微波光子滤波方法及微波光子滤波装置与流程

本发明涉及一种滤波方法，尤其涉及一种微波光子滤波方法及微波光子滤波装置。

背景技术：

滤波器是信号处理系统的基础，几乎存在于每一个信号处理系统中，在雷达、无线通信以及移动通信等领域都具有重要的应用价值。滤波器可看作为一个选频电路，其基本目的是对输入信号频谱中的某一部分频率进行选通或者消除，其中信号能够通过的频率范围称为通带，信号受到很大衰减和抑制的频率范围称为阻带。传统的电滤波器在多通道滤波频率调谐、带宽改变等方面存在较大的局限性，导致其在高频领域的应用受到了极大的限制。此外，随着微波系统中通信容量的迅速增长，其对信号处理的速率和带宽的要求愈来愈高，使得传统电滤波器的性能面临极大的挑战。

随着微波光子技术的发展，微波光子滤波器应运而生。微波光子滤波器是指经过特殊设计，实现对微波信号滤波处理的光子系统。与传统电域微波滤波器相比，微波光子滤波器能够在光域内对微波信号进行处理，抑制噪声并滤除杂波信号，获取所需频段的微波信号，从而实现信号选频功能。由于利用了光纤损耗小、抗电磁干扰能力强、体积小、重量轻、带宽大等优点，且由于光纤对调制的不同频率射频信号损耗平坦，微波光子滤波器可以更容易的在高频段实现大带宽、可调谐和通带谱形的重构。因此，微波光子滤波器是未来信号处理技术领域的重要研究方向。

目前基于微波光子技术的滤波方法主要有宽带光源的光谱分割与色散器件相结合的方法、相位调制与光纤光栅相结合的方法等。基于光谱分割的宽带光源和相位调制的可调谐全光单带通光子微波滤波器，利用宽带光源和马赫曾德尔干涉仪(mach-zehnderinterferometer，mzi)生成连续的光谱样本，这些样本在单模光纤的帮助下形成具有单带通响应的有限脉冲响应滤波器，然后采用相位调制器消除滤波响应中的基带成分。可以通过更改mzi的自由频谱范围来调整该微波光子滤波器的中心频率【chenm,"tunableall-opticalsingle-bandpassphotonicmicrowavefilterbasedonspectrallyslicedbroadopticalsourceandphasemodulation",appliedoptics,2013,52(2):302-306.】。一种基于啁啾相移光纤光栅(phase-shiftedfiberbragggrating,ps-fbg)的宽调谐单通带微波光子滤波器，光波在相位调制器中被矢量网络分析仪产生的扫频微波信号进行相位调制。由于啁啾ps-fbg的反射谱存在一个很窄的陷波窗口，若光载波处在反射谱的通带处，当其中某一个调制边带落在陷波位置处时，那么此时只剩下对应的另外一个边带，上下两边带的幅度平衡被打破，实现了相位到强度的转化，经光电探测器(photodetector,pd)探测后将产生一个单通带频率响应【王棋,"基于啁啾相移fbg的宽调谐单通带微波光子滤波器",光电子·激光,2015,26(07):1248-1254.】。然而，尽管上述方法所提供的微波光子滤波器能够实现宽带可调谐，但均只能实现线性滤波。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种微波光子滤波方法，利用相位调制器的非线性，能够实现非线性的奇次高阶谐波的微波光子滤波，可将微波光子滤波器的中心频率提高至w波段甚至更高频段。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种微波光子滤波方法，用频率为f的微波信号对光载波进行相位调制，生成n阶光边带的调制光信号，n为大于等于2的整数；用中心频率与光载波相差δf、通带宽度为bw的光带通滤波器对所述调制光信号滤波，其中，fbw、fc分别为所述微波光子滤波方法滤波通带的带宽和中心频率；对滤波后的调制光信号进行光电转换，得到所述微波信号的2n-1阶谐波分量。

优选地，以下三个参数中的至少一个可调：所述光载波频率、所述光带通滤波器通带中心频率、所述光带通滤波器的通带宽度。

基于同一发明构思还可以得到以下技术方案：

一种微波光子滤波装置，包括：

光源模块，用于产生光载波；

相位调制模块，用于用频率为f的微波信号对光载波进行相位调制，生成n阶光边带的调制光信号，n为大于等于2的整数；

光带通滤波器，用于对所述调制光信号滤波，其中心频率与光载波的频率差δf、通带宽度bw分别满足其中，fbw、fc分别为所述微波光子滤波装置滤波通带的带宽和中心频率。

光电探测器，用于对滤波后的调制光信号进行光电转换，得到所述微波信号的2n-1阶谐波分量。

优选地，以下三个参数中的至少一个可调：所述光载波频率、所述光带通滤波器通带中心频率、所述光带通滤波器的通带宽度。

优选地，所述光带通滤波器为可编程光滤波器。

相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

本发明充分利用了相位调制器的非线性，能够将所加微波信号的奇次高阶谐波滤出，可在不使用w波段电滤波器的情况下，实现w波段信号的滤波，甚至可拓展到更高频段；并可进一步通过波长可调谐激光器和/或可编程光滤波器的使用，来实现该微波光子滤波器的可重构性。

附图说明

图1为本发明微波光子滤波装置的一个优选实施例的结构示意图；

图2、图3、图4分别为微波信号频率逐渐增大时光滤波器通带内光边带的情况；

图5为使用optisystem软件仿真得到的三阶谐波的微波光子滤波器的滤波响应。

具体实施方式

针对现有技术不足，本发明的解决思路是结合相位调制与光滤波，将所加微波信号的奇次高阶谐波滤出，可在不使用w波段电滤波器的情况下，实现w波段信号的滤波，甚至可拓展到更高频段；并可进一步通过波长可调谐激光器和/或可编程光滤波器的使用，来实现该微波光子滤波器的可重构性。

具体而言，本发明微波光子滤波方法，用频率为f的微波信号对光载波进行相位调制，生成n阶光边带的调制光信号，n为大于等于2的整数；用中心频率与光载波相差δf、通带宽度为bw的光带通滤波器对所述调制光信号滤波，其中，fbw、fc分别为所述微波光子滤波方法滤波通带的带宽和中心频率；对滤波后的调制光信号进行光电转换，得到所述微波信号的2n-1阶谐波分量。

本发明微波光子滤波装置，包括：

光源模块，用于产生光载波；

相位调制模块，用于用频率为f的微波信号对光载波进行相位调制，生成n阶光边带的调制光信号，n为大于等于2的整数；

光带通滤波器，用于对所述调制光信号滤波，其中心频率与光载波的频率差δf、通带宽度bw分别满足其中，fbw、fc分别为所述微波光子滤波装置滤波通带的带宽和中心频率。

光电探测器，用于对滤波后的调制光信号进行光电转换，得到所述微波信号的2n-1阶谐波分量。

将微波信号加载到相位调制模块的射频输入端，设置合适的光带通滤波器中心频率和带宽，考虑光载波、±1阶、±n阶边带(n＝2,3,4,……)。假设光带通滤波器中心频率小于光载波波长对应频率，当微波信号频率较小时，载波和各阶边带均在光带通滤波器通带内，由于±1阶边带相位相反，分别与载波拍频后抵消，因此不存在基波分量，+1阶边带和-1阶边带、+3阶边带与+1阶边带、-3阶边带与-1阶边带、±2阶边带与光载波拍频后抵消，因此不存在二次谐波分量，+2阶边带与-1阶边带、+1阶边带与-2阶边带、±3阶边带与光载波拍频后抵消，因此不存在三次谐波分量，以此类推，将无任何微波信号拍出；当微波信号频率满足使得光载波、-n阶边带和+(n-1)阶边带在光带通滤波器通带内，而+n阶边带在光带通滤波器通带外时，其-n阶和+(n-1)阶边带可拍频产生2n-1阶谐波微波信号；当微波频率满足使得-n阶边带也在通带外时，此时通带内只包含光载波和±(n-1)阶边带，±(n-1)阶边带分别与载波拍频后抵消。因此，在由光带通滤波器当前带宽决定的频率处可得到2n-1阶谐波微波信号。当光带通滤波器中心频率大于光载波波长对应频率时，原理类似。

假设光带通滤波器的中心频率与光载波的频率相差δf，通带宽度为bw时，可得到本发明微波光子滤波装置的起始频率终止频率则本发明微波光子滤波装置的中心频率带宽为

为了使得本发明微波光子滤波装置的中心频率可调谐、带宽可调谐，从而具有良好的可重构性，优选地，以下三个参数中的至少一个可调：所述光载波频率、所述光带通滤波器通带中心频率、所述光带通滤波器的通带宽度。

其中，光带通滤波器可通过光纤布拉格光栅、波分复用器等现有或将有的方式实现，由于可编程光滤波器可灵活设置其中心频率和通带宽度，因此本发明优先选用可编程光滤波器作为所述光带通滤波器。

为了便于公众理解，下面通过一个具体实施例并结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示，本实施例为三阶谐波的微波光子滤波器，其包括光源模块、相位调制器(phasemodulator,pm)、可调谐光滤波器(opticalfilter,of)、光电探测器(photo-diode，pd)。光源模块，用于产生光载波；相位调制器，用于将微波信号调制到光载波上，产生多阶光边带的调制光信号；光滤波器，用于对相位调制器输出的调制光信号进行滤波；光电探测器，用于将光信号转换为电信号，输出即为滤出的奇次高阶谐波分量。

当调制信号的幅度较小时，仅考虑光载波、±1阶、±2阶、±3阶边带。假设光滤波器中心频率小于光载波波长对应频率，当微波信号频率较小时，相位调制器输出、光滤波器输出光谱分别如图2中的①、②所示，由于±1阶边带相位相反，分别与载波拍频后抵消，因此不存在基波分量，+1阶边带和-1阶边带、+3阶边带与+1阶边带、-3阶边带与-1阶边带、±2阶边带与光载波拍频后抵消，因此不存在二次谐波分量，+2阶边带与-1阶边带、+1阶边带与-2阶边带、±3阶边带与光载波拍频后抵消，因此不存在三次谐波分量；当微波信号频率满足使得其+1阶边带和-2阶边带在光滤波器通带内，而+2阶边带在光滤波器通带外时，相位调制器输出、光滤波器输出光谱分别如图3中的①、②所示，其+1阶和-2阶边带可拍频出三次谐波微波信号；当微波信号频率满足其-2阶边带在通带外时，光源、相位调制器输出、光滤波器输出光谱分别如图4中的①、②所示，此时通带内只包含光载波和±1阶边带，±1阶边带分别与载波拍频后抵消。因此，实现了对微波信号的三次谐波滤波的微波光子滤波器。当光滤波器中心频率大于光载波波长对应频率时，原理类似。

假设光滤波器的中心频率与光源波长对应频率相差δf，通带宽度为bw时，可得到本实施例微波光子滤波器的起始频率终止频率则该微波光子滤波器的中心频率带宽为

用optisystem仿真软件对上述的三阶谐波的微波光子滤波器进行了仿真，当加载到相位调制器上的扫频信号频率为30～45ghz时，设置光滤波器带宽bw为132ghz，δf＝1ghz，经过光电探测器拍频后，得到该微波光子滤波器的滤波响应曲线如图5所示，可见该微波光子滤波器的中心频率为99ghz，带宽为3ghz，与理论值相符。

通过改变光源模块的光载波波长或光带通滤波器的中心频率，可实现该微波光子滤波器的通带宽度的可调谐；通过改变光滤波器的带宽，可实现该微波光子滤波器的中心频率的可调谐。因此实现了该奇次高阶谐波的微波光子滤波器的可重构性。

与传统线性微波光子滤波器相比，本发明充分利用相位调制器的非线性，实现了对微波信号的奇次高阶谐波的滤波，将微波光子滤波器的滤波频率提高到了w波段甚至更高频段；并且由于可调谐光滤波器的中心频率和通带宽度可调谐，以及光源的波长可调谐，实现了该微波光子滤波器的可重构性。