基于双驱马赫增德尔调制器的多源非线性失真抑制方法

1.本发明涉及光通信领域和微波光子领域，尤其涉及一种基于双驱马赫增德尔调制器的多源非线性失真抑制方法。


背景技术：

2.微波光子链路(mpl，microwave photonic link)具有大带宽、重量轻、损耗低、抗电磁干扰等优点，因此微波光子技术被广泛应用于卫星通讯、雷达、光载无线通讯系统(rof，radio over fiber)等领域。rof是微波光子技术的重要应用之一，通常由中心局、光纤链路和远端天线单元所构成。在中心站将微波信号调制到光信号上，之后调制后的光信号通过光纤链路进行传输，到达基站后，光电转换将微波信号解调，再通过天线发射供用户使用。近年来，光载无线通讯技术发展迅猛，服务多样化，其原因是借助了具有大带宽，低损耗优势的光纤作为媒介传输，传送高频段的无线信号。
3.无杂散动态范围(sfdr，spurious-free dynamic range)是rof系统的一个重要性能指标，定义为同时使信号输出功率大于噪声功率，交调失真功率小于噪声功率时的射频信号输入功率范围或相应地射频信号输出功率范围。然而，由于电光调制的非线性响应，产生的交调失真将导致无杂散动态范围被限制，难以满足大动态传输系统的需求，其中三阶交调失真(imd3，third orderintermodulation distortion)在频域上非常接近基波信号，难以滤除，这是实现无杂散动态范围改善的主要障碍。除了窄带和单载波微波光子链路系统中通常存在的谐波和互调失真，在宽带和多载波微波光子链路系统中会有几种非线性失真同时存在，更加限制链路的动态范围。带内调制信号不仅会受到带内信号间互调失真的影响，还会受到来自带外干扰载波的严重影响，称为载波互调失真(xmd, cross-modulation distortion)，其存在于多载波之间，很难通过滤波器滤除，理论表明在宽带和多载频系统中，载波互调失真与三阶交调失真都是三阶失真，载波越强，载波互调失真越严重，同样严重影响了微波光子链路的动态范围。因此，如何抑制imd3和xmd成为了实现微波光子链路动态范围提升亟需解决的问题。


技术实现要素：

4.为此，本发明提供一种基于双驱马赫增德尔调制器的多源非线性失真抑制方法，用以克服现有技术中如何同时抑制imd3和xmd的问题。
5.为实现上述目的，本发明一种基于双驱马赫增德尔调制器的多源非线性失真抑制方法，包括激光器、双驱马赫曾德尔调制器、长光纤、可编程光滤波器、光电探测器、功分器和移相器。所述激光器的输出端与双驱马赫曾德尔调制器的光输入端相连，双驱马赫曾德尔调制器的输出端与长光纤相连再与可编程光滤波器的输入端相连，可编程光滤波器的输出端与光电探测器相连。
6.本发明的一种基于双驱马赫增德尔调制器的多源非线性失真抑制方法的步骤为：
7.步骤s1，激光器输出光载波，经过双驱马赫曾德尔调制器将射频信号调制到光载
波上；
8.步骤s2，通过功分器和移相器，在上下支路两侧分别输入相位差为90度的射频信号；
9.步骤s3，系统实现单边带传输，同时考虑系统的imd3与xmd的抑制，调节偏置电压使输出为-1阶边带被抑制的单边带信号；
10.步骤s4，通过可编程光滤波器分别对0、1、2阶边带引入幅相关系，抑制载波幅度为原来的三分之一，相位翻转180度；
11.步骤s5，载波传输至光电探测器中解调，实现imd3和xmd的抑制。
12.进一步地，在所述步骤s1中，输出的光载波表达式如下：
[0013][0014]
其中e0为激光器输出光强，ωc为光载波信号的角频率。
[0015]
进一步地，在所述步骤s2中，通过第一个y型波导后，所述上支路光信号如式(1)所示：
[0016][0017]
所述下支路光信号如式(2)所示：
[0018][0019]
进一步地，在使用所述式(2)计算出上支路光信号并使用所述式(3)计算出所述下支路光信号的前提下，根据式(2)计算出上支路输入射频信号并根据式(3)计算出下支路输入射频信号，将上支路偏置电压记为v
bias1
、初始相位记为δ1、射频信号幅度记为a1并将上支路的输入射频信号角频率记为ω
rf
，下支路偏置电压记为v
bia
、初始相位记为δ2、射频信号幅度记为a2并将下支路输入射频信号角频率分别记为ω
rf
[0020]
所述上支路输入射频信号如式(4)所示：
[0021]v1
＝v
bias
a1sin(ω
rf
t δ1)
ꢀꢀ
(4)
[0022]
所述下支路输入射频信号如式(5)所示：
[0023]v2
＝v
bias2
a2sin(ω
rf
t δ2)
ꢀꢀ
(5)。
[0024]
进一步地，在使用式(6)计算出所述上支路输出光场并使用式(7)计算出所述下支路输出光场的前提下，根据式(6)和(7)计算出输出ddmzm，所述输出ddmzm如式(8)所示：
[0025][0026]
由于输出与上下臂的偏置电压的差值和输入信号的相位差有关输出可以改写为式(9)所示，
[0027][0028]
其中，exp(j[θ msin(ω
rf
t)])为第一部分，exp(jmsin(ω
rf
t δ2))为第二部分，为改变偏执电流只会整体偏移各边带角度，为改变输入射频的初始角度，对各边带的影响不一致；
[0029]
其中，m为射频信号的调制指数，θ为相位，jk(m)是参数m的k阶1类贝塞尔系数，k均为整数。
[0030]
进一步地，在使用式(9)计算出输出ddmzm的前提下，通过式(10) 调节边带幅度角度以实现对imd3的抑制，
[0031][0032]
进一步地，在计算过程中设ω1和ω2为双音信号的角频率，设定ω1《ω2，所述上支路输入射频信号和下支路输入射频信号输入双音信号，则能够得到：
[0033]v1
＝v
bias
a1[sin(ω1t) sin(ω2t)]
ꢀꢀ
(11)
[0034][0035]
根据式(11)和式(12)得到ddmzm的输出信号：
[0036]
[0037]
进一步地，由于能够产生imd3失真的信号存在于
±
2阶边带以内，且-1阶边带被抑制，所以-2阶边带也可以忽略，所述ddmzm的输出信号的组合可简化为式(14)和式(15)：
[0038][0039][0040]
其中，为
ꢀ‑
2阶边带，因为-1阶已经被抑制，所以无法产生imd3信号，可省略。
[0041]
进一步地，通过可编程光滤波器，分别对0,1,2阶边带引入幅相关系分别对0,1,2阶边带引入幅相关系与输出电信号为：
[0042][0043]
其公式(16)中，所述抑制载波幅度为原来的1/3，相位翻转180度；可实现imd3的抑制，同时因为抑制的是载波，xmd 同样也会被抑制。
[0044]
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明通过激光器输出光载波，经过双驱马赫曾德尔调制器将射频信号调制到光载波上，通过功分器和移相器，在上下支路两侧分别输入相位差为90度的射频信号，调节偏置电压使输出为-1 阶边带被抑制的单边带信号，再通过可编程光滤波器分别对0、1、2阶边带引入幅相关系，抑制载波幅度为原来的三分之一，相位翻转180度，最后传输至光电探测器中解调，即可实现imd3的抑制，同时因为调整的是载波，xmd同样也会被抑制，通过同时抑制微波光子链路中的imd3与xmd来克服多源非线性失真问题，从而提高宽带信号下微波光子链路的线性度。
附图说明
[0045]
图1为本发明一种基于双驱马赫增德尔调制器的多源非线性失真抑制方法的流程图；
[0046]
图2为本发明一种基于ddmzm调制器单边带传输的动态范围提升的原理框图；
[0047]
图3为调制模块的结构图。
具体实施方式
[0048]
为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
[0049]
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。
[0050]
请参阅图1所示，其为本发明一种基于ddmzm调制器单边带传输的动态范围提升的原理框图；包括激光器、调制模块、长光纤、光滤波器和光电探测器。射频输入信号s2通过调制模块调制到激光器输出的光信号s1上，得到单边带调制信号s3。调制信号s3经过光滤波器后输出载波边带比特定的调制信号s4，最后经光电探测器解调实现输出射频信号s5。
[0051]
本发明的一种基于双驱马赫增德尔调制器的多源非线性失真抑制方法的步骤为：
[0052]
步骤s1，激光器输出光载波，经过双驱马赫曾德尔调制器将射频信号调制到光载波上；
[0053]
步骤s2，通过功分器和移相器，在上下支路两侧分别输入相位差为90度的射频信号；
[0054]
步骤s3，系统实现单边带传输，同时考虑系统的imd3与xmd的抑制，调节偏置电压使输出为-1阶边带被抑制的单边带信号；
[0055]
步骤s4，通过可编程光滤波器分别对0、1、2阶边带引入幅相关系，抑制载波幅度为原来的三分之一，相位翻转180度；
[0056]
步骤s5，载波传输至光电探测器中解调，实现imd3和xmd的抑制。
[0057]
具体而言，所述激光器为分布式反馈激光器；所述微波信号源为直接数字频率合成器；所述长光纤为1km单模光纤；所述光电探测器输入端节点可添加光放大器进行光信号放大。
[0058]
具体而言，请参阅图2所示，其为调制模块的结构图；调制模块由双驱马赫曾德尔调制器、功分器和移相器组成。功分器将射频输入分为两路，一路传输至调制器上支路，另一路经过移相器产生90度相移传输至调制器下支路，调节偏置电压，实现单边带信号传输。
[0059]
进一步地，所述步骤s1中，输出的光载波表达式如下，激光器输出光强记为e0，光载波信号的角频率记为ωc：
[0060][0061]
进一步地，在所述步骤s2中，通过第一个y型波导后，所述上支路光信号如式(1)所示：
[0062][0063]
所述下支路光信号如式(2)所示：
[0064][0065]
进一步地，使用所述式(2)计算出上支路光信号并使用所述式(3)计算出所述下支路光信号的前提下，根据式(2)计算出上支路输入射频信号并根据式 (3)计算出下支路输入射频信号，将上支路偏置电压记为v
bia
、初始相位记为δ1、射频信号幅度记为a1并将上支路的输入射频信号角频率记为ω
rf
，下支路偏置电压记为v
bias2
、初始相位记为δ2、射频信号幅度记为a2并将下支路输入射频信号角频率分别记为ω
rf
[0066]
所述上支路输入射频信号如式(4)所示：
[0067]v1
＝v
bias1
a1sin(ω
rf
t δ1)
ꢀꢀ
(4)
[0068]
所述下支路输入射频信号如式(5)所示：
[0069]v2
＝v
bias
a2sin(ω
rf
t δ2)
ꢀꢀ
(5)。
[0070]
进一步地，在使用式(4)计算出所述上支路输入射频信号并使用式(5)计算出下支路输入射频信号的前提下，根据式(4)计算出上支路输出光场并根据 (5)计算出下支路输出光场，将半波电压记为v
π
，
[0071]
所述上支路输出光场如式(6)所示：
[0072][0073]
所述下支路输出光场如式(7)所示：
[0074][0075]
进一步地，在使用式(6)计算出所述上支路输出光场并使用式(7)计算出所述下支路输出光场的前提下，根据式(6)和(7)计算出输出ddmzm，所述输出ddmzm如式(8)所示：
[0076][0077]
由于输出与上下臂的偏置电压的差值和输入信号的相位差有关输出可以改写为式(9)所示，
[0078][0079]
其中，exp(j[θ msin(ω
rf
t)])为第一部分，exp(jmsin(ω
rf
t δ2))为第二部分，为改变偏执电流只会整体偏移各边带角度，为改变输入射频的初始角度，对各边带的影响不一致；
[0080]
其中，m为射频信号的调制指数，θ为相位，jk(m)是参数m的k阶1类贝塞尔系数，k均为整数。
[0081]
进一步地，在使用式(9)计算出输出ddmzm的前提下，系统想要实现单边带传输，同时考虑系统的imd3与xmd的抑制，则边带需要考虑到
±
2阶，
±
1 阶边带中的一个需要被抑制，本方案使-1阶边带被抑制，0， 2阶边带需要不为 0，调边带幅度角度可以实现imd3的抑制，通过式(10)调节边带幅度角度以实现对imd3的抑制，
[0082][0083]
进一步地，计算过程中设ω1和ω2为双音信号的角频率，设定ω1《ω2，所述上支路输入射频信号和下支路输入射频信号输入双音信号，则能够得到：
[0084]v1
＝v
bias1
a1[sin(ω1t) sin(ω2t)]
ꢀꢀ
(11)
[0085][0086]
根据式(10)和式(11)得到ddmzm的输出信号：
[0087][0088]
进一步地，由于能够产生imd3失真的信号存在于
±
2阶边带以内，且-1阶边带被抑制，所以-2阶边带也可以忽略，所述ddmzm的输出信号的组合可简化为式(14)和式(15)：
[0089]
[0090][0091]
其中，为
ꢀ‑
2阶边带，因为-1阶已经被抑制，所以无法产生imd3信号，可省略。
[0092]
以imd3频率2ω
2-ω1为例，进行imd3抑制理论的光场分析：如式(17) 所示：
[0093][0094]
进一步地，通过可编程光滤波器，分别对0,1,2阶边带引入幅相关系分别对0,1,2阶边带引入幅相关系与输出电信号为：
[0095][0095][0097]
其公式(16)中，所述抑制载波幅度为原来的1/3，相位翻转180度；可实现imd3的抑制，同时因为抑制的是载波，xmd 同样也会被抑制。
[0098]
进一步地，本发明通过激光器输出光载波，经过双驱马赫曾德尔调制器将射频信号调制到光载波上，通过功分器和移相器，在上下支路两侧分别输入相位差为90度的射频信号，调节偏置电压使输出为-1阶边带被抑制的单边带信号，再通过可编程光滤波器分别
对0、1、2阶边带引入幅相关系，抑制载波幅度为原来的三分之一，相位翻转180度，最后传输至光电探测器中解调，即可实现imd3 的抑制，同时因为调整的是载波，xmd同样也会被抑制，通过同时抑制微波光子链路中的imd3与xmd来克服多源非线性失真问题，从而提高宽带信号下微波光子链路的线性度。
[0099]
进一步地，本发明基于双驱马赫增德尔调制器的多源非线性失真抑制方法，本发明不涉及复杂的结构，充分利用电光调制原理，同时抑制微波光子链路中的 imd3与xmd来克服多源非线性失真问题，提高宽带信号下微波光子链路的线性度，本方法采用分布式反馈激光器，可以极大的降低获得成本，进一步的提高了双驱马赫增德尔调制器的多源非线性失真抑制方法的使用效率。
[0100]
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
[0101]
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。