基于微波光子的宽带I/Q混频技术

郑　月，李建强，吕　强，戴一堂，尹飞飞，徐　坤

(1.北京邮电大学 信息光子学与光通信国家重点实验室，北京100876；2.中国电子科技集团公司 航天信息应用技术重点实验室，河北 石家庄 050081；3.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)



基于微波光子的宽带I/Q混频技术

郑月1，李建强1，吕强2,3，戴一堂1，尹飞飞1，徐坤1

(1.北京邮电大学 信息光子学与光通信国家重点实验室，北京100876；2.中国电子科技集团公司 航天信息应用技术重点实验室，河北 石家庄 050081；3.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

针对传统射频前端在体积、重量、功耗和带宽等方面存在的诸多限制，研究面向通用一体化射频前端应用的微波光子技术。简要介绍了射频前端混频技术，对超外差和零中频这2种混频方式进行了对比分析，重点对混频用到的主要微波光子技术进行了详细说明，并引入软件无线电的概念，提出了基于微波光子的宽带I/Q混频技术。该技术利用光的宽带处理能力，可以支持L波段至Ka波段任一频段的宽带信号解调，该混频装置兼容软件无线电平台。

微波光子；零中频；I/Q混频；射频前端

0　引言

随着通信系统容量需求及未来业务的不断扩展[1]，射频前端需具备处理高频率、多频段宽带信号的收发能力以及通用化、灵活可重配置能力，因此提出一体化射频系统的设计构想。混频器作为射频前端的重要组成部分，需要支持多个频段宽带信号的频率变换。为实现超宽带的模拟信号处理，射频前端需配置多种频段的混频模块。为获得较高的性能指标，需要进行多级变频和滤波处理，导致整个模块复杂度增加。

通过引入微波光子技术实现信号的混频，有着带宽高、抗电磁干扰、并行处理能力强等诸多优势[2]。另一方面，I/Q混频采用零中频结构，只需一级变频，比超外差结构更为简单、集成度高，无需考虑镜频干扰。同时，软件无线电(SDR)平台可供用户根据需求对混频器进行灵活配置。因此兼容软件无线电平台的微波光子宽带I/Q混频技术在射频前端一体化中具有巨大的潜力和优势。

1　微波光子I/Q混频技术

1.1I/Q混频

目前接收机根据混频方式的不同，主要分为超外差接收机和零中频接收机2种。超外差接收机的结构中需要采用多级混频，而零中频接收机的结构中，混频器将信号直接IQ解调到基带。超外差接收机中二级变频带来的最大问题是镜频干扰，镜像抑制技术也无法将这种干扰完全抑制，而零中频接收机中的这种I/Q混频方式则不会出现镜频干扰问题，只需要一级混频设备，体积、功耗比起超外差接收机都有较大的优势，可以说是目前集成度最高的一种接收机[3]。

然而传统微波领域的I/Q混频技术受限于电子特性，如果到了高频段，零中频接收机的设计将变得非常复杂、困难。因为随着频率提高，IQ解调所用到的本振很难做到正交，因而无法处理高频段的宽带射频信号[5]。随着通信系统功能、业务和频段的不断增加，对数据传输和处理的数量也在迅速增长，如果还使用传统的微波技术，则需要大量不同的射频前端，无法重配置，升级困难。同时，在系统性能上，基于纯微波技术的I/Q混频器还会出现以下几个方面的问题：

① 本振泄漏。本振信号辐到射频输入端会和自身混频产生直流，随本振的泄漏程度而改变，难以估计和消除。

② 闪烁噪声。由介质导电性能的起伏引起，是半导体器件固有的缺陷。

③ 由上下2路不一致引起的IQ失配和偶次失真等问题[4]。而利用光纤的高隔离度可以解决传统微波领域I/Q混频技术中的本振泄漏等问题，让混频链路较少地受到电子限制及干扰，在光上实现IQ解调还不受频率的限制，IQ失配和偶次失真不会随着射频频率提高而明显增加，是一种具有天然优势的解决方案。

1.2电光调制

要借助光来解决混频问题，首先要将微波信号调制到光载波上。电光调制主要分为直接调制和外调制，外调制具有更高的调制效率和动态范围。电光外调制器已经做到上百吉的带宽，能够实现多波段的宽带信号的电光调制，对宽带微波光子混频具有重要支持作用。电光外调制器主要有相位调制器和幅度调制的马赫-曾德尔调制器。相位调制器使用起来简单，只需将微波信号加在调制器上，缺点是只有一种工作方式，载波功率大于边带功率，难以滤除。实验证明当采用并联结构时，上下2路时延差的变化会使2路光载波产生一定的相差，加上链路中时变相噪的影响，导致干涉现象的产生，其结果是拍频后所得信号的功率值会大幅度抖动，难以获得稳定的信号。马赫-曾德尔调制器通过控制加在两臂上的信号和直流偏置，可以工作在双边带、单边带和抑制载波双边带这3种模式下[6]，要稳定在单边带或抑制载波模式都需要一个偏置电路控制，结构较为复杂，且偏置电路会引入一些杂散分量。而带来的好处是当设置在抑制载波双边带模式时，理想情况下光谱上至剩下2个信号的边带，不再需要滤除光载波，同时2个边带的频率间隔为微波信号频率的2倍，这就大大降低了对滤波器的要求，同时也提高了隔离度。

1.3光滤波

电光调制后会出现2个或多个信号边带，光载波也不能完全抑制，为了让进入光电探测的光信号尽可能“纯净”，减少杂散分量，可以使用光滤波器。又为了实现宽带信号在各个频段的处理，希望光上的滤波器在多个频段间可以调节。可调光纤滤波器有光纤布拉格光栅(FBG)滤波器、 F-P 滤波器、声光滤波器和电光滤波器等。其中FBG 滤波器是一种在线反射式光无源器件，其纤芯中折射率按周期性分布，通过增加光纤光栅的长度可以提高光谱的选择性，减少3 dB带宽[7]。因此这种滤波方式具有较低插损，对偏振不敏感，方便与普通光纤接链接，并且光谱上的带宽和频率可以动态控制，利于实现对不同频段调制到光上边带的滤出。目前的FBG滤波器已经可以做到1G带宽、带外抑制30 dB。传统微波滤波器的制作中频率和带宽是主要的矛盾，而FBG滤波器的使用使得这一矛盾得以克服，在大范围的频率范围内都可以达到相同的窄带滤波性能。窄带可调谐光上滤波的实现使混频装置得以通用和可重配置。

1.4光电检测

光上处理完成后需要转换成电信号得到混频输出。光电检测利用的是光电效应，一般通过PN结将光信号转换成电信号。常用光电检测器的有光电二极管(PD)和雪崩光电二极管(APD)。光生电流的大小和入射光功率成正比，比值为光电转换效率，常用响应度来衡量，响应度越大输出电信号功率的增益越大[8]。由于光电流与入射光功率成正比，光上功率的增长可以带来电上功率的双倍增长。因此在光电探测前使用光放大技术可以极大提高探测输出电信号的增益，也提高了链路的增益指标。

1.5软件无线电

软件无线电技术使用现代化软件来控制传统的硬件电路的无线通信，许多功能由软件实现，是软件化、计算密集型的操作形式。而基于软件无线电的通信系统不仅可以充分利用射频信号中的大量信息，评估传输质量，分析信道特点，实时采用最佳接入模式，灵活分配无线资源，还可以通过软件对通信系统实施远程控制，切换通信模式、修改系统配置、完成系统升级，实现移动通信系统的动态管理和优化，为系统规划和网络性能优化提供更有效的手段[9]。

2　基于微波光子的宽带通用I/Q混频方案

总体I/Q混频技术方案如图1所示，主要包括：激光产生、电光调制及光上处理、光电探测及电上处理3个部分，光上的处理包括移相、耦合和交换等，可以产生相差90°的光载本振信号，实现零中频的混频过程。

图1　兼容软件无线电平台的微波光子宽带I/Q混频方案

整个系统的输入为需要进行混频的微波信号，输出为经过混频的IQ解调信号。方案中，利用激光源产生一定频率的激光，将激光分成并行的2路，2路都经过一个电光调制及光上处理模块，其中一路的射频端口输入本振信号，另一路的射频端口输入需要进行混频的微波信号，电光调制器将本振信号和系统输入的微波信号分别调制到并行的2路上。在光上对调制产生的各分量进行处理，尽量仅保留需要的信号边带而对其他分量进行抑制。接下来，并行2路处理后的光信号同时进入电光探测模块，通过对2路的移相、耦合等操作，让光上加载的输入微波信号和本振信号拍频，最终完成混频过程，输出所需的变频信号。输入的微波信号可以是射频信号，混频实现IQ解调；输入的微波信号也可以是基频的2路信号，混频实现高频的IQ调制。

在I/Q混频中应用微波光子技术，利用光的高频宽带特性及日益成熟的电光调制和光上滤波等技术，实现任意频段到任意频段宽带信号的频率变换，同时可以兼容软件无线电平台，大大增强了射频前端的通用性。在兼容软件无线电平台的微波光子I/Q混频器中，管理者可以在远程通过软件修改其中的本振频率、滤波频率和带宽，以适应不同频段的频率变换。同时当硬件满足通用条件，即可以支持宽带、多频段时，软件无线电系统还可以利用A/D/A转换器件实现模拟和数字的转换，对解调下来的I/Q两路数据在数字域进行信号处理[10]，恢复出原始信号。利用微波光子实现的I/Q混频，使得信号被直接解调至基带，对A/D/A转换器件的要求也有所降低。一方面，混频装置的通用化为软件无线电控制提供了基础和平台，另一方面，软件无线电的应用又为混频装置提供了可远程控制可重配置的功能，二者相辅相成相得益彰。

总之，零中频的混频方式结构简单，体积功耗较小。基于微波光子的I/Q混频装置，具有大带宽、高频率、高电磁隔离和高动态范围的特点。借助软件无线电平台，可以实现混频装置的灵活配置，实现动态可重构。

3　仿真结果

使用VPItransmissionMaker根据上述变频方案进行仿真，输入光功率设置为100 mW，在光电探测后使用20 dB的电放大器，测量混频方案的链路性能及系统性能。在微波输入端输入单载波信号，测量得到链路增益(G)为-27 dB，噪声系数(NF)为40 dB。在微波输入端输入双音信号，输出的一阶及三阶分量拟合如图2所示，噪声主要由激光器和探测器引入，噪底测得-161 dBm/Hz，SFDR计算结果为118 dB·Hz2/3。随着输入微波信号的频率在0～40 GHz改变，以上测量指标的波动在0.5 dB以内。在微波输入端输入QPSK信号，输出的I/Q两路进行信号恢复得到星座图如图3所示。

图2　混频链路的SFDR

图3 混频输出的QPSK信号星座

EVM测量值为5.0%。随着输入QPSK信号的频率在0～40 GHz改变，EVM的波动在0.3%以内。

仿真结果显示了微波光子技术在I/Q混频中的优势，能够适应多个频段调制信号的直接下变换，链路性能不会随着频率的增高而改变。同时结果也证明了微波光子混频在动态范围上的巨大优势。由于微波光子器件的无源特性，实现的混频装置目前还存在着变频增益较小等问题。下一步的研究也需要进一步提高混频链路的性能。

4　结束语

面对通信系统中面临的射频前端冗余、固定、体积功耗过大、系统难以扩展和升级困难等问题，亟需寻找一种灵活、可重配置的射频前端解决方案，尤其是占主要地位的混频装置。为了突破传统微波混频方案中的电子瓶颈，引入微波光子技术，应用到在体积功耗、集成度上都占优势的I/Q混频当中，实现至高频任意频段宽带信号的直接IQ解调，可以使整个混频装置更通用，让软件无线电技术的应用成为可能。结合软件无线电技术，可以使射频前端中的混频装置极大程度地增加灵活性、通用性，使远程配置和升级成为可能。兼容软件无线电的微波光子混频技术是未来潮流，是射频前端一体化的必然趋势。

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郑月女，(1992—)，硕士研究生，信息与通信工程专业。主要研究方向：微波光子混频技术。

李建强男，(1983—)，博士，副教授。主要研究方向：微波光子学在光纤无线融合、天地一体化网络和物联网等。

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

国家自然科学基金资助项目(61431003，6302086,61401411)；中国电子科技集团公司创新基金资助项目；中国电子科技集团公司航天信息应用技术重点实验室开放课题资助项目。

TN856

A

1003-3106(2016)09-0020-04

引用格式：郑月,李建强,吕强,等.基于微波光子的宽带I/Q混频技术[J].无线电工程,2016,46(9):20-23.