一种功能复用的微波光子下变频方法

1.本发明提出了一种基于双偏振正交相移键控(dp-qpsk)，同时具有消除射频自干扰和镜像抑制的微波光子下变频方法，且本振倍频可重构，该方法属于微波光子信号处理领域。


背景技术：

2.微波光子技术是微波技术和光子技术相结合的一门科学。它使用光学方法来处理微波信号，可在光域内直接对高频信号进行处理，包括微波信号的产生、滤波、变频等。因光子技术具有大带宽、低损耗、抗电磁干扰等优势，在微波光子链路中解决了一些传统微波技术实现起来非常困难的功能。随着通信技术的不断发展，频谱资源紧张问题日益凸显，为了解决这一问题，提出了同时同频全双工技术，与频分半双工技术相比，可有效提高频谱利用率。然而，这一方案的有效实施必须解决自身的射频自干扰和镜像干扰信号的抑制问题。
3.首先射频信号自干扰问题，是在信号发射接收过程中，近端高功率的发射信号会严重影响到接收机接收远端“微弱”的同频下行信号，因此寻找一种消除自干扰信号的方法是切实必要的。其次，镜像干扰是指在天线端接收到的信号中，不只包含系统需要的目标信号，还存在着与目标信号关于本振频率对称的镜像信号，下变频后会得到与目标信号相同的中频频率，基于探测器强度探测的原理，两者无法区分开来，干扰目标信号接收。所以抑制镜像信号是微波光子下变频链路中尤其重要的一部分。
4.在使用同时同频全双工技术的微波光子系统中，射频自干扰及镜像信号干扰问题是同时存在的。所以可同时实现消除射频自干扰及镜像抑制的方法就变得尤为重要。且在实际信号传输过程中，往往都是使用较高的频段，提高了接收端本振信号的频率要求。


技术实现要素：

5.本发明提出了一种基于双偏振正交相移键控调制器的微波光子下变频方法，能够同时实现消除射频自干扰、镜像抑制和本振倍频可重构，是一种多功能集成微波光子链路。
6.同时实现消除射频自干扰以及镜像抑制的本振倍频可重构微波光子下变频链路结构，所述装置包括激光器ld、电延时器etdl、电衰减器eatt、双偏振正交相移键控调制器dp-qpsk、光滤波器obpf、光耦合器oc、pc1偏振控制器1、pc2偏振控制器2、pol1偏振光片1、pol2偏振光片2、pd1光电探测器1、pd2光电探测器2、90
°
电桥即90
°
hc。
7.所述dp-qpsk有一个y型光分束器、上下并联的两个双平行马曾调制器，记为x-dpmzm与y-dpmzm，一个90
°
偏振旋转器pr及一个偏振合束器pbc组成。x-dpmzm和y-dpmzm分别有三个偏置电压端口。
8.具有同时消除射频自干扰及镜像抑制的本振倍频可重构微波光子下变频方案，其具体过程如下：
9.激光器输出的光信号作为光载波输入到dp-qpsk中；在dp-qpsk的上支路中，干扰
信号和镜像信号以及射频信号加载到x-dpmzm中的mzm1上，并调节偏置电压使其工作在最小强度输出点；参考信号加载到x-dpmzm中的mzm2上，同样使其工作在最小强度输出点；为了实现射频自干扰消除，首先通过调节x-dpmzm的主偏置电压，使输入到上下两个子mzm中的干扰信号si及参考信号sr之间产生180
°
相位差，并且通过调节参考信号sr支路的电衰减器及电延时器使得干扰信号及参考信号强度相同、延时相匹配，满足三个条件即可使得干扰信号与参考信号相互抵消。x-dpmzm输出的信号是载波抑制双边带(cs-dsb)调制信号，携带所需的射频信号和镜像信号。在dp-qpsk调制器的另一分支y-dpmzm中，将本振信号lo通过90
°
hc产生两路强度相同、相位相差90
°
的信号分别输入到mzm3与mzm4中，通过调节偏置电压，可实现本振信号倍频边带的可重构。首先，调节mzm3与mzm4偏置电压，使其工作在最大强度输出点；调节y-dpmzm主偏置电压，使其工作在最小强度输出点，得到载波抑制的本振信号二阶边带；此外，将y-dpmzm的两个子mzm设置在最小强度输出点，主偏置电压设置在正交传输点，得到载波抑制的本振信号 1和-3阶边带。y-dpmzm输出信号经过90
°
pr与x-dpmzm输出信号通过pbc耦合，得到正交偏振信号。之后dp-qpsk调制器输出信号输入到光滤波器中，根据下变频实际需求，滤出本振信号-2阶或-3阶一侧边带信号，再通过光耦合器分成等强度的两路，分别通过pc及pol，通过旋转pc实现对两路信号进行不同的移相控制，经过pd拍频后会输出中频信号，再通过90
°
hc耦合后，两路镜像中频信号相位相差180
°
，互相抵消，而有用中频信号却相位相同，两者叠加，最终输出需要的中频信号，实现同时射频自干扰消除和镜像抑制的本振信号可重构下变频。
10.本发明的有益效果：该发明提出的多功能集成微波光子下变频结构，可满足任意单一功能或多功能复合同时使用；解决了同时同频全双工技术中心中出现的需同时实现射频自干扰消除及镜像抑制的问题；且本振信号二倍频、三倍频可重构，减少了实际使用过程中对本振信号频率的要求，可被广泛应用到无线通信、雷达等多个领域之中。
附图说明
11.图1为具有射频自干扰消除及镜像抑制的本振倍频可重构微波光子下变频链路结构示意图。图2(a)为滤出本振信号二阶边带前后光谱图图2(b)为滤出本振信号三阶边带前后光谱图图3(a)为本振二倍频射频自干扰与镜像抑制前光谱图图3(b)为本振二倍频射频自干扰与镜像抑制后光谱图图4(a)为本振三倍频射频自干扰与镜像抑制前光谱图图4(b)为本振三倍频射频自干扰与镜像抑制后光谱图
具体实施方式
12.下面结合附图和数学推导对本文发明进一步说明：
13.图1为具有同时射频自干扰消除及镜像抑制的本振倍频可重构微波光子下变频链路结构，包括激光器、四个信号源、电耦合器、功分器、电延时器、电衰减器、双偏振正交相移键控、光滤波器、光耦合器、偏振控制器1、偏振控制器2、偏振光片1、偏振光片2、光电探测器1、光电探测器2、90
°
电桥。
14.利用图1所示的具有同时射频自干扰消除及镜像抑制的本振倍频可重构微波光子下变频方法如下：
15.激光器输出光信号，为了便于说明，假设激光器输出的光信号角频率为ω0，振幅为e0，则输出的光信号表达式为
16.该光信号进入dp-qpsk调制器后，功率等分的进入dp-qpsk调制器中上下子dpmzm中。设加载到x-dpmzm上的有用信号(rf)、干扰信号(si)、镜像信号(im)和参考信号(sr)，以及加载到y-dpmzm上的本振信号(lo)分别为式中，vi和ωi分别为i(i＝rf/si/im/sr/lo)信号的幅度和角频率。x-dpmzm的输出信号可表示为其中mi＝πvi/v
π
，分别为rf,si,im,sr,lo信号的调制深度，v
π
为dp-qpsk调制器工作的半波电压。θn＝πvn/v
π
(n＝1,2...6)是偏置电压vn引入的两个子mzm之间的相位差，vn(n＝1,2...6)分别对应dc1-dc6的偏置电压。
17.步骤一：调节x-dpmzm上两个子mzm偏置电压，使其工作在最小强度输出点。因此，θ1＝θ2＝π，用贝塞尔函数等式展开我们可得到x-dpmzm输出的光信号表达式为其中jn(
·
)是n阶第一类贝塞尔函数，依据小信号近似原则，只保留一阶边带。为了实现射频自干扰消除，调节电延时器和电衰减器，满足t＝t
′
τ和j1(m
sr
)＝j0(m
rf
)j1(m
si
)j0(m
im
)即干扰信号与参考信号相位相匹配、强度相同，此外通过调节x-dpmzm主偏置电压，使上下两个子mzm输出信号相位相差180
°
，即θ3＝π，此时sr与si信号相互抵消，实现射频自干扰消除，x-dpmzm输出信号表达式为
18.步骤二：在y-dpmzm支路中，本振信号(lo)通过90
°
hc产生强度相同，相位相差90
°
的两路信号分别输入到两个子mzm中，y-dpmzm输出信号可表示为为了实现本振信号倍频可重构，需调节y-dpmzm偏置电压使其工作在不同的状态。首先将两个子mzm的工作点设置在最大强度输出点，主偏置电压设置为最小强度输出点，即θ4＝θ5＝2π，θ6＝π，这时我们可以得到载波被抑制的本振信号的二阶边带。贝塞尔函数等式展开得到的y-dpmzm输出的信号表达式为由式(7)可以得到本振信号的 2、-2阶边带。如果将y-dpmzm的两个子mzm设置为最小强度输出点，主偏置电压设置为正交传输点，即θ4＝θ5＝π θ6＝π/2，这时我们可以得到载波被抑制的lo信号 1和-3阶边带。贝塞尔函数等式展开得到的y-dpmzm输出的信号表达式为由式(8)可以得到本振信号的 1、-3阶边带。
19.步骤三：当控制y-dpmzm偏置电压得到本振信号二阶边带时，其输出光信号通过90
°
pr，与x-dpmzm输出光信号通过pbc耦合输出，进入obpf，滤出本振信号-2阶一侧边带。输出光信号表达式为
20.步骤四：输出光信号进入oc分为等强度的i、q两路，两路结构相同，分别通过pc、pol，输入到pd中拍频。调节pc，采用偏振移相的方式，使得两路光信号产生不同的相位差即θi＝0,θq＝π/2，获得的信号表达式为＝π/2，获得的信号表达式为
21.步骤五：最后通过90
°
hc耦合两路中频信号，实现两路镜像中频信号之间相位相差180
°
，完成镜像抑制，输出信号表达式为
22.调节y-dpmzm偏置电压，在本振信号三倍频工作状态下，选择lo信号的-3阶边带，重复步骤三至步骤五的推导，可以得到镜像抑制输出的表达式为
23.综上所述，由步骤一中的(5)式可知，干扰信号与参考信号相互抵消，实现射频自干扰消除；通过步骤二中的y-dpmzm的偏置电压的设置，可以实现本振信号二倍频、三倍频可重构；由步骤五中的(12)和(13)式可知，通过偏振移相的方法，使得两路镜像相互抵消，完成了镜像抑制下变频。且(12)、(13)式证明了基于本振信号倍频可重构的镜像抑制下变频，证明了系统是具有同时射频自干扰消除及镜像抑制的本振倍频可重构多功能集成的微波光子下变频系统。