基于微波光子的超寬帶接收機(jī)裝置及實(shí)現(xiàn)方法
【專利摘要】基于微波光子的超寬帶接收機(jī)裝置及實(shí)現(xiàn)方法。將激光源輸出的光信號(hào)分成兩路，一路用于生成頻率等間隔的光頻梳，采用外調(diào)制的方式實(shí)現(xiàn)；另一路被待接收射頻信號(hào)經(jīng)電光調(diào)制器調(diào)制，并與光頻梳路的光信號(hào)合成。該合成信號(hào)通過(guò)可調(diào)諧窄帶帶通光學(xué)濾波器，經(jīng)該濾波器可將載有待測(cè)信號(hào)的光頻與最臨近的光頻梳的固定頻點(diǎn)濾出，再經(jīng)過(guò)高速探測(cè)器變換，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)頻率拍頻合成得到其差頻，即得到待測(cè)信號(hào)下變頻的中頻信號(hào)。本發(fā)明將微波光子學(xué)中光頻梳的技術(shù)應(yīng)用于微波信號(hào)接收的設(shè)計(jì)，結(jié)合可調(diào)光濾波器，實(shí)現(xiàn)了在低頻率本振信號(hào)(2GHz～5GHz)的條件下，超寬帶信號(hào)接收和下變頻，其中接收帶寬十幾倍于低頻本振信號(hào)。
【專利說(shuō)明】基于微波光子的超寬帶接收機(jī)裝置及實(shí)現(xiàn)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種超寬帶接收機(jī)裝置及實(shí)現(xiàn)方法，特別設(shè)及一種基于微波光子的超 寬帶接收機(jī)裝置及實(shí)現(xiàn)方法，屬于微波光子學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，電磁頻段被充分利用，攜帶各種信息的信號(hào)頻段的覆 蓋范圍廣、信號(hào)參數(shù)多變，信號(hào)形式也日益復(fù)雜。高密集和復(fù)雜的信號(hào)環(huán)境要求電子設(shè)備接 收機(jī)具備大接收帶寬、大動(dòng)態(tài)范圍、高效率、高分辨率，W及能夠?qū)Χ囝l點(diǎn)，多形式信號(hào)進(jìn)行 統(tǒng)一接收W及統(tǒng)一處理能力。該樣高的需求，傳統(tǒng)形式的基于微波器件的電子信號(hào)接收機(jī) 技術(shù)已經(jīng)面臨不可逾越的瓶頸，如微波鏈路因波導(dǎo)原理W及高損耗特征從根本上限制了系 統(tǒng)的帶寬；高頻信號(hào)處理難W降低相噪；在大倍頻程難W實(shí)現(xiàn)均一的高性能，導(dǎo)致低的動(dòng) 態(tài)范圍，面臨頻率截獲概率和分辨率之間矛盾；特別是難W采用統(tǒng)一設(shè)備同時(shí)實(shí)現(xiàn)超寬帶 大動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)接收和處理。
[0003] 光學(xué)技術(shù)的發(fā)展使人們意識(shí)到，光學(xué)信號(hào)具備固有的高帶寬、低相噪、低損耗的特 點(diǎn)，同時(shí)光學(xué)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)還包括超寬帶調(diào)諧、并行處理、遠(yuǎn)距離傳輸W及抗電磁干擾等。
[0004] 目前，基于微波光子的接收機(jī)有W下幾種方案；一是多個(gè)電光調(diào)制器級(jí)聯(lián)，多個(gè)調(diào) 制器上分別加載本振信號(hào)和接收信號(hào)（參見(jiàn)出巧an M.化SS，T.E. Mu巧hy，" Linearized Downconverting Microwave Photonic Link Using Dual-Wavelength Phase Moulation and Optical Filtering" IEEE Photonics Journal，Vol. 3, No. 1，F(xiàn)eburary 2011])。該 方法通過(guò)多個(gè)調(diào)制器級(jí)聯(lián)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率低、插入損耗大，同時(shí)對(duì)于頻率較高的接收信號(hào) 所需的本振信號(hào)頻率也較高，因?yàn)楸菊裥盘?hào)頻率越高相躁越差，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的帶寬和 性能受制于本振信號(hào)。二是雙臂馬赫增德?tīng)栒{(diào)制器加光電振蕩回路（參見(jiàn)專利申請(qǐng)?zhí)枺?201310583404. 3，"一種微波光子學(xué)接收方法"），此方法頻帶寬度受制于光電振蕩回路中的 微波器件，如帶通濾波器、低噪放和移相器的帶寬，無(wú)法實(shí)現(xiàn)超寬帶信號(hào)接收。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是；為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本方案提供了一種基 于微波光子的超寬帶接收機(jī)裝置及實(shí)現(xiàn)方法，實(shí)現(xiàn)了在低頻率本振信號(hào)（2GHz?5GHz)的 條件下，超寬帶信號(hào)接收，其中接收帶寬十幾倍于低頻本振信號(hào)；降低了中頻信號(hào)的信噪 比，提高了信號(hào)轉(zhuǎn)化效率；減少了設(shè)備體積和功耗，降低了成本。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0007] 一種基于微波光子的超寬帶接收機(jī)裝置，包括激光光源、電光調(diào)制器、光頻梳生成 模塊、單模光纖禪合器、可調(diào)光濾波器、高速光電探測(cè)器，其中光頻梳生成模塊由微波本振 信號(hào)源、強(qiáng)度調(diào)制器（IM)、相位調(diào)制器（PM)、微波功率放大器（PA)、微波移相器（P巧組成。 [000引激光源，輸出光信號(hào)，單模光纖禪合器按照2 : 1的分光比將光信號(hào)分成兩束分別 進(jìn)入電光調(diào)制器和光頻梳生成模塊；
[0009] 電光調(diào)制器的射頻輸入端口加載待接收到的微波信號(hào)，直流偏置端口加載直流電 壓，待接收的微波信號(hào)被調(diào)制到光信號(hào)上，產(chǎn)生光調(diào)制信號(hào)。
[0010] 光頻梳生成模塊中的微波本振信號(hào)被微波功分器分成二路，第一路經(jīng)過(guò)微波功率 放大器（PA)輸入到強(qiáng)度調(diào)制器，第二路再被微波功分器分成兩路，兩路信號(hào)分別經(jīng)過(guò)微波 移相器（P巧和微波功率放大器（PA)輸入到兩個(gè)相位調(diào)制器（PM)，最終產(chǎn)生光頻梳；
[0011] 單模光纖禪合器將光頻率梳和光調(diào)制信號(hào)合成出一路光信號(hào)，輸入到可調(diào)通帶的 光濾波器，可調(diào)光濾波器（通帶范圍2GHz)掃描光頻梳的整個(gè)頻帶范圍，濾出加載于 不同頻段的光信號(hào)；
[0012] 高速光電探測(cè)器將濾出的加載于不同頻段的光信號(hào)，與生成的固定間隔的被濾波 的光頻梳進(jìn)行拍頻合成得到中頻信號(hào)，從而將接收到的高頻率微波信號(hào)下變頻到頻率較低 的中頻信號(hào)。
[0013] 其中，所述光頻梳生成模塊采用外調(diào)制的方式產(chǎn)生，光頻梳的中屯、波長(zhǎng)1550nm，頻 梳間隔為2GHz?5GHz可調(diào)，其頻梳間隔由微波本振信號(hào)的頻率決定。光頻梳多條，單邊帶 條數(shù)乘W間隔即決定可處理的待接收的微波信號(hào)帶寬。
[0014] 所述單模光纖禪合器將光調(diào)制信號(hào)和光頻梳合成一路，光調(diào)制信號(hào)加載到光頻梳 上，光頻梳變?yōu)榻邮招盘?hào)的載波。
[0015] 所述可調(diào)通帶位置的光學(xué)濾波器采用可調(diào)的法布里帕羅（F-巧濾波器實(shí)現(xiàn)，可調(diào) 光濾波器掃描光頻梳的整個(gè)頻帶范圍，濾出加載于不同頻段的光信號(hào)。
[0016] 本發(fā)明還提供了一種基于所述裝置的實(shí)現(xiàn)方法，包括W下步驟：
[0017] (1)激光光源產(chǎn)生的激光通過(guò)單模光纖禪合器分成兩路，分別進(jìn)入光電調(diào)制器和 光頻率梳生成模塊；
[0018] (2)在光電調(diào)制器上加載直流電壓，使其處于載波抑制狀態(tài)，同時(shí)將待接收微波信 號(hào)加載到光電調(diào)制器上，產(chǎn)生載波抑制的光調(diào)制信號(hào)；
[0019] 做微波本振信號(hào)頻率為f。，本振信號(hào)根據(jù)需要在2GHz?5GHz范圍內(nèi)可調(diào)，設(shè)置 信號(hào)功率，同時(shí)改變加載在兩個(gè)相位調(diào)制器（PM)上的微波信號(hào)的相位，使其相差產(chǎn)生光 頻梳多條，頻梳間隔為fwe= f。；
[0020] (4)改變加載在可調(diào)光濾波器上電壓的頻率和大小，使可調(diào)光濾波器掃描光頻梳 的整個(gè)頻帶范圍，濾出加載于不同頻段的光信號(hào)；
[0021] (5)高速光電探測(cè)器（PD)對(duì)輸出的光信號(hào)拍頻，產(chǎn)生中頻信號(hào)fip。此中頻信號(hào)的 幅度和相位即反映待測(cè)信號(hào)的幅度和相位，結(jié)合中頻信號(hào)的頻率和濾出該信號(hào)的可調(diào)光濾 波器通帶所包的頻梳，計(jì)算待接收信號(hào)的頻率數(shù)值fw。
[0022] 其中，所述可調(diào)光濾波器的通帶范圍與光頻梳的頻率間隔接近斯> fwe)，經(jīng) 過(guò)光濾波器和高速光電探測(cè)器后，產(chǎn)生的中頻信號(hào)頻率不大于光頻梳頻率間隔的一半 (知空寧)。
[0023] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有益效果為；
[0024] (1)本發(fā)明使用光頻率梳作為載波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了在低頻率本振信號(hào)（2GHz?5GHz) 的條件下，超寬帶信號(hào)接收，其中接收帶寬十幾倍于低頻本振信號(hào)；增大了中頻信號(hào)的信噪 比，提高了信號(hào)轉(zhuǎn)化效率。
[002引 似本發(fā)明利用單模光纖禪合器，將光調(diào)制信號(hào)和光頻率梳合成一路光信號(hào)，其中 光調(diào)制信號(hào)處于載波抑制狀態(tài)，相比于級(jí)聯(lián)的方式，降低了系統(tǒng)的插入損耗。
[0026] (3)本發(fā)明的信號(hào)傳輸鏈路完全由光學(xué)器件組成，中頻信號(hào)的質(zhì)量不受制于微波 器件的性能和參數(shù)，提高了接收機(jī)的穩(wěn)定性和中頻信號(hào)的質(zhì)量，降低了成本。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0027] 圖1為本發(fā)明基于微波光子的超寬帶接收機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。
[002引圖2為本發(fā)明中可調(diào)光濾波器的濾波示意圖。
[0029] 圖3為實(shí)驗(yàn)中光頻梳生成模塊輸出的光頻梳波形圖。
[0030] 圖4為實(shí)驗(yàn)中高速光電探測(cè)器（PD)輸出的中頻信號(hào)。

【具體實(shí)施方式】
[0031] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明：
[0032] 圖1為本發(fā)明基于微波光子的超寬帶接收機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。該方案由激光光源、電 光調(diào)制器、光頻梳生成模塊、單模光纖禪合器、可調(diào)光濾波器、高速光電探測(cè)器，其中光頻梳 生成模塊由微波本振信號(hào)源、強(qiáng)度調(diào)制器（IM)、相位調(diào)制器（PM)、微波功率放大器（PA)、微 波移相器（P巧組成。
[0033] 光源輸出激光，單模光纖禪合器按照2 : 1的分光比將激光分成兩束分別進(jìn)入電 光調(diào)制器和光頻梳生成模塊；電光調(diào)制器將待接收的微波信號(hào)調(diào)制到光信號(hào)上，產(chǎn)生光調(diào) 制信號(hào)；光頻梳生成模塊中的微波本振信號(hào)被微波功分器分成二路，經(jīng)過(guò)功率放大和移相 后分別加載到一個(gè)強(qiáng)度調(diào)制器和兩個(gè)相位調(diào)制器上，產(chǎn)生光頻梳；單模光纖禪合器將光頻 率梳和光調(diào)制信號(hào)合成出一路光信號(hào)，輸入到可調(diào)通帶的光濾波器，改變加載在可調(diào)光濾 波器上電壓的頻率和大小，使可調(diào)光濾波器掃描光頻梳的整個(gè)頻帶范圍，濾出加載于不同 頻段的光信號(hào)，與生成的固定間隔的被濾波的光頻梳進(jìn)行拍頻合成得到中頻信號(hào)；結(jié)合中 頻信號(hào)的頻率和濾出該信號(hào)的可調(diào)光濾波器通帶所包的頻梳，計(jì)算待接收信號(hào)的頻率數(shù) 值。從而做到大帶寬多路信號(hào)的變頻和接收。
[0034] 圖2為本發(fā)明中可調(diào)光濾波器的濾波示意圖。光頻梳和調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)單模光纖禪 合器合成為一路光信號(hào)，光頻梳的第n條梳和第n+1條梳之間加載上光調(diào)制信號(hào)，其中nfwe < (n+1) f we，可調(diào)光通濾波器的通帶范圍與光頻梳間隔接近f e > f W。，改變加載在可 調(diào)光濾波器上電壓的頻率和大小，使可調(diào)光濾波器掃描光頻梳的整個(gè)頻帶范圍，濾出加載 于不同頻段的光信號(hào)。
[0035] 圖3為實(shí)驗(yàn)中光頻梳生成模塊輸出的光頻梳波形圖，實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的光頻梳，在平 坦度為3地的范圍內(nèi)輸出光譜共有33條譜線，光載波的頻帶寬度> 20GHz，可W實(shí)現(xiàn)超寬帶 (0?20GHz)的微波信號(hào)下變頻。
[0036] 圖4為實(shí)驗(yàn)中高速光電探測(cè)器（PD)輸出的中頻信號(hào)，實(shí)驗(yàn)中分別輸入4.5GHz、 8. 3細(xì)z、12. 7細(xì)Z和16. 4細(xì)Z，經(jīng)過(guò)可調(diào)光濾波器濾波和高速光電探測(cè)器（PD)拍頻，產(chǎn)生 中頻信號(hào)如圖4(a)、化）、（C)、（d)所示，其中中頻信號(hào)頻率為500MHz，300MHz、700MHz、 400MHz，完全符合理論計(jì)算結(jié)果。
[0037] 本發(fā)明未詳細(xì)說(shuō)明部分屬本領(lǐng)域技術(shù)人員公知常識(shí)。
【權(quán)利要求】
1. 基于微波光子的超寬帶接收機(jī)裝置，其特征在于：包括激光源、電光調(diào)制器、光頻梳 生成模塊、單模光纖耦合器、可調(diào)光濾波器、高速光電探測(cè)器；其中光頻梳生成模塊由微波 本振信號(hào)源、強(qiáng)度調(diào)制器（頂)、相位調(diào)制器（PM)、微波功率放大器（PA)、微波移相器（PS)組 成。各種器件位置關(guān)系為： 激光源，輸出光信號(hào)，單模光纖耦合器按照2 : 1的分光比將光信號(hào)分成兩束分別進(jìn)入 電光調(diào)制器和光頻梳生成t旲塊； 電光調(diào)制器的射頻輸入端口加載待接收的微波信號(hào)，直流偏置端口加載直流電壓，待 接收的微波信號(hào)被調(diào)制到光信號(hào)上，產(chǎn)生光調(diào)制信號(hào)。 光頻梳生成模塊中的微波本振信號(hào)被微波功分器分成兩路，第一路經(jīng)過(guò)微波功率放大 器（PA)輸入到強(qiáng)度調(diào)制器，第二路再被微波功分器分成兩路，兩路信號(hào)分別依次通過(guò)微波 移相器（PS)和微波功率放大器（PA)輸入到兩個(gè)相位調(diào)制器（PM)，最終產(chǎn)生光頻梳； 單模光纖耦合器將光頻率梳和光調(diào)制信號(hào)合成出一路光信號(hào)，輸入到可調(diào)通帶的光濾 波器，通過(guò)可調(diào)通帶位置的光學(xué)濾波器，濾出加載于不同頻段的光信號(hào)； 高速光電探測(cè)器將濾出的加載于不同頻段的光信號(hào)，與生成的固定間隔的被濾波的光 頻梳進(jìn)行拍頻合成得到中頻信號(hào)，從而將待接收的高頻率微波信號(hào)下變頻到頻率較低的中 頻信號(hào)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微波光子的超寬帶接收機(jī)裝置，其特征在于：光頻梳生 成模塊采用外調(diào)制的方式產(chǎn)生，光頻梳的中心波長(zhǎng)1550nm，頻梳間隔為2GHz?5GHz可調(diào)， 其頻梳間隔由微波本振信號(hào)的頻率決定。光頻梳多條，單邊帶條數(shù)乘以間隔即決定可處理 的待接收的微波信號(hào)帶寬。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微波光子的超寬帶接收機(jī)裝置，其特征在于：通過(guò)單模 光纖耦合器將光調(diào)制信號(hào)和光頻梳合成一路，光調(diào)制信號(hào)加載到光頻梳上，光頻梳變?yōu)榇?接收信號(hào)的載波。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微波光子的超寬帶接收機(jī)裝置，其特征在于：可調(diào)通帶 位置的光學(xué)濾波器采用可調(diào)的法布里帕羅（F-P)濾波器實(shí)現(xiàn)，可調(diào)光濾波器（通帶范圍 fs~ 2GHz)掃描光頻梳的整個(gè)頻帶范圍，濾出加載與不同頻段的光信號(hào)。
5. 基于微波光子學(xué)的超寬帶接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于包括下列步驟： (1) 激光光源產(chǎn)生的激光通過(guò)單模光纖耦合器分成兩路，分別進(jìn)入光電調(diào)制器和光頻 率梳生成模塊； (2) 在光電調(diào)制器上加載直流電壓，使其處于載波抑制狀態(tài)，同時(shí)將待接收微波信號(hào)加 載到光電調(diào)制器上，產(chǎn)生載波抑制的光調(diào)制信號(hào)； (3) 微波本振信號(hào)頻率為&，本振信號(hào)根據(jù)需要在2GHz?5GHz范圍內(nèi)可調(diào)，設(shè)置信號(hào) 功率，同時(shí)改變加載在兩個(gè)相位調(diào)制器（PM)上的微波信號(hào)的相位，使其相差
產(chǎn)生光頻梳 多條，頻梳間隔為f〇FC;=f〇; (4) 改變加載在可調(diào)光濾波器上電壓的頻率和大小，使可調(diào)光濾波器掃描光頻梳的整 個(gè)頻帶范圍，濾出加載于不同頻段的光信號(hào)； (5) 高速光電探測(cè)器（PD)對(duì)輸出的光信號(hào)拍頻，產(chǎn)生中頻信號(hào)fIF。此中頻信號(hào)的幅度 和相位即反映待測(cè)信號(hào)的幅度和相位，結(jié)合中頻信號(hào)的頻率和濾出該信號(hào)的可調(diào)光濾波器 通帶所包的頻梳，計(jì)算待接收信號(hào)的頻率數(shù)值fM。。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于微波光子學(xué)的超寬帶接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于： 可調(diào)光濾波器的通帶范圍與光頻梳的頻率間隔接近（fs~f^)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于微波光子學(xué)的超寬帶接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于： 經(jīng)過(guò)光濾波器和高速光電探測(cè)器后，產(chǎn)生的中頻信號(hào)頻率不大于光頻梳頻率間隔的一半
結(jié)合中頻信號(hào)的頻率和濾出該信號(hào)的可調(diào)光濾波器通帶所包的頻梳，計(jì)算 ， 待接收信號(hào)的頻率數(shù)值fM。。
【文檔編號(hào)】H04B1/7163GK104486004SQ201410784242
【公開(kāi)日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年12月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月18日
【發(fā)明者】白明, 方霄, 鄭錚, 苗俊剛 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)