光子射频干扰对消技术研究进展①

韩秀友，苏鑫鑫，付双林，谭庆贵，朱 舸，赵明山

(1. 大连理工大学 光电工程与仪器科学学院，大连 116024；2.中国空间技术研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

现代信息社会对于无线通信传输速率的需求越来越高，有限的频谱资源成为无线通信技术面临的最大挑战之一，增加网络容量、提高频谱利用效率成为无线通信技术研究的热点。与传统的频分双工(Frequency Division Duplex,FDD)和时分双工(Time Division Duplex,TDD)相比，同时同频全双工技术(In-Band Full-duplex，IBFD)在同一频带上同时进行信号的发送和接收，如图1所示，可以使频谱利用率和数据传输速率倍增，在新一代移动通信和卫星通信等领域具有极大的应用潜力[1-4]。然而，在全双工通信过程中，由于发射天线和接收天线的排列较近，发射天线发送的高功率信号会进入到接收天线，从而对接收天线接收的低功率有用信号产生干扰，甚至完全淹没低功率有用信号，这称为射频自干扰(RF Self-Interference)或共址干扰[5]。这种干扰与有用信号处于相同的频率，因此无法采用陷波滤波器将其滤除或采用窄带带通滤波器将有用信号选出。因此，射频自干扰是同时同频全双工技术应用必须解决的关键问题。

(a)频分双工 (b)时分双工 (c)同时同频全双工

射频自干扰消除可以采用空间消除、模拟域消除和数字域消除等方式[5]。空间消除是在干扰信号进入接收机之前，采用物理隔离、优化天线排列等方法进行干扰抑制[6]。模拟域消除是在模数转换之前，由发射端引出参考信号，其与接收通道的干扰信号合路时发生相干相消来抑制干扰[7]。数字域消除是以发射的数字信号为参考，从残余自干扰信号中估计自干扰信道的幅度因子和相位因子，重建数字自干扰消除信号，再与接收信号相减，将自干扰从总接收信号中减去[8]。通常将空间消除、模拟域消除和数字域消除这三种方法联合使用，以实现对射频自干扰的有效抑制，从而满足全双工通信干扰抑制的应用要求。模拟域消除是射频自干扰消除的重要环节，一方面需要将射频自干扰抑制到足够低的功率，以保障模数转换器工作在可允许的动态范围之内；另一方面模拟消除需要能够在足够大的带宽内对射频自干扰实现有效的抑制，以满足大带宽全双工通信应用的需求。然而，电学模拟域干扰消除方法受限于射频器件的工作带宽和幅相调节精度等限制，难以在大带宽内获得足够高的干扰抑制度。

光子射频干扰对消技术是光子技术在射频信号处理领域的重要应用，其充分发挥了光域微波信号处理的大带宽、高精度延时与幅度调控等优势，且该技术可以与微波光子变频、微波光纤传输等相结合，在基于同时同频全双工技术的移动通信、卫星通信、宽带无线接入网等领域极具性能优势和应用潜力，受到国内外科研人员和工业部门的极大关注，成为近年来微波光子技术研究的热点。

本文将介绍光子射频干扰对消的基本工作原理，对干扰抑制效果的影响因素，包括光域延时调控精度和幅度调控精度等，进行了仿真分析。从干扰对消相位反相条件的实现方法、多路径干扰消除方法、光子集成干扰对消芯片等三个方面总结了光子射频干扰对消技术的研究进展，给出该技术的发展趋势和实际应用中需要进一步考虑的问题。

1 光子射频干扰对消原理

1.1 光子射频干扰对消模型

基于光子射频干扰消除的同时同频全双工通信系统如图2所示，发射天线与接收天线处于同一平台，发射天线发出的高功率信号会串扰进入接收天线，对低功率的有用信号造成干扰。光子射频自干扰消除(Optical Self-Interference Cancellation,OSIC)系统中，天线接收的有用信号s(t)和干扰信号i(t)经电光调制单元转换至光域，称之为干扰支路。从发射端机(Tx)分出一路参考信号r(t)，经电光调制单元转换至光域，称之为参考支路。参考支路中光载射频信号经过可调光延时单元(Tunable Optical Delay Line,TODL)和光功率调节单元(Variable Optical Attenuator,VOA)与干扰支路的光载射频信号一同进入光电探测器(Photo detector,PD)进行光电转换。可调光延时单元和光功率调节单元分别对光载射频参考信号的延时与幅度进行调控，光电转换输出的参考信号与干扰信号在满足幅度相同、延时匹配和相位反相的条件下发生相干相消，干扰信号被消除，有用信号被恢复出来。

图2 基于光子射频自干扰消除的同时同频全双工通信系统结构框图

射频干扰信号和参考信号转换至光域的电光调制方式有多种，包括马赫-曾德尔调制器、电光调制、电吸收调制、电光相位调制等。这里以马赫-曾德尔调制器电光调制为例，建立光子射频干扰对消系统模型，给出干扰抑制度的定义以及数学表达式，对延时偏差、幅度偏差对干扰抑制度的影响进行仿真分析。

干扰支路和参考支路中的两个马赫-曾德尔电光调制器在推挽模式下工作，输出的光场分别表示为：

(1)

(2)

其中，E1，E2分别为光载波λ1，λ2的幅度，选择不同频率的光载波可以在两路合路时避免干涉。ω1=2πf1，ω2=2πf2，f1和f2分别为光载波λ1和λ2的频率；ωRF=2πfRF，fRF为两路输入RF信号的频率；m1和m2为两调制器的调制系数，m1=πVi/VπRF1，m2=πVr/VπRF2,Vi和Vr为射频干扰信号和参考信号的电压，VπRF1和VπRF2分别为两个调制器的射频半波电压；θ1和θ2为直流偏置电压产生的附加相位，θ1=VDC1/Vπ1，θ2=VDC2/Vπ2，VDC1和VDC2为调制器的直流偏置电压，Vπ1和Vπ2分别为两个调制器的直流半波电压。为简化分析，公式(1)中暂时没有考虑低功率的有用信号。

利用Jacobi-Anger公式展开，考虑0阶和±1阶项，则式(1)和(2)分别表示为：

(3)

(4)

其中，J0和J1分别为0阶和1阶第一类贝塞尔函数。

为了获得射频干扰信号与参考信号之间的相位反相关系，可以通过设置直流偏置电压，使得两个调制器分别工作的正负斜率的偏置正交点，即θ1=-π/4，θ2=π/4。参考支路中的光载射频信号经历延时与幅度调节，则(3)和(4)式表示为：

(5)

(6)

其中，α为光功率衰减系数，τ为光延时调谐量。干扰支路的光载射频信号和参考支路的光载射频信号经光耦合器后进入光电探测器进行光电转换，输出得到的射频干扰信号和参考信号分别为：

iout(t)=A1cos(ωRFt)

(7)

rout(t′+τ)=-A2cos[ωRF(t′+τ)]

(8)

其中，A1和A2分别是光电探测后输出射频干扰信号和参考信号的幅度。

(9)

(10)

其中ρ为PD的响应度。通过公式(7)～(10)可以看出，通过调节参考支路的光载射频信号的幅度和延时，当满足如下关系时，射频干扰信号被参考信号抵消，从而恢复出有用信号。

A1=A2

(11)

t=t′+τ

(12)

为了表征光子射频自干扰消除系统的性能，定义消除深度(Cancellation Depth，CD)为进入干扰信号经过干扰抑制系统后残留功率的平均值与进入系统之前干扰信号功率平均值之比，其表达式为：

(13)

(14)

1.2 光子射频干扰消除性能分析

从(14)式可以看出，参考信号与干扰信号之间的延时偏差和幅度偏差是影响干扰消除深度的主要因素，并且不同频率、不同带宽下的影响结果会有所不同，下面对这些因素的影响进行仿真分析。

1.2.1 延时偏差对干扰消除性能的影响

假设幅度匹配，即Δα=0dB，分析延时偏差对干扰消除性能的影响。图3给出了1GHz带宽下，中心频率分别为1GHz，5GHz，9GHz，13GHz和17GHz时消除深度随延时偏差的响应。从图3可以看出，在0-1ps的延时偏差范围内，一定的中心频率下，消除深度随延时偏差的增大而劣化。对于相同的延时偏差，当中心频率增加时，消除深度会变差。在实际系统中，延时偏差由可调光延时线的调节精度决定。高调节精度的延时线可以降低参考支路与干扰支路的延时偏差，从而实现更好的干扰消除深度。

图3 不同频率，1ps延时偏差下的消除深度仿真

1.2.2 幅度偏差对自干扰消除性能的影响

图4所示给出当延时偏差分别为0.1ps和0.01ps时，在1GHz带宽、不同的中心频率下得到消除深度随幅度偏差的响应关系，其中蓝色实线表示延时偏差为0.1ps对应的对消深度，红色虚线表示延时偏差为0.01ps对应的对消深度。显然，0.01ps的延时偏差下的消除深度优于0.1ps处的值，二者的差别在较小的幅度偏差下更为明显。在同一中心频率下，随着幅度偏差从0.01dB增至1dB，消除深度逐渐劣化。因此，实现高精度的幅度调谐是自干扰对消系统中的必要条件。系统链路中各个器件不同的幅度响应会导致干扰支路与参考支路的幅度响应不平坦，尤其是在大带宽下，两支路幅度响应不匹配成为限制消除深度的重要因素。

图4 不同频率下幅度不匹配对消除深度的影响

1.2.3 相位偏差对自干扰消除性能的影响

除了延时偏差以及幅度偏差影响系统的自干扰消除性能之外，系统中所使用的光电器件和射频器件所带来的附加相位会在一定程度上影响两支路之间的反相匹配关系。如式(15)，单频率下信号的延时和相位是成正比的，调节延时相当于调节相位值。但对于宽带信号，调节延时对整个带宽信号的延时改变量是相同的，因此对带宽内不同频率下的相位改变量是不同的。系统中的附加相位会使得宽带内不同频率下的附加相位值不同，这也会影响参考支路与干扰支路的反相效果，单独的延时调节难以补偿，需要一定的措施进行相位补偿。因此，相位偏差也是影响消除深度的一个重要因素。在自干扰消除系统中可以通过设计优化各个单元器件的性能来降低其附加相位值，或者再增加相位调节单元来进行相位补偿。根据延时偏差与相位偏差的关系，在(14)式中增加相位偏差量，即可得到相位偏差量与自干扰消除深度的关系。

Δφ=2πfΔτ

(15)

图5仿真分析了(1 ps，1 dB)，(0.1 ps，0.1 dB)，(0.01 ps，0.01 dB)和(0.001ps，0.001 dB)四组不同的延迟和幅度偏差下，附加相位值对消除深度的影响。可以看出，在±5°的相位偏差范围内，随着延迟和幅度失配的减小，消除深度会越来越好。当延迟失配和幅度失配分别小于0.1 ps和0.1 dB时，消除深度优于-30 dB，此时相位偏差起主要作用。相位偏差值越低，即越接近于0°时，消除深度越好。

图5 不同频率下相位偏差对消除深度的影响

2 光子射频自干扰消除的相位反相方法

当参考信号与干扰信号之间满足幅度相同、延时匹配和相位反相的条件，二者可以相互抵消，则自干扰会被有效抑制。人们研究了基于MEMS可调光衰减器、半导体光放大器增益等幅度调控方法，以及基于可调光延时线的延时调控方法。这里对实现参考信号与干扰信号之间相位反相的方案进行归纳总结，可以分为电学反相方法和光学反相方法两类。

2.1 电学方法实现相位反相

电学反相方法是指在射频域将某一路信号施加π的相位，使其与原信号的相位相反。巴伦(Balun)是一种将输入信号转换为差分输出的器件，在频域中，这表示两个输出信号之间具有π的相位差。巴伦结构如图6(a)所示，有一个输入端和两个输出端，两个输出端的输出信号幅度相等、相位相反。文献[10]和[11]所提出的光学自干扰消除方案中均采用了巴伦来实现参考信号与干扰信号之间的相位反相。

除了巴伦外，平衡光电探测器(Balanced Photodetector,BPD)是另一种在电域内实现射频信号反相的方法。BPD的结构如图6(b)所示，采用双光电二极管接收光信号并进行光电转换，由于两个光电二极管是并联反向偏置，所以输出的两路电信号具有π的相位差。在文献[12]采用两个电吸收调制器(EAM)与BPD构成了光子射频自干扰消除系统，文献[13]采用两个直调激光器和BPD构成光子射频自干扰消除系统。

图6 实现相位反相的光电器件结构

2.2 光学方法实现相位反相

光学反相方法即通过电光调制、光域选频或光域相位调控等方式使两路信号相位相反。利用两个马赫-曾德尔调制器(MZM)偏置在相反的正交点处可实现信号的反相[14,15]。如图7所示，MZM的透射率曲线类似于余弦平方函数，将其中一个MZM偏置在透射率曲线正斜率正交点，另一个MZM偏置在曲线负斜率正交点，二者分别对参考信号和干扰信号进行正正交调制和负正交调制以实现反相。与之原理类似的还有双平行的偏振调制器(DP-PolM)加偏振合束器(PBC)的方案[16]，它可以通过控制参考支路的偏振分量同时实现幅度调节。由马赫-曾德尔调制器组成的双驱动马赫-曾德尔调制器(DD-MZM)[17,18]、双平行马赫-曾德尔调制器(DP-MZM)[19-21]的射频自干扰对消方案也相继提出。上述各种方案中，主要是通过调制器的偏置工作点调控来实现反相，在实际应用中需要对调制器的偏置点进行精确控制，以保障系统工作的稳定性。

图7 基于反向正交点偏置的双MZM对消系统

笔者课题组提出了基于相位调制和光学单边带滤波的光学射频自干扰消除方案[23,24]该方案利用电光相位调制输出上下奇数阶边带相位相反的特性[22]来获得参考信号与干扰信号的相位反相关系。图8给出了相位调制和光学单边带滤波的射频干扰对消工作原理，参考信号和干扰信号分别由相位调制器(PM)调制到上下光路上，对参考信号进行光域延时与幅度调节，然后光载射频干扰信号和光载射频参考信号合路进入光学滤波器，光学滤波器分别滤除两路的左、右边带，得到单边带信号，然后进入光电探测器进行光电转换和干扰对消。该方案的优点在于不需要偏置点控制，简化了系统的结构并提高工作的稳定性，并且可以基于波分复用技术实现多路干扰消除[25](在后面的3.3节中有详细介绍)。当然，由于光学滤波器的边沿陡峭度影响，该方案更适用于高频段全双工干扰消除的应用。

图8 基于相位调制和光学单边带滤波的光学射频自干扰消除方案

文献[26]研究了利用半导体光放大器(Semiconductor Optical Amplifier,SOA)的交叉增益调制特性(cross-gain modulation, XGM)来实现反相的方法。如图9所示，SOA通过偏置电流和输入光载波λ1的功率来控制射频信号的幅度和延时，同时，SOA反向输入第二个光载波λ2，使得λ1所带的光信号通过XGM调制到λ2上，从而实现RF信号的反相。这一方案中SOA的响应时间在纳秒量级，可以实现幅度与延时的快速调节，但SOA所带来的噪声与非线性效应会在一定程度上影响宽带范围内的干扰消除效果。

图9 基于SOA交叉增益调制的光子射频自干扰消除方案[26]

对上述各种不同反相方法的光子射频自干扰消除系统实验测试的结果归纳于表1，包括系统的中心频率、工作带宽以及消除深度。从表1中可以看出，多数系统的工作带宽都在百兆赫兹，并能实现30dB左右的消除结果，这体现出光子射频干扰对消技术的大带宽，高消除深度的优势。

表1 不同相位反相方法的光子射频自干扰消除结果

注：*标记处表示方案中的频率是进行了下变频处理。

3 多路径射频自干扰消除

以上介绍的光子射频自干扰消除方案，研究工作主要是针对单路径的射频自干扰进行抑制，以验证方案的可行性。在实际的全双工通信过程中，发射天线发出的高功率信号除了直接耦合进入接收天线之外，还有可能会经过不同路径的多次反射进入接收天线，即存在多路径干扰。因此，要实现全双工通信技术的应用，必须要解决多路径射频自干扰问题。以下介绍几种代表性的光子射频多路径干扰消除的方案。

3.1 基于SM-MM耦合器合路的多路干扰消除

文献[27]研究了基于光学分路生成多路参考信号、采用单模至多模(Single-Mode to Multi-Mode,SM-MM)耦合器进行合路的光子射频多路干扰消除方案，如图10所示，此方案中两个MZM电光调制器分别偏置在正负相反的正交偏置点，以实现信号反相关系。由发射端引出的参考信号经MZM调制到光载波上，然后经光耦合器分成多路，各路光载射频参考信号经历不同的延时和幅度调节，再与光载射频干扰信号由SM-MM耦合器合在一起进入多模光电探测器进行光电转换和射频干扰对消。SM-MM耦合器将每路单模光纤传输的光载射频信号映射到多模光纤的正交空间模式中[28]，使多路参考信号可以共用同一光源的光载波，且避免了同频光波合路时的相干拍频噪声的影响。然而，该方案抑制干扰路径的数量受到SM-MM耦合器能够实现正交空间模式耦合数量的限制。

图10 基于SM-MM耦合器合路的多路干扰消除系统框图[27]

3.2 基于色散效应的多径干扰消除

文献[29]研究了基于色散效应的光学多径射频干扰消除方案。如图11所示，使用偏振调制器(PolM)和偏振控制器(PC)构成等效马赫-曾德调制器[30]，通过调整PolM的直流偏置，可将两个等效强度调制器偏置在正负斜率的正交偏置点来获得反相。由发射端引出的参考信号调制到可调谐激光器(TL)输出不同波长的光载波上，构成多路参考信号。利用色散元件(Dispersion Element, DE)的色散特性，通过改变每条路径的激光器波长来调节延时，改变激光器的光功率来调节幅度，而无需使用VOA和TODL，在一定程度上简化了系统结构。由于色散元件的使用，会存在由于色散导致的射频信号功率衰减问题，在高频段全双工应用时需要加以考虑。

图11 基于色散机制的多径干扰消除系统框图[29]

3.3 波分复用多路径消除

在“相位调制+光学边带滤波”自干扰消除方案有效性获得实验验证的基础上[22，23]，笔者课题组研究了波分复用的多路径干扰消除方案[25]。该方案采用光谱整形技术实现多路参考信号的边带滤波与幅度调节，如图12所示，参考信号经相位调制到多个不同波长的光载波上构成多路参考信号，进入光处理器，利用衍射光栅和硅上固态液晶(LCoS)光学处理机制[31]同时实现幅度调节和边带滤波，使得系统更加集成化。该方案实验上获得了中心频率10GHz，100MHz带宽条件下28dB的消除深度，并进行了全双工通信有用信号的恢复能力测试研究。该波分复用方案需要多个激光光源和多个相位调制器构成多路参考支出，在一定程度上会增加系统的复杂性。

图12 基于相位调制与波分复用的光学多路干扰消除系统框图[25]

3.4 基于光纤光栅延时结构的多路干扰消除

文献[32]研究了利用光纤布拉格光栅(FBG)进行延时调节的多路径自干扰消除方案。如图13所示，采用90°混合耦合器将输入的射频信号分成I分量(上半部分)和Q分量(下半部分)，将每个分量通过MZM的差分输出来实现180°的相位反相。在一根光纤上制备多个不同反射中心波长的级联FBG，各个FBG通过一定长度的光纤连接，改变可调谐激光器输出光波的波长，使得光载射频信号经过不同长度的光纤传播，被对应波长的FBG反射，获得多个抽头，进而实现延时量的调节。采用多个可调谐激光器，则可以构成多路参考支路，通过可调谐光衰减器进行每一路的幅度调节，进而实现多路径的干扰消除。实验上建立了20个FBG抽头的干扰消除系统，实现了中心频率在0.5GHz-5.5GHz的范围内，带宽分别为500 MHz和1 GHz时平均25dB和20dB的消除深度。该方案采用FBG作为时间抽头，采用成熟的紫外写入工艺在一根光纤上制备多个FBG，具有大延时调节范围和低光学损耗的优势。目前该方案的延时调节是离散的，相关研究工作正在进行之中[33]。

图13 基于FBG延时线的光学多径干扰消除系统框图[33]

4 光子集成干扰对消芯片

微波光子集成是微波光子技术发展的趋势，也是微波光子技术在满足小型化、轻量化、低功耗载荷平台应用需求的有效解决方案之一。光子射频自干扰消除技术在5G &Beyond 和6G等新一代无线通信中得以应用，也需要进行片上光子集成研究。

4.1 基于磷化铟(InP)的光子集成对消芯片

磷化铟(InP)是一种有源光子集成材料，具有集成度高、尺寸小的优势。文献[34][35]报道了基于磷化铟(InP)平台的光子集成对消芯片。如图14所示，InP芯片上集成了光源、半导体光放大器、光电探测器等器件，对外只有射频端输入端和射频输出端。光源为分布式反馈(DFB)激光器，通过直接调制方式把天线接收的RX信号(包括有用信号和干扰信号)与发射端引出的参考信号调制到光载波上。光载射频RX信号经过SOA放大后输入至平衡光电探测器的上支路端口。光载射频参考信号通过两个级联SOA输入至到平衡光电探测器的下支路端口，光电探测得到射频信号相减输出。通过改变级联SOA的驱动电压，可以调节光载射频参考信号的振幅和延时，达到参考支路与干扰支路的对消匹配条件。实验测试结果表明，该光子集成对消芯片实现了中心频率1.963GHz和带宽20MHz条件下，约40dB的消除深度。

图14 基于磷化铟的光子集成对消芯片的方案框图和光学显微镜照片[34]

4.2 基于SOI的光子集成对消芯片

SOI(Silicon-On-Insulator)光子集成波导具有与CMOS工艺相兼容的大规模集成优势。本课题组近期开展了基于SOI硅光工艺平台的光子集成干扰对消芯片研究。如图15(a)所示，采用硅光工艺把电光调制器、可调光延时线、可调光衰减器、光学滤波器和光电探测器等功能器件集成到同一芯片上[36]。延时调节功能由级联波导微环构成的光延时线实现，幅度调节功能由马赫-曾德干涉结构的可调光衰减器来实现，光学边带滤波功能由微环辅助马赫-曾德干涉结构的滤波器来实现。通过优化设计上述各个功能单元，制备出了SOI光子集成对消芯片[37]，如图15(b)所示，相关性能测试表征正在进行之中。

(a)结构示意图

(b)芯片照片

5 总结与展望

本文介绍了光子射频自干扰对消的基本原理，建立了光子射频自干扰消除模型，仿真分析了延时偏差和幅度偏差对干扰消除效果的影响。综述了电学方法和光学方法实现干扰对消相位反相条件的不同方案。针对实际全双工通信应用中的多路干扰问题，总结了SM-MM耦合器合路、色散效应、波分复用、光纤光栅延时结构等光学多路射频干扰消除方案，分析了其优势和不足。最后介绍了基于InP波导和SOI波导的光子集成干扰对消芯片研究的最新进展。

通过近年来光子射频干扰对消技术发展可以看出，该技术得到国内外科研机构的极大关注，展现出宽频段、大带宽、高干扰抑制度的优势，在新一代全双工无线通信领域具有广阔的应用前景。当然，该技术的应用还有较多的问题需要进行深入研究与探索，主要包括以下几个方面。

(1)光子射频干扰消除的自适应反馈控制算法研究。在实际的全双工通信应用中，射频干扰信号的幅度、延时和相位等参数会随着环境因素的变化而发生改变，从而需要进行实时的匹配调节。目前文献报道的研究工作中，大多是在实验室平台上通过手动调节来达到干扰消除的最佳状态。因此必须采用自适应反馈控制算法对光子射频自干扰消除系统中的幅度、延时和相位调节单元进行反馈控制[38-40]，以满足系统的环境适用要求。

(2)实际全双工通信功能的验证。光子射频干扰对消技术最终的应用目标是实现同时同频全双工通信功能，目前报道的大部分工作重点集中在光子射频干扰技术对干扰信号的抑制效果方面的研究，有少部分工作进行了全双工通信功能的验证[17,25]，或实际外场的天线发射和接收试验[11]。因此还需要投入更多的精力研究其在实际全双工通信系统中的可行性，以推进光子射频干扰对消技术的实用化。

(3)与新一代宽带无线接入网技术的融合。随着5G技术应用的快速推广以及6G先进技术的发展，光子射频干扰对消技术可以和天线拉远系统[21]、变频处理系统[41,420]等新一代宽带无线接入网技术相融合，提升接入网的频谱利用率和传输性能。