本發(fā)明涉及光通信技術(shù)領(lǐng)域和微波技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及利用光子學(xué)技術(shù)實現(xiàn)寬帶微波信號的零中頻信道化接收。

背景技術(shù)：

在現(xiàn)代電子戰(zhàn)和雷達系統(tǒng)中，接收機接收到的微波信號帶寬大、種類多、形式多樣，而且頻率覆蓋范圍逐漸增大。這就要求接收機具備大的瞬時接收帶寬，能同時處理多頻點、多形式信號，且具有高分辨率、高靈敏度等特點。然而，現(xiàn)有模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的采樣率和帶寬有限，無法實現(xiàn)超大帶寬信號的同時處理。信道化接收機可以將接收到的寬帶信號分割為多個子頻帶，并將各個子頻帶下變頻到同一中頻或者基帶，降低了對ADC的要求，可以實現(xiàn)大瞬時帶寬及高精度的數(shù)字信號處理能力。因此，信道化接收機逐漸成為超寬帶電子系統(tǒng)的重要裝備。

傳統(tǒng)的模擬信道化接收機器件功耗、差損大，對電濾波器的要求高，子信道數(shù)目較多時系統(tǒng)體積龐大，從而逐漸被數(shù)字信道化接收機替代；數(shù)字接收機可調(diào)諧、精度高，但ADC的采樣率和工作帶寬有限，而且海量的數(shù)據(jù)對信號處理也提出了更高的要求。所以尋找一種可以處理超寬帶信號信道化接收機十分重要。

近幾年，微波光子技術(shù)迅速發(fā)展。由于光子學(xué)技術(shù)具有瞬時帶寬大、工作頻段寬、隔離度高、抗電磁干擾等一系列優(yōu)點，為信道化接收機的實現(xiàn)提供了一個新的解決方案，基于光子學(xué)的信道化接收機成為研究的熱點。

目前已報道的微波光子信道化接收機，大多產(chǎn)生兩套光頻梳(載波光頻梳和本振光頻梳)，結(jié)合梳狀光濾波器和波分復(fù)用器來實現(xiàn)多信道接收功能。在該方案中，光梳間隔需要遠大于接收信號的最高頻率，梳線數(shù)不少于子信道數(shù)。然而多梳線、寬間隔、穩(wěn)定相干的光頻梳較難產(chǎn)生，而且該方案要求兩套光梳具有精確的頻差和穩(wěn)定的相位關(guān)系，這造成系統(tǒng)實施難度較大。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決技術(shù)背景中所存在的問題，本發(fā)明提出了一種利用雙偏振正交相移鍵控(DP-QPSK)調(diào)制器和窄帶光濾波器組來實現(xiàn)零中頻信道化接收機的方法。該方法僅需要一套光頻梳就可以實現(xiàn)寬帶信號的零中頻多信道接收，而且光頻梳的梳線間隔只需要等于子信道寬度即可，非常容易實現(xiàn)。采用光子學(xué)IQ解調(diào)和平衡探測接收技術(shù)，在降低ADC帶寬和采樣率的同時，消除了傳統(tǒng)零中頻接收機存在的本振泄露、直流偏差、偶次失真、IQ不平衡等問題。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：所述裝置包括激光二極管(LD)、兩個頻率不同的本振信號(LO1、LO2)、DP-QPSK調(diào)制器、光帶通濾波器(OBPF)、單偏振馬曾調(diào)制器(MZM)、光分路器、窄帶OBPF組、偏振控制器(PC)、偏振分束器(PBS)、平衡探測器(BPD)、多通道ADC。其中DP-QPSK調(diào)制器由兩個并行的雙平衡馬曾調(diào)制器(DPMZM1和DPMZM2)以及尾部的偏振合束器(PBC)集成，DPMZM由兩個并行的子MZMa、MZMb和一個主MZMc構(gòu)成；LD的輸出端與DP-QPSK調(diào)制器輸入端相連。在DPMZM1中，本振信號LO1與MZMa的射頻輸入端相連，MZMb的射頻輸入端空載；在DPMZM2中，本振信號LO2與MZMa的射頻輸入端相連，MZMb的射頻輸入端空載。DP-QPSK調(diào)制器的輸出端和OBPF相連，OBPF的輸出端和單偏振MZM相連。寬帶射頻(RF)信號加載在單偏振MZM的射頻輸入端。單偏振MZM的輸出端和光分路器的輸入端相連，光分路器的每一路輸出和中心頻率不同的窄帶OBPF相連，每路窄帶OBPF的輸出經(jīng)光分路器分為兩部分，每部分輸出均依次通過PC、PBS和BPD。BPD的輸出端和ADC相連。

本發(fā)明在工作時包括以下步驟：

(1)從LD發(fā)出波長為λ的光載波輸入到DP-QPSK調(diào)制器中；

(2)在DP-QPSK內(nèi)，光載波被等分為兩路，分別輸入到DPMZM1和DPMZM2中。在DPMZM1中，本振信號LO1輸入到MZMa的射頻輸入端口，MZMb的射頻輸入端空載。將幅度為V_1a的直流電壓接入到MZMa的直流輸入端，幅度為V_1b的直流電壓接入到MZMb的直流輸入端，幅度為V_1c的直流電壓接入到MZMc的直流輸入端。

(3)在DPMZM2中，本振信號LO2輸入到MZMa的射頻輸入端口，MZMb的射頻輸入端空載。將幅度為V_2a的直流電壓接入到MZMa的直流輸入端，幅度為V_2b的直流電壓接入到MZMb的直流輸入端，幅度為V_2c的直流電壓接入到MZMc的直流輸入端。

(4)設(shè)置DPMZM1中V_1a、V_1b、V_1c的大小，使DPMZM1輸出頻率間隔為本振信號LO1頻率的5線平坦光頻梳；設(shè)置DPMZM2中V_2a、V_2b、V_2c的大小，使DPMZM2輸出載波抑制的正負二階邊帶。

(5)DPMZM1和DPMZM2輸出的兩路信號經(jīng)過PBC后，分別變?yōu)門E模和TM模，在DP-QPSK調(diào)制器的輸出端得到一個偏振復(fù)用信號；

(6)DP-QPSK調(diào)制器輸出的偏振復(fù)用信號輸入到OBPF。OBPF濾除LO2調(diào)制的負二階邊帶，輸出包含光頻梳和正二階光邊帶的偏振復(fù)用信號。

(7)OBPF輸出的光信號進入單偏振MZM。在單偏振MZM中，寬帶RF信號只對TM模的正二階邊帶調(diào)制，對TE模的光頻梳不調(diào)制。通過設(shè)置單偏振MZM直流偏置壓的大小，使其工作在最小傳輸點，實現(xiàn)載波抑制的雙邊帶調(diào)制。因為已調(diào)寬帶RF信號的下邊帶在光梳中心頻率附近，這里只考慮下邊帶。調(diào)節(jié)本振信號LO2的頻率為寬帶RF信號中心頻率的一半，這樣寬帶RF信號調(diào)制后的下邊帶中心頻率剛好與光梳的中心頻率吻合。

(8)單偏振MZM輸出的光信號經(jīng)光分路器分為5路，每一路經(jīng)過中心頻率不同的窄帶OBPF，實現(xiàn)頻帶分割，每個窄帶OBPF輸出的偏振復(fù)用光包含一個光載波(5梳線之一)和一個子信道的RF信號，且光載波的頻率等于子信道的中心頻率。每個窄帶OBPF的輸出經(jīng)光分路器分為兩部分，均分別經(jīng)過PC、PBS和BPD。

(9)調(diào)節(jié)每個信道中的兩路上的PC，使其中一路中光載波與射頻信號相位差為0°，這樣經(jīng)過PBS和BPD后輸出平衡探測的I路信息；使另一路中光載波與射頻信號相位差為90°，這樣經(jīng)過PBS和BPD后輸出平衡探測的Q路信息。

(10)5個子信道輸出的IQ基帶信號經(jīng)過ADC后進行數(shù)字處理。

本發(fā)明提出了一種新型的光子學(xué)零中頻信道化接收機，該方案中DP-QPSK調(diào)制器產(chǎn)生一個由光頻梳和正負二階邊帶組成的偏振復(fù)用信號。利用正二階邊帶作為新的載波對寬帶RF信號進行調(diào)制，使寬帶RF信號調(diào)制的下邊帶落在光頻梳內(nèi)，窄帶OBPF組對寬帶信號和光頻梳同時進行分割，實現(xiàn)了寬帶信號的信道化。每個信道內(nèi)信號進行光子學(xué)IQ解調(diào)和平衡探測，得到IQ兩路基帶信息，最后進行ADC和數(shù)字信號處理。

本方案僅需要一套光頻梳，且光頻梳的梳線間隔小，對本振信號的頻率要求降低，容易產(chǎn)生。

整個光鏈路采用偏振復(fù)用技術(shù)，既簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、降低了實現(xiàn)成本，也能夠降低環(huán)境引入的隨機噪聲，實現(xiàn)本振和射頻的穩(wěn)定相干。

利用零中頻接收模式，簡化了結(jié)構(gòu)，且進一步降低對ADC的采樣率和帶寬需求。

采用雙平衡探測技術(shù)，可以消除直流偏差和偶次失真。

IQ兩路的幅度和相位平衡度可以通過兩路的光功率和偏振態(tài)進行調(diào)節(jié)，且對工作頻率不敏感，所以能提高IQ兩路的平衡度。

圖1為零中頻微波光子信道化接收機的原理圖；

圖2為仿真結(jié)果圖，其中：

(a)為OBPF后的光信號頻譜圖；

(b)為寬帶射頻信號調(diào)制后的光信號頻譜圖；

(c)為第2個子信道平衡探測解調(diào)得到的I路和Q路電信號頻譜圖；

(d)為第2個子信道平衡探測解調(diào)得到的星座圖；

(e)為第2個子信道單路探測解調(diào)得到的I路和Q路電信號頻譜圖；

(f)為第2個子信道單路探測解調(diào)得到的星座圖；

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明：本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作流程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下屬的實施例：

圖1為本發(fā)明零中頻微波光子信道化接收機的實施原理圖。DP-QPSK調(diào)制器產(chǎn)生一個由光頻梳和正負二階邊帶形成的偏振復(fù)用信號，利用OBPF濾出正二階光邊帶和光頻梳。正二階邊帶作為調(diào)制寬帶信號的光載波，使寬帶RF信號調(diào)制的下邊帶落在光頻梳的正中心。窄帶OBPF組對寬帶信號和光頻梳同時進行分割，實現(xiàn)信道化。每個信道內(nèi)信號再進行光子學(xué)IQ解調(diào)和平衡探測，得到IQ基帶信號，通過ADC后進一步數(shù)字信號處理。

如圖1所示，本實施例中，裝置包括：LD、DP-QPSK調(diào)制器、信號源LO1和LO2、OBPF、單偏振MZM、光分路器、窄帶OBPF組、PC、PBS、BPD、ADC。

其中DP-QPSK調(diào)制器由兩個并行的DPMZM1和DPMZM2以及尾部的PBC集成，而每個DPMZM是由兩個并行的子MZMa、MZMb和一個主MZMc構(gòu)成。

LD的輸出端與DP-QPSK輸入端相連。在DPMZM1中，LO1與MZMa的射頻輸入端相連；在DPMZM2中，LO2與MZMa的射頻輸入端相連。DP-QPSK調(diào)制器的輸出端和OBPF相連，OBPF的輸出端和單偏振MZM的輸入端相連。寬帶射頻信號和單偏振MZM的射頻輸入端相連。單偏振MZM的輸出端和1：5光分路器的輸入端相連，分路器的每一路輸出端和中心頻率不同的窄帶OBPF相連，每路窄帶OBPF的輸出經(jīng)過1：2光分路器，輸出的兩路光信號依次通過PC、PBS和BPD。BPD的輸出端和ADC相連。

本實例中，具體包括以下步驟：

步驟一：光源產(chǎn)生工作頻率為193.1THz，功率為20dBm的連續(xù)光波，該連續(xù)光波作為載波輸入到DP-QPSK調(diào)制器。

步驟二：在DP-QPSK調(diào)制器內(nèi)，光載波被分為兩路，分別輸入到DPMZM1和DPMZM2中。LO1的頻率為0.6GHz，輸入到DPMZM1上臂MZMa的射頻輸入端口。調(diào)節(jié)LO1的幅度，并設(shè)置DPMZM1三個直流偏壓V_DCa，V_DCb、V_DCc的大小，使DPMZM1的輸出5線平坦、頻率間隔為0.6GHz的光頻梳，光頻梳的5線頻率譜線的頻率相對于193.1THz依次為-1.2GHz、-0.6GHz、0GHz、0.6GHz、1.2GHz。

步驟三：LO2的頻率為10GHz，輸入到DPMZM2上臂MZMa的射頻輸入端口。調(diào)節(jié)LO2的幅度，并設(shè)置DPMZM2三個直流偏壓V_DCa，V_DCb、V_DCc的大小，使DPMZM2輸出載波抑制的正負二階邊帶，正負二階邊帶頻率相對于193.1THz分別為-20GHz和20GHz。

步驟四：DPMZM1和DPMZM2輸出的兩路光信號經(jīng)過PBC偏振復(fù)用后輸出DP-QPSK調(diào)制器，其DPMZM1輸出的光頻梳在TE模，DPMZM2輸出的正負二階光邊帶在TM模。

步驟五：DP-QPSK調(diào)制器輸出的偏振復(fù)用信號輸入到OBPF，濾出光頻梳和正二階光邊帶。

步驟六：OBPF的輸出和單偏振MZM相連。五個符號速率均為500MSym/s、調(diào)制格式均為16進制正交幅度調(diào)制(16QAM)、中心頻率分別為18.8GHz、19.4GHz、20GHz、20.6GHz、21.2GHz的矢量信號組成寬帶RF信號，對單片真MZM進行調(diào)制。寬帶RF信號只對TM模(正二階光邊帶)調(diào)制，對TE模(光頻梳)不調(diào)制。設(shè)置單偏振MZM的直流偏壓，使其工作在最小傳輸點，實現(xiàn)載波抑制的雙邊帶調(diào)制。由于寬帶射頻信號的中心頻率等于LO2頻率的二倍，已調(diào)寬帶射頻信號下邊帶的中心頻率正好與光頻梳的中心頻率吻合；

步驟七：單偏振MZM的輸出經(jīng)光分路器分為5路，每一路經(jīng)過中心頻率不同的窄帶OBPF，五個信道濾波器的中心頻率依次為193.0988THz、193.0994THz、193.1THz、193.1006THz、193.1012THz，帶寬均為600MHz，實現(xiàn)了對寬帶信號和光頻梳的同時分割。

步驟八：窄帶OBPF的輸出經(jīng)1：2的光分路器，上下兩部分均通過PC、PBS然后與BPD相連。調(diào)節(jié)兩個PC使其中一路中光載波與射頻信號相位差為0°，這樣經(jīng)過PBS和BPD后輸出I路信息；使另一路中光載波與射頻信號相位差為90°，這樣經(jīng)過PBS和BPD后輸出Q路信息。并行的5個信道在窄帶OBPF后的設(shè)置完全相同。

步驟九：每個信道輸出的信號送入ADC進行電域信號處理。

圖2(a)為OBPF后光信號的頻譜圖。由圖中可以看出光梳的5根譜線頻率相對于193.1THz依次為-1.2GHz、-0.6GHz、0GHz、0.6GHz、1.2GHz，正二階邊帶的頻率相對于193.1THz為20GHz。光頻梳和正二階邊帶在不同的偏振態(tài)上。

圖2(b)為寬帶射頻信號調(diào)制后光信號的頻譜圖。寬帶射頻信號調(diào)制后的下邊帶落在光頻梳內(nèi)。窄帶OBPF組得到的五個子信道解調(diào)后的I路和Q路電信號類似。

這里以第2子信道為例，圖2(c)為平衡探測得到的I路和Q路電信號的頻譜圖，I路和Q路基帶信號的帶寬都為250MHz，為源信號帶寬的一半。圖2(d)為第2個子信道相干探測解調(diào)得到的星座圖，可以看出星座圖非常清晰，I路和Q路的幅度相位均衡度很好，沒有明顯失真，且不包含直流分量。

為了比較寬帶射頻信號在平衡探測和非平衡探測下的解調(diào)性能，圖2(e)和圖2(f)給出了同樣功率水平下采用非平衡探測(即單路探測)時IQ兩路的電信號頻譜和星座圖，明顯看出I路和Q路的頻譜信息中包含很大的直流分量，偶次諧波也嚴(yán)重影響到解調(diào)后信號的頻譜，星座圖存在明顯的失真。

綜上，本發(fā)明提出了一種光子學(xué)零中頻信道化接收機。該方案僅需要一套光頻梳和窄帶OBPF組就可以實現(xiàn)寬帶信號的信道化處理，同時采用平衡探測結(jié)構(gòu)，不僅降低了ADC采樣速率和采樣帶寬，也避免了直流偏差和偶次失真。裝置結(jié)構(gòu)簡單較容易實現(xiàn)。

總之，以上所述實施方案僅為本發(fā)明的實施例而已，并非僅用于限定本發(fā)明的保護范圍，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在本發(fā)明公開的內(nèi)容上，還可以做出若干等同的變形和替換，如光載波波長與功率、RF信號的帶寬與載頻、調(diào)制格式、光梳間隔與梳線數(shù)、OBPF帶寬等的改變也相應(yīng)視為本發(fā)明的保護的范圍。