星上高性能集中式本振信号光学研究

陈 阳,刘 波,王天亮,郭晶晶,张 恒

(上海卫星工程研究所,上海 201109)

星上高性能集中式本振信号光学研究

陈 阳,刘 波,王天亮,郭晶晶,张 恒

(上海卫星工程研究所,上海 201109)

因随着卫星通信系统向高频段、大带宽、多通道方向发展，传统微波技术在高频微波信号的产生、馈送、交换等方面越来越多受到电子瓶颈的限制，而微波光子学作为一门淅兴学科可解决上述问题，对星上高性能集中式本振信号产生及多路馈送技术进行了研究。研究了两种高频微波本振信号产生方法，用低频射频信号或无需射频信号输入即可生成高频的微波本振信号，大幅降低系统对光电器件带宽的要求。一种是基于两个级联马赫-曾德尔(MZ)调制器的高频微波信号产生方法，可生成八倍频微波信号，调节输入射频信号频率即可调整生成微波信号的频率，系统可调谐性较好。另一种是基于光电振荡器的微波信号生成方法，通过设置偏振调制器、MZ调制器及移相器的参数，可实现对光电振荡器环路谐振信号的四、六和八倍频。分析了高频微波本振信号光纤馈送中损耗和色散的影响，发现两者对星上微波本振信号的馈送影响很小，且星上馈送系统的体积和重量可明显降低。研究将为微波光子技术用于星上载荷提供理论基础和技术支撑。

卫星系统； 微波光子学； 高频微波信号； 光电振荡器； 马赫-曾德尔调制器； 微波信号光学生成； 微波信号光学馈送； 相位噪声

0 引言

目前，卫星通信系统主要以微波信号作为载波信号，不仅可实现多波束覆盖，而且受天气影响小，具有全天候通信能力。但是，目前基于微波链路的卫星通信系统发展面临以下问题：现有的L，S，C，Ku，Ka频段通信难以满足越来越高的信号传输速率需求；随着通信转发器通道数的增加以及通信频率向高频段发展，星上通信转发系统设备的复杂度和重量急剧增加，信号馈送损耗极大；基于电子技术的通信卫星系统电磁环境日益复杂，电磁兼容设计愈发困难；基于电子技术的通信卫星系统可扩展性差，难以满足卫星全寿命周期内的通信需求增长。微波光子技术综合了微波技术与光通信技术的优势，既具微波技术可在自由空间无线传输的特点，又有光纤通信技术体积小、重量轻、低损耗、大带宽、易于复用、抗电磁干扰等优势。利用微波光子技术优势，可实现微波系统中复杂甚至无法完成的微波信号处理与传输等功能，解决上述基于微波链路的卫星通信系统发展中面临的问题[1-2]。近年来，基于微波光子学的卫星通信技术研究和工程试验取得了迅速发展。欧盟自2002年基于ARTES计划开展了微波光子技术在卫星通信系统中的研究，并相继在第六框架和第七框架计划中持续支持，重点是卫星激光通信、微波信号光学处理、微波本振光学产生与馈送、光学模数转换、光子变频和光传感等。2009年，欧空局地球探索者系列的第二颗卫星，造价4.64亿美元的土壤湿度与海水盐度(SMOS)卫星成功发射。SMOS卫星利用微波光子技术传送时钟信号，时钟信号在调制后以光信号的形式通过光纤馈送至多个远端应用单元，再转换为电信号使用，这显著减少了卫星的电缆长度，同时光纤传输避免了电磁干扰影响[3]。与SMOS卫星一同发射的星上自主项目卫星(Proba-2)同样采用了微波光子技术，利用光纤传感系统对卫星推力器进行监控。美国航空航天局、国防部、海军实验室、洛克希德·马丁公司等也对微波光子技术及其在卫星载荷系统中的应用进行了深入且有成效的研究。国内相关高校和科研机构在微波信号光学生成及处理、光电振荡器、波分复用光载射频系统(ROF)等微波光子领域开展了研究，但相关工作主要集中于理论及实验研究。与国外相关研究相比，对微波光子技术星上应用的研究较少，相关技术离实际应用还有一定距离。基于上述国内外技术差距，亟需研究微波光子技术的星上实际应用方法。本文对卫星通信系统中高频微波本振信号的产生及馈送技术进行了研究，用微波光子技术解决卫星通信系统向高频段、大带宽、多通道方向发展中的技术问题。

1 微波光子技术概述

基本微波光子链路如图1所示。输入的电信号经电光转换被调制到光信号上，然后通过光学传输媒质进行传输，最后由光电转换产生输出的电信号。在微波光子链路中，输入的电信号根据应用不同，可以是单频信号，也可以是具有多个频率分量的信号或是具有连续谱的信号；光学传输媒质可以是光纤、自由空间及各种光学系统。通过设计不同的电光转换、光电转换方法，以及使用不同特性的光学传输媒质，可实现各种不同功能的微波光子系统。与传统的采用同轴电缆或波导的电传输系统相比，微波光子链路的优势主要有体积小、重量轻、成本低、不受电磁干扰影响、传输容量大，以及在整个微波波段损耗很低且基本保持一致等[4-5]。

图1 微波光子链路Fig.1 Microwave photonic link

基于微波光子技术的星上高频本振信号产生及多路馈送可用光学方法实现，具有上述微波光子技术的所有优势，与传统微波技术方案的比较见表1。由表1可知：用微波光子技术实现星上本振信号产生及馈送有较大的研究与实际应用价值，是实现卫星轻型化、小型化的一个可能解决方案，同时也满足未来通信卫星系统向高频段发展的趋势，另外，采用微波光子技术实现本振信号的产生与馈送也利于整星的电磁兼容设计。

2 微波光子本振信号生成与馈送方案

本振信号的光学产生与多路馈送总体方案设计如图2所示，主要包括信号生成与信号多路馈送两部分。

a)信号生成：通过微波光子技术实现光本振信号的生成，即产生调制了微波信号的光信号。

b)信号多路馈送：将需要的微波本振信号以光信号形式馈送至各远端应用单元。

表1 传统微波技术与微波光子技术比较

在应用单元处，被分别馈送至多个应用单元的光本振信号经光电转换产生所需的电信号用于不同的应用单元。该部分功能通过光电探测器实现。常认为实际的信号生成部分包括了光本振信号的生成与光电转换过程。

图2 总体方案Fig.2 Principle of overall designing scheme

2.1 本振信号生成

传统卫星通信系统中，微波本振信号是由晶振多次锁相倍频产生的，未来卫星通信系统的通信频率将向更高频段(数十吉赫兹到百吉赫兹)发展，传统微波技术生成信号的频率受电子瓶颈限制，高频段微波信号生成困难，而生成信号的相位噪声性能受限于晶振的性能，生成的极高频信号的相位噪声性能差。用微波光子技术实现微波本振信号的生成可解决上述问题，同时实现极高频、低相噪微波信号的生成。常用的本振信号光学生成方法有外差法、外调制法和光电振荡器法。外差法生成微波本振信号需要对两个独立光源进行锁相控制，实现较复杂，对光源性能的要求亦较高；外调制法实现相对简单，无需复杂的光学锁相环控制；光电振荡器法在生成信号相位噪声方面有很大的优势。因此，本文针对外调制法和光电振荡器法进行研究，提出了两种光学本振生成方法[6-7]。

2.1.1 外调制法

外调制法是利用光外调制器的非线性传输特性，达到对输入电信号倍频，生成高频微波信号的方法。最简单的外调制系统是通过一个调制器实现二倍频或四倍频的电信号生成[8-9]。单个调制器实现信号生成的缺点是倍频因子较低，实现四倍频的方法需要光学滤波，限制了系统的频率可调谐性，增加了系统的复杂度。

为获得更高的倍频因子，本文提出了一种新型的基于两个级联MZ调制器的高频微波信号产生方法，其原理如图3所示。激光器输出的光信号输入级联的两个MZ调制器，射频源输出的低频电信号经功分器分成功率相等的两路分别输入两个MZ调制器的射频端口，其中一路通过一个移相器引入90°的相移，两个MZ调制器通过直流偏置电压均偏置在最大传输点。

图3 基于级联MZ调制器的微波本振信号产生原理Fig.3 Principle of microwave local oscillator signalgeneration based on cascaded MZ modulator

设输入MZ调制器1的光信号为

Ein=E0exp(jωct)；

(1)

输入MZ调制器1、2的射频信号分别为

VRF1(t)=VRFcos(ωmt)，

(2)

VRF2(t)=VRFsin(ωmt).

(3)

式中：E0为光信号的电场幅值；ωc为光信号角频率；VRF为射频信号电场幅值；ωm为射频信号角频率；t为时间；j为虚数单位。计算化简后，MZ调制器2输出的光信号可表示为

cos(mcos(ωmt))cos(msin(ωmt))=

(4)

式中：1-α2为调制器的插入损耗；m为调制指数，且m=πVRF/Vπ；Vπ为调制器半波电压；Jn为n阶第一类贝塞尔函数。

采用10 GHz的输入射频信号，由图3所示的系统可产生80 GHz的微波信号。采用VPI仿真软件仿真结果如图4所示。MZ调制器2输出的光信号光谱是光本振信号，在星上该信号即为通过光纤馈送的信号，由图4(a)可知：光谱中主要的光边带为间隔80 GHz的两个4阶边带，8阶光边带被抑制。该信号输入光电探测器，通过光电检测即可生成80 GHz的微波信号(如图4(b)所示)。

图4 仿真生成的信号 Fig.4 Signals by simulation

用该法生成微波信号的频率为输入射频信号的8倍，通过调节输入射频信号的频率即可调整生成微波信号的频率，系统的可调谐性较好，可由兆赫兹级至百吉赫兹级，这是传统微波技术难以实现的。

2.1.2 光电振荡器法

用光电振荡器产生微波信号与外调制法不同，它通过光电器件构成一闭合的光电环路，只要环路增益大于1，光电振荡器就可起振并最终形成稳定的振荡信号[10-12]。利用光电振荡器生成微波信号无需输入参考源，生成信号的相位噪声性能只取决于环路的Q因子，该特性可克服电学倍频方法生成信号的相位噪声取决于本振信号相位噪声的问题，这在极高频信号的生成中有较大的优势。

为实现高频率、低相噪的星上微波信号的生成，本文提出一种基于光电振荡器的微波信号生成方法，其原理如图5所示。激光器输出的光信号通过偏振控制器输入偏振调制器，调节偏振控制器使光信号的偏振方向与偏振调制器的一个主轴成45°角。偏振调制器输出的光信号通过光耦合器被分为强度相同的两路：一路通过一个偏振控制器输入一个起偏器，通过一段光纤传输后输入光电探测器1转换成电信号，再通过放大功分后反馈输入偏振调制器的射频端口，构成一光电振荡器环路；另一路光耦合器的输出通过另一个偏振控制器和起偏器输入MZ调制器，电功分器输出的另一路电信号通过电移相器移相后输入MZ调制器。MZ调制器的输出经光放大器放大后输入光电探测器2进行光电检测，产生所需的微波信号。

图5 基于光电振荡器的微波本振信号产生原理Fig.5 Principle of microwave local oscillator signalgeneration based on optoelectronic oscillator

基于图5的方案，通过设置偏振调制器和MZ调制器的各参数，以及移相器的相移，可在MZ调制器的输出端生成不同特性的光谱，分别实现对光电振荡器环路谐振信号的四倍频、六倍频和八倍频。基于上述方法产生的信号光谱如图6所示。由图6可知：不同的倍频数，生成光信号功率最大的两个光边带间隔也不同。

图6 产生光本振信号光谱图Fig.6 Optical spectra of optical signal generated

图6的光信号经光电探测器检测后即可生成相应频率的微波信号。在上述系统中，光电振荡器谐振频率为9.957 GHz，经四倍频、六倍频和八倍频后生成信号的频率分别为39.828，59.742，79.656 GHz。谐振信号、四倍频信号及六倍频信号的相位噪声测试结果如图7所示。

图7 生成微波信号相位噪声Fig.7 Phase noise of generated microwave signals

2.2 本振信号馈送

卫星通信系统中，本振信号由晶振锁相倍频后产生，星上各应用单元均需配置独立的本振信号生成部分；如采用集中式本振，需用电缆对电本振信号进行馈送，高频电缆的损耗可能大于1 dB/m，经馈送后会引入极大的差损，另外电缆网引入的巨大重量和电磁干扰也难以解决[13-14]。

2.2.1 损耗

采用集中式光本振信号，需通过光纤将本振信号传输至星上各应用单元。用1∶N的光功率分配器实现对生成本振信号分路，每路信号由光纤馈送至不同的远端应用单元。设输入光信号功率为P，光纤馈送距离为L，则经功率分配器和光纤馈送后每路光本振信号功率

P′=P-10×lgN-L×β.

(5)

式中：β为光纤的插入损耗，对波长1 550nm的标准单模光纤，一般取β=0.2 dB/km。考虑星上实际情况，L一般为米量级，故L×β项可忽略。此时，光本振信号经分路和馈送后的总损耗为-10lgN，即功率分配器的插入损耗。由表1可知：裸光纤质量仅70 g/km，实际使用的具有保护层的光纤质量仅11 kg/km，考虑256个远端应用单元，每单元馈送距离取最大4 m，需光纤11 kg，考虑光纤接头等，总质量不超过16 kg，远低于微波信号采用同轴电缆馈送。远端应用单元数量越多，光纤馈送的优势就越明显。

2.2.2 色散

光纤色散是指因为光脉冲中频率不同或模式在光纤中的传输速度不同，导致这些频率成分或模式到达光纤终端有先后，从而产生信号传播过程中的光脉冲展宽。色散大小一般用色散系数表示，定义为波长差为1 nm的两个光信号传输1 km距离所需的时间差。对常用的1 550 nm波段，色散系数一般为17 ps/(nm·km-1)。对星上米量级的应用，光纤色散的影响极小，可忽略。

采用集中式光本振光纤馈送技术能将多个远端应用单元中的本振信号功能集中化，降低每个远端单元的成本、重量及系统复杂度，是实现卫星通信系统(特别是未来极高频卫星通信系统)轻型化、小型化的一个可行解决方案。

3 结束语

针对传统电子技术在未来卫星通信系统向高频段、大带宽、多通道发展过程中面临的问题，本文基于微波光子技术研究了未来卫星通信系统中极高频微波本振信号的产生与馈送技术，提出了两种高频微波本振信号产生方法，并分析了高频微波本振信号光纤馈送中损耗和色散的影响。基于级联MZ调制器的微波本振信号生成方法，用低频的射频信号可生成八倍频的高频微波本振信号；基于光电振荡器的微波本振信号生成方法，无需输入射频信号即可产生光本振信号，且信号频率可为谐振信号频率的4，6，8倍。上述方案显著降低了系统对光电器件带宽的要求，对高频微波本振信号的生成有重要意义。在后续研究中，将进一步研究信号生成方案简化、生成信号频率提高和生成信号相位噪声降低。

基于微波光子技术的星上集中式本振信号生成与馈送技术在未来通信卫星系统中有广阔的应用前景，可实现多路不同频率本振信号的集中生成与馈送，不但可解决传统电子技术电子瓶颈的限制，而且能实现系统的轻型化和小型化，是未来卫星通信系统发展的趋势。另外，微波光子技术对微波频率透明的特点使该技术在未来多频段传输遥感卫星中有广阔的应用前景，不同频段的数传信号统一在一套微波光子系统中进行处理、传输，可避免为每个频段配置一套独立的发射系统，大幅降低系统的复杂度、成本和重量。随着各国对微波光子技术星上应用的深入研究及研究成果的实用化与工程化，未来微波光子技术星上大规模应用将成为现实，基于微波光子技术的星上载荷将为卫星系统带来实质性突破。

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A Study on High Quality Centralized Local Oscillator in Satellite

CHEN Yang, LIU Bo, WANG Tian-liang, GUO Jing-jing, ZHANG Heng

(Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 201109, China)

With the rapid development of satellite communication system towards high frequency, large bandwidth and multichannel, traditional microwave technology has been increasingly restricted by the electronic bottleneck in generating, distributing and switching of high frequency microwave signals. Microwave photonic is a feasible technique to solve the problems above. Optical generation and distribution of high quality centralized local oscillator were studied in this paper. Two high frequency microwave signal generation methods were researched. By using low frequency RF signal or even using no RF signal, high frequency microwave was generated, which greatly reduced the bandwidth requirement of the optical and electrical components. One was to generate frequency octupling microwave signal based on two cascaded MZ modulators. The frequency of the generated signal could be regulated by adjusting the frequency of the input RF signal. The system had good frequency tunability. The other was to generate microwave signal based on optoelectronic oscillator. By setting the parameters of polarizing modulator, Mach-Zehnder modulator and phase shifter, frequency quardrupling, frequency sextupling or frequency octupling microwave signal with respect to the resonance signal in optoelectronic oscillator loop could be generated. The influence of fiber loss and dispersion in high frequency microwave signals distribution were also analyzed. It found that the influence was very small, and the volume and weight could be greatly reduced by fiber distribution in satellite. The research provided the theoretical basis and technique support for application of microwave photonic in satellite.

Satellite system; Microwave photonics; High frequency microwave signals; Optoelectronic oscillator; Mach-Zehnder modulator; Photonic generation of microwave signal; Photonic distribution of microwave signal; Phase noise

1006-1630(2016)06-0038-06

2016-06-11；

2016-07-26

国家自然科学基金资助(61671305)

陈 阳(1986—)，男，博士，主要研究方向为微波光子技术和卫星数传系统。

TN913.7

A

10.19328/j.cnki.1006-1630.2016.06.005