本發(fā)明涉及一種微波收發(fā)信機(jī)，尤其涉及一種基于相干光頻梳的光子微波發(fā)射及信道化接收技術(shù)，屬于微波光子技術(shù)、光通信技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

微波收發(fā)信機(jī)的主要功能是實(shí)現(xiàn)信號(hào)的發(fā)射與接收，是雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)等系統(tǒng)的重要組成部分。由于電子系統(tǒng)的工作帶寬日益增加，信道化的處理方法成為一種比較有效且成熟的解決手段，其優(yōu)勢(shì)在于，利用信道化的手段，可以將寬帶信號(hào)切割成多個(gè)窄帶信號(hào)，從而將原本寬帶的信號(hào)處理簡(jiǎn)化為多個(gè)窄帶的信號(hào)處理，進(jìn)而降低對(duì)微波元器件、數(shù)字信號(hào)處理模塊等的壓力，且保證較好的處理效果，但是因?yàn)閭鹘y(tǒng)基于電子技術(shù)的微波處理技術(shù)瞬時(shí)帶寬窄，這就意味著如果需要處理寬帶的接收信號(hào)需要切割成較多的子通道，系統(tǒng)的復(fù)雜度和功耗會(huì)大大增加，且通道之間的串?dāng)_、失真將顯著提高。

光子技術(shù)成為有效的解決方案之一，相比傳統(tǒng)的電子技術(shù)，光子技術(shù)具有瞬時(shí)帶寬大、抗電磁干擾、能多通道并行處理等優(yōu)點(diǎn)。[1]給出了一種微波光子收發(fā)信機(jī)模型，在該方法中，光載波首先分成三路，分別調(diào)制待發(fā)射信號(hào)、本振信號(hào)和接收信號(hào)；接著，使用三個(gè)光濾波器將有用的一階邊帶濾出；然后將發(fā)射信號(hào)邊帶和本振信號(hào)邊帶合波探測(cè)，實(shí)現(xiàn)發(fā)射功能，將接收信號(hào)邊帶和本振信號(hào)邊帶合波探測(cè)實(shí)現(xiàn)接收功能。該方法沒(méi)有采用信道化的手段，雖然處理帶寬大，但是最終仍然需要通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理手段進(jìn)行進(jìn)一步的信號(hào)處理，因此理論上依然沒(méi)有緩解對(duì)電子器件及系統(tǒng)的壓力。[2]給出了另一種微波光子收發(fā)信機(jī)，在收發(fā)信機(jī)中，鎖模激光器輸出的光信號(hào)分成兩路，分別用作發(fā)射和接收，在發(fā)射端，由于鎖模激光器具有多個(gè)頻率梳齒，當(dāng)加載上待發(fā)射的信號(hào)后，選擇不同頻率間隔的梳齒拍頻即可實(shí)現(xiàn)不同頻率的上變頻發(fā)射。相對(duì)應(yīng)的，在接收端，當(dāng)接收信號(hào)加載在鎖模激光器輸出的頻率梳齒上時(shí)，間隔最近的頻率梳齒相互探測(cè)即可實(shí)現(xiàn)下變頻接收。這種收發(fā)信機(jī)的缺點(diǎn)在于，因?yàn)殒i模激光器重復(fù)頻率固定，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)任意頻率的變頻發(fā)射和接收。其次，因?yàn)榘芏囝l率梳齒，在輸出端將包含很多無(wú)用的雜散，這將影響信噪比。[3]給出了另一種基于鎖模激光器的收發(fā)信機(jī)模型。發(fā)射端與[2]相同，不同之處在于，接收端利用了鎖模激光器的時(shí)域特性，借助鎖模激光器產(chǎn)生的高速且低抖動(dòng)脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)光子輔助的模數(shù)變換。該收發(fā)信機(jī)的缺點(diǎn)在于，對(duì)寬帶信號(hào)直接進(jìn)行模數(shù)變換時(shí)的有效比特位很低，因此信號(hào)質(zhì)量差。[4]給出了基于一對(duì)光頻梳的信道化接收方案，信號(hào)光頻梳加載接收信號(hào)后與本振光頻梳輸入一個(gè)光混頻器。在光混頻器的輸出端，同相和正交輸出之路通過(guò)波分解復(fù)用實(shí)現(xiàn)通道切割，最后通過(guò)數(shù)字相干檢測(cè)方法解調(diào)數(shù)據(jù)信息。信號(hào)的解調(diào)仍然需要數(shù)字信號(hào)處理手段，因此瞬時(shí)處理帶寬非常有限。其次，因?yàn)橛杏眯畔⒈仨毻ㄟ^(guò)數(shù)字信號(hào)處理才能提取出來(lái)，所以在實(shí)際應(yīng)用中，所有通道的數(shù)字信號(hào)處理機(jī)必須時(shí)刻處于工作狀態(tài)，功耗問(wèn)題非常突出。

以上引用的參考文獻(xiàn)如下：

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[2]francescolaghezza,filipposcotti,paologhelfi,andantonellabogoni,"photonics-assistedmultibandrftransceiverforwirelesscommunications,"j.lightwavetechnol.32,2896-2904(2014)

[3]p.ghelfi,f.laghezza,f.scotti,g.serafino,a.capria,s.pinna,d.onori,c.porzi,m.scaffardi,a.malacarne,v.vercesi,e.lazzeri,f.berizzi,anda.bogoni,“afullyphotonics-basedcoherentradarsystem,”nature,vol.507,pp.341–345,2014.

[4]xiaojunxie,etal,“broadbandphotonicrfchannelizationbasedoncoherentopticalfrequencycombsandiqdemodulators,”ieeephotonicsjournal,vol.4,no.4,pp.1196-1202,2012.

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種微波光子收發(fā)信機(jī)，實(shí)現(xiàn)寬帶信號(hào)的發(fā)射及接收處理。

技術(shù)方案：一種基于相干光頻梳的微波光子收發(fā)信機(jī)，包括種子光源模塊、接收機(jī)、發(fā)射機(jī)，所述種子光源模塊包含信號(hào)光頻梳、本振光頻梳、第一分束器和第二分束器，所述發(fā)射機(jī)包括解復(fù)用模塊，第一至第n雙平行馬赫增德?tīng)栒{(diào)制器、復(fù)用模塊、合波器和光電探測(cè)器，所述接收機(jī)包括第n+1雙平行馬赫增德?tīng)栒{(diào)制器、光混頻器、第一光處理器、第二光處理器，相干處理模塊，種子光源模塊中的信號(hào)光頻梳通過(guò)第一分束器分成兩路，本振光頻梳通過(guò)第二光分束器分成兩路。在發(fā)射機(jī)內(nèi)，其中一路信號(hào)光頻梳連接解復(fù)用模塊，將光頻梳分成n路。解復(fù)用模塊的n路輸出連接第一至第n雙平行馬赫增德?tīng)栒{(diào)制器，第一至第n雙平行馬赫增德?tīng)栒{(diào)制器的輸出信號(hào)與復(fù)用模塊連接，復(fù)用模塊的輸出和一路本振光頻梳與合波器連接，合波器的輸出與光探測(cè)器相連，在接收機(jī)內(nèi)，另一路信號(hào)光頻梳與第n+1雙平行馬赫增德?tīng)栒{(diào)制器相連，第n+1雙平行馬赫增德?tīng)栒{(diào)制器的輸出與光混頻器的信號(hào)光輸入端相連，另一路本振光頻梳與光混頻器的本振光輸入端相連，所述光混頻器的同相輸出端連接第一光處理器，所述光混頻器的正交輸出端連接第二光處理器，第一和第二光處理器將信號(hào)切割后送入多個(gè)相干接收模塊。

進(jìn)一步地，所述每個(gè)相干接收模塊包括：兩個(gè)光電探測(cè)器，一個(gè)微波電橋和一個(gè)電濾波器，兩個(gè)光電探測(cè)器分別連接第一光處理器和第二光處理器對(duì)應(yīng)同一處理通道的輸出端口，兩個(gè)光電探測(cè)器的輸出端連接微波電橋的兩個(gè)正交輸入端口，微波電橋的輸出端連接電濾波器。

進(jìn)一步地，發(fā)射機(jī)中解復(fù)用模塊采用商用的密集波分解復(fù)用器或者光纖光柵陣列實(shí)現(xiàn)，復(fù)用模塊采用商用密集波分復(fù)用器或者光耦合器實(shí)現(xiàn)。

進(jìn)一步地，所使用的雙平行馬赫增德?tīng)栒{(diào)制器均工作在載波抑制單邊帶調(diào)制狀態(tài)。

進(jìn)一步地，所使用的信號(hào)光頻梳與本振光頻梳的初始梳齒頻率不同，梳齒間隔也不同。

有益效果：

本發(fā)明采用雙光頻梳實(shí)現(xiàn)信號(hào)的發(fā)射與接收，具有大的實(shí)時(shí)處理帶寬和大動(dòng)態(tài)范圍，此外，在接收端采用基于鏡頻抑制混頻的模擬相干探測(cè)方法，因此無(wú)需經(jīng)過(guò)數(shù)字信號(hào)處理即可提取出信息，可有效降低系統(tǒng)功耗。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的微波光子收發(fā)信機(jī)的功能示意圖；

圖2(a)為普通混頻器實(shí)現(xiàn)下變頻時(shí)的頻譜交疊示意圖，(b)為鏡頻抑制混頻抑制頻譜交疊的原理示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。

本發(fā)明的微波光子接收機(jī)裝置示意圖如圖1所示，包括種子光源模塊、接收機(jī)、發(fā)射機(jī)，種子光源模塊包含信號(hào)光頻梳、本振光頻梳、第一分束器和第二分束器，發(fā)射機(jī)包括解復(fù)用模塊，第一至第n雙平行馬赫增德?tīng)栒{(diào)制器(dual-parallelmach-zehndermodulator，dpmzm)、復(fù)用模塊、合波器和光電探測(cè)器(photodetector，pd)，接收機(jī)包括第n+1雙平行馬赫增德?tīng)栒{(diào)制器、光混頻器、第一光處理器、第二光處理器，相干處理模塊，種子光源模塊中的信號(hào)光頻梳通過(guò)第一分束器分成兩路，本振光頻梳通過(guò)第二光分束器分成兩路。在發(fā)射機(jī)內(nèi)，其中一路信號(hào)光頻梳連接解復(fù)用模塊，將光頻梳分成n路。解復(fù)用模塊的n路輸出連接第一至第n雙平行馬赫增德?tīng)栒{(diào)制器，第一至第n雙平行馬赫增德?tīng)栒{(diào)制器的輸出信號(hào)與復(fù)用模塊連接，復(fù)用模塊的輸出和一路本振光頻梳與合波器連接，合波器的輸出與光探測(cè)器相連，在接收機(jī)內(nèi)，另一路信號(hào)光頻梳與第n+1雙平行馬赫增德?tīng)栒{(diào)制器相連，第n+1雙平行馬赫增德?tīng)栒{(diào)制器的輸出與光混頻器的信號(hào)光輸入端相連，另一路本振光頻梳與光混頻器的本振光輸入端相連，光混頻器的同相輸出端連接第一光處理器，光混頻器的正交輸出端連接第二光處理器，第一和第二光處理器將信號(hào)切割后送入多個(gè)相干接收模塊。每個(gè)相干接收模塊包括：兩個(gè)光電探測(cè)器，一個(gè)微波電橋和一個(gè)電濾波器，兩個(gè)光電探測(cè)器分別連接第一光處理器和第二光處理器對(duì)應(yīng)同一處理通道的輸出端口，兩個(gè)光電探測(cè)器的輸出端連接微波電橋的兩個(gè)正交輸入端口，微波電橋的輸出端連接電濾波器。

一種可能的信號(hào)光頻梳和本振光頻梳產(chǎn)生方法如圖2所示。激光器輸出的光載波信號(hào)分成兩路，其中一路依次經(jīng)過(guò)兩個(gè)相位調(diào)制器和一個(gè)強(qiáng)度調(diào)制器。通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)(frf)的功率及相位，得到信號(hào)光頻梳。另一路光載波輸入一個(gè)馬赫增德?tīng)栒{(diào)制器，并受到一個(gè)單頻微波信號(hào)(fd)的調(diào)制。調(diào)制器的輸出通過(guò)一個(gè)光濾波器，從而得到一個(gè)一階邊帶。該一階邊帶同樣通過(guò)兩個(gè)相位調(diào)制器和一個(gè)強(qiáng)度調(diào)制器。通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)(flo)的功率及相位，得到本振光頻梳。

信號(hào)光頻梳和本振光頻梳的初始梳齒頻率和梳齒間隔均不相同。為簡(jiǎn)化分析，信號(hào)光頻梳的頻率可以表示為

fsig(m)＝fsig(1)+(m-1)frf(1)

其中frf是信號(hào)光頻梳的梳齒間隔，fsig(m)代表信號(hào)光頻梳的第m根梳齒。而本振光頻梳可以表示為

flo(m)＝flo(1)+(m-1)flo(2)

其中flo是本振光頻梳的梳齒間隔，flo(m)代表信號(hào)光頻梳的第m根梳齒。兩者的初始梳齒頻率之差為fsig(1)-flo(1)＝fd。信號(hào)光頻梳和本振光頻梳分別通過(guò)第一和第二分束器分成兩路。

對(duì)于發(fā)射模塊，信號(hào)光頻梳的每個(gè)梳齒通過(guò)解復(fù)用模塊分開(kāi)，并分別輸入雙平行馬赫增德?tīng)栒{(diào)制器。雙平行馬赫增德?tīng)栒{(diào)制器(dpmzm)受到待發(fā)射中頻(intermediatefrequency，if)信號(hào)的調(diào)制。調(diào)制后的光頻梳梳齒通過(guò)復(fù)用模塊重新組合在一起。由于使用的是載波抑制單邊帶調(diào)制方法，假設(shè)只得到﹢1階邊帶，那么經(jīng)解復(fù)用、調(diào)制和復(fù)用之后得到的光信號(hào)可以表示為

其中δif(m)為加載在第m根梳齒上中頻信號(hào)的頻率。該光信號(hào)與其中一路本振光頻梳直接合波在一起，得到的光信號(hào)可以表示為

經(jīng)過(guò)光電探測(cè)時(shí)，在探測(cè)器內(nèi)部信號(hào)光頻梳的梳齒與本振光頻梳的梳齒相互拍頻，得到的微波信號(hào)表示為

從(5)中可以看出，待發(fā)射的中頻信號(hào)δif(m)分別被搬移到了fd+(m-1)·(frf-flo)處，說(shuō)明該發(fā)射機(jī)實(shí)現(xiàn)了不同中頻信號(hào)向不同頻段變頻發(fā)射的功能。

對(duì)于接收模塊，信號(hào)光頻梳直接輸入雙平行馬赫增德?tīng)栒{(diào)制器，并受到接收信號(hào)的調(diào)制。假設(shè)接收信號(hào)的頻率為fs，因?yàn)橥瑯硬捎幂d波抑制單邊帶調(diào)制，經(jīng)調(diào)制后的信號(hào)光頻梳可以表示為

fsig-down(m)＝fsig(1)+(m-1)frf+fs(6)

該信號(hào)輸入一個(gè)90°光混頻器的信號(hào)光輸入端，而另一路本振光頻梳輸入90°光混頻器的本振光輸入端。90°光混頻器的同相及正交輸出端口分別接一個(gè)可編程光處理器。這兩個(gè)光處理器的功能在于將同相及正交輸出端的光信號(hào)分割成多個(gè)子通道。取其中一個(gè)通道分析，假設(shè)光處理器分別對(duì)準(zhǔn)的是第n個(gè)通道，那么該通道內(nèi)同相及正交的輸出信號(hào)的電場(chǎng)形式可以表示為

兩路輸出信號(hào)分別通過(guò)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，得到的電信號(hào)可以表示為

從(8)看出，接收信號(hào)在第n個(gè)通道內(nèi)可等效為與一個(gè)頻率為fd+(n-1)[frf-flo]的本振信號(hào)混頻，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的下變頻。并且，因?yàn)閮烧哒?，所以利用微波電橋正交耦合時(shí)可以實(shí)現(xiàn)鏡頻抑制混頻。

利用鏡頻抑制混頻的好處在于可以不通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理，消除混頻過(guò)程中產(chǎn)生的頻譜交疊問(wèn)題。圖2給出了鏡頻抑制混頻抑制頻譜交疊的原理說(shuō)明。圖2a給出了利用普通混頻器實(shí)現(xiàn)下變頻接收的情況。假設(shè)信號(hào)光頻梳攜帶的射頻信號(hào)為cos[ωlot+x(t)]+cos[ωlot-x’(t)]，其中ωlo為射頻信號(hào)的中心頻率，cos[ωlot+x(t)]代表處于中心頻率右側(cè)的信號(hào)分量，即圖2a中的梯形分量；cos[ωlot-x’(t)]代表處于中心頻率左側(cè)的信號(hào)分量，即圖2a中的三角形分量。從圖中可以看出，如果采用普通混頻器，當(dāng)射頻信號(hào)與頻率為ωlo的本振信號(hào)混頻時(shí)的輸出結(jié)果為

從公式(9)可以看出，射頻信號(hào)中處于中心頻率左右兩側(cè)的信號(hào)均被下變頻至基帶，即cos[x(t)]和cos[x’(t)]，因此會(huì)造成頻譜混疊，無(wú)法提取有用信號(hào)。圖2b給出了基于鏡頻抑制混頻的頻譜混疊抑制原理圖。從圖中可以看出，采用鏡頻抑制混頻時(shí)，僅處于中心頻率右側(cè)或者左側(cè)的信號(hào)會(huì)轉(zhuǎn)換到基帶，另一邊的信號(hào)將會(huì)被天然的抑制(根據(jù)鏡頻抑制混頻器的特點(diǎn))，因此使用鏡頻抑制混頻器可以解決頻譜交疊的問(wèn)題。最后通過(guò)電濾波器進(jìn)一步將其他分量濾除，從而得到信號(hào)化的處理信號(hào)。

整個(gè)微波光子收發(fā)信機(jī)的信道化通道間隔由信號(hào)光頻梳的梳齒間隔frf與本振光頻梳的flo之差，即|frf-flo|決定。系統(tǒng)工作的頻段由信號(hào)光頻梳的初始梳齒頻率frf(1)和本振光頻梳的初始梳齒頻率flo(1)之差，即|frf(1)-flo(1)|決定。

以上所述的具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。