一種超寬帶零中頻的微波光子信道化接收機(jī)

陳 博，王明軍，高永勝

一種超寬帶零中頻的微波光子信道化接收機(jī)

陳 博1,3，王明軍2，高永勝3*

1咸陽(yáng)師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000；2西安理工大學(xué)自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710048；3西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院，陜西 西安 710129

信道化接收技術(shù)是現(xiàn)代電子戰(zhàn)和雷達(dá)系統(tǒng)的重要組成部分，是滿足其高頻段、大帶寬、多通道同時(shí)接收等需求的核心使能技術(shù)。本文提出了一種基于微波光子的零中頻接收機(jī)，可通過(guò)調(diào)整光頻梳中心頻率的方法使之與寬帶RF信號(hào)組的中心頻率相對(duì)應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)3 GHz的寬帶射頻信號(hào)的信道化接收，每個(gè)子信道帶寬為600 MHz且直接解調(diào)為I/Q基帶信號(hào)。

微波光子；信道化；零中頻接收機(jī)；光頻率梳

1 引 言

通信技術(shù)的飛速發(fā)展促成了信息大爆炸時(shí)代的提前到來(lái)，無(wú)論是在民用寬帶多功能業(yè)務(wù)接入、通信導(dǎo)航識(shí)別亦或是現(xiàn)代電子戰(zhàn)等領(lǐng)域的應(yīng)用，窄帶信號(hào)的近距離傳輸及處理都已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代通信對(duì)寬帶信號(hào)的應(yīng)用需求[1]。特別是在現(xiàn)代電子戰(zhàn)和雷達(dá)系統(tǒng)中，由于接收機(jī)接收到的微波信號(hào)具有瞬時(shí)帶寬大、信號(hào)種類多、頻率覆蓋廣以及形式多樣化等特點(diǎn)[2]，要求接收機(jī)也必須具備大的瞬時(shí)接收帶寬，能實(shí)時(shí)處理同時(shí)到達(dá)的多頻點(diǎn)、多形式信號(hào)，且接收機(jī)還需要有高靈敏度、高分辨率等特點(diǎn)[3]。傳統(tǒng)的接收機(jī)受模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的采樣率和帶寬限制，無(wú)法對(duì)超大帶寬的RF信號(hào)同時(shí)處理。信道化接收機(jī)可將接收到的寬帶信號(hào)分割為多個(gè)不同頻率的子頻帶，將所有的子頻帶利用下變頻轉(zhuǎn)化為同中頻信號(hào)或基帶信號(hào)，不僅大大降低了系統(tǒng)對(duì)ADC的要求，還實(shí)現(xiàn)了多頻點(diǎn)信號(hào)的同時(shí)接收功能[4]。因此，信道化接收機(jī)已經(jīng)成為了現(xiàn)代電子戰(zhàn)及雷達(dá)系統(tǒng)的重要組成部分。

傳統(tǒng)的模擬信道化接收機(jī)功耗及差損較大，而且對(duì)電濾波器的要求也較高，系統(tǒng)的體積會(huì)隨著子信道數(shù)量的增加而顯著增加，因此逐漸被數(shù)字信道化接收機(jī)取代[5]。數(shù)字信道化接收機(jī)具有可靈活調(diào)諧、精度高等優(yōu)勢(shì)，但受ADC采樣率和工作帶寬的限制較為嚴(yán)重，無(wú)法滿足高度密集的超寬帶信號(hào)的處理需求，因此研發(fā)新型的可處理超寬帶信號(hào)的信道化接收機(jī)意義重大。

與同軸電纜相比，光纖具有低損耗、抗電磁干擾能力強(qiáng)、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)勢(shì)，已成為通信領(lǐng)域的重要傳輸介質(zhì)。微波技術(shù)和光纖技術(shù)的融合產(chǎn)生了一門交叉新型學(xué)科——微波光子學(xué)。它可以靈活地實(shí)現(xiàn)光波與微波信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換，且具備光子學(xué)瞬時(shí)帶寬大、工作頻段寬、隔離度高、抗電磁干擾等一系列優(yōu)點(diǎn)[6]，為研究新型信道化接收機(jī)提供了新的解決方案。

1985年，美國(guó)TRW公司提出了利用聲光波衍射實(shí)現(xiàn)了20個(gè)信道帶寬為5 MHz的射頻信道的信道化接收[4]；1984年馬里蘭大學(xué)利用FP標(biāo)準(zhǔn)具實(shí)現(xiàn)了信道帶寬為70 HMz的小范圍頻譜檢測(cè)[5]；1990年，加州蒙特雷海軍研究院提出了一種寬帶射頻信號(hào)的相干聲光信道化技術(shù)[6]；1996年我國(guó)北京航空航天大學(xué)提出了基于外差接收法的聲光信道化接收機(jī)[7]；2001年，美國(guó)NF公司提出了采用相干外差探測(cè)信道化技術(shù)[8]；2006年，澳大利亞Cohlear公司提出了基于FP標(biāo)準(zhǔn)具和混合菲涅爾透鏡的信道化接收技術(shù)[2]；2011年，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)提出了基于四波混頻的信道化新方案[9]；2011年，浙江大學(xué)提出了基于光頻梳的可重構(gòu)信道化接收機(jī)[10]；2012年，北京郵電大學(xué)提出了基于雙光梳直接I/Q下變頻的信道化接收系統(tǒng)[11]；2013年，清華大學(xué)提出了單光梳的相干探測(cè)接收技術(shù)[12]；由于微波光子學(xué)的出現(xiàn)，利用光子技術(shù)實(shí)現(xiàn)超寬帶信號(hào)接收的信道化接收機(jī)引起了世界各國(guó)的高度關(guān)注，也陸續(xù)展開(kāi)了相關(guān)研究。大瞬時(shí)接收帶寬、子信道同時(shí)接收信號(hào)數(shù)量、分辨率以及動(dòng)態(tài)范圍等指標(biāo)也稱為衡量信道接收機(jī)性能指標(biāo)的重要參數(shù)。

目前已報(bào)道的微波光子信道化接收機(jī)大多利用載波光頻梳加本振光頻梳的雙光頻梳結(jié)構(gòu)配合光濾波器及波分復(fù)用器來(lái)實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的多信道同時(shí)接收功能，此類方案缺點(diǎn)較為明顯，首先多梳線、大間隔、穩(wěn)定相干且平坦度較高的光頻梳較難產(chǎn)生；其次光頻梳的梳線數(shù)決定了子信道數(shù)，光梳間隔需要遠(yuǎn)大于接收信號(hào)的最高頻率；而且系統(tǒng)中采用的兩套光頻梳必須具有精確的頻差和穩(wěn)定的相位關(guān)系，這些要求對(duì)系統(tǒng)的實(shí)施都較為苛刻。

本文提出了一種基于雙偏振正交相移鍵控(DP-QPSK)調(diào)制器實(shí)現(xiàn)零中頻接收的信道化接收機(jī)。整個(gè)系統(tǒng)僅需要一套光頻梳且梳線之間的間隔等于子信道的寬度即可，該套光梳的產(chǎn)生非常容易實(shí)現(xiàn)。此外還利用了光子學(xué)I/Q解調(diào)和平衡探測(cè)技術(shù)，不僅大大降低了ADC帶寬和采樣率，還解決了傳統(tǒng)零中頻接收機(jī)存在的本振泄露、二階交調(diào)失真、直流偏差和I/Q不平衡的問(wèn)題。

2 信道化接收原理

超寬帶零中頻微波光子信道化接收機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由激光二極管(LD)、兩個(gè)頻率不同的本振信號(hào)(LO1、LO2)、DP-QPSK調(diào)制器、偏振合束器(PBC)、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)以及平衡探測(cè)器(BPD)構(gòu)成，系統(tǒng)中所涉及的光纖均為保偏光纖。

系統(tǒng)中的DP-QPSK調(diào)制器由兩個(gè)并行的DPMZM調(diào)制器與一個(gè)PBC集成，LD產(chǎn)生一個(gè)頻率為193.1 THz，功率為20 dBm的連續(xù)光波作為光載波進(jìn)入DP-QPSK調(diào)制器并分為兩路分別進(jìn)入DPMZM1和DPMZM2，光載波可表示為in()=0exp(jc)，其中0是光信號(hào)的電場(chǎng)幅度，c為角頻率。

圖1 零中頻結(jié)構(gòu)的微波光子信道化接收機(jī)示意圖

將頻率為0.6 GHz的LO1利用DPMZM1調(diào)制到光載波上，通過(guò)合理設(shè)置DPMZM1的調(diào)制指數(shù)，使DPMZM1輸出一個(gè)平坦的五線光梳。DPMZM1的輸出可表示為

其中：in()為輸入光信號(hào)電場(chǎng)，0為電信號(hào)的幅度，LO1為本振信號(hào)LO1的角頻率，1a、1b、1c為DPMZM1的三個(gè)直流偏壓，π為半波電壓，利用第一類貝塞爾函數(shù)展開(kāi)后光載波、一階、二階光邊帶可分別表示為

若要生產(chǎn)平坦五線光梳只需滿足下列條件：

通過(guò)以上公式可得到生成五線平坦光梳時(shí)三個(gè)直流偏壓分別為1a=3.15 V，1b=-6.23 V，1c=0 V。

用頻率為10 GHz的LO2調(diào)制DPMZM2，同樣通過(guò)設(shè)置DPMZM2里的三個(gè)直流偏壓V2a、V2b、V2c使其輸出一個(gè)載波抑制的正負(fù)二階光邊帶。DPMZM2的輸出可表示為

其中LO2為本振信號(hào)LO2的角頻率，為了生成偶數(shù)階光邊帶，使MZMa工作在最大傳輸點(diǎn)，為了抑制載波使MZMb工作在最小傳輸點(diǎn)，最終DPMZM2輸出的載波抑制雙邊帶可表示為

由DPMZM1和DPMZM2生成的兩路光信號(hào)經(jīng)PBC偏振復(fù)用后輸入OBPF，濾出五線光梳和正二階光邊帶。濾波后的偏振復(fù)用信號(hào)可表示為

該信號(hào)與一個(gè)單偏振MZM相連，五個(gè)中心頻率分別為18.8 GHz、19.4 GHz、20 GHz、20.6 GHz、21.2 GHz的16QAM信號(hào)對(duì)MZM進(jìn)行調(diào)制，由于是單偏振MZM，因此只對(duì)正二階光邊帶調(diào)制，不對(duì)光頻梳調(diào)制。

設(shè)置單偏振MZM工作在最小傳輸點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)載波抑制的雙邊帶調(diào)制，因?yàn)檫@組寬帶射頻信號(hào)的中心頻率為L(zhǎng)O2的兩倍，因此調(diào)制出的五個(gè)信號(hào)下邊帶的中心頻率恰好與五線光梳的中心頻率完全重合，利用中心頻率不同的一組窄帶OBPF可將五個(gè)帶寬均為600 HMz的子信道劃分出來(lái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)寬帶信號(hào)和光頻梳的同時(shí)分割。經(jīng)過(guò)窄帶OBPF的信號(hào)由光分路器一分為二后均與PC、PBS和BPD相連，通過(guò)合理的設(shè)置相位差最終直接得到I路和Q路信息。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本系統(tǒng)通過(guò)VPI仿真實(shí)現(xiàn)，所有MZM的半波電壓均為3.5 V，消光比為30 dB，插損為6 dB，線寬為10 kHz。圖2為DPMZM1生成的五線光梳，光梳的頻率間隔為0.6 GHz，抑制比為23.3 dB，平坦度較理想。

經(jīng)單偏振MZM調(diào)制后的五個(gè)寬帶射頻信號(hào)如圖3所示，由于寬帶射頻信號(hào)的中心頻率恰好與五線光梳的中心頻率一一對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了3 GHz寬帶信號(hào)的子信道劃分，五個(gè)子信道的帶寬均為600 MHz。

平衡檢測(cè)技術(shù)可以有效抑制共模干擾(主要包括二階交調(diào)IMD2和直流項(xiàng)DC)。為了測(cè)試平衡探測(cè)抑制干擾的能力，本文選用了功率為0 dBm，頻率分別為21 GHz和21.01 GHz的雙音信號(hào)作為RF輸入信號(hào)。圖4(a)為未加平衡探測(cè)的測(cè)試結(jié)果，雖然三階無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR3)達(dá)到了106.7 dB·Hz2/3，但二階交調(diào)失真依然是主要失真。并且將SFDR(SFDR2)降低至76.5 dB·Hz1/2，直接影響了整個(gè)系統(tǒng)的SFDR。圖4(b)為加了平衡探測(cè)的測(cè)試結(jié)果，轉(zhuǎn)換增益為-35.2 dB，比之前增加了6 dB，SFDR為107.5 dB·Hz2/3，由于是在理想的仿真情況下測(cè)試，可發(fā)現(xiàn)平衡探測(cè)技術(shù)在理論上可以完全消除IMD2。

信道串?dāng)_主要是由于殘留的光載波和光邊帶導(dǎo)致的，為了獲得與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相符的數(shù)據(jù)，將MZM的消光比設(shè)置為30 dB，并記錄了信道之間的隔離度，通過(guò)表1可知，所有信道的隔離度都超過(guò)了25 dB。

圖5顯示了輸入的射頻信號(hào)功率從-20 dBm增加到20 dBm時(shí)的誤差矢量分析曲線和星座圖。從圖中可以清楚地發(fā)現(xiàn)，隨著射頻功率的增加，EVM值逐漸減小，然后穩(wěn)定在1.7%左右。當(dāng)射頻信號(hào)輸入功率過(guò)小時(shí)，由于降低了信噪比，星座圖和EVM會(huì)惡化。

圖2 五線光梳示意圖

圖3 經(jīng)寬帶射頻信號(hào)調(diào)制的頻譜

圖4 雙音信號(hào)測(cè)試結(jié)果。(a) 未加平衡探測(cè)；(b) 平衡探測(cè)

表1 各信道之間的串?dāng)_測(cè)量結(jié)果

圖5 RF功率從-20 dBm增加至20 dBm時(shí)的EVM和星座圖

4 結(jié) 論

本文提出并證明了一種超寬帶零中頻的微波光子信道化接收機(jī)，由于采用全光技術(shù)和I/Q平衡探測(cè)使其具有超寬的工作頻帶，低轉(zhuǎn)換損耗以及大動(dòng)態(tài)范圍?？蓪? GHz的射頻信號(hào)通過(guò)5個(gè)帶寬為600 MHz的子信道接收。由于采用了平衡探測(cè)技術(shù)，在抑制直流偏置和二階交調(diào)失真上效果顯著，但同時(shí)也會(huì)為系統(tǒng)帶來(lái)一定的偏振干擾，在一定程度上增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度和成本。相對(duì)于采用雙光梳的信道化方案，本系統(tǒng)只需要一套光頻梳，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)。

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An ultra-wideband microwave photonic channelized receiver with zero-IF architecture

Chen Bo1,3, Wang Mingjun2, Gao Yongsheng3*

1School of Physics and Electronic Engineering, Xianyang Normal University, Xianyang, Shaanxi 712000, China;2School of Automation and Information Engineering, Xi￠an University of Technology, Xi￠an, Shaanxi 710048, China;3School of Electronics and Information, Northwestern Polytechnical University, Xi￠an, Shaanxi 710129, China

Spectrum modulated by the wideband RF signals

Overview:In modern electronic warfare and radar systems, because the microwave signal received by the receiver has the characteristics of large instantaneous bandwidth, multiple signal types, wide frequency coverage and diversified forms, it is required that the receiver must also have large instantaneous receiving bandwidth, be able to process the multi-frequency and multi-form signals arriving at the same time in real time, and the receiver also needs to have high sensitivity and high resolution. The channelized receiver can divide the received wideband signal into sub-bands of different frequencies, and convert all sub-bands into the same intermediate frequency signal or baseband signal by using down-conversion, which not only greatly reduces the requirements of the system for the ADC but also realizes simultaneous reception of multi-frequency signals. The digital channelized receiver has the advantages of flexible tuning and high precision. However, due to the severe limitation of ADC sampling rate and working bandwidth, it cannot meet the processing requirements of highly intensive ultra wideband signals. Compared with coaxial cable, optical fiber has the advantages of low loss, strong anti electromagnetic interference ability, small volume, light weight and so on. It has become an important transmission medium in the field of communication. The fusion of microwave technology and optical fiber technology has produced a new interdisciplinary subject--microwave photonics. It can flexibly realize the mutual conversion of optical wave and microwave signal, and has a series of advantages such as large instantaneous bandwidth of photonics, wide working frequency band, high isolation, anti electromagnetic interference, etc., which provides a new solution for the research of new channelized receiver.

In this paper, a zero-IF channelized receiver based on microwave photon series is proposed. A scheme for realizing zero-intermediate frequency (IF) channelized receiver using a dual-polarization quadrature phase-shift keying (DP-QPSK) modulator and a narrow-band optical filter is proposed. The channelized system only requires one optical frequency combs to achieve zero-IF multi-channel reception of wideband signals, and the spacing of the optical frequency comb only needs to be equal to the sub-channel width, which is very easy to implement. It is found that using photonic IQ demodulation and balanced detection and reception technology can not only eliminate many disadvantages of the traditional zero-IF receiver, including local oscillator (LO) leakage, DC offset, even-order distortion, and in-phase/quadrature (I/Q) imbalance, but also reduce the bandwidth and sample rate of the analog-to-digital converter (ADC). It is theoretically proved that the RF signal with a bandwidth of 3 GHz can be divided into five sub-channels with a bandwidth of 600 MHz and finally demodulated to I/Q basebands, which is also verified with simulation.

Citation: Chen B, Wang M J, Gao Y SAn ultra-wideband microwave photonic channelized receiver with zero-IF architecture[J]., 2020, 47(3): 190650

An ultra-wideband microwave photonic channelized receiver with zero-IF architecture

Chen Bo1,3, Wang Mingjun2, Gao Yongsheng3*

1School of Physics and Electronic Engineering, Xianyang Normal University, Xianyang, Shaanxi 712000, China;2School of Automation and Information Engineering, Xi￠an University of Technology, Xi￠an, Shaanxi 710048, China;3School of Electronics and Information, Northwestern Polytechnical University, Xi￠an, Shaanxi 710129, China

Channelized receiving technology is an important part of modern electronic warfare and radar systems. It is a core enabling technology that meets the needs of its high frequency band, large bandwidth, and simultaneous multi-channel reception. In this paper, a zero-IF receiver based on microwave photonic is proposed. The center frequency of the optical frequency comb can be adjusted to correspond to the center frequency of the wideband RF signal group. Therefore, the channelized reception of the 3 GHz wideband RF signal is achieved, and each subchannel has a bandwidth of 600 MHz and is directly demodulated into I/Q baseband signal.

microwave photonic; channelization; zero-intermediate frequency (IF) receiver; optical frequency comb

TN29；TN929.1

A

10.12086/oee.2020.190650

: Chen B, Wang M J, Gao Y S. An ultra-wideband microwave photonic channelized receiver with zero-IF architecture[J]., 2020,47(3): 190650

2019-11-02；

2019-12-02

陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2018NY-158)；咸陽(yáng)師范學(xué)院“青年骨干教師”培養(yǎng)項(xiàng)目(XSYGG201716)

陳博(1986-)，男，碩士，講師，主要從事微波光子方面的研究。E-mail：chen_bo_16@163.com

高永勝(1989-)，男，博士，副教授，主要從事微波光子方面的研究。E-mail：ysgao@nwpu.edu.cn

陳博，王明軍，高永勝. 一種超寬帶零中頻的微波光子信道化接收機(jī)[J]. 光電工程，2020，47(3): 190650

Supported by Shaanxi Provincial Key Research and Development Program (2018NY-158) and Xianyang Normal College Youth Key Program (XSYGG201716)

* E-mail: ysgao@nwpu.edu.cn