基于光频率梳的宽带微波光子镜像抑制下变频①

马佳琳，文爱军

(西安电子科技大学单位 综合业务网理论与关键技术国家重点实验室实验室，西安 710071)

0 引言

随着雷达和通信信息的快速增长，需要处理的信号带宽已达几吉赫兹甚至几十吉赫兹[1]，传统的微波混频技术面临带宽受限，调谐能力差，电磁干扰等瓶颈[2,3]。而微波光子技术可以很好的解决这些难题，因此受到广泛关注。微波光子技术是微波技术与光子学的结合：即将微波信号调制在光载波上，在光域上处理并最终转化为电信号的一种方法。例如：常用的1550nm处1nm的频率范围为125GHz，足以覆盖全波段。除此以外微波光子技术还具有损耗低、抗电磁干扰、低相位噪声、大动态范围等优点[4,5]。

近年来，微波光子宽带下变频技术由于良好的性能指标引起人们的广泛关注[6-10]。按照方案的实现原理可以大致分为两个大类，一类是基于四波混频技术的信道化理论，如文献[6]，利用两个泵浦光源和一段高度非线性光纤 (HNLF) 产生的四波混频来生成多个载频波。通过任意波形发生器(AWG)改变种子激光器的输出光载波的频率，从而达到调谐的目的，但是该方案需要满足能量守衡,动量守恒以及色散方程中的频率分量，也要满足四波混频效应的条件，而且此方案调谐比较困难；另一类是基于多个马增调制器级联生成的光频梳 (OFC)技术[7,8]，由于此OFC是由单个激光器驱动，生成的每根梳状线都具有相干性和低相位噪声的特点，并且可以通过改变本振信号的频率来调整光频梳的间隔。光频梳的存在相当于将整个频带划分为多个频带，每根光频梳的线就相当于本频段的本振信号(LO)。接收到的微波信号与光频梳拍频，随后经过滤波器下变频为中频信号 (IF)。在文献[7]中，通过调节光频梳的输入频率，生成不同间隔的光频梳，使得接收到的RF信号落在OFC的频率范围内，最后通过PD拍频和低通滤波后，产生IF信号。在文献[8]中，通过PM与OBPF级联产生正一阶边带的频移，随后作为光载波注入级联IMs生成频移的OFC。通过扫描OFC的频率，接收到的射频信号可以下变频到指定频率范围。虽然以上两组方案都是基于光频梳实现宽带微波信号下变频的，但是都没有考虑镜像信号干扰。

文章提出了一种基于光频梳的宽带信号镜像抑制下变频的新方法。IM1生成的抑制载波双边带(DSB-CS)通过环形器 (OC) 和光滤波器 (FBG) 将-1阶边带和+1阶边带分别送入上下两路，对上下两路进行移频，使得RF信号的+1阶边带落在OFC的带内且-1阶边带落在OFC带外。随后，上下两路信号送入90°光耦合器生成相互正交的IQ光信号，经过平衡光电探测器(BPD)的光电转换生成电信号。最后，通过低频90°耦合器生成镜像抑制的下变频信号。

1 基于微波光子技术的宽带镜像抑制下变频方案原理

图1 宽带镜像抑制下变频方案示意图

基于微波光子的宽带镜像抑制下变频的方案原理如图1所示，此方案主要由激光器(LD, Laser Diode)、OFC、IM、90°光耦合器(90° OHC)，光电平衡探测器 (BPD)，90° 低通电耦合器构成。激光器输出的线偏振光注入IM1，设输入到IM1的光载波表示为Ein(t)=E0exp(jωct)，其中E0和ωc分别为光载波的幅值和角频率，在IM1的射频端加载本振信号VLO1sin(ωLO1t)，其中VLO和ωLO1分别为本振信号的幅值和频率，调整IM1上的电压偏置在最小点，产生如图1 (a) 所示的抑制载波双边带信号，输出光信号表达式可以写为：

(1)

其中mLO1=πVLO1/Vπ是本振信号LO1的调制指数(Modulation Index, MI)，Jn(·)表示第一类 n 阶 Bessel 函数，由于输入的射频信号的功率比较小，可以忽略掉高阶边带。

IM1输出的光信号从三端口光环形器1端口输入，2端口输出之后连接一个布拉格光纤光栅滤波器(Fiber Bragg grating，FBG)，调节 LD输出光信号的波长使得正一阶边带落在FBG反射通带内，反射回环形器2端口并从3端口输出；负一阶边带透过FBG，从环形器2端口输出。环形器2端口输出的负一阶边带ωc-ωLO1作为上路光载波注入IM2中，如图1(b)所示，环形器3端口输出的光信号作为下路光载波注入光频梳OFC中，如图1(c)所示。接收到的射频信号VRFsin(ωRFt)加载在IM2的射频端，其中，VRF为射频信号的幅值，ωRF为射频信号的角频率，调整偏置电压使其偏置在最小点，生成了频移为ωc-ωLO1±ωRF的抑制载波双边带(CS-DSB)，其表达式为：

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是射频信号的调制指数。IM2输出的光信号，如图1(d)所示；下路中正一阶边带ωc+ωLO1作为光载波输入由IM3、IM4构成的光频梳，即光频梳的中心频率由ωc变为ωc+ωLO1。其中，IM3工作在最大点，生成0和±2阶边带且OFC输入的两个本振信号的频率为ωLO2=2ωLO，调整IM4的偏振电压和LO信号的幅值使其满足三阶交调项的幅值等于基带信号的幅值[9]。生成的OFC如图1(e)所示，其表达式可以表达为

[45]张贤明：《从本土诉求到全球视野：当代中国政治学繁荣与发展的思考》，《贵州社会科学》2012年第3期。

(3)

其中mLO,LO2=πVLO,LO2/Vπ是本振信号LO和LO2的调制指数(Modulation Index,MI)，φ1为偏置电压引入的相位，如图1 (e) 所示。

为了消除镜像干扰，将上下两路产生的光信号输入90°光耦合器耦合[11]，输出波形如图1(f)所示，其数学表达式可以描述为

(4)

90°OHC耦合输出的光信号注入BPD中，拍频产生I(t)和Q(t)两路信号，其表达式为

(5)

随后，将I(t)、Q(t)两路信号输入低频90°电耦合器得到所需的IF信号，如图1(h)所示，其表达式为

II(t)∞cos[(ωRF-ωLO)t]+cos[(ωLO-ωIM)t]

(6)

(7)

由公式(6)和(7)可知，经过下变频后，I 路和 Q 路中的有用信号的 IF 信号是同相的，而镜像干扰信号的 IF 信号是反相的。随后利用电 90°耦合器将 I 路与 Q 路的信号进行耦合来实现镜像抑制下变频。低频电 90°耦合器的输出可表示为

(8)

由式(8)可知，下变频后生成的 IF 信号中不再存在镜像干扰信号。

2 仿真结果与分析

为了验证上述理论分析，按照图1所示，利用VPI搭建了基于微波光子技术的宽带镜像抑制下变频的仿真链路。其中各器件的仿真参数均按照实际器件的参数进行设置，激光器采用连续波激光器，其中心频率为193.1THz，线宽为10 MHz，输出平均光功率为20 mW；IM的半波电压为3.5V，消光比为 35dB，插入损耗为6dB；本振信号的频率分别为LO1=10.5 GHz，LO2=6 GHz，LO=3 GHz，功率大小为 24dBm；设置IM1，IM2,IM3,IM4分别工作在最小点、最小点、最大点、正交点；上下两路生成的信号注入90度光耦合器，随后注入响应度为0.75 A/W的BPD，输出的电信号经过1.5GHz 带宽低通90度耦合器得到镜像抑制下变频信号。

该方案中，下路生成的光频梳如图2蓝线所示，其频率间隔为3-GHz，共计13根光梳线，平坦度为 4dB；红线描述的是接收到的射频信号，由于上下两路均进行了频移，所以只有+1阶边带可以落入光频梳内。为避免混叠干扰，设定下变频频率范围为0-1.5GHz。由图2可得，本方案可以将1.5GHz-40GHz的射频信号下变频到0-1.5GHz。

上下两路光信号进入 90°OHC 后注入 BPD 生成 I/Q 两路信号，为了观察两路信号的波形，将两路信号均通过电滤波器进行滤波，如图3所示，I/Q 两路信号幅值相似，相位相差 90 度。

图2 上下两路的输出光信号

为了验证方案的镜像抑制效果，将频率为20GHz的有用信号和22GHz的镜像信号同时输入IM2,在电滤波器的输出端产生 1GHz 的 IF 信号。结果如图 4 所示，从图 4(a) 可以看出镜像抑制比为 67dB，表明该变频方案具有很高的镜像抑制能力。为了直观地展示镜像抑制的效果，仿真了有用信号和镜像干扰信号下变频之后 IF 信号的波形，如 图4(b) 所示。由图4(b) 可知，镜像干扰信号得到了很好的抑制，其下变频之后 IF 信号波形的峰峰值几乎为零，而有用信号几乎没有受到影响，其下变频之后 IF 信号的波形仍具有比较高的峰峰值。镜像抑制效果较好的主要原因是仿真链路中 90°光耦合器幅度、相位一致性比较理想。实际实验中镜像抑制比受幅度、相位不一致性影响较大，例如，I/Q两路的相位不平衡大于 5°时，镜像抑制比将小于30dB。此情况下，一般通过补偿算法对实验结果进行补偿。

为进一步研究所提出方案对宽带射频信号的下变频性能，将 RF 信号改为载频为 12.2 GHz、码率为 300 MBaud 的 16 QAM 信号。在电滤波器的输出端产生中心频率为 0.2GHz 的 IF 信号，图 5 为对应的星座图，其中 EVM为 5.7%。

图4 (a)中频信号(蓝线)和镜像信号(红线)的频谱；(b)信号(红线)和图像信号(蓝线)的波形

图5 12.2-GHz 16-QAM信号的(a)频谱图和(b)星座图

最后，为了研究所提出方案的动态范围 (SFDR) 进行了仿真。输入的双音射频信号频率为 20.5 GHz 和20.7 GHz, LO 信号频率与功率值保持不变，通过改变双音射频信号的功率，记录基频、三阶交调 (IMD3)、噪声的功率数据，可以绘制出本系统的SFDR，如图6所示，最后计算得动态范围为103dB·Hz2/3。

3 结论

本文提出了一种基于微波光子技术的宽带镜像抑制下变频的方案。采用光频梳和频移相结合的技术，有效扩大变频范围。由 90°OHC和BPD构成的平衡Hartley[10]结构使得镜像信号得到很好地抑制。仿真结果表明，该方案的工作频段为 2GHz-40 GHz，镜像抑制比均大于 60 dB。由于此方案结构简单、稳定性好、镜像抑制比高、大动态范围，可应用于卫星通信系统、雷达系统、电子战等。

图6 宽带镜像抑制下变频系统的动态范围