CN112838894B - 一种光电融合大动态可重构变频装置与方法 - Google Patents
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Abstract
一种光电融合大动态可重构变频装置及方法，包括：激光器、可调光分路器、可调电分路器、第一电光调制单元、第二电光调制单元、第一直流偏置控制单元、第二直流偏置控制单元、本振信号源、固定电分路器、第一光放大单元、第二光放大单元、光电接收单元、可调谐电滤波单元。可调电分路器和可调光分路器分别分配进入第一电光调制单元和第二电光调制单元的待变频信号功率比和输入光波的功率比，实现对变频过程中三阶交调杂散分量的消除，获得大的无杂散动态范围。根据应用不同，通过开关切换工作在低通或高通模式，实现下变频和上变频的灵活重构。本发明解决了现有光子变频系统的无杂散动态范围小，变频效率低等问题，并具有上下变频灵活重构的能力。
Description
技术领域
本发明属于射频信号处理技术领域，涉及一种光电融合大动态可重构变频装置与方法。
背景技术
频率变换是射频信号处理的重要功能之一，与传统的电学变频技术相比，光子变频技术具有低损耗、大带宽、高抗电磁干扰特性等优势，在卫星通信、移动通信、雷达系统等领域中具有广阔的应用前景。
光子变频的基本过程是先将微波信号经过电光调制转换至光域，在光域中对信号进行处理，最后经过光电探测输出变频后的信号。光子变频具有处理带宽大的优势，并且可以实现将多个频段微波信号一次进行变频到目标频段，克服了电学变频技术中多次变频导致的系统复杂等问题。
通常在光子变频系统中由于光电器件的非线性响应，导致输出信号中除了所需的目标信号之外，还会产生其它的非线性杂散成分，尤其是三阶交调杂散分量，因其难以通过滤波器滤除，成为限制光子变频系统动态范围的重要因素，长期以来受到科学研究和工程技术人员的极大关注。
在先技术[1](C.K.Sun,R.J.Orazi,S.A.Pappert,and W.K.Burns,“Aphotonic-link millimeter-wave mixer using cascaded optical modulators and harmoniccarrier generation,”IEEE Photon.Technol.Lett.,vol.8,no.9,pp.1166–1168,Sep.1996.)中通过级联两个电光强度调制器，将本振信号和射频信号分别在两个调制器上进行双边带调制，然后经过光电探测实现变频的功能。由于级联两个调制器的插损较大，采用双边带调制方式的光载波功率较高，而光载波并不携带本振或射频信号的信息，因此该方案的变频效率较低。另外，该方案尚没有考虑变频系统的动态范围。
在先技术[2](P.X.Li,W.Pan,X.H.Zou,S.Pan,B.Luo,and L.S.Yan,“High-efficiency photonic microwave downconversion with full-frequency-rangecoverage,”IEEE Photon.J.,vol.7,no.4,pp.1–7,Aug.2015.)中通过级联两个偏振调制器，将本振信号和射频信号分别在两个调制器上进行双边带调制，通过调节偏振控制器使两调制器中的光载波处于180°反相状态而相互抵消，来实现载波抑制功能，以提高变频系统的转换效率。该方案采用级联电光调制器的方式会带来较大的三阶交调非线性失真，但尚未采取抑制三阶交调失真的措施，因此系统的无杂散动态范围受限。
在先技术[3](Y.C.Shao,X.Y.Han,M.Li,Q.Liu,and M.S.Zhao.Microwavedownconversion by a tunable optoelectronic oscillator based on PS-FBG andpolarization-multiplexed dual loop[J].IEEE Transactions on Microwave Theoryand Techniques,vol.67,no.5,pp.2095–2102,May,2019.)中通过构建由可调激光器、相位调制器和相移光纤光栅组成的光电振荡器，并在环路中采用偏置复用双环路结构，产生高边模抑制比、低相位噪声、频率可调谐的本振信号，无需外部本振信号源，直接在光电振荡环路系统实现光子下变频。虽然测试分析了变频系统的无杂散动态范围，但是并未给出抑制三阶交调杂散分量的措施。
发明内容
本发明提供一种光电融合大动态可重构变频装置与方法，有效解决背景技术中无杂散动态范围小、转换效率低等问题，且具有上变频或下变频的灵活重构能力。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：
一种光电融合大动态可重构变频装置，该装置包括：激光器、可调光分路器、可调电分路器、第一电光调制单元、第二电光调制单元、第一直流偏置控制单元、第二直流偏置控制单元、本振信号源、固定电分路器、第一光放大单元、第二光放大单元、光电接收单元、可调谐电滤波单元。
所述第一电光调制单元和第二电光调制单元均具有双射频输入端口，分别用于本振信号和待变频信号的输入，实现本振信号和待变频信号的电光调制转换至光域的功能。
所述第一电光调制单元通过第一直流偏置控制单元控制工作在最小偏置工作点，实现上支路本振信号和待变频信号的载波抑制双边带调制功能。所述第二电光调制单元通过第二直流偏置控制单元控制工作在最小偏置工作点，实现下支路本振信号和待变频信号的载波抑制双边带调制功能。
所述可调光分路器用于分配进入第一电光调制单元和第二电光调制单元的光功率比值，以满足变频过程中对三阶交调杂散分量抑制的光功率匹配条件。
所述可调电分路器用于分配进入第一电光调制单元和第二电光调制单元的待变频信号的功率比值，以满足变频过程中对三阶交调杂散分量抑制的电功率匹配条件。
所述第一光放大单元在光域内放大第一电光调制单元输出的载波抑制双边带信号；所述第二光放大单元在光域内放大第一电光调制单元输出的载波抑制双边带信号。
所述光电接收单元包括第一光电探测器和第二光电探测器。第一光电探测器用于接收第一光放大单元输出的放大后的载波抑制双边带信号，进行光电转换后输出电信号。第二光电探测器用于接收第二光放大单元输出的放大后的载波抑制双边带信号，进行光电转换后输出电信号。第一光电探测器和第二光电探测器通过差分电路连接，通过差分合路完成变频过程中三阶交调杂散分量的消除。
所述可调电滤波单元具有低通模式和高通模式两种工作模式，并采用开关进行切换。设置在低通模式，用于选通光电接收单元输出的下变频电信号，实现下变频功能；设置在高通模式，用于选通光电接收单元输出的上变频电信号，实现上变频功能。
所述激光器、可调光分路器、第一电光调制单元、第二电光调制单元、第一光放大单元、第二光放大单元、光电接收单元分别通过光链路依次连接。
所述光电接收单元与可调谐电滤波单元通过电链路连接。
上述的微波光子变频装置实现大动态可重构变频的方法，步骤如下：
激光器发出的光波经过可调光分路器分为两路；上路光波输入第一电光调制单元；下路光波输入第二电光调制单元。
本振信号源输出的本振信号经过固定电功分器分为两路，一路本振信号输入至第一电光调制单元，另外一路本振信号输入至第二电光调制单元。
待变频的射频信号或中频信号经过可调电分路器分为两路，一路射频信号或中频信号输入至第一电光调制单元，另外一路射频信号或中频信号输入至第二电光调制单元；
第一直流偏置控制单元控制第一电光调制单元工作在最小偏置工作点，实现对射频信号或中频信号和本振信号的载波抑制调制功能，输出载波抑制双边带信号。第二直流偏置控制单元控制第二电光调制单元工作在最小偏置工作点，实现对射频信号或中频信号和本振信号的载波抑制调制功能，输出载波抑制双边带信号。
第一电光调制单元输出的载波抑制双边带信号经第一光放大单元放大后传输至光电接收单元中的第一光电探测器，完成光电转换并输出电信号。
第二电光调制单元输出的载波抑制双边带信号经第二光放大单元放大后传输至光电接收单元中的第二光电探测器，完成光电转换并输出电信号。
通过调节可调光分路器的两端口输出至第一电光调制单元和第二电光调制单元的光功率分配比，同时调节可调电分路器两端口输出至第一电光调制单元和第二电光调制单元的电功率分配比，使第一光电探测器和第二光电探测器输出电信号频谱中的变频三阶交调杂散分量的幅度相同，经过差分合路，第一光电探测器输出的变频三阶交调杂散分量和第二光电探测器输出的变频三阶交调杂散分量相抵消，实现对变频过程中三阶交调杂散分量的消除，获得大动态范围的变频功能。
当输入待变频的信号为射频信号时，可调电滤波单元的开关切换至低通模式，选择输出下变频后的中频信号，实现下变频功能；当输入待变频的信号为中频信号时，可调电滤波单元的开关切换至高通模式，选择输出上变频后的射频信号，实现上变频功能；通过对可调电滤波单元工作模式的开关切换选择，实现下变频和上变频的动态重构功能。
本发明的有益效果：本发明通过合理设置两电光调制单元的光功率分配比和电功率分配比，并采用光电差分接收来消除变频中三阶交调非线性杂散分量，同时抑制了系统的共模噪声，有效提升了变频系统的无杂散动态范围。电光调制单元采用载波抑制双边带调制方式，并采用光域放大对载波抑制双边带信号提供增益，有效提升了变频系统的转换效率，保障了变频的高增益能力。采用电学滤波单元的低通或高通功能开关切换设置进行上变频或下变频的选择，提升了变频系统的可重构能力。
附图说明
图1是本发明光电融合大动态可重构变频装置结构图。
图2是第一电光调制单元输出的载波抑制双边带信号的光域频谱图。
图3是第二电光调制单元输出的载波抑制双边带信号的光域频谱图。
图4是光电接收单元中的第一光电探测器输出上变频双音信号的频谱图。
图5是光电接收单元中的第二光电探测器输出上变频双音信号的频谱图。
图6是光电接收单元的差分合路输出的上变频双音信号的频谱图。
图7是光电接收单元中的第一光电探测器输出上变频信号的无杂散动态范围测试结果。
图8是光电接收单元的差分合路输出上变频信号的无杂散动态范围测试结果。
图9是下变频处理下，光电接收单元输出的电域频谱图。
图10是下变频处理下，可调电滤波器输出的频谱图。
图11是上变频处理下，光电接收单元输出的电域频谱图。
图12是上变频处理下，可调电滤波器输出的频谱图。
图中：1激光器；2可调光分路器；3可调电分路器；4第一电光调制单元；5第二电光调制单元；6第一直流偏置控制单元；7第二直流偏置控制单元；8本振信号源；9固定电分路器；10第一光放大单元；11第二光放大单元；12光电接收单元；12-1第一光电探测器；12-2第二光电探测器；13可调电滤波单元。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
本发明光电融合大动态可重构变频装置，如图1所示，包括：激光器1、可调光分路器2、可调电分路器3、第一电光调制单元4、第二电光调制单元5、第一直流偏置控制单元6、第二直流偏置控制单元7、本振信号源8、固定电分路器9、第一光放大单元10、第二光放大单元11、光电接收单元12(包括第一光电探测器12-1和第二光电探测器12-2)、可调谐电滤波单元13。
所述激光器1、可调光分路器2、第一电光调制单元4、第二电光调制单元5、第一光放大单元10、第二光放大单元11、光电接收单元12分别通过光链路依次连接。
所述光电接收单元12与可调谐电滤波单元13通过电链路连接。
实施例1：上变频、三阶交调杂散分量消除及无杂散动态范围的提升。
激光器发出的光波经过可调光分路器分为两路，上路光波输入至第一电光调制单元；下路光波输入至第二电光调制单元。
双音中频信号(fIF1＝2GHz，fIF2＝2.1GHz)经过可调电分路器分为两路，一路输入至第一电光调制单元，另外一路输入至第二电光调制单元；本振信号源输出的本振信号(fLO＝21GHz)经过固定电功分器均分为两路，一路输入至第一电光调制单元，另外一路输入至第二电光调制单元。
第一直流偏置控制单元控制第一电光调制单元工作在最小偏置工作点，实现对中频信号和本振信号的载波抑制调制功能，输出载波抑制双边带信号，频谱如图2所示。第二直流偏置控制单元控制第二电光调制单元工作在最小偏置工作点，实现对双音中频信号和本振信号的载波抑制调制功能，输出载波抑制双边带信号，频谱如图3所示。
第一电光调制单元输出的载波抑制双边带信号经第一光放大单元放大后传输至光电接收单元的第一光电探测器，完成光电转换并输出电信号，频谱如图4所示。从图4可以看出，除了上变频的目标信号fRF1＝fIF1+fLO＝23GHz和fRF2＝fIF2+fLO＝23.1GHz，还包括了三阶交调杂散分量2fRF1-fRF2＝22.9GHz和2fRF2-fRF1＝23.2GHz。
第二电光调制单元输出的载波抑制双边带信号经第二光放大单元放大后传输至光电接收单元的第二光电探测器，完成光电转换并输出电信号，对第一光电探测器输出的三阶交调杂散分量进行抵消。设置可调光分路器分配至第一电光调制单元和第二电光调制单元的光功率分配比、可调电分路器分配至第一电光调制单元和第二电光调制单元的电功率分配比，使得第二光电探测器输出的电信号中的三阶交调杂散分量与第一光电探测器输出的电信号中的三阶交调杂散分量幅度相同。图5给出了第二光电探测器输出电信号的频谱，可以看出，其中的三阶交调杂散分量2fRF1-fRF2＝22.9GHz和2fRF2-fRF1＝23.2GHz与图4所示第一光电探测器输出电信号中的三阶交调杂散分量2fRF1-fRF2＝22.9GHz和2fRF2-fRF1＝23.2GHz幅度分别相同。第一光电探测器和第二光电探测器输出的电信号经过差分合路，三阶交调杂散分量相互抵消。
光电探测单元输出的电信号传输至可调电滤波单元，可调电滤波单元工作在高通模式，输出频谱如图6所示。从图6可以看出，输出的信号频谱中只有上变频后的信号fRF1＝fIF1+fLO＝23GHz和fRF2＝fIF2+fLO＝23.1GHz，而没有三阶交调杂散分量2fRF1-fRF2＝22.9GHz和2fRF2-fRF1＝23.2GHz，表明实现了上变频的功能，并且三阶交调杂散分量被消除了。
为了清晰给出该装置对变频系统无杂散动态范围的提升效果，测试了由第一电光调制器、第一光放大单元和第一光电探测器构成的变频系统的无杂散动态范围，结果如图7所示，可以看出无杂散动态范围是91.1dB·Hz2/3。图8给出了本发明实施方案的变频系统的无杂散动态范围的测试结果，可以看出无杂散动态范围是108dB·Hz4/5。对比图8和图7可以看出，本发明实施方案的上变频系统无杂散动态范围提升了16.9dB。
实施例2：上变频和下变频功能的重构。
本振信号源的频率为21GHz保持不变。当进入可调电分路器的待变频信号的频率为fRF＝24GHz，光电接收单元输出电信号的频谱如图9所示，设置可调电滤波器工作在低通模式，其输出的频谱如图10所示。从图10可以看出变频后的信号频率为3GHz，实现了下变频功能。
当进入可调电分路器的待变频信号的频率为4GHz，光电接收单元输出电信号的频谱如图11所示，设置可调电滤波器工作在高通模式，其输出的频谱如图12所示。从图12可以看出变频后的信号频率为25GHz，实现了上变频功能。
综上，根据变频应用的目标不同，通过开关切换可调电滤波器工作在低通模式或高通模式，即可实现下变频和上变频功能的灵活重构。
以上内容是结合优选技术方案对本发明所做的进一步详细说明，不能认定发明的具体实施仅限于这些说明。对本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出简单的推演及替换，都应当视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种光电融合大动态可重构变频装置，其特征在于，所述的装置包括：激光器(1)、可调光分路器(2)、可调电分路器(3)、第一电光调制单元(4)、第二电光调制单元(5)、第一直流偏置控制单元(6)、第二直流偏置控制单元(7)、本振信号源(8)、固定电分路器(9)、第一光放大单元(10)、第二光放大单元(11)、光电接收单元(12)和可调电滤波单元(13)；
所述第一电光调制单元(4)和第二电光调制单元(5)均具有双射频输入端口，分别用于本振信号和待变频信号的输入，实现本振信号和待变频信号的电光调制转换至光域的功能；
所述第一电光调制单元(4)通过第一直流偏置控制单元(6)控制工作在最小偏置工作点，实现上支路本振信号和待变频信号的载波抑制双边带调制功能；所述第二电光调制单元(5)通过第二直流偏置控制单元(7)控制工作在最小偏置工作点，实现下支路本振信号和待变频信号的载波抑制双边带调制功能；
所述可调光分路器(2)用于分配进入第一电光调制单元(4)和第二电光调制单元(5)的光功率比值，以满足变频过程中对三阶交调杂散分量抑制的光功率匹配条件；
所述可调电分路器(3)用于分配进入第一电光调制单元(4)和第二电光调制单元(5)的待变频信号的功率比值，以满足变频过程中对三阶交调杂散分量抑制的电功率匹配条件；
所述第一光放大单元(10)在光域内放大第一电光调制单元(4)输出的载波抑制双边带信号；所述第二光放大单元(11)在光域内放大第二电光调制单元(5)输出的载波抑制双边带信号；
所述光电接收单元(12)包括第一光电探测器(12-1)和第二光电探测器(12-2)；第一光电探测器(12-1)用于接收第一光放大单元(10)输出的放大后的载波抑制双边带信号，进行光电转换后输出电信号；第二光电探测器(12-2)用于接收第二光放大单元(11)输出的放大后的载波抑制双边带信号，进行光电转换后输出电信号；第一光电探测器(12-1)和第二光电探测器(12-2)通过差分电路连接，通过差分合路完成变频过程中三阶交调杂散分量的消除；
所述可调电滤波单元(13)具有低通模式和高通模式两种工作模式，并采用开关进行切换；设置在低通模式，用于选通光电接收单元(12)输出的下变频电信号，实现下变频功能；设置在高通模式，用于选通光电接收单元(12)输出的上变频电信号，实现上变频功能；
所述激光器(1)与可调光分路器(2)通过光链路连接，可调光分路器(2)分别与第一电光调制单元(4)、第二电光调制单元(5)通过光链路连接，第一电光调制单元(4)和第二电光调制单元(5)分别连接第一光放大单元(10)、第二光放大单元(11)后均与光电接收单元(12)通过光链路连接；
所述光电接收单元(12)与可调电滤波单元(13)通过电链路连接。
2.权利要求1所述的光电融合大动态可重构变频装置实现大动态可重构变频的方法，其特征在于，步骤如下：
激光器(1)发出的光波经过可调光分路器(2)分为两路；上路光波输入至第一电光调制单元(4)；下路光波输入至第二电光调制单元(5)；
本振信号源(8)输出的本振信号经过固定电分路器(9)分为两路，一路本振信号输入至第一电光调制单元(4)，另外一路本振信号输入至第二电光调制单元(5)；
待变频的射频信号或中频信号经过可调电分路器(3)分为两路，一路射频信号或中频信号输入至第一电光调制单元(4)，另外一路射频信号或中频信号输入至第二电光调制单元(5)；
第一直流偏置控制单元(6)控制第一电光调制单元(4)工作在最小偏置工作点，实现对射频信号或中频信号和本振信号的载波抑制调制功能，输出载波抑制双边带信号；第二直流偏置控制单元(7)控制第二电光调制单元(5)工作在最小偏置工作点，实现对射频信号或中频信号和本振信号的载波抑制调制功能，输出载波抑制双边带信号；
第一电光调制单元(4)输出的载波抑制双边带信号经第一光放大单元(10)放大后传输至光电接收单元(12)中的第一光电探测器(12-1)，完成光电转换并输出电信号；
第二电光调制单元(5)输出的载波抑制双边带信号经第二光放大单元(11)放大后传输至光电接收单元(12)中的第二光电探测器(12-2)，完成光电转换并输出电信号；
通过调节可调光分路器(2)的两端口输出至第一电光调制单元(4)和第二电光调制单元(5)的光功率分配比，同时调节可调电分路器(3)两端口输出至第一电光调制单元(4)和第二电光调制单元(5)的电功率分配比，使第一光电探测器(12-1)和第二光电探测器(12-2)输出电信号频谱中的变频三阶交调杂散分量的幅度相同；经过差分合路，第一光电探测器(12-1)输出的变频三阶交调杂散分量和第二光电探测器(12-2)输出的变频三阶交调杂散分量相抵消，实现对变频过程中三阶交调杂散分量的消除，获得大动态范围的变频功能；
当输入待变频的信号为射频信号时，可调电滤波单元(13)的开关切换至低通模式，选择输出下变频后的中频信号，实现下变频功能；当输入待变频的信号为中频信号时，可调电滤波单元(13)的开关切换至高通模式，选择输出上变频后的射频信号，实现上变频功能；通过对可调电滤波单元(13)工作模式的开关切换选择，实现下变频和上变频的动态重构功能。
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