基于光頻率梳的寬帶微波光子鏡像抑制下變頻①

馬佳琳，文愛軍

(西安電子科技大學(xué)單位 綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論與關(guān)鍵技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室，西安 710071)

0 引言

隨著雷達(dá)和通信信息的快速增長(zhǎng)，需要處理的信號(hào)帶寬已達(dá)幾吉赫茲甚至幾十吉赫茲[1]，傳統(tǒng)的微波混頻技術(shù)面臨帶寬受限，調(diào)諧能力差，電磁干擾等瓶頸[2,3]。而微波光子技術(shù)可以很好的解決這些難題，因此受到廣泛關(guān)注。微波光子技術(shù)是微波技術(shù)與光子學(xué)的結(jié)合：即將微波信號(hào)調(diào)制在光載波上，在光域上處理并最終轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的一種方法。例如：常用的1550nm處1nm的頻率范圍為125GHz，足以覆蓋全波段。除此以外微波光子技術(shù)還具有損耗低、抗電磁干擾、低相位噪聲、大動(dòng)態(tài)范圍等優(yōu)點(diǎn)[4,5]。

近年來(lái)，微波光子寬帶下變頻技術(shù)由于良好的性能指標(biāo)引起人們的廣泛關(guān)注[6-10]。按照方案的實(shí)現(xiàn)原理可以大致分為兩個(gè)大類，一類是基于四波混頻技術(shù)的信道化理論，如文獻(xiàn)[6]，利用兩個(gè)泵浦光源和一段高度非線性光纖 (HNLF) 產(chǎn)生的四波混頻來(lái)生成多個(gè)載頻波。通過任意波形發(fā)生器(AWG)改變種子激光器的輸出光載波的頻率，從而達(dá)到調(diào)諧的目的，但是該方案需要滿足能量守衡,動(dòng)量守恒以及色散方程中的頻率分量，也要滿足四波混頻效應(yīng)的條件，而且此方案調(diào)諧比較困難；另一類是基于多個(gè)馬增調(diào)制器級(jí)聯(lián)生成的光頻梳 (OFC)技術(shù)[7,8]，由于此OFC是由單個(gè)激光器驅(qū)動(dòng)，生成的每根梳狀線都具有相干性和低相位噪聲的特點(diǎn)，并且可以通過改變本振信號(hào)的頻率來(lái)調(diào)整光頻梳的間隔。光頻梳的存在相當(dāng)于將整個(gè)頻帶劃分為多個(gè)頻帶，每根光頻梳的線就相當(dāng)于本頻段的本振信號(hào)(LO)。接收到的微波信號(hào)與光頻梳拍頻，隨后經(jīng)過濾波器下變頻為中頻信號(hào) (IF)。在文獻(xiàn)[7]中，通過調(diào)節(jié)光頻梳的輸入頻率，生成不同間隔的光頻梳，使得接收到的RF信號(hào)落在OFC的頻率范圍內(nèi)，最后通過PD拍頻和低通濾波后，產(chǎn)生IF信號(hào)。在文獻(xiàn)[8]中，通過PM與OBPF級(jí)聯(lián)產(chǎn)生正一階邊帶的頻移，隨后作為光載波注入級(jí)聯(lián)IMs生成頻移的OFC。通過掃描OFC的頻率，接收到的射頻信號(hào)可以下變頻到指定頻率范圍。雖然以上兩組方案都是基于光頻梳實(shí)現(xiàn)寬帶微波信號(hào)下變頻的，但是都沒有考慮鏡像信號(hào)干擾。

文章提出了一種基于光頻梳的寬帶信號(hào)鏡像抑制下變頻的新方法。IM1生成的抑制載波雙邊帶(DSB-CS)通過環(huán)形器 (OC) 和光濾波器 (FBG) 將-1階邊帶和+1階邊帶分別送入上下兩路，對(duì)上下兩路進(jìn)行移頻，使得RF信號(hào)的+1階邊帶落在OFC的帶內(nèi)且-1階邊帶落在OFC帶外。隨后，上下兩路信號(hào)送入90°光耦合器生成相互正交的IQ光信號(hào)，經(jīng)過平衡光電探測(cè)器(BPD)的光電轉(zhuǎn)換生成電信號(hào)。最后，通過低頻90°耦合器生成鏡像抑制的下變頻信號(hào)。

1 基于微波光子技術(shù)的寬帶鏡像抑制下變頻方案原理

圖1 寬帶鏡像抑制下變頻方案示意圖

基于微波光子的寬帶鏡像抑制下變頻的方案原理如圖1所示，此方案主要由激光器(LD, Laser Diode)、OFC、IM、90°光耦合器(90° OHC)，光電平衡探測(cè)器 (BPD)，90° 低通電耦合器構(gòu)成。激光器輸出的線偏振光注入IM1，設(shè)輸入到IM1的光載波表示為Ein(t)=E0exp(jωct)，其中E0和ωc分別為光載波的幅值和角頻率，在IM1的射頻端加載本振信號(hào)VLO1sin(ωLO1t)，其中VLO和ωLO1分別為本振信號(hào)的幅值和頻率，調(diào)整IM1上的電壓偏置在最小點(diǎn)，產(chǎn)生如圖1 (a) 所示的抑制載波雙邊帶信號(hào)，輸出光信號(hào)表達(dá)式可以寫為：

(1)

其中mLO1=πVLO1/Vπ是本振信號(hào)LO1的調(diào)制指數(shù)(Modulation Index, MI)，Jn(·)表示第一類 n 階 Bessel 函數(shù)，由于輸入的射頻信號(hào)的功率比較小，可以忽略掉高階邊帶。

IM1輸出的光信號(hào)從三端口光環(huán)形器1端口輸入，2端口輸出之后連接一個(gè)布拉格光纖光柵濾波器(Fiber Bragg grating，F(xiàn)BG)，調(diào)節(jié) LD輸出光信號(hào)的波長(zhǎng)使得正一階邊帶落在FBG反射通帶內(nèi)，反射回環(huán)形器2端口并從3端口輸出；負(fù)一階邊帶透過FBG，從環(huán)形器2端口輸出。環(huán)形器2端口輸出的負(fù)一階邊帶ωc-ωLO1作為上路光載波注入IM2中，如圖1(b)所示，環(huán)形器3端口輸出的光信號(hào)作為下路光載波注入光頻梳OFC中，如圖1(c)所示。接收到的射頻信號(hào)VRFsin(ωRFt)加載在IM2的射頻端，其中，VRF為射頻信號(hào)的幅值，ωRF為射頻信號(hào)的角頻率，調(diào)整偏置電壓使其偏置在最小點(diǎn)，生成了頻移為ωc-ωLO1±ωRF的抑制載波雙邊帶(CS-DSB)，其表達(dá)式為：

EIM2_out(t)∞Ein(t)exp(-jωLO1t)[exp(jmRFsinωRFt)-exp(-jmRFsinωRFt]

∞Ein(t)[J1(mRF)exp(jωRFt-jωLO1t)+J-1(mRF)exp(-jωRFt-jωLO1t)]

(2)

其中mRF=πVRF/Vπ是射頻信號(hào)的調(diào)制指數(shù)。IM2輸出的光信號(hào)，如圖1(d)所示；下路中正一階邊帶ωc+ωLO1作為光載波輸入由IM3、IM4構(gòu)成的光頻梳，即光頻梳的中心頻率由ωc變?yōu)棣豤+ωLO1。其中，IM3工作在最大點(diǎn)，生成0和±2階邊帶且OFC輸入的兩個(gè)本振信號(hào)的頻率為ωLO2=2ωLO，調(diào)整IM4的偏振電壓和LO信號(hào)的幅值使其滿足三階交調(diào)項(xiàng)的幅值等于基帶信號(hào)的幅值[9]。生成的OFC如圖1(e)所示，其表達(dá)式可以表達(dá)為

[45]張賢明：《從本土訴求到全球視野：當(dāng)代中國(guó)政治學(xué)繁榮與發(fā)展的思考》，《貴州社會(huì)科學(xué)》2012年第3期。

(3)

其中mLO,LO2=πVLO,LO2/Vπ是本振信號(hào)LO和LO2的調(diào)制指數(shù)(Modulation Index,MI)，φ1為偏置電壓引入的相位，如圖1 (e) 所示。

為了消除鏡像干擾，將上下兩路產(chǎn)生的光信號(hào)輸入90°光耦合器耦合[11]，輸出波形如圖1(f)所示，其數(shù)學(xué)表達(dá)式可以描述為

(4)

90°OHC耦合輸出的光信號(hào)注入BPD中，拍頻產(chǎn)生I(t)和Q(t)兩路信號(hào)，其表達(dá)式為

(5)

隨后，將I(t)、Q(t)兩路信號(hào)輸入低頻90°電耦合器得到所需的IF信號(hào)，如圖1(h)所示，其表達(dá)式為

II(t)∞cos[(ωRF-ωLO)t]+cos[(ωLO-ωIM)t]

(6)

(7)

由公式(6)和(7)可知，經(jīng)過下變頻后，I 路和 Q 路中的有用信號(hào)的 IF 信號(hào)是同相的，而鏡像干擾信號(hào)的 IF 信號(hào)是反相的。隨后利用電 90°耦合器將 I 路與 Q 路的信號(hào)進(jìn)行耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)鏡像抑制下變頻。低頻電 90°耦合器的輸出可表示為

(8)

由式(8)可知，下變頻后生成的 IF 信號(hào)中不再存在鏡像干擾信號(hào)。

2 仿真結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證上述理論分析，按照?qǐng)D1所示，利用VPI搭建了基于微波光子技術(shù)的寬帶鏡像抑制下變頻的仿真鏈路。其中各器件的仿真參數(shù)均按照實(shí)際器件的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，激光器采用連續(xù)波激光器，其中心頻率為193.1THz，線寬為10 MHz，輸出平均光功率為20 mW；IM的半波電壓為3.5V，消光比為 35dB，插入損耗為6dB；本振信號(hào)的頻率分別為L(zhǎng)O1=10.5 GHz，LO2=6 GHz，LO=3 GHz，功率大小為 24dBm；設(shè)置IM1，IM2,IM3,IM4分別工作在最小點(diǎn)、最小點(diǎn)、最大點(diǎn)、正交點(diǎn)；上下兩路生成的信號(hào)注入90度光耦合器，隨后注入響應(yīng)度為0.75 A/W的BPD，輸出的電信號(hào)經(jīng)過1.5GHz 帶寬低通90度耦合器得到鏡像抑制下變頻信號(hào)。

該方案中，下路生成的光頻梳如圖2藍(lán)線所示，其頻率間隔為3-GHz，共計(jì)13根光梳線，平坦度為 4dB；紅線描述的是接收到的射頻信號(hào)，由于上下兩路均進(jìn)行了頻移，所以只有+1階邊帶可以落入光頻梳內(nèi)。為避免混疊干擾，設(shè)定下變頻頻率范圍為0-1.5GHz。由圖2可得，本方案可以將1.5GHz-40GHz的射頻信號(hào)下變頻到0-1.5GHz。

上下兩路光信號(hào)進(jìn)入 90°OHC 后注入 BPD 生成 I/Q 兩路信號(hào)，為了觀察兩路信號(hào)的波形，將兩路信號(hào)均通過電濾波器進(jìn)行濾波，如圖3所示，I/Q 兩路信號(hào)幅值相似，相位相差 90 度。

圖2 上下兩路的輸出光信號(hào)

為了驗(yàn)證方案的鏡像抑制效果，將頻率為20GHz的有用信號(hào)和22GHz的鏡像信號(hào)同時(shí)輸入IM2,在電濾波器的輸出端產(chǎn)生 1GHz 的 IF 信號(hào)。結(jié)果如圖 4 所示，從圖 4(a) 可以看出鏡像抑制比為 67dB，表明該變頻方案具有很高的鏡像抑制能力。為了直觀地展示鏡像抑制的效果，仿真了有用信號(hào)和鏡像干擾信號(hào)下變頻之后 IF 信號(hào)的波形，如 圖4(b) 所示。由圖4(b) 可知，鏡像干擾信號(hào)得到了很好的抑制，其下變頻之后 IF 信號(hào)波形的峰峰值幾乎為零，而有用信號(hào)幾乎沒有受到影響，其下變頻之后 IF 信號(hào)的波形仍具有比較高的峰峰值。鏡像抑制效果較好的主要原因是仿真鏈路中 90°光耦合器幅度、相位一致性比較理想。實(shí)際實(shí)驗(yàn)中鏡像抑制比受幅度、相位不一致性影響較大，例如，I/Q兩路的相位不平衡大于 5°時(shí)，鏡像抑制比將小于30dB。此情況下，一般通過補(bǔ)償算法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償。

為進(jìn)一步研究所提出方案對(duì)寬帶射頻信號(hào)的下變頻性能，將 RF 信號(hào)改為載頻為 12.2 GHz、碼率為 300 MBaud 的 16 QAM 信號(hào)。在電濾波器的輸出端產(chǎn)生中心頻率為 0.2GHz 的 IF 信號(hào)，圖 5 為對(duì)應(yīng)的星座圖，其中 EVM為 5.7%。

圖4 (a)中頻信號(hào)(藍(lán)線)和鏡像信號(hào)(紅線)的頻譜；(b)信號(hào)(紅線)和圖像信號(hào)(藍(lán)線)的波形

圖5 12.2-GHz 16-QAM信號(hào)的(a)頻譜圖和(b)星座圖

最后，為了研究所提出方案的動(dòng)態(tài)范圍 (SFDR) 進(jìn)行了仿真。輸入的雙音射頻信號(hào)頻率為 20.5 GHz 和20.7 GHz, LO 信號(hào)頻率與功率值保持不變，通過改變雙音射頻信號(hào)的功率，記錄基頻、三階交調(diào) (IMD3)、噪聲的功率數(shù)據(jù)，可以繪制出本系統(tǒng)的SFDR，如圖6所示，最后計(jì)算得動(dòng)態(tài)范圍為103dB·Hz2/3。

3 結(jié)論

本文提出了一種基于微波光子技術(shù)的寬帶鏡像抑制下變頻的方案。采用光頻梳和頻移相結(jié)合的技術(shù)，有效擴(kuò)大變頻范圍。由 90°OHC和BPD構(gòu)成的平衡Hartley[10]結(jié)構(gòu)使得鏡像信號(hào)得到很好地抑制。仿真結(jié)果表明，該方案的工作頻段為 2GHz-40 GHz，鏡像抑制比均大于 60 dB。由于此方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、鏡像抑制比高、大動(dòng)態(tài)范圍，可應(yīng)用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)、電子戰(zhàn)等。

圖6 寬帶鏡像抑制下變頻系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍