一种高平坦高边带抑制比多载波信号生成系统及方法与流程

本发明涉及一种高平坦高边带抑制比多载频信号生成系统及方法，属于微波光子技术领域。

背景技术：

星上微波通信转发技术正向更大容量、更多星上处理功能、更强抗干扰能力方向发展，卫星载荷的通信频段也相应的从S频段逐步扩展到Ka频段。随着卫星载荷技术的发展及星上微波转发需求的不断提高，多频段一体化射频前端成为未来宽带通信的一个重点发展方向，这也对多频段宽带微波信号综合接收处理提出了新的要求。

在卫星载荷射频前端中，本振源是不可缺少的模块，为卫星载荷射频前端的发射部分、接收部分、参考源等提供频率参考。为满足卫星载荷大容量、多信号处理功能，需要同时提供多个载频信号作为参考，并可以根据用户需求提供多载频电信号或多载频光信号，且这些具有较好的幅度一致性和相位一致性。这就要求卫星载荷本振源具有多载频、高平坦度、高边带抑制比和频率灵活可调的能力。当前晶体振荡器生成的本振信号频率低，采用电子倍频方式生成本振信号结构复杂、相位噪声高，而介质谐振腔生成的本振信号调谐范围极窄。上述采用电子技术生成的本振源频率单一，无法同时实现多载频生成。此外，通过射频电缆进行多路传输与馈送，在大规模馈送、抗电磁干扰和低质量方面也存在问题，无法满足多频段一体化射频前端高线性、大带宽的接收处理需求。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：针对具有大容量、多信号处理功能的卫星载荷对多频段载频参考信号发展需求，给出一种高平坦高边带抑制比多载频信号生成系统及方法，实现宽带、平坦度好、边带抑制比高、载波数目多的多载频信号生成，解决卫星载荷多信号处理需求，保证了卫星载荷的大容量、多信号处理能力。

本发明的技术解决方案是：一种高平坦高边带抑制比多载波信号生成系统，包括：激光器、射频源、SSB-OCS生成单元、光耦合器2、光耦合器3、光滤波器、掺饵光纤放大器EDFA和光电探测器、偏振控制器1、偏振控制器2；

光耦合器2，包括：两个输入端和一个输出端；

光耦合器3，包括：一个输入端和两个输出端；

激光器输出端L1与光耦合器2的一个输入端OC21相连接，光耦合器2的另一个输入端口OC22与偏振控制器2的输出端PC22相连接，光耦合器2的输出端口OC23与SSB-OCS生成单元的一个输入端S1相连接，SSB-OCS生成单元的另一输入端S2与射频源的输出端RFin相连接，SSB-OCS生成单元的输出端S3和光耦合器3的输入端OC31相连接，光耦合器3的一个输出端口OC33与偏振控制器1的输入端PC11相连接，光耦合器3的另一个输出端口OC32与光电探测器输入端PDin相连接，偏振控制器1的输出端PC12与光滤波器的输入端OF1相连接，光滤波器的输出端OF2与掺饵光纤放大器EDFA的输入端G1相连，EDFA输出端与偏振控制器2的输入端PC21相连；

激光器输出连续光信号与偏振控制器2输出的光信号经光耦合器2耦合后送至SSB-OCS生成单元；

射频源输出射频信号送至SSB-OCS生成单元；

SSB-OCS生成单元，将射频源输出射频信号作为驱动电信号，对光耦合器2输出的光信号进行调制，输出具有光载波抑制的单边带光信号送至光耦合器3；

光耦合器3将接收到的光信号分路后，一路送至光电探测器，由光电探测器进行光电转换还原电信号后输出，光耦合器3接收到的光信号分路后的另一路作为多载波信号生成系统的输出，并送至偏振控制器1；

偏振控制器1接收来自于光耦合器3分路后的另一路光信号，将该信号进行偏振态控制后，输出线偏振光信号送至光滤波器；

光滤波器将接收的线偏振光信号在光域进行带通滤波后送至掺饵光纤放大器EDFA；

掺饵光纤放大器EDFA接收光滤波器滤波输出的光信号后，在光域将该信号进行一定增益的放大，以补偿环路运行中的传输损耗，EDFA将放大后的光信号送至偏振控制器2；

偏振控制器2接收掺饵光纤放大器EDFA输出的光信号后，进行偏振态控制，输出线偏振光信号，偏振控制器2输出的线偏振光信号反馈至光耦合器2的一个输入端OC22。

所述SSB-OCS生成单元包括：光分束器、马赫-增德尔调制器MZM1、马赫-增德尔调制器MZM2、强度调制器MZM3、电移相器1、电移相器2、光移相器1、光移相器2和光耦合器1；

光分束器，包括：输入端OS1、输出端OS2、输出端OS3、输出端OS4；

耦合器1，包括：输入端OC11、输入端OC12、输入端OC13、输出端口OC14；

MZM1、MZM2、MZM3分别包括一个光输入端、两个射频输入端、直流偏置端和一个光输出端；

耦合器2的输出端口OC23与光分束器输入端OS1相连接，光分束器输出端OS2与MZM1的光输入端MZM1in相连接，MZM1的光输出端MZM1out与光耦合器1的输入端OC11相连，MZM1的一个射频输入端MZM1a与射频源的输出端RFin相连，MZM1的另一个射频输入端MZM1b与电移相器1的输出端EP12相连，电移相器1的输入端EP11与射频源的输出端RFin相连；

光分束器输出端OS3与MZM2的光输入端MZM2in相连接，MZM2的光输出端MZM2out与光移相器1的输入端PS11相连，光移相器1的输出端与光耦合器1的输入端口OC12相连；MZM2的一个射频输入端MZM2a与射频源输出端RFin相连，MZM2的另一个射频输入端MZM2b与电移相器2的输出端EP22相连，电移相器2的输入端EP21与射频源输出端RFin相连；

光分束器输出端OS4与MZM3的光输入端MZM3in相连接，MZM3的光输出端MZM3out与光移相器2的输入端PS21相连，光移相器2的输出端与光耦合器1的输入端口OC13相连；MZM3的两个射频输入端MZM3a和MZM3b都和射频源输出端RFin相连。光耦合器1的输出端口OC14与光输出端口S3相连接；

激光器输出连续光信号与偏振控制器2输出的光信号经光耦合器2耦合后送至光分束器，再经光分束器分成三路后分别送至MZM1、MZM2、MZM3的光输入端口；

射频源输出射频信号经电功分后，分别送至MZM1的射频输入端MZM1a、MZM2的射频输入端MZM2a、MZM3两个射频输入端MZM3a和MZM3b和电相移器1的输入端EP11和电相移器2的输入端EP21；

射频源输出的信号RFin经电移相器1进行90度相移后送至MZM1的射频输入端MZM1b，使得加载到MZM1的射频输入端MZM1a和MZM1b的射频信号之间的相位差为90度，通过调整直流偏置端的电压使得MZM1工作在正交偏置点，这样MZM1输出的光信号将包括光载波、幅度均为正值的偶数阶光信号、幅度为负值的-1阶光信号和幅值为正值的+3阶光信号，并将MZM1输出的光信号送至光耦合器1。

射频源输出的信号RFin经电移相器2进行-90度相移后送至MZM2的射频输入端MZM2b，使得加载到MZM2的射频输入端MZM2a和MZM2b的射频信号之间的相位差为-90度，通过调整直流偏置端的电压使得MZM2工作在正交偏置点，这样MZM2输出的光信号将包括光载波、幅度均为正值的偶数阶光信号、幅度为正值的+1阶光信号和幅值为负值的-3阶光信号，并将MZM2输出的光信号送至180度光移相器1。

射频源输出的信号RFin加载至MZM3的两个射频输入端MZM3a和MZM3b上，使得MZM3两个射频输入端MZM3a和MZM3b的射频信号之间的相位差为180度，通过调整直流偏置端的电压使得MZM3工作在最小传输点，这样MZM3输出的光信号为偶数阶抑制的光信号，且MZM3输出的+3阶光信号与-3阶光信号幅值相反，MZM3输出的+1阶光信号与-1阶光信号幅值相反，并将MZM3输出的光信号送至光移相器2。

光移相器1将接收到的MZM2输出的光信号移相180度后送至光耦合器1。光移相器2将接收到的MZM3输出的光信号移相90度后送至光耦合器1。

光耦合器1将MZM1、光相移器1、光相移器2的输出进行耦合，输出具有光载波抑制的单边带光信号，即SSB-OCS信号，送至光耦合器3的输入端OC31，光耦合器3将接收到的光信号分路后，一路送至光电探测器，由光电探测器进行光电转换还原电信号后输出，光耦合器3接收到的光信号分路后的另一路作为多载波信号生成系统的输出并送至偏振控制器1；

偏振控制器1接收来自于光耦合器3分路后的另一路光信号，将该信号进行偏振态控制后，输出线偏振光信号送至光滤波器；

光滤波器将接收的线偏振光信号在光域进行通带滤波后送至掺饵光纤放大器EDFA；

掺饵光纤放大器EDFA接收光滤波器滤波输出的光信号后，在光域将该信号进行一定增益的放大，以补偿环路运行中的传输损耗，EDFA将放大后的光信号送至偏振控制器2；

偏振控制器2接收掺饵光纤放大器EDFA输出的光信号后，进行偏振态控制，输出线偏振光信号，偏振控制器2输出的光信号反馈至光耦合器2的一个输入端OC22。

一种高平坦高边带抑制比多载波信号生成方法，步骤如下：

(1)激光器输出连续光信号送至光耦合器2，光耦合器2将连续光信号与偏振控制器2的输出耦合后，送至SSB-OCS生成单元中的光分束器，由光分束器分成三路送至SSB-OCS生成单元中MZM1、MZM2、MZM3的光输入端口。

(2)射频源输出的射频信号经电功分和电移相控制后，分别加载至SSB-OCS生成单元中MZM1、MZM2、MZM3的射频输入端口；

(3)在SSB-OCS生成单元中，通过参数控制，使得MZM1的射频输入端MZM1a和MZM1b间射频信号相位差为90度，且MZM1工作在正交偏置点；MZM2射频输入端MZM2a和MZM2b间射频信号相位差为-90度，且MZM2工作在正交偏置点；MZM3的射频输入端MZM3a和MZM3b相位差为180度，工作在最小传输点，SSB-OCS生成单元输出初始高边带抑制比的光载波抑制单边带光信号，即SSB-OCS信号，送至光耦合器3。

(4)光耦合器3接收SSB-OCS生成单元输出的光信号后分为两路，一路送至光电探测器，另一路作为系统输出，送至偏振控制器1。

(5)偏振控制器1将接收到的信号进行偏振态控制，得到线偏振的SSB-OCS信号。

(6)偏振控制器1输出的光信号经光滤波器进行带通滤波后送至EDFA。

(7)EDFA对接收到的光信号进行适当的功率放大后，通过偏振控制器2进行偏振态控制，输出线偏振的光信号。

(8)偏振控制器2输出的线偏振的光信号作为光载波，再通过光耦合器2反馈送至SSB-OCS生成单元，生成具有一定频移的新SSB-OCS信号。

(9)SSB-OCS生成单元、光耦合器3、偏振控制器1、光滤波器、EDFA、偏振控制器2和光耦合器2构成光循环频移环路，对SSB-OCS信号进行环路反馈，经过多次光循环后，以光频梳的形式输出所需要的多载频信号。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

(1)本发明的一种高平坦高边带抑制比多载频信号生成系统及方法，首先提出一种基于三个并联MZM的SSB-OCS生成系统及方法，使得其中两个MZM工作在单边带调制方式，另一个MZM工作在偶数阶抑制方式，结合90度光移相控制，产生具有高边带抑制比的SSB-OCS信号；接着以本发明所提出的SSB-OCS信号生成及光频移环路为核心，在光域组成振荡环路进行循环频移，产生平坦度好、边带抑制比高、且载频频率灵活可调的多载频信号。其实现方法简便，灵活性强，具有通用性和可推广性。

(2)本发明针对多载频、高平坦度、高边带抑制比信号生成需求，以微波光子技术为基础，通过光频梳的方法获得宽带、平坦度好、载波数目多的多载频信号，且载频信号的频率可根据输入微波信号频率进行灵活调整，进而生成具有灵活可调特性的多路微波信号。

附图说明

图1为本发明的整体方案示意图；

图2为本发明的SSB-OCS生成单元原理图；

图3为本发明SSB-OCS输出信号光谱图；

图4为本发明的多载频信号输出光谱图。

具体实施方式

本发明的基本思路为：一种高平坦高边带抑制比多载波信号生成系统及方法，它涉及光学、微波学和微波光子学技术领域，通过光频梳的方式生成高平坦高边带抑制比的多载频信号，解决现有宽频率覆盖范围的多路微波射频信号生成问题，获得宽带、平坦度好、载波数目多的多载频信号。本发明首先提出一种基于三个并联MZM的SSB-OCS生成方法，使得其中两个MZM工作在单边带调制方式，另一个MZM工作在偶数阶抑制方式，结合90度光移相控制，产生具有高边带抑制比的SSB-OCS信号。接着以本发明所提出的SSB-OCS信号生成及光频移环路为核心，在光域组成振荡环路进行循环频移，生成高平坦高边带抑制比的多载频信号。

本发明提出一种高平坦高边带抑制比多载频信号生成方法，首先基于三个并联MZM的SSB-OCS生成方法，通过电移相、直流偏置点控制和光移相相结合的方式，产生具有高阶边带抑制比特性的SSB-OCS信号。在此基础上引入光频移环路，在光域组成振荡环路进行循环频移，生成宽带、高平坦度、高边带抑制比的多载频信号，且载频信号的频率可根据输入微波信号频率进行灵活调整。

具体实施方式是一种高平坦高边带抑制比多载频信号生成，如图1所示。主要由激光器、射频源、SSB-OCS生成单元、光耦合器2、光耦合器3、光滤波器、掺饵光纤放大器EDFA和光电探测器、偏振控制器1、偏振控制器2组成。激光器输出端L1与光耦合器2的一个输入端OC21相连接，光耦合器2的另一个输入端口OC22与偏振控制器2的输出端PC22相连接，光耦合器2的输出端口OC23与SSB-OCS生成单元的一个输入端S1相连接，SSB-OCS生成单元的另一输入端S2与射频源的输出端RFin相连接，SSB-OCS生成单元的输出端S3和光耦合器3的输入端OC31相连接，光耦合器3的一个输出端口OC33与偏振控制器1的输入端PC11相连接，光耦合器3的另一个输出端口OC32与光电探测器输入端PDin相连接，偏振控制器1的输出端PC12与光滤波器的输入端OF1相连接，光滤波器的输出端OF2与掺饵光纤放大器EDFA的输入端G1相连，EDFA输出端与偏振控制器2的输入端PC21相连。

其中，SSB-OCS生成单元组成如图2所示。主要由光分束器、马赫-增德尔调制器MZM1、马赫-增德尔调制器MZM2、强度调制器MZM3、电移相器1、电移相器2、光移相器1、光移相器2和光耦合器1组成。耦合器2的输出端口OC23与光分束器输入端OS1相连接，光分束器输出端OS2与MZM1的光输入端MZM1in相连接，MZM1的光输出端MZM1out与光耦合器1的输入端OC11相连，MZM1的一个射频输入端MZM1a与射频源的输出端RFin相连，MZM1的另一个射频输入端MZM1b与电移相器1的输出端EP12相连，电移相器1的输入端EP11与射频源的输出端RFin相连；光分束器输出端OS3与MZM2的光输入端MZM2in相连接，MZM2的光输出端MZM2out与光移相器1的输入端PS11相连，光移相器1的输出端与光耦合器1的输入端口OC12相连；MZM2的一个射频输入端MZM2a与射频源输出端RFin相连，MZM2的另一个射频输入端MZM2b与电移相器2的输出端EP22相连，电移相器2的输入端EP21与射频源输出端RFin相连；光分束器输出端OS4与MZM3的光输入端MZM3in相连接，MZM3的光输出端MZM3out与光移相器2的输入端PS21相连，光移相器2的输出端与光耦合器1的输入端口OC13相连；MZM3的两个射频输入端MZM3a和MZM3b都和射频源输出端RFin相连。光耦合器1的输出端口OC14与光输出端口S3相连接。

高平坦高边带抑制比多载频信号生成具体步骤为：

步骤一，根据图1，激光器输出连续光信号与偏振控制器2输出的光信号经光耦合器2耦合后一起送至SSB-OCS生成单元；

步骤二，根据图1，射频源输出射频信号作为驱动信号送至以三个并联MZM为基本结构的SSB-OCS生成单元；

步骤三，根据图2，SSB-OCS生成单元将射频源输出射频信号作为驱动电信号，通过灵活的参数控制，对光耦合器2输出的光信号进行调制，使SSB-OCS生成单元中的两个MZM工作在单边带调制方式，另一个MZM工作在偶数阶载波抑制方式，输出具有光载波抑制的单边带光信号(SSB-OCS)送至光耦合器3。SSB-OCS信号生成具体步骤为：

(1)根据图2，激光器输出连续光信号与偏振控制器2输出的光信号经光耦合器2耦合后送至光分束器，再经光分束器分成三路后分别送至MZM1、MZM2、MZM3的光输入端口。激光器输出连续光信号优选的表达式为：

E_in(t)＝E₀exp(jω_ct) (1)

式中，E₀、ω_c分别表示激光器输出连续光信号的幅度和角频率。

(2)根据图2，射频源输出射频信号经电功分后，分别送至MZM1的射频输入端MZM1a、MZM2的射频输入端MZM2a、MZM3两个射频输入端MZM3a和MZM3b和电相移器1的输入端EP11和电相移器2的输入端EP21。射频源输出射频信号优选的表达式为：

V_RF(t)＝Vsinωt (2)

式中，V、ω分别表示射频源输出射频信号的幅度和角频率。

(3)根据图2，射频源输出的信号RFin经电移相器1进行90度相移后送至MZM1的射频输入端MZM1b，使得加载到MZM1的射频输入端MZM1a和MZM1b的射频信号之间的相位差为90度，通过调整直流偏置端的电压使得MZM1工作在正交偏置点。MZM1输出光信号优选的表达式为：

式中，J_n(m)表示第一类贝塞尔函数，变量为m，阶数为n，为MZM的调制系数。这样MZM1输出的光信号将包括光载波、幅度均为正值的偶数阶光信号、幅度为负值的-1阶光信号和幅值为正值的+3阶光信号，将MZM1输出的光信号送至光耦合器1。

(4)根据图2，射频源输出的信号RFin经电移相器2进行-90度相移后送至MZM2的射频输入端MZM2b，使得加载到MZM2的射频输入端MZM2a和MZM2b的射频信号之间的相位差为-90度，通过调整直流偏置端的电压使得MZM2工作在正交偏置点。MZM2输出光信号优选的表达式为：

这样MZM2输出的光信号将包括光载波、幅度均为正值的偶数阶光信号、幅度为正值的+1阶光信号和幅值为负值的-3阶光信号，将MZM2输出的光信号送至180度光移相器1。

(5)根据图2，射频源输出的信号RFin加载至MZM3的两个射频输入端MZM3a和MZM3b上，使得MZM3两个射频输入端MZM3a和MZM3b的射频信号之间的相位差为180度，通过调整直流偏置端的电压使得MZM3工作在最小传输点。MZM3输出光信号优选的表达式为：

这样MZM3输出的光信号为偶数阶抑制的光信号，且MZM3输出的+3阶光信号与-3阶光信号幅值相反，MZM3输出的+1阶光信号与-1阶光信号幅值相反，将MZM3输出的光信号送至90度光移相器2。

(6)根据图2，光移相器1将接收到的MZM2输出的光信号移相180度后送至光耦合器1。MZM2调制输出光信号经180度光移相后的光场优选表达式为：

(7)根据图2，光移相器2将接收到的MZM3输出的光信号移相90度后送至光耦合器1。MZM3调制输出光信号经90度光移相后的光场优选表达式为：

(8)根据图2，光耦合器1将MZM1、光相移器1、光相移器2的输出进行耦合，输出具有光载波抑制的单边带光信号，即SSB-OCS信号，送至光耦合器3的输入端OC31。光耦合器1输出的光信号优选表达式为：

从式(8)可以看出，输出光信号中所有的偶数阶信号都得以消除，且当m<1时，三阶信号得以大大抑制，输出光信号为具有高边带抑制比的SSB-OCS信号。

按照本发明所示得到的SSB-OCS信号输出光谱如图3所示，横坐标为频率GHz，纵坐标为能量dBm；。从图中可以看出，采用本发明的SSB-OCS生成单元输出光信号的光载波抑制比为36.2dB，二次谐波抑制比为63.1dB，三次谐波抑制比为35.7dB，有效的生成了具有光载波抑制能力的单边带信号，且该信号的边带抑制比接近36dB。

步骤四，根据图1，光耦合器3将接收到的光信号分路后，一路送至光电探测器，由光电探测器进行光电转换还原电信号后输出，光耦合器3接收到的光信号分路后的另一路作为多载频信号生成系统的输出，并送至偏振控制器1；

步骤五，根据图1，偏振控制器1接收来自于光耦合器3分路后的另一路光信号，控制该输入光信号偏振方向与光轴平行，偏振控制器1输出线偏振光信号送至光滤波器；

步骤六，根据图1，光滤波器将接收的线偏振光信号在光域进行带通滤波后送至掺饵光纤放大器EDFA，带通滤波器的3dB带宽设定为多载频信号生成系统输出载频信号数目与多载频信号频率间隔之间的乘积；

步骤七，根据图1，掺饵光纤放大器EDFA接收光滤波器滤波输出的光信号后，在光域将该信号进行一定增益的放大，EDFA增益与环路运行中的传输损耗数值相当，EDFA将放大后的光信号送至偏振控制器2；

步骤八，根据图1，偏振控制器2接收掺饵光纤放大器EDFA输出的光信号后，控制该光信号偏振方向与光轴平行，偏振控制器2输出线偏振光信号反馈至光耦合器2的一个输入端OC22。

步骤九，根据图1，通过光耦合器2输出光信号反馈送至SSB-OCS生成单元，生成具有一定频移的新SSB-OCS信号。

步骤十，根据图1，SSB-OCS生成单元、光耦合器3、偏振控制器1、光滤波器、EDFA、偏振控制器2和光耦合器2构成光循环频移环路，对SSB-OCS信号进行环路反馈。每经过一次环路，SSB-OCS生成单元输出的光信号都作为新的光载波执行单边带载波抑制的光信号生成操作，并经随后的光放大和滤波后，作为新的载频信号输出，如此经过多次循环后，就会以光频梳的形式输出所需要的多载频信号。

按照本发明所示的高平坦高边带抑制比多载频信号输出光谱如图4所示，横坐标为频率GHz，纵坐标为能量dBm；从图中可以看出，该多载波信号生成单元可生成载波数目达60个以上的载波信号，其最大功率起伏为4dB，边带抑制比优于30dB，且前30个载波的功率起伏在1dB以内。相比传统多载波信号生成方法而言，其在保证多个载波输出的同时，边带抑制比可提高10％以上。