(5)通过EDFA1对信号进行放大，通过PC2维持信号的偏振方向，输入上路WDM的输入端。
(6)下支路，射频信号通过90度电耦合器分别加载到DPMZM两个子调制器的射频输入口，用来对光载波进行移频处理，其子调工作在最小点，主调工作在正交点。
(7)通过EDFA2放大后，PC3使输入偏振方向对准MZM主轴，本振信号加载到MZM的射频输入口，用来产生本振光梳，其工作点灵活可调，配合射频输入功率，可根据需要产生光梳间隔以及梳线数不同的射频光梳。
(8)EDFA3对本振光梳放大后，PC3将其偏振态旋转45度，输入下路WDM的输入端。
(9)上下两路WDM的对应的输出端输入同一个Dpol-OHC的两个输入端。例如，上下两路WDM的第一个输出端分别输入第一个Dpol-OHC的射频输入口和本振输入口。
(10)Dpol-OHC的输出端连接平衡探测器，随后以此连接EHC，EHC的两个输出端分别连接1个EBPF。
本发明提出了一种高效的微波光子信道化接收方法，光载波功分两路，上路首先产生偏振正交的射频光梳，宽带射频信号通过射频光梳复制多份，下路载波首先频移，随后产生位置以及频率间隔经过精确调谐的本振光梳，上下两路的射频复制和本振光梳通过两个WDM按照频率分离，其中两个WDM相对应的两个输出口输入同一个Dpol-OHC的输入端，经过光电平衡探测后，EHC的两个输出口可以分别解调出一个子信道的信号，随后利用EBPF滤出子信道信号，供后期DSP处理。
本发明利用偏振正交的射频光梳以及改进的镜像抑制接收方案，使得光梳利用率，设备利用率等均大幅提升，简化了结构，节约了成本，避免了难以生成的大间隔，多梳线光梳的使用，降低了系统难度。同时系统频率调节性高，可扩展性强，为宽带信号的信道化接收提供了技术支持。
附图说明
图1为高效的微波光子信道化接收方法原理图。
图2以8信道的信道化接收为例，表示了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流程，但本发明的保护范围不限于下属的实施例。
图1为高效的微波光子信道化接收方法原理图。装置包括1激光源LD、2双偏振马增调制器Dpol-MZM、3双平行马增调制器DPMZM、4、马增调制器MZM、5、偏振调制器PolM、6偏振控制器PC、7掺饵光纤光放大器EDFA、8波分复用器WDM、9双偏振90度光耦合器Dpol-OHC、10平衡光电探测器BPD、11电90度耦合器EHC、12电带通滤波器EBPF。激光器输出光载波功分两路，上路首先由Dpol-MZM生成偏振正交的射频光梳，随后宽带射频信号加载到PolM上，对正交的射频光梳进行调制，并输入上路WDM的输入口，下路首先由DPMZM对光载波进行移频处理，随后由MZM产生本振光梳，并利用PC4将本振光梳偏振方向旋转45度，并输入下路WDM的输入口，上下两路WDM对应的输出端输入同一个Dpol-OHC的射频输入口和本振输入口，输出连接BPD进行光电转换，光电转换后的电信号依次连接EHC，并在EHC的两个输出端口各连接一个EBPF，每个EBPF输出一个子信道的信号。
本实例中，具体包括以下步骤：
步骤一：光源产生工作波长为1552nm，功率为20dBm的连续光波，该连续光波功分两路。
步骤二：上支路，射频信号源输出频率为12GHz的正弦信号加载到DPol-MZM的上路子调制器的射频输入口，上路子调制器工作在最小点，产生抑制载波的双边带调制信号，由于此实例中只需要3线光梳，下路子调制器可以不输入射频信号，但需要调节下路子调制器的偏压，使上下两路光信号幅度相同，由此Dpol-MZM输出3根间隔为12GHz的射频光梳，其中第二根梳线与第一根和第三根偏振正交。
步骤三：调节PC1使从Dpol-MZM输出的射频光梳偏振态对准PolM的主轴，2GHz-10GHz的宽带射频信号(分别对应1-8信道)输入PolM的射频输入口。
步骤四：经过EDFA放大后，PC2用来维持PolM输出信号的偏振态不变，随后输入上路WDM的输入端。
步骤五：下支路，射频信号源输出频率为4.5GHz的正弦波信号经过一个EHC加载到DPMZM的两个子调制器的射频输入口，DPMZM的两个子调制器工作在最小点，主调工作在正交点。实现光载波的移频。
步骤六：EDFA放大后，PC3调节DPMZM输出的光信号使其偏振态对准MZM的主轴，射频源产生频率为13GHz的本振信号加载到MZM的射频输入口，MZM在本实例中工作在正交工作点。产生频率间隔为13GHz的本振光梳。
步骤七：由EDFA放大后，调节PC4使得MZM输出信号的偏振方向旋转45度，输入下路WDM的输入端(上下两个WDM的间隔均为12GHz)。
步骤八：上下两个WDM对应的输出端输入同一个Dpol-OHC的两个输入端，例如上下两路WDM的第一个输出口输入第一个Dpol-OHC的射频输入口和本振输入口。本方案共需两个Dpol-OHC，需要WDM两个输出口参与工作。
步骤九：Dpol-OHC的输出口连接BPD，一个Dpol-OHC共8个输出口，依次连接4个BPD，(BPD的带宽需大于等于1.5GHz)例如1、2号输出端口连接一个BPD，3、4好输出端口连接一个BPD，以此类推。
步骤十：BPD的输出端口依次连接两个EHC(EHC的频率覆盖范围至少为0.5-1.5GHz)，EHC的输出端口连接一个EBPF(EBPF的频率覆盖范围同样至少为0.5-1.5GHz)。
步骤十一：EBPF输出端分别连接频谱分析仪，观测下变频信号的频谱。
图2为原理示意图中各部分输出光谱的示意图。
在本方案中，利用正交的射频光梳，光边带可相互重叠，首先避免了大间隔，多梳线光梳的使用，同时改进的镜像抑制接收模块进一步提高了光梳的利用率，并减少了OHC，BPD，EHC等器件的使用，节约了成本。以上述实例为例，传统双光梳方案解调2GHz-10GHz的宽带信号，在双边带信号的调制模式下，需要射频光梳间隔至少20GHz，本振光梳间隔至少21GHz，射频光梳和本振光梳均需要8根，需要8输出WDM，OHC需要8个，BPD需要16个，EHC需要8个。对于本方案而言，射频光梳间隔12GHz，本振光梳间隔13GHz，射频光梳需要3根，本振光梳需要2根，需要2输出WDM，Dpol-OHC两个，BPD需要8个，EHC需要4个。
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的变形和替换，例如使用分离的器件来实现Dpol-MZM调制器或PolM的功能，利用DP-QPSK调制器或其他方式产生正交光载波，利用波形成形器waveshaper代替WDM。此外，改变输入光载波波长、功率，改变射频及本振信号的频率和功率，改变宽带射频信号的频率、格式等为本发明的保护的范围。

Claims (3)

1.一种高效的微波光子信道化接收方法，包括激光器LD、马增调制器MZM、双平行马增调制器DPMZM、双偏振马增调制器Dpol-MZM、偏振调制器PolM、偏振控制器PC、掺饵光纤光放大器EDFA、波分复用器WDM、双偏振90度光耦合器Dpol-OHC、平衡光电探测器BPD、电90度耦合器EHC和电带通滤波器EBPF，其特征在于，激光器输出的连续光载波功分两路，上路首先进入一个Dpol-MZM，射频信号功分两路分别加载到DPol-MZM的两个子调制器的射频输入口，Dpol-MZM的输出端与PC1相连，随后连接PolM，宽带射频信号通过PolM射频口加载到正交光载波上，通过EDFA放大后，PC2维持其偏振方向不变，输入上路的WDM，下路首先经过一个DPMZM，射频信号通过一个电90度耦合器加载到DPMZM的两个射频口，对光载波进行移频处理，通过EDFA放大后由PC3控制其偏振方向与MZM主轴相同并进入MZM，本振信号加载到MZM的射频输入口，用来产生本振光梳，其工作点灵活可调，配合射频输入功率，可根据需要产生光梳间隔以及梳线数不同的射频光梳，随后通过第三个EDFA放大后，由PC4维持其偏振方向，输入下路的WDM，随后上下两个WDM对应的输出端输入同一个Dpol-OHC的射频输入口和本振输入口，由BPD光电探测后，分别输出IQ两路信号，再经过一个90度电耦合器后，两路输出便可得到两个子信道的信号，综合所有WDM的输出，可将宽带信号无间隙且无重叠的划分至多个子信道进行接收。
2.根据权利要求1所述的一种高效的微波光子信道化接收方法，其特征在于，上路Dpol-MZM的两个子调制器分别工作在最小点和最大点，用来产生偏振复用的射频光梳，可以通过在Dpol-MZM后面级联一个PolM调制器，对该射频光梳进行梳线扩展。
3.根据权利要求1所述的一种高效的微波光子信道化接收方法，其特征在于，下路DPMZM子调制器工作在最小点，主调制器工作在正交点，射频信号通过电90度耦合器分别加载到两个子调制器的射频口，实现光载波的移频，下路MZM用来产生本振光梳，其工作点灵活可调，配合射频输入功率，可根据需要产生光梳间隔以及梳线数不同的射频光梳。
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