一种二次变频接收系统及发射系统

技术领域

本公开涉及微波信号处理领域，具体涉及一种二次变频接收系统及发射系统。

背景技术

现代电子系统对宽频段、高隔离度及大动态的微波混频器的要求与日俱增。例如在多功能一体化系统中，信号工作带宽非常大，甚至覆盖1-20GHz，这要求混频器能够同时在多频段良好地工作；在零中频接收机中，要求有较高的本振与射频隔离度，避免本振信号泄露引起基带信息直流偏差。虽然传统微波变频技术成熟，转换精度高，然而它的本振和射频隔离度较低且本振驱动功率较高，同时存在带宽限制和较大的插入损耗，这些问题限制了传统电学变频的应用。以接收机为例，在超外差式接收机中，通常有一次变频和多次变频两种方式。传统电学一次变频虽然电路简单，并且成本较低，但通常会引入众多的组合频率干扰，例如杂散、交调及镜像频率干扰等。多次变频可以提高镜像干扰的抑制能力，具有接收灵敏度高和选频特性好的优点，但是传统的电学多次变频具有电路复杂等问题，且仍保留较多的杂散及交调信号。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述问题，本公开提供了一种二次变频接收系统及发射系统，以至少部分解决目前传统电学变频无法同时处理多频段射频信号，一次变频引入的组合频率干扰多及二次变频的电路复杂等问题。

(二)技术方案

本公开一方面提供一种二次变频接收系统，包括：下变频通道，包括依次连接的第一微波变频模块、第一微波光子变频模块及中频接收调理模块；所述第一微波变频模块用于对第一射频信号进行上变频预处理，输出第一高频信号；所述第一微波光子变频模块用于对所述第一高频信号进行下变频处理，输出第一中频信号；所述中频接收调理模块用于对所述第一中频信号滤波和放大，并产生中频输出信号。

根据本公开的实施例，所述第一微波变频模块包括：射频接收调理电路，用于对所述第一射频信号滤波及放大，产生射频输入信号；第一频率综合器，连接第一电变频器的输入端，用于给所述第一电变频器提供第一本振信号；第一电变频器，连接所述射频接收调理电路和所述第一频率综合器，用于对所述第一本振信号和所述射频输入信号进行微波混频；第一滤波器，连接所述第一电变频器，用于对所述第一电变频器产生的信号进行滤波，并输出所述第一高频信号。

根据本公开的实施例，所述第一微波光子变频模块包括：第二频率综合器，连接第一合束器的输入端，用于通过所述第一合束器给第一调制器提供第二本振信号；第一合束器，连接所述第一微波变频模块和所述第二频率综合器，用于将所述第一高频信号和所述第二本振信号合束；第一连续激光源，连接第一调制器，用于产生第一光载波信号；第一调制器，连接所述第一合束器及所述第一连续激光源，用于将所述第一合束器合束的信号加载到所述第一光载波信号上，实现电光转换；第一分束器，连接所述第一调制器，用于将所述第一调制器产生的信号分为第一光调制信号和第二光调制信号；第一偏振控制器，连接第一分束器和所述第一调制器，用于向所述第一调制器反馈所述第二光调制信号，使所述第一调制器工作在预设的调制格式；第一探测器，连接所述第一分束器，用于对所述第一光调制信号拍频，产生所述第一中频信号，实现光电转换。

根据本公开的实施例，所述第一分束器将所述第一调制器产生的信号分为功率为99：1的第一光调制信号和第二光调制信号；其中，第一光调制信号用于第一探测器进行光外差探测；所述第二光调制信号用于调节所述第一偏振控制器的输出电压。

根据本公开的实施例，还包括：接收天线，与所述第一微波变频模块的输入端连接，用于接收所述第一射频信号。

根据本公开的实施例，所述第一探测器为太赫兹频段超宽带光电探测器。

本公开另一方面提供一种二次变频发射系统，包括：上变频通道，包括依次连接的中频发射调理模块、第二微波光子变频模块及第二微波变频模块；所述中频发射调理模块用于对第二中频信号滤波和放大，输出中频输入信号；所述第二微波光子变频模块用于对所述中频输入信号进行上变频预处理，输出第二高频信号；所述第二微波变频模块用于对所述第二高频信号进行下变频处理，输出第二射频信号。

根据本公开的实施例，所述第二微波光子变频模块包括：第三频率综合器，连接第二合束器的输入端，用于通过第二合束器给第二调制器(53)提供第三本振信号；第二合束器，连接所述中频发射调理模块和所述第三频率综合器，用于将所述中频输入信号和所述第二本振信号合束；第二连续激光源，连接第二调制器，用于产生第二光载波信号；第二调制器，连接所述第二合束器及所述第二连续激光源，用于将所述第二合束器合束的信号加载到所述第二光载波信号上，实现电光转换；第二分束器，连接所述第二调制器，用于将所述第二调制器产生的信号分为第三光调制信号和第四光调制信号；第二偏振控制器，连接所述第二分束器和所述第二调制器，用于向所述第二调制器反馈所述第四光调制信号，使所述第二调制器工作在预设的调制格式；第二探测器，连接所述第二分束器，用于对所述第三光调制信号拍频，产生所述第二高频信号，实现光电转换。

根据本公开的实施例，所述第二微波变频模块包括：第二滤波器，连接所述第二微波光子变频模块，用于对所述第二高频信号进行滤波；第四频率综合器，连接第二电变频器的输入端，用于给所述第二电变频器提供第四本振信号；第二电变频器，连接所述第二滤波器及所述第四频率综合器，用于对所述第四本振信号和所述第二滤波器产生的信号进行微波混频；射频发射调理电路，连接所述第二电变频器，用于对所述第二电变频器产生的信号滤波及放大，产生所述第二射频信号。

根据本公开的实施例，还包括：发射天线，与所述第二微波变频模块的输出端连接，用于输出所述第二射频信号。

(三)有益效果

本公开提供的二次变频接收系统及发射系统，通过将传统多次变频中的其中一次变频用微波光子变频代替，同时利用微波光子的宽带特性和微波的精细滤波处理，实现对宽带信号高性能的上下变频处理，具有杂散抑制比高、抗干扰能力强及损耗小的优势。

附图说明

为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：

图1示意性示出了本公开实施例提供的一种二次变频接收系统及发射系统的示意图；

图2示意性示出了本公开实施例提供的下变频拍频频谱示意图；

图3示意性示出了本公开实施例中第一探测器提供的镜像抑制示意图；

图4示意性示出了本公开实施例提供的上变频拍频频谱示意图；

图5示意性示出了本公开实施例中第二探测器提供的镜像抑制示意图。

附图标记说明：

1-第一微波变频模块；

11-射频接收调理电路；

12-第一电变频器；

13-第一滤波器；

2-第一微波光子变频模块；

21-第一合束器；

22-第一连续激光源；

23-第一调制器；

24-第一分束器；

25-第一偏振控制器；

26-第一探测器；

3-中频接收调理模块；

4-中频发射调理模块；

5-第二微波光子变频模块；

51-第二合束器；

52-第二连续激光源；

53-第二调制器；

54-第二分束器；

55-第二偏振控制器；

56-第二探测器；

6-第二微波变频模块；

61-第二滤波器；

62-第二电变频器；

63-射频发射调理电路；

7-频率综合器。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

图1示意性示出了本公开实施例提供的一种二次变频接收系统及发射系统的示意图。

如图1所示，本公开实施例提供的一种二次变频接收系统及发射系统，下变频通道包括第一微波变频模块1、射频接收调理电路11、第一电变频器12、第一滤波器13、第一微波光子变频模块2、第一合束器21、第一连续激光源22、第一调制器23、第一分束器24、第一偏振控制器25、第一探测器26和中频接收调理模块3；上变频通道包括中频发射调理模块4、第二微波光子变频模块5、第二合束器51、第二连续激光源52、第二调制器53、第二分束器54、第二偏振控制器55、第二探测器56、第二微波变频模块6、第二滤波器61、第二电变频器62及射频发射调理电路63。

进一步地，二次变频接收系统中第一微波变频模块1、第一微波光子变频模块2及中频接收调理模块3依次连接，第一微波变频模块1用于对第一射频信号进行上变频预处理，输出第一高频信号，完成下变频通道的第一次微波变频，即电学变频；第一微波光子变频模块2用于对第一高频信号进行下变频处理，输出第一中频信号，完成下变频通道的第二次微波光子变频；中频接收调理模块3用于对第一中频信号滤波和放大，并产生低杂散的中频输出信号。二次变频发射系统中中频发射调理模块4、第二微波光子变频模块5及第二微波变频模块6依次连接，中频发射调理模块4用于对第二中频信号滤波和放大，输出中频输入信号；第二微波光子变频模块5用于对中频输入信号进行上变频预处理，输出第二高频信号；第二微波变频模块6用于对第二高频信号进行下变频处理，输出第二射频信号。

本公开实施例采用微波技术与微波光子技术混合设计，下变频通道中由第一微波变频模块1提供第一次微波变频，获得高频信号后再由第一微波光子变频模块2提供第二次微波光子变频；上变频通道中由微波光子变频模块提供第一次微波光子变频，获得高频信号后再由微波变频模块提供第二次微波变频。相比传统多级电学变频，通过在第一微波光子变频模块2和第二微波光子变频模块5中利用光载波的宽带和抗干扰特性，结合微波的精细滤波处理，实现对宽带信号高性能的上下变频处理，同时通过光外差拍频技术经后端滤波实现宽频带信号的上下变频，可对系统频带内的谐波、杂散和交调信号进行有效抑制。

在本公开实施例中，第一微波变频模块1包括射频接收调理电路11、第一频率综合器、第一电变频器12及第一滤波器13。射频接收调理电路11用于对第一射频信号滤波及放大，产生射频输入信号；第一频率综合器连接第一电变频器12的输入端，用于给第一电变频器12提供第一本振信号；第一电变频器12连接射频接收调理电路11和第一频率综合器，用于对第一本振信号和射频输入信号进行微波混频；第一滤波器13连接第一电变频器12，用于对第一电变频器12产生的信号进行滤波，并输出第一高频信号。第二微波变频模块6包括第二滤波器61、第四频率综合器、第二电变频器62及射频发射调理电路63。第二滤波器61连接第二微波光子变频模块5，用于对第二高频信号进行滤波；第四频率综合器连接第二电变频器62的输入端，用于给第二电变频器62提供第四本振信号；第二电变频器62连接第二滤波器61及第四频率综合器，用于对第四本振信号和第二滤波器61产生的信号进行微波混频；射频发射调理电路63连接第二电变频器62，用于对第二电变频器62产生的信号滤波及放大，产生第二射频信号。

具体地，射频接收调理电路11和射频发射调理电路63将待测信号通过放大、滤波等操作转换成采集设备能够识别的标准信号，放大能够通过在信号被环境噪声影响之前提高信号电平来提高测量的信号-噪声比，以及提高测量精度和灵敏度，滤波能够将信号中特定波段的频率滤除，抑制和防止干扰。在电路较简单的情况下，第一频率综合器和第四频率综合器可以替换为本地振荡器，在电路较复杂时也可设置为一个频率综合器7，分别给第一电变频器12和第二电变频器62提供本振信号，在第一电变频器12和第二电变频器62中，本振信号与原始信号混频，产生差频/和频信号，并通过第一滤波器13和第二滤波器61滤除其他杂散信号，最终实现下变频通道的第一次微波变频和上变频通道的第二次微波变频。在第一微波变频模块1和第二微波变频模块6中通过使用电学变频，可减少微波光子变频导致的光电-电光转换损耗，弥补微波光子链路大损耗的缺点。

在本公开实施例中，第一微波光子变频模块2包括第二频率综合器、第一合束器21、第一连续激光源22、第一调制器23、第一分束器24、第一偏振控制器25及第一探测器26。第二频率综合器连接第一合束器21的输入端，用于通过第一合束器21给第一调制器23提供第二本振信号；第一合束器连接第一微波变频模块1和第二频率综合器，用于将第一高频信号和第二本振信号合束；第一连续激光源22连接第一调制器23，用于产生第一光载波信号；第一调制器23连接第一合束器21及第一连续激光源22，用于将第一合束器21合束的信号加载到第一光载波信号上，实现电光转换；第一分束器24连接第一调制器23，用于将第一调制器23产生的信号分为第一光调制信号和第二光调制信号；第一偏振控制器25连接第一分束器24和第一调制器23，用于向第一调制器23反馈第二光调制信号，使第一调制器23工作在预设的调制格式；第一探测器26连接第一分束器24，用于对第一光调制信号拍频，产生所述第一中频信号，实现光电转换。第二微波光子变频模块5包括第三频率综合器、第二合束器51、第二连续激光源52、第二调制器53、第二分束器54、第二偏振控制器55及第二探测器56。第三频率综合器连接第二合束器51的输入端，用于通过第二合束器51给第二调制器53提供第三本振信号；第二合束器51连接中频发射调理模块4和第三频率综合器，用于将中频输入信号和第三本振信号合束；第二连续激光源52连接第二调制器53，用于产生第二光载波信号；第二调制器53连接第二合束器51及第二连续激光源52，用于将第二合束器51合束的信号加载到第二光载波信号上，实现电光转换；第二分束器54连接第二调制器53，用于将第二调制器5产生的信号分为第三光调制信号和第四光调制信号；第二偏振控制器55连接第二分束器54和第二调制器53，用于向第二调制器53反馈第四光调制信号，使第二调制器53工作在预设的调制格式；第二探测器56连接第二分束器54，用于对第三光调制信号拍频，产生第二高频信号，实现光电转换。

进一步地，第二频率综合器和第三频率综合器可与上述的第一频率综合器和第四频率综合器简化为一个频率综合器7，分别提供本振信号。第一合束器21和第二合束器51的作用为合束，为非必要设置，可直接将第一高频信号和第二本振信号，或者中频输入信号和第三本振信号输入到第一调制器23或第二调制器53上，从而简化电路。第一连续激光源22及第二连续激光源52产生第一光载波信号和第二光载波信号，用于后续第一调制器23和第二调制器53在光域内运用光信号处理方法对信号进行变换，实现电光转换，从电上转换到光上。第一分束器24和第二分束器54用于将经第二调制器53进行电光转换得到的光调制信号实现分光作用，分为强度比例为99：1的两束光调制信号，其中，第一光调制信号和第三光调制信号用于实现后续的光电探测，第二光调制信号和第四光调制信号用于控制第一偏振控制器25和第二偏振控制器55的电压输出，从而使第一调制器23和第二调制器53工作在预设的调制格式下。第一探测器26和第二探测器56为太赫兹频段超宽带光电探测器，通过光外差拍频技术实现两个频率信号的相乘，从光上转化到电上，变现形成频率差。在第一微波光子变频模块2和第二微波光子变频模块5中通过使用微波光子变频替代传统多次变频中的其中一次电学变频，在这个过程中，利用微波光子的宽带特性和和抗干扰特性，克服了电域变频存在的诸多缺点，有效地降低了天线系统的前端复杂度，并使链路频率向毫米波范围扩展，具有抗电磁干扰、抗本振泄露、变频增益高等优势。

在本公开实施例中，具体应用到雷达收发机上时，还可包括接收天线(图中未标出)和发射天线(图中未标出)，其中接收天线与第一微波变频模块1的输入端连接，用于接收第一射频信号，发射天线与第二微波变频模块6的输出端连接，用于输出所述第二射频信号。发射天线能够向发射方向集中能量，同时减少其他方向的能量，接收天线则可从接收方向的来波中截获更多能量，而对其他方向的来波则以相位抵消方式减少输入能量。

实施例1

二次变频接收系统及发射系统由下变频通道和上变频通道组成，下变频通道由接收天线、第一微波变频模块1、第一微波光子变频模块2、中频接收调理模块3组成，上变频通道由中频发射调理模块4、第二微波光子变频模块5、第二微波变频模块6及发射天线组成。通过大于20GHz的的微波信号作为本振信号f

具体地，通过设置频率综合器产生f

进一步的，下变频通道由接收天线、第一微波变频模块1、第一微波光子变频模块2及1.8GHz中频接收调理模块3组成。接收天线接收到2～18GHz宽带的第一射频信号后，经第一微波变频模块1的上变频处理，与f

第一微波变频模块1包括2～18GHz可调谐射频接收调理电路11、第一电变频器12及22GHz的定点第一滤波器13。第一射频信号经所述2～18GHz可调谐射频接收调理电路11的滤波及放大，获得2～18GHz宽带的信号，与本振信号f

第一微波光子变频模块2包括第一合束器21、第一连续激光源22、第一调制器23、第一分束器24、第一偏振控制器25及20GHz带宽的第一探测器26。第一连续激光源22用于产生波长为1550nm的第一光载波信号，以此作为马赫-曾德调制器的输入光信号；第一调制器23用于信号输入，实现电光转换；第一分束器24用于将经第一调制器23进行电光转换得到的光调制信号实现99∶1的分光作用，分为强度比例为99∶1的两束光调制信号，99％支路的光用于实现后续的光电探测，1％的光用于控制第一偏振控制器25的电压输出；第一偏振控制器25用于对第一调制器23进行稳定的偏置点控制，使其工作在稳定的载波抑制双边带调制格式下，提高频谱利用率的同时降低基频杂散；第一探测器26用于实现光电转换，并将20GHz以上的杂散信号滤除；第一合束器21将由第一次变频得到的22GHz的第一高频信号与本振信号f

1.8GHz中频接收调理模块3将第二次微波光子变频获得的第一中频信号进行滤波及放大，得到1.8GHz的中频输出信号，为下变频通道输出低杂散的信号。

进一步的，上变频通道由1.8GHz中频发射调理模块4、第二微波光子变频模块5、第二微波变频模块6及发射天线组成。以1.8GHz的模拟信号作为第二中频信号，第二中频信号经过所述1.8GHz中频发射调理模块4的滤波和放大，获得1.8GHz的中频输入信号，再经第二微波光子变频模块5，与23.8GHz的第三本振信号f

1.8GHz中频发射调理模块4将第二中频信号进行定点滤波及放大，得到1.8GHz的中频输入信号。

第二微波光子变频模块5包括第二合束器51、第二连续激光源52、第二调制器53、第二分束器54、第二偏振控制器55及20GHz带宽的第二探测器56。第二连续激光源52用于产生波长为1550nm的第二光载波信号，以此作为第二调制器53的输入光信号；第二调制器53用于信号输入，实现电光转换；第二分束器54用于将经第二调制器53进行电光转换得到的光调制信号实现99∶1的分光作用，分为强度比例为99∶1的两束光调制信号，99％支路的光用于实现后续的光电探测，1％的光用于控制第二偏振控制器的电压输出；第二偏振控制器55用于对第二调制器53进行稳定的偏置点控制，使其工作在稳定的载波抑制双边带调制格式下，提高频谱利用率的同时降低基频杂散；20GHz带宽的第二探测器56用于实现光电转换，并将20GHz以上的杂散信号滤除；第二合束器51将得到的1.8GHz中频输入信号与第三本振信号f

所述第二微波变频模块6包括22GHz第二滤波器61、第二电变频器62及2～18GHz可调谐射频发射调理电路63。第一次微波光子变频获得的第二高频信号经22GHz第二滤波器61滤波获得低杂散的22GHz信号，与第四本振信号f

图2及图3为下变频链路中该二次变频接收系统微波光子变频部分的拍频频谱及镜像抑制示意图，如图2所示，在中心频点(1550nm)两侧会产生两对边带信号，其与中心频点的距离分别是22GHz和23.8GHz，在差频过程中会产生很多信号，如1.8GHz、22GHz、23.8GHz、44GHz、47.6GHz…，如图3所示，镜频为大于高频信号的25.6GHz，所选取的探测器3dB带宽在20GHz左右时，可滤除高次谐波及镜频，再经过后接滤波器滤波后，所需要的1.8GHz信号很容易被滤出。

图4及图5为上变频链路中该二次变频发射系统微波光子变频部分的拍频频谱及镜像抑制示意图，如图4所示，在中心频点(1550nm)两侧产生两对边带信号，其与中心频点的距离分别是1.8GHz和23.8GHz，如图5所示，此时镜频信号为45.8GHz，探测器的工作带宽可滤除镜频，同时获得的22GHz高频信号进行第二次变频时，高次谐波频率经过后接滤波器组滤波后，所需要的2～18GHz信号很容易被滤出。

本公开通过将传统多次变频中的其中一次变频用微波光子变频代替，相比传统多级电学变频，充分利用了光载波的宽带和抗干扰特性，实现超宽带微波信号处理，同时通过光外差拍频技术经后端滤波实现宽频带信号的上下变频，可对系统频带内的谐波、杂散和交调信号进行有效抑制，此外，其中一次变频使用电学变频，能够减少光电-电光转换损耗，弥补微波光子链路大损耗的缺点。

本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。

尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。