一种高隔离度多通道微波光子上变频装置与方法

技术领域

本发明属于射频信号处理技术领域，涉及一种高隔离度多通道微波光子上变频装置与方法。

背景技术

微波频率的上下变换是射频系统的重要功能之一，与传统的电学变频技术相比，微波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。尤其在处理宽带多通道信号时，微波光子变频技术的优势尤为突出，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。

基于微波光子变频技术的射频转发系统，在信号接收过程中可以对接收的宽带高频信号进行信道化切分并下变频至可处理的中频波段，然后在光域或电域内对信道化的多路子信号进行处理，处理完成后系统再将多通道中频信号上变频至发射所需的高频波段。微波光子上变技术可以实现多个通道中频信号一次上变频至目标频段，克服了传统电学变频技术因多次变频导致的系统复杂度高以及宽带信号平坦度差等问题。

通常在多通道微波光子变频系统中由于电光调制器的消光比有限，即使工作在载波抑制调制状态下，仍有一定的光载波残留，在光电转换过程中，残留的光载波会与本振信号的一阶边带拍频，产生残留的本振信号。该残留的本振信号会落在多通道信号的相邻信道内，造成信道间串扰，影响通信质量。因此，消除残留本振信号是多通道微波光子上变频系统应用亟需解决的问题。

在先技术[1](Z.Z.Tang,D.Zhu,and S.L.Pan,“Coherent optical RFchannelizer with largeinstantaneous bandwidth and large in-bandinterferencesuppression,”J.Light.Technol.,vol.36,no.19,pp.4219–4226,Oct.2018.)中通过使用一组相干光频梳来实现宽带射频信号的下变频功能。其中本振信号和宽带射频信号分别以单边带调制方式加载到两路光频梳上，利用游标效应实现不同信道射频信号的同中频下变频接收，同时使用90°光学混波器实现镜像频率干扰分量的抑制。该方案只适用于宽带射频信号的同中频下变频，对于上变频过程中的残留本振信号无法实现有效抑制。

在先技术[2](W.J.Chen,D.Zhu,J.Liu,and S.L.Pan,“Multi-band RFtransceiver based on the polarization multiplexed photonic LOs and mixers,”IEEE J.Sel.Top.Quantum Electron.,vol.27,no.2,pp.7601009,Mar.2021.)中通过将正交偏振复用的本振信号输入双偏振光学混波器，提出了一种多信道宽带射频信号的收发机。该方案同样只对下变频中的镜像频率干扰分量进行了抑制，上变频中的本振信号残留仍然较高。

在先技术[3](S.Zhu,X.J.Fan,M.Li,N.H.Zhu,and W.Li.“Microwave photonicfrequency down-conversion and channel switching for satellite communication,”Opt.Lett.,vol.45,no.18,pp.5000–5003,Sep,2020.)中利用双偏振双平行马赫-曾德调制器提出了一种多信道微波光子下变频方案，射频信号与本振信号都采取载波抑制双边带调制，通过调节进入光电探测器前偏振控制器的角度，可以实现不同状态的下变频输出信号。该方案受双偏振双平行马赫-曾德调制器的限制，只能实现四个信道的下变频，对变频过程中的各种干扰也没有采取优化措施。

发明内容

本发明提供一种高隔离度多通道微波光子上变频装置与方法，有效解决背景技术中本振信号残留的问题，实现高隔离度多通道微波光子上变频功能。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

一种高隔离度多通道微波光子上变频装置，该高隔离度多通道微波光子上变频装置包括：光频梳产生单元、第一波分复用单元、第一电光调制单元、第二电光调制单元、……、第N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、……、第N直流偏置控制单元、第一90°电桥、第二90°电桥、……、第N 90°电桥、第一本振信号源、第二本振信号源、……、第N本振信号源、第二波分复用单元、光放大单元、光电接收单元。

所述光频梳产生单元与第一波分复用单元连接，所述第一波分复用单元分别与第一电光调制单元、第二电光调制单元、第N电光调制单元的一端连接、第一电光调制单元、第二电光调制单元、第N电光调制单元的另一端与第二波分复用单元连接，所述第二波分复用单元依次与光放大单元、光电接收单元连接，其中各光电单元之间通过光纤链路或集成光波导链路连接；所述的每个电光调制单元上均设有一个90°电桥、一个直流偏置控制单元。

所述光频梳产生单元发出的N路载波光频梳经第一波分复用单元分为N路，分别输入至第一电光调制单元、第二电光调制单元、……、第N电光调制单元。光频梳产生单元发出的载波光频梳的频率间隔大于光电接收单元的射频响应带宽。

所述第一90°电桥、第二90°电桥、……、第N90°电桥用于将第一本振信号源、第二本振信号源、……、第N本振信号源发出的本振信号与对应信道的待变频信号均分为两路，并产生90°的相位差，以满足电光调制单元工作在载波抑制单边带调制状态对输入信号的相位要求。本振信号的相邻信号频率的间隔与中频信号的带宽相同。

所述第一电光调制单元、第二电光调制单元、……、第N电光调制单元均有两个射频输入端口、两个平行的子电光调制器和一个相位调制器。经90°电桥分路输出的本振信号和中频信号通过两个射频输入端口分别加载到电光调制单元的上支路子电光调制器和下支路子电光调制器。通过直流偏置控制单元调控直流电压使得两个子电光调制器工作均在最小工作点，输出载波抑制双边带信号。相位调制器对下支路的子电光调制器输出的载波抑制双边带信号施加相位调制，使得电光调制单元的下支路载波抑制双边带信号与上支路载波抑制双边带信号合路后输出载波抑制单边带调制信号。

所述第二波分复用单元用于将N路载波抑制单边带信号进行合路并输入至光放大单元，经光放大单元在光域放大后的N路载波抑制单边带信号传输至光电接收单元。

所述光电接收单元用于接收由光放大单元放大后的N路载波抑制单边带信号，进行光电转换后输出上变频信号。

基于上述微波光子变频装置实现高隔离度多通道上变频的方法，包括以下步骤：

光频梳产生单元发出的载波光频梳经过第一波分复用单元分为N路，分别输入至第一电光调制单元、第二电光调制单元、……、第N电光调制单元。每一路中频信号与对应信道的本振信号源输出的本振信号经过90°电桥均分，并产生90°的相位差，分别输入至对应电光调制单元的两个射频输入端口。

第一直流偏置控制单元控制第一电光调制单元工作在载波抑制单边带调制状态，输出中频信号和本振信号的载波抑制单边带调制信号；第二直流偏置控制单元控制第二电光调制单元工作在载波抑制单边带调制状态，输出中频信号和本振信号的载波抑制单边带调制信号；……；第N直流偏置控制单元控制第N电光调制单元工作在载波抑制单边带调制状态，输出中频信号和本振信号的载波抑制单边带调制信号。第一电光调制单元、第二电光调制单元、……、第N电光调制单元输出的N路载波抑制单边带信号输入至第二波分复用单元。

第二波分复用单元将N路载波抑制单边带信号合路，输入至光放大单元。光放大单元对合路的N路载波抑制单边带信号进行光域放大，然后输入至光电接收单元，完成电光转换，输出上变频信号。

设置N路本振信号的相邻信号频率间隔与中频信号的带宽相同，第一上变频信道输出的上变频信号和第二上变频信道输出的上变频信号在频谱上相连；第二上变频信道输出的上变频信号和第三上变频信道输出的上变频信号在频谱上相连；依此类推至，第N-1上变频信道输出的上变频信号和第N上变频信道输出的上变频信号在频谱上相连，完成N路同中频信号的同步上变频功能。

本发明通过控制输入至电光调制单元的本振信号功率，使电光调制单元工作在一定的调制系数下，输出载波抑制单边带信号的残留光载波分量得到有效抑制，最后光电转换输出的残留本振信号功率趋于零，获得本振信号与上变频信号的高度隔离。

本发明的有益效果是：本发明采用载波抑制单边带调制方法使中频信号与本振信号同时调制在每个信道的光频梳载波上，独立设置每个通道本振信号的频率，实现了多个通道信号的同步上变频功能。通过控制本振信号的调制深度，有效抑制多通道变频后残留的本振信号，实现本振信号与上变频信号的高隔离度，解决了信道间的串扰问题。

附图说明

图1是本发明高隔离度多通道微波光子上变频装置结构图。

图2是电光调制单元内部结构示意图。

图3光频梳产生单元发出的载波光频梳的光域频谱图。

图4是第一电光调制单元输出的载波抑制单边带信号的光域频谱图。

图5是经第二波分复用单元合路后的载波抑制单边带调制信号光域频谱图。

图6是本发明装置光电接收单元输出的上变频信号频谱图。

图7是本发明装置输出第一信道上变频信号解调的星座图。

图8是常规条件下光电接收单元输出的上变频信号频谱图。

图9是常规条件输出第一信道上变频信号解调的星座图。

图1中：1光频梳产生单元；2第一波分复用单元；3第一电光调制单元；4第二电光调制单元；5第N电光调制单元；6第一90°电桥；7第二90°电桥；8第N 90°电桥；9第一直流偏置控制单元；10第二直流偏置控制单元；11第N直流偏置控制单元；12第一本振信号源；13第二本振信号源；14第N本振信号源；15第二波分复用单元；16光放大单元；17光电接收单元。

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。

本发明高隔离度多通道微波光子上变频装置如图1所示，包括：光频梳产生单元、第一波分复用单元、第一电光调制单元、第二电光调制单元、……、第N电光调制单元、第一90°电桥、第二90°电桥、……、第N90°电桥、第一直流偏置控制单元、第二直流偏置控制单元、……、第N直流偏置控制单元、第一本振信号源、第二本振信号源、……、第N本振信号源、第二波分复用单元、光放大单元、光电接收单元。

所述光频梳产生单元、第一波分复用单元、第一电光调制单元、第二电光调制单元、……、第N电光调制单元、第二波分复用单元、光放大单元、光电接收单元分别通过光纤链路或集成光波导链路依次连接。

图2给出了电光调制单元的结构示意图，包括子电光调制器1、子电光调制器2、电光相位调制器。子电光调制器1有射频端口1和直流端口1，子电光调制器2有射频端口2和直流端口2，电光相位调制器有直流端口3。

实施例

以三通道微波光子上变频为例来阐明本发明的实施过程。光频梳产生单元发出3条功率相等、频率间隔为100GHz的载波光梳线，如图3所示。载波光频梳输入第一波分复用单元解复用为三路光频梳载波。

本振信号与中频信号以载波抑制单边带调制方式加载到光频梳载波上。以第一信道为例，中频信号频率为0.5GHz，调制带宽为450MHz，本振信号为17.75GHz。中频信号与本振信号输入第一90°电桥，输出两路具有90°相位差的射频信号，分别传输至电光调制单元的射频端口1和射频端口2。第一直流偏置控制单元控制第一电光调制单元工作在载波抑制单边带调制状态，输出载波抑制单边带调制信号，光域频谱如图4所示。

输入至第二电光调制单元的中频信号为频率0.5GHz，调制带宽450MHz，本振信号频率为18.25GHz,输入至第三电光调制单元的中频信号为频率0.5GHz，调制带宽450MHz，本振信号频率为18.75GHz。第二电光调制单元和第三电光调制单元都工作在载波抑制单边带调制状态，输出载波抑制单边带调制信号。

第二波分复用单元将三个电光调制单元输出的载波抑制单边带光信号进行合路，其光域频谱如图5所示。合路后的光信号由光放大单元进行放大，传输至光电接收单元，完成光电转换，输出电信号的频谱如图6所示。从图6可以看出，三个通道的中频宽带信号经本系统上变频至18.025GHz-19.475GHz，由于采取残留本振抑制措施，上变频后的本振信号功率较低，对上变频宽带信号进行数字解调，星座图如图7所示，解调后的星座点在对应位置呈现良好的分布，误差矢量幅度为5.7％，实现了良好的通信质量。

同时也对未采取本振抑制措施的上变频系统进行了测试，其上变频输出频谱如图8所示。从图8可以看出本振信号的功率较高，其中18.25GHz的本振信号落在第一信道上变频输出的信道内，18.75GHz的本振信号落在第二信道上变频输出的信道内，且残留的本振信号功率超过了上变频信号的功率，这将造成信道间串扰。对光电接收单元输出的第一信道上变频宽带信号进行数字解调，解调后的星座图如图9所示，从图9可以看出，解调后的星座点没有落在预期点位，星座图呈现出混乱状态，误差矢量幅度为32.9％。对比图7和图9的解调结果可知，本发明所提出的宽带信号上变频方案有效抑制了残留本振信号，实现了良好的多通道上变频功能。

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。