一种超宽带微波光子信道化接收装置及实现方法

1.本发明涉及光学领域，尤其是一种微波光子信道化接收装置及实现方法。


背景技术：

2.信道化接收机是实现宽带射频信号接收的有效方法之一。在雷达、电子战、多功能宽带通信领域应用广泛，传统的信道化接收机在电域实现信号的传输和解调，存在抗电磁干扰能力差、体积质量大、工作带宽小等缺陷。微波光子信道化接收机将接收到的射频信号调制到光域传输和处理，有效避开了电子瓶颈的限制，大大提升了接收机的性能。常见的微波光子信道化接收机可分为两类：一类是基于光滤波器阵列的直接信道化方案，但该方案虽然结构简单，但对光滤波器要求极高且只能得到信号的幅度信息，无法得到相位信息；另一类是基于光频梳(包括双光频梳原理)的信道化方案，该方案虽然能得到信号的幅度和相位信息，但子信道数量受光频梳的梳齿数量限制，且平坦度和外带抑制比高的多梳线光频梳生成较困难，严重制约了微波光子信道化接收机的发展。因此，如何增加子信道数量、提高接收机的瞬时工作带宽是目前研究的热点。


技术实现要素：

3.为了克服现有技术的不足，本发明提供一种超宽带微波光子信道化接收装置及实现方法。目前主流的微波光子信道化接收机大多是基于光频梳原理的，虽然利用马增调制器(mach-zehnder modulator，mzm)级联的方法可生成十线或二十线以上的光频梳，但通常该类方案下要求mzm的调制指数较大，需要较大的驱动功率或采用低半波电压的调制器，前者增加了系统的体积、功耗和复杂度，后者不够成熟。因此该类方案虽然理论上可生成梳齿数量较多的光频梳，但在实际应用中困难较大。为了解决子信道数量少的问题，本发明mzm光梳调制技术和声光移频技术相结合，利用一个mzm生成3线光梳，配合两个声光移频器(aofs)对本振左右各移频一次就可产生9个光本振，另外采用i/q光电探测，最终可实现18个子信道的同时接收。该方法大大降低了接收机对光频梳梳齿数量的要求，能够满足大工作宽带、多子信道的发展需求，同时具有结构简单、可重构性好的优点。
4.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
5.一种超宽带微波光子信道化接收装置，原理图如图1所示，包括单载波激光器(laser diode，ld)、三个本振(local oscillator，lo)信号、宽带射频(radio frequency，rf)信号、两个3线光频梳生成模块、单边带调制模块、移频模块、两个掺铒光纤放大器(erbium doped fiber amplifier，edfa)、三个光分路器、两个声光移频器(acousto-optic frequency shifter，aofs)、三个波分复用器(wavelength division multiplexer，wdm)和九个镜像抑制光电接收机；
6.ld输出端口连接光分路器1，并分为两路，一路为信号路，另外一路为本振路，光分路器1的信号路输出端口连接3线光频梳生成模块输入端口，本振信号(lo1)连接3线光频梳生成模块中mzm1的射频端口，3线光频梳生成模块的输出端口连接单边带调制模块输入端
口，宽带rf信号连接单边带调制模块的射频端口，单边带调制模块的输出端口连接edfa1的输入端口，edfa1的输出端口连接光分路器2，之后分为九路，光分路器2的九个输出端口分别连接九个镜像抑制光电接收机模块的一个光输入端；光分路器1的本振路的输出端连接移频模块的输入端口，本振(lo2)连接移频模块的射频端口，移频模块的输出端口连接3线光频梳生成模块的输入端口，本振信号(lo3)连接3线光频梳生成模块mzm2的射频端口，3线光频梳生成模块的输出端口连接edfa2的输入端口，edfa2的输出端口连接光分路器3的输入端口，并分为三路；第一路输出端口连接aofs1的输入端口，aofs1的输出端口接wdm1的输入端口；光分路器3的第二路输出端口连接wdm2的输出端口，光分路器3的第三路输出端口连接aofs2的输入端口，aofs2的输出端口接wdm3的输入端口；三个wdm总共九个输出端口分别输入至九个镜像抑制光电接收机的另一个输入端。
7.所述3线光频梳生成模块由mzm构成，分别为mzm1和mzm2，调节mzm的调制指数以及直流端口的偏置电压，生成平坦的3线光频梳。
8.所述单边带调制模块由一个双平行马增调制器(dual parallel mach-zehnder modulator，dpmzm)和一个正交耦合器构成，rf信号经过正交耦合器后输出两路正交射频信号分别馈入dpmzm的两个射频端口，使dpmzm的两个子调制器工作在最小点、主调制器工作于正交点，实现抑制载波单边带信号的产生。
9.所述移频模块包括一个强度调制器(intensity modulator，im)和一个光带通滤波器(optial band pass filter,obpf)，调节im直流端口的偏置电压，使im工作于最小偏置点即输出载波抑制双边带信号，利用obpf将正一阶光边带滤出，即实现光信号移频。
10.所述声光移频器包括声光调制器和驱动电信号，驱动电信号通过电缆连接声光移频器的射频输入端，两个aofs移频量相同，但aofs1为下移频，aofs2为上移频。
11.所述镜像抑制光电接收机模块由光混频器(optical hybrid coupler,ohc)、两个平衡光电探测器(balanced photodiode，bpd)、电混频器(electrical hybrid couple,ehc)和两个电滤波器(electrical bandpass filter,ebpf)构成，ohc输出的四路光信分为两组，每组光信号分别与两个bpd连接，两个bpd输出的两路电信号均与ehc的两个输入端口连接，ehc输出的两路电信号分别连接一个ebpf。主要功能是将输入的两路光信号混频，光电探测后下变频到同一中频，并且实现镜像分量的分离。
12.一种超宽带微波光子信道化接收装置的实现方法，包括如下步骤：
13.步骤1：ld输出的单载波激光表示为e
in
(t)＝ecsin(2πfct)，其中ec为光载波幅度，fc为光载波的频率，该光载波分为上下两路，一路进入mzm1，另一路进入im；
14.步骤2：输入到mzm1的射频端口的信号lo1表示为：l1(t)＝v
lo1
sin(2πf
lo1
t)，其中，v
lo1
和f
lo1
分别是信号lo1的幅度和频率，调制器的直流偏置电压为v
dc1
，则mzm1的输出光表示为：
[0015][0016]
其中，为调制器mzm1调制指数，v
π
是调制器的半波电压，jn(
·
)为第一类n阶贝塞尔函数，当调制指数较小时，高阶光边带被抑制，此时只需要考虑光载
波和正负一阶光边带，当即m1＝0.296时光载波与正负一阶光边带幅值相等，由此mzm1输出频率间隔为f
lo1
的三线平坦光频梳，频率分别为f
c-f
lo1
，fc，fc f
lo1
；
[0017]
步骤3：mzm1生成的三线光频梳作为新的光载波进入dpmzm后被频率为f
rf
(t)的宽带rf信号单边带调制，输出三个正一阶光边带，频率分别为f
c-f
lo1
f
rf
(t)，fc f
rf
(t)，fc f
lo1
f
rf
(t)；
[0018]
步骤4：三个正一阶光边带经edfa1放大后，经光分路器2分为九路光信号(记号1～9)，分别输入九个镜像抑制光电接收机；
[0019]
步骤5：输入到im射频输入端口的本振信号lo2表示为：l2(t)＝v
lo2
sin(2πf
lo2
t)，其中，v
lo2
和f
lo2
分别是本振信号lo2的幅度和频率，设置im的直流偏压，使im工作在最小传输点，im输出载波抑制的正负一阶光边带，负一阶光边带被obpf滤除，输出正一阶光边带，频率为fc f
lo2
；
[0020]
步骤6：移频后的光载波进入mzm2，输入到mzm2的射频端口的本振信号lo3的频率为f
lo3
；与步骤2类似，mzm2的调制指数和偏置点与mzm1相同，mzm2输出频率间隔为f
lo3
的三线平坦光频梳，频率分别为fc f
lo2-f
lo3
，fc f
lo2
，fc f
lo2
f
lo3
；
[0021]
步骤7：输出的三线光频梳经edfa2放大后用光分路器3分为三路；第一路输入到aofs1进行下移频δf，经过wdm1后输出的1～3号光本振频率分别为fc f
lo2-f
lo3-δf，fc f
lo2-δf，fc f
lo2
f
lo3-δf；
[0022]
第二路不移频，经过wdm2后输出的4～6号光本振频率分别为fc f
lo2-f
lo3
，fc f
lo2
，fc f
lo2
f
lo3
；
[0023]
第三路经过aofs2进行上移频δf，经过wdm3后输出的7～9号光本振频率分别为fc f
lo2-f
lo3
δf，fc f
lo2
δf，fc f
lo2
f
lo3
δf；
[0024]
步骤8：光分路器2输出的第n号光信号，与第n号光本振共同输入第n个镜像抑制光电接收机的两个光输入口，n为取值1～9的整数，光信号与光本振进入ohc实现正交混频，之后进入两个bpd，再经过ehc实现镜像分离，然后经过ebpf得到两个子信道的中频信号。
[0025]
本发明中，各频率设置需要满足以下要求：
[0026]
宽带rf信号的起始频率为f0，带宽为18b，b为子信道带宽，即f
rf
(t)的取值范围为[f0,f0 18b]；则需要满足以下关系：
[0027][0028]
wdm通道间隔需要大于宽带rf信号的最高频率，通道间隔与lo1和lo3相对应，需要能够分离出上lo1调制的三线光梳以及下路lo3调制的三线光梳，且wdm通道宽带要大于18b。
[0029]
最终得到的中频信号频率范围为[b,2b]，要求ebpf的通带不小于这个范围。
[0030]
本发明的有益效果在于利用简单的3线光梳生成装置，结合声光移频和镜像抑制混频，就可实现18个子信道的同时下变频接收，相比其它基于光梳的信道化方案，所提方案具有结构简单、易于实现、光梳利用率高、子信道数量多、的特点。该方法将微波光子学与信道化接收技术相融合，不仅大大提高了传统信道化接收机的工作带宽，避免了传统信道化
系统体积质量大、带宽受限、电磁干扰等电子瓶颈，在雷达系统和电子战等领域具有重要的应用价值。
附图说明
[0031]
图1为基于双光梳、声光移频和镜像抑制接收的超宽带微波光子信道化接收装置结构图。
[0032]
图2为仿真结果，其中图2的图(a)为mzm1输出的3线光频梳的光谱图；图2的图(b)为9ghz宽带rf信号单边带调制后的光谱图；图2的图(c)为mzm2输出的3线本振光频梳的光谱图。
[0033]
图3为其中一个bpd输出的if信号电谱图。
[0034]
图4为其中一个镜像抑制光电接收机分别输出的第8信道和第11信道的电谱图；图4的图(a)为第8信道的电谱图，图4的图(b)为第11信道的电谱图。
[0035]
图5为第8个子信道下变频接收解调得到的星座图。
具体实施方式
[0036]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0037]
本发明将双光梳、声光移频和镜像抑制接收技术相结合，利用光子技术大带宽、可调谐、抗电磁干扰的固有优势，实现超大工作带宽、18个子信道的同时接收。该发明方法基于微波光子电光调制技术，利用激光器、dpmzm、mzm、声光调制器等光电器件，通过对3线本振光频梳的左右整体移频，使用较低的调制指数即可实现18个子信道的同时接收。
[0038]
一种超宽带微波光子信道化接收装置，原理图如图1所示，包括单载波激光器(laser diode，ld)、三个本振(local oscillator，lo)信号、宽带射频(radio frequency，rf)信号、两个3线光频梳生成模块、单边带调制模块、移频模块、两个掺铒光纤放大器(erbium doped fiber amplifier，edfa)、三个光分路器、两个声光移频器(acousto-optic frequency shifter，aofs)、三个波分复用器(wavelength division multiplexer，wdm)和九个镜像抑制光电接收机；
[0039]
ld输出端口连接光分路器1，并分为两路，一路为信号路，另外一路为本振路，光分路器1的信号路输出端口连接3线光频梳生成模块输入端口，本振信号(lo1)连接3线光频梳生成模块中mzm1的射频端口，3线光频梳生成模块的输出端口连接单边带调制模块输入端口，宽带rf信号连接单边带调制模块的射频端口，单边带调制模块的输出端口连接edfa1的输入端口，edfa1的输出端口连接光分路器2，之后分为九路，光分路器2的九个输出端口分别连接九个镜像抑制光电接收机模块的一个光输入端；光分路器1的本振路的输出端连接移频模块的输入端口，本振(lo2)连接移频模块的射频端口，移频模块的输出端口连接3线光频梳生成模块的输入端口，本振信号(lo3)连接3线光频梳生成模块mzm2的射频端口，3线光频梳生成模块的输出端口连接edfa2的输入端口，edfa2的输出端口连接光分路器3的输入端口，并分为三路；第一路输出端口连接aofs1的输入端口，aofs1的输出端口接wdm1的输入端口；光分路器3的第二路输出端口连接wdm2的输出端口，光分路器3的第三路输出端口连接aofs2的输入端口，aofs2的输出端口接wdm3的输入端口；三个wdm总共九个输出端口分别输入至九个镜像抑制光电接收机的另一个输入端。
[0040]
所述3线光频梳生成模块由mzm构成，分别为mzm1和mzm2，调节mzm的调制指数以及直流端口的偏置电压，生成平坦的3线光频梳。
[0041]
所述单边带调制模块由一个双平行马增调制器(dual parallel mach-zehnder modulator，dpmzm)和一个正交耦合器构成，rf信号经过正交耦合器后输出两路正交射频信号分别馈入dpmzm的两个射频端口，使dpmzm的两个子调制器工作在最小点、主调制器工作于正交点，实现抑制载波单边带信号的产生。
[0042]
所述移频模块包括一个强度调制器(intensity modulator，im)和一个光带通滤波器(optial band pass filter,obpf)，调节im直流端口的偏置电压，使im工作于最小偏置点即输出载波抑制双边带信号，利用obpf将正一阶光边带滤出，即实现光信号移频。
[0043]
所述声光移频器包括声光调制器和驱动电信号，驱动电信号通过电缆连接声光移频器的射频输入端，两个aofs移频量相同，但aofs1为下移频，aofs2为上移频。
[0044]
所述镜像抑制光电接收机模块由光混频器(optical hybrid coupler,ohc)、两个平衡光电探测器(balanced photodiode，bpd)、电混频器(electrical hybrid couple,ehc)和两个电滤波器(electrical bandpass filter,ebpf)构成，ohc输出的四路光信分为两组，每组光信号分别与两个bpd连接，两个bpd输出的两路电信号均与ehc的两个输入端口连接，ehc输出的两路电信号分别连接一个ebpf。主要功能是将输入的两路光信号混频，光电探测后下变频到同一中频，并且实现镜像分量的分离。
[0045]
一种超宽带微波光子信道化接收装置的实现方法，包括如下步骤：
[0046]
步骤1：ld输出的单载波激光表示为e
in
(t)＝ecsin(2πfct)，其中ec为光载波幅度，fc为光载波的频率，该光载波分为上下两路，一路进入mzm1，另一路进入im；
[0047]
步骤2：输入到mzm1的射频端口的信号lo1表示为：l1(t)＝v
lo1
sin(2πf
lo1
t)，其中，v
lo1
和f
lo1
分别是信号lo1的幅度和频率，调制器的直流偏置电压为v
dc1
，则mzm1的输出光表示为：
[0048][0049]
其中，为调制器mzm1调制指数，v
π
是调制器的半波电压，jn(
·
)为第一类n阶贝塞尔函数，当调制指数较小时，高阶光边带被抑制，此时只需要考虑光载波和正负一阶光边带，当即m1＝0.296时光载波与正负一阶光边带幅值相等，由此mzm1输出频率间隔为f
lo1
的三线平坦光频梳，频率分别为f
c-f
lo1
，fc，fc f
lo1
；
[0050]
步骤3：mzm1生成的三线光频梳作为新的光载波进入dpmzm后被频率为f
rf
(t)的宽带rf信号单边带调制，输出三个正一阶光边带，频率分别为f
c-f
lo1
f
rf
(t)，fc f
rf
(t)，fc f
lo1
f
rf
(t)；
[0051]
步骤4：三个正一阶光边带经edfa1放大后，经光分路器2分为九路光信号(记号1～9)，分别输入九个镜像抑制光电接收机；
[0052]
步骤5：输入到im射频输入端口的本振信号lo2表示为：l2(t)＝v
lo2
sin(2πf
lo2
t)，其中，v
lo2
和f
lo2
分别是本振信号lo2的幅度和频率，设置im的直流偏压，使im工作在最小传输点，im输出载波抑制的正负一阶光边带，负一阶光边带被obpf滤除，输出正一阶光边带，
频率为fc f
lo2
；
[0053]
步骤6：移频后的光载波进入mzm2，输入到mzm2的射频端口的本振信号lo3的频率为f
lo3
；与步骤2类似，mzm2的调制指数和偏置点与mzm1相同，mzm2输出频率间隔为f
lo3
的三线平坦光频梳，频率分别为fc f
lo2-f
lo3
，fc f
lo2
，fc f
lo2
f
lo3
；
[0054]
步骤7：输出的三线光频梳经edfa2放大后用光分路器3分为三路；第一路输入到aofs1进行下移频δf，经过wdm1后输出的1～3号光本振频率分别为fc f
lo2-f
lo3-δf，fc f
lo2-δf，fc f
lo2
f
lo3-δf；
[0055]
第二路不移频，经过wdm2后输出的4～6号光本振频率分别为fc f
lo2-f
lo3
，fc f
lo2
，fc f
lo2
f
lo3
；
[0056]
第三路经过aofs2进行上移频δf，经过wdm3后输出的7～9号光本振频率分别为fc f
lo2-f
lo3
δf，fc f
lo2
δf，fc f
lo2
f
lo3
δf；
[0057]
步骤8：光分路器2输出的第n号光信号，与第n号光本振共同输入第n个镜像抑制光电接收机的两个光输入口，n为取值1～9的整数，光信号与光本振进入ohc实现正交混频，之后进入两个bpd，再经过ehc实现镜像分离，然后经过ebpf得到两个子信道的中频信号。
[0058]
本发明中，各频率设置需要满足以下要求：
[0059]
宽带rf信号的起始频率为f0，带宽为18b，b为子信道带宽，即f
rf
(t)的取值范围为[f0,f0 18b]；则需要满足以下关系：
[0060][0061]
wdm通道间隔需要大于宽带rf信号的最高频率，通道间隔与lo1和lo3相对应，需要能够分离出上lo1调制的三线光梳以及下路lo3调制的三线光梳，且wdm通道宽带要大于18b。
[0062]
最终得到的中频信号频率范围为[b,2b]，要求ebpf的通带不小于这个范围。
[0063]
本发明中实施例中：
[0064]
1)ld：用于输出单载波激光；
[0065]
2)mzm：用于产生3线光频梳；
[0066]
3)dpmzm：用于实现宽带rf信号的载波抑制单边带调制；
[0067]
4)edfa：功率放大器，用于对电光调制后输出的光信号进行功率放大，弥补电信号转换为光信号后的功率衰减；
[0068]
5)移频模块(包括im和obpf)：用于对下路本振路的光载波进行移频；
[0069]
6)光分路器：用于光信号分路；
[0070]
7)wdm：用于对光频梳的梳齿进行独立划分；
[0071]
8)aofs：用于对本振光频梳进行整体移频。
[0072]
9)镜像抑制光电接收机：用于将上路的光信号和下路的光本振下变频到同一中频，并对同一中频范围内的镜像信号进行抑制后解调。
[0073]
实施例：
[0074]
通过光系统仿真软件vpitransmissionmaker对所述的18个子信道、超宽带微波光子信道化接收方案进行仿真分析。
[0075]
仿真中需要的器件包括：本振信号源、宽带rf信号源、ld、edfa、aofs、dpmzm、im、mzm和wdm等光电器件。系统主要仿真参数配置如下：
[0076]
●
ld：频率fc为193.1thz，功率40mw，相对强度噪声-155db/hz，线宽100khz；
[0077]
●
本振信号lo1：频率f
lo1
为40ghz，功率10dbm；
[0078]
●
宽带rf信号：功率0dbm，频率范围10
–
19ghz，即起始频率f0为10ghz，带宽9ghz，分为18个子信道，每个子信道带宽b为0.5ghz，信号格式为16阶正交幅度调制(16qam)；
[0079]
●
本振信号lo2：频率f
lo2
为14.5ghz，功率10dbm；
[0080]
●
本振信号lo3：频率f
lo3
为43ghz，功率10dbm；
[0081]
●
dpmzm：半波电压3.5v，插入损耗5db，消光比30db；
[0082]
●
mzm：半波电压3.5v，插入损耗5db，消光比30db；
[0083]
●
im：半波电压3.5v，插入损耗5db，消光比30db；
[0084]
●
edfa：输出功率20dbm；
[0085]
●
aofs：δf为0.5ghz，即aofs1下移频0.5ghz，aofs2上移频0.5ghz；
[0086]
●
wdm：波长间隔40ghz；
[0087]
●
ebpf：通带范围为0.5
–
1ghz。
[0088]
操作步骤：
[0089]
步骤1：ld产生工作频率为193.1thz的连续光波，该连续光波作为载波功分两路后分别进入上下路。
[0090]
步骤2：上路光载波作为信号路输入到mzm1被本振频信号lo1调制，设置mzm1的调制指数为0.296并调谐偏置点，得到梳齿间隔为40ghz的3线光频梳，如图2(a)所示；
[0091]
步骤3：3线光频梳进入dpmzm后被频率为10
–
19ghz的宽带rf信号调制，使dpmzm工作在载波抑制单边带状态，dpmzm输出宽带rf信号的正一阶光边带，如图2(b)所示。
[0092]
步骤4：正一阶光边带经edfa放大，输出功率为20dbm，放大后的正一阶光边带被光分路器分为九路作为信号路分别输入九个镜像抑制光电接收机。
[0093]
步骤5：下路光载波作为输入到im被本振信号lo2进行载波抑制双边带调制，经过obpf后得到正一阶光边带，即实现了光载波上移频14.5ghz。
[0094]
步骤6：右移频后的光载波进入mzm2被本振信号lo2调制，lo2的频率为43ghz，设置与步骤2相同的调制指数即可得到梳齿间隔为43ghz的3线本振光频梳，如图2(c)所示。
[0095]
步骤7：输出的3线本振光梳经edfa放大后经光分路器功分三路。
[0096]
步骤8：光分路器分出的第一路三线光梳输入到aofs1，被整体往下移频0.5ghz，然后三线光梳进入wdm1被分为三路独立的光本振。
[0097]
步骤9：下路由光分路器分出的第二路三线光梳直接进入wdm2，被分为三路独立的光本振。
[0098]
步骤10：下路由光分路器分出的第三路三线光梳输入到aofs2，被整体往上移频0.5ghz，然后三线光梳进入wdm3被分为三路独立的光本振。
[0099]
步骤11：每个镜像抑制光电接收机的其中一个输入端接收上路的9个光信号之一，另一个接收端接收下路的9个光本振之一。每组光信号和光本振进入ohc实现光混频，然后进入两个bpd平衡探测，下变频得到两个中频信号，其中一路频谱如图3所示。
[0100]
步骤12：两个中频信号输入ehc实现镜像抑制，然后经过ebpf得到两个频率范围为
0.5
–
1ghz的子信道信号。其中一个镜像抑制光电接收机输出的第8信道和第11信道频谱如图4所示，第8信道中频信号解调后的星座图如图5所示，可以看到解调出了较为理想的16qam信号。
[0101]
步骤13：其它子信道的接收过程与步骤11
–
12相同。
[0102]
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，光梳个数、信道数量、子信道带宽、载频、各本振频率、中频频率、wdm通道间隔、声光移频量、光载波频率和功率等都可改变。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。