基于微波光子的寬帶I/Q混頻技術

鄭　月，李建強，呂　強，戴一堂，尹飛飛，徐　坤

(1.北京郵電大學 信息光子學與光通信國家重點實驗室，北京100876；2.中國電子科技集團公司 航天信息應用技術重點實驗室，河北 石家莊 050081；3.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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基于微波光子的寬帶I/Q混頻技術

鄭月1，李建強1，呂強2,3，戴一堂1，尹飛飛1，徐坤1

(1.北京郵電大學 信息光子學與光通信國家重點實驗室，北京100876；2.中國電子科技集團公司 航天信息應用技術重點實驗室，河北 石家莊 050081；3.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

針對傳統(tǒng)射頻前端在體積、重量、功耗和帶寬等方面存在的諸多限制，研究面向通用一體化射頻前端應用的微波光子技術。簡要介紹了射頻前端混頻技術，對超外差和零中頻這2種混頻方式進行了對比分析，重點對混頻用到的主要微波光子技術進行了詳細說明，并引入軟件無線電的概念，提出了基于微波光子的寬帶I/Q混頻技術。該技術利用光的寬帶處理能力，可以支持L波段至Ka波段任一頻段的寬帶信號解調，該混頻裝置兼容軟件無線電平臺。

微波光子；零中頻；I/Q混頻；射頻前端

0　引言

隨著通信系統(tǒng)容量需求及未來業(yè)務的不斷擴展[1]，射頻前端需具備處理高頻率、多頻段寬帶信號的收發(fā)能力以及通用化、靈活可重配置能力，因此提出一體化射頻系統(tǒng)的設計構想?；祛l器作為射頻前端的重要組成部分，需要支持多個頻段寬帶信號的頻率變換。為實現(xiàn)超寬帶的模擬信號處理，射頻前端需配置多種頻段的混頻模塊。為獲得較高的性能指標，需要進行多級變頻和濾波處理，導致整個模塊復雜度增加。

通過引入微波光子技術實現(xiàn)信號的混頻，有著帶寬高、抗電磁干擾、并行處理能力強等諸多優(yōu)勢[2]。另一方面，I/Q混頻采用零中頻結構，只需一級變頻，比超外差結構更為簡單、集成度高，無需考慮鏡頻干擾。同時，軟件無線電(SDR)平臺可供用戶根據(jù)需求對混頻器進行靈活配置。因此兼容軟件無線電平臺的微波光子寬帶I/Q混頻技術在射頻前端一體化中具有巨大的潛力和優(yōu)勢。

1　微波光子I/Q混頻技術

1.1I/Q混頻

目前接收機根據(jù)混頻方式的不同，主要分為超外差接收機和零中頻接收機2種。超外差接收機的結構中需要采用多級混頻，而零中頻接收機的結構中，混頻器將信號直接IQ解調到基帶。超外差接收機中二級變頻帶來的最大問題是鏡頻干擾，鏡像抑制技術也無法將這種干擾完全抑制，而零中頻接收機中的這種I/Q混頻方式則不會出現(xiàn)鏡頻干擾問題，只需要一級混頻設備，體積、功耗比起超外差接收機都有較大的優(yōu)勢，可以說是目前集成度最高的一種接收機[3]。

然而傳統(tǒng)微波領域的I/Q混頻技術受限于電子特性，如果到了高頻段，零中頻接收機的設計將變得非常復雜、困難。因為隨著頻率提高，IQ解調所用到的本振很難做到正交，因而無法處理高頻段的寬帶射頻信號[5]。隨著通信系統(tǒng)功能、業(yè)務和頻段的不斷增加，對數(shù)據(jù)傳輸和處理的數(shù)量也在迅速增長，如果還使用傳統(tǒng)的微波技術，則需要大量不同的射頻前端，無法重配置，升級困難。同時，在系統(tǒng)性能上，基于純微波技術的I/Q混頻器還會出現(xiàn)以下幾個方面的問題：

① 本振泄漏。本振信號輻到射頻輸入端會和自身混頻產(chǎn)生直流，隨本振的泄漏程度而改變，難以估計和消除。

② 閃爍噪聲。由介質導電性能的起伏引起，是半導體器件固有的缺陷。

③ 由上下2路不一致引起的IQ失配和偶次失真等問題[4]。而利用光纖的高隔離度可以解決傳統(tǒng)微波領域I/Q混頻技術中的本振泄漏等問題，讓混頻鏈路較少地受到電子限制及干擾，在光上實現(xiàn)IQ解調還不受頻率的限制，IQ失配和偶次失真不會隨著射頻頻率提高而明顯增加，是一種具有天然優(yōu)勢的解決方案。

1.2電光調制

要借助光來解決混頻問題，首先要將微波信號調制到光載波上。電光調制主要分為直接調制和外調制，外調制具有更高的調制效率和動態(tài)范圍。電光外調制器已經(jīng)做到上百吉的帶寬，能夠實現(xiàn)多波段的寬帶信號的電光調制，對寬帶微波光子混頻具有重要支持作用。電光外調制器主要有相位調制器和幅度調制的馬赫-曾德爾調制器。相位調制器使用起來簡單，只需將微波信號加在調制器上，缺點是只有一種工作方式，載波功率大于邊帶功率，難以濾除。實驗證明當采用并聯(lián)結構時，上下2路時延差的變化會使2路光載波產(chǎn)生一定的相差，加上鏈路中時變相噪的影響，導致干涉現(xiàn)象的產(chǎn)生，其結果是拍頻后所得信號的功率值會大幅度抖動，難以獲得穩(wěn)定的信號。馬赫-曾德爾調制器通過控制加在兩臂上的信號和直流偏置，可以工作在雙邊帶、單邊帶和抑制載波雙邊帶這3種模式下[6]，要穩(wěn)定在單邊帶或抑制載波模式都需要一個偏置電路控制，結構較為復雜，且偏置電路會引入一些雜散分量。而帶來的好處是當設置在抑制載波雙邊帶模式時，理想情況下光譜上至剩下2個信號的邊帶，不再需要濾除光載波，同時2個邊帶的頻率間隔為微波信號頻率的2倍，這就大大降低了對濾波器的要求，同時也提高了隔離度。

1.3光濾波

電光調制后會出現(xiàn)2個或多個信號邊帶，光載波也不能完全抑制，為了讓進入光電探測的光信號盡可能“純凈”，減少雜散分量，可以使用光濾波器。又為了實現(xiàn)寬帶信號在各個頻段的處理，希望光上的濾波器在多個頻段間可以調節(jié)?？烧{光纖濾波器有光纖布拉格光柵(FBG)濾波器、 F-P 濾波器、聲光濾波器和電光濾波器等。其中FBG 濾波器是一種在線反射式光無源器件，其纖芯中折射率按周期性分布，通過增加光纖光柵的長度可以提高光譜的選擇性，減少3 dB帶寬[7]。因此這種濾波方式具有較低插損，對偏振不敏感，方便與普通光纖接鏈接，并且光譜上的帶寬和頻率可以動態(tài)控制，利于實現(xiàn)對不同頻段調制到光上邊帶的濾出。目前的FBG濾波器已經(jīng)可以做到1G帶寬、帶外抑制30 dB。傳統(tǒng)微波濾波器的制作中頻率和帶寬是主要的矛盾，而FBG濾波器的使用使得這一矛盾得以克服，在大范圍的頻率范圍內都可以達到相同的窄帶濾波性能。窄帶可調諧光上濾波的實現(xiàn)使混頻裝置得以通用和可重配置。

1.4光電檢測

光上處理完成后需要轉換成電信號得到混頻輸出。光電檢測利用的是光電效應，一般通過PN結將光信號轉換成電信號。常用光電檢測器的有光電二極管(PD)和雪崩光電二極管(APD)。光生電流的大小和入射光功率成正比，比值為光電轉換效率，常用響應度來衡量，響應度越大輸出電信號功率的增益越大[8]。由于光電流與入射光功率成正比，光上功率的增長可以帶來電上功率的雙倍增長。因此在光電探測前使用光放大技術可以極大提高探測輸出電信號的增益，也提高了鏈路的增益指標。

1.5軟件無線電

軟件無線電技術使用現(xiàn)代化軟件來控制傳統(tǒng)的硬件電路的無線通信，許多功能由軟件實現(xiàn)，是軟件化、計算密集型的操作形式。而基于軟件無線電的通信系統(tǒng)不僅可以充分利用射頻信號中的大量信息，評估傳輸質量，分析信道特點，實時采用最佳接入模式，靈活分配無線資源，還可以通過軟件對通信系統(tǒng)實施遠程控制，切換通信模式、修改系統(tǒng)配置、完成系統(tǒng)升級，實現(xiàn)移動通信系統(tǒng)的動態(tài)管理和優(yōu)化，為系統(tǒng)規(guī)劃和網(wǎng)絡性能優(yōu)化提供更有效的手段[9]。

2　基于微波光子的寬帶通用I/Q混頻方案

總體I/Q混頻技術方案如圖1所示，主要包括：激光產(chǎn)生、電光調制及光上處理、光電探測及電上處理3個部分，光上的處理包括移相、耦合和交換等，可以產(chǎn)生相差90°的光載本振信號，實現(xiàn)零中頻的混頻過程。

圖1　兼容軟件無線電平臺的微波光子寬帶I/Q混頻方案

整個系統(tǒng)的輸入為需要進行混頻的微波信號，輸出為經(jīng)過混頻的IQ解調信號。方案中，利用激光源產(chǎn)生一定頻率的激光，將激光分成并行的2路，2路都經(jīng)過一個電光調制及光上處理模塊，其中一路的射頻端口輸入本振信號，另一路的射頻端口輸入需要進行混頻的微波信號，電光調制器將本振信號和系統(tǒng)輸入的微波信號分別調制到并行的2路上。在光上對調制產(chǎn)生的各分量進行處理，盡量僅保留需要的信號邊帶而對其他分量進行抑制。接下來，并行2路處理后的光信號同時進入電光探測模塊，通過對2路的移相、耦合等操作，讓光上加載的輸入微波信號和本振信號拍頻，最終完成混頻過程，輸出所需的變頻信號。輸入的微波信號可以是射頻信號，混頻實現(xiàn)IQ解調；輸入的微波信號也可以是基頻的2路信號，混頻實現(xiàn)高頻的IQ調制。

在I/Q混頻中應用微波光子技術，利用光的高頻寬帶特性及日益成熟的電光調制和光上濾波等技術，實現(xiàn)任意頻段到任意頻段寬帶信號的頻率變換，同時可以兼容軟件無線電平臺，大大增強了射頻前端的通用性。在兼容軟件無線電平臺的微波光子I/Q混頻器中，管理者可以在遠程通過軟件修改其中的本振頻率、濾波頻率和帶寬，以適應不同頻段的頻率變換。同時當硬件滿足通用條件，即可以支持寬帶、多頻段時，軟件無線電系統(tǒng)還可以利用A/D/A轉換器件實現(xiàn)模擬和數(shù)字的轉換，對解調下來的I/Q兩路數(shù)據(jù)在數(shù)字域進行信號處理[10]，恢復出原始信號。利用微波光子實現(xiàn)的I/Q混頻，使得信號被直接解調至基帶，對A/D/A轉換器件的要求也有所降低。一方面，混頻裝置的通用化為軟件無線電控制提供了基礎和平臺，另一方面，軟件無線電的應用又為混頻裝置提供了可遠程控制可重配置的功能，二者相輔相成相得益彰。

總之，零中頻的混頻方式結構簡單，體積功耗較小?；谖⒉ü庾拥腎/Q混頻裝置，具有大帶寬、高頻率、高電磁隔離和高動態(tài)范圍的特點。借助軟件無線電平臺，可以實現(xiàn)混頻裝置的靈活配置，實現(xiàn)動態(tài)可重構。

3　仿真結果

使用VPItransmissionMaker根據(jù)上述變頻方案進行仿真，輸入光功率設置為100 mW，在光電探測后使用20 dB的電放大器，測量混頻方案的鏈路性能及系統(tǒng)性能。在微波輸入端輸入單載波信號，測量得到鏈路增益(G)為-27 dB，噪聲系數(shù)(NF)為40 dB。在微波輸入端輸入雙音信號，輸出的一階及三階分量擬合如圖2所示，噪聲主要由激光器和探測器引入，噪底測得-161 dBm/Hz，SFDR計算結果為118 dB·Hz2/3。隨著輸入微波信號的頻率在0～40 GHz改變，以上測量指標的波動在0.5 dB以內。在微波輸入端輸入QPSK信號，輸出的I/Q兩路進行信號恢復得到星座圖如圖3所示。

圖2　混頻鏈路的SFDR

圖3 混頻輸出的QPSK信號星座

EVM測量值為5.0%。隨著輸入QPSK信號的頻率在0～40 GHz改變，EVM的波動在0.3%以內。

仿真結果顯示了微波光子技術在I/Q混頻中的優(yōu)勢，能夠適應多個頻段調制信號的直接下變換，鏈路性能不會隨著頻率的增高而改變。同時結果也證明了微波光子混頻在動態(tài)范圍上的巨大優(yōu)勢。由于微波光子器件的無源特性，實現(xiàn)的混頻裝置目前還存在著變頻增益較小等問題。下一步的研究也需要進一步提高混頻鏈路的性能。

4　結束語

面對通信系統(tǒng)中面臨的射頻前端冗余、固定、體積功耗過大、系統(tǒng)難以擴展和升級困難等問題，亟需尋找一種靈活、可重配置的射頻前端解決方案，尤其是占主要地位的混頻裝置。為了突破傳統(tǒng)微波混頻方案中的電子瓶頸，引入微波光子技術，應用到在體積功耗、集成度上都占優(yōu)勢的I/Q混頻當中，實現(xiàn)至高頻任意頻段寬帶信號的直接IQ解調，可以使整個混頻裝置更通用，讓軟件無線電技術的應用成為可能。結合軟件無線電技術，可以使射頻前端中的混頻裝置極大程度地增加靈活性、通用性，使遠程配置和升級成為可能。兼容軟件無線電的微波光子混頻技術是未來潮流，是射頻前端一體化的必然趨勢。

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鄭月女，(1992—)，碩士研究生，信息與通信工程專業(yè)。主要研究方向：微波光子混頻技術。

李建強男，(1983—)，博士，副教授。主要研究方向：微波光子學在光纖無線融合、天地一體化網(wǎng)絡和物聯(lián)網(wǎng)等。

Broadband I/Q Mixer Based on Microwave Photonics

ZHENG Yue1，LI Jian-qiang1，LV Qiang2,3，DAI Yi-tang1，YIN Fei-fei1，XU Kun1

(1.State Key Laboratory of Information Photonics and Optical Communications,BUPT,Beijing 100876,China;2.KeyLaboratoryofAerospaceInformationApplications,CETC,ShijiazhuangHebei050081,China；3.The54thResearchInstitute,CETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

As conventional RF front-ends suffer from limitations in size,weight,power and bandwidth,microwave photonic techniques are investigated for universal integrated RF front-ends in this paper.First,frequency mixing techniques is introduced for RF front-ends in superheterodyne and zero-IF receivers,respectively.Second,several microwave photonic mixing techniques are presented.Finally,a broadband I/Q mixer based on microwave photonics is proposed for software defined radio.The proposed mixer is capable of demodulating RF signals in multiple bands from L to Ka,and thereby is compatible to software defined radio concept.

microwave photonics;zero-IF;I/Q mixer;RF front-end

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.09.05

2016-05-21

國家自然科學基金資助項目(61431003，6302086,61401411)；中國電子科技集團公司創(chuàng)新基金資助項目；中國電子科技集團公司航天信息應用技術重點實驗室開放課題資助項目。

TN856

A

1003-3106(2016)09-0020-04

引用格式：鄭月,李建強,呂強,等.基于微波光子的寬帶I/Q混頻技術[J].無線電工程,2016,46(9):20-23.