基于微波光子学的通信卫星转发装置及其转发方法与流程

本发明涉及微波光子技术，用于卫星通信系统，具体地，涉及一种基于微波光子学的通信卫星转发装置及其转发方法。

背景技术：

转发器是通信卫星中直接起中继作用的部分。对转发器的基本要求是：以最小的附加噪声和失真，并以足够的工作频段和输出功率来为各地面站有效而可靠地转发卫星信号。透明转发器收到地面发来的信号，除进行低噪声放大、变频及功率放大外不作任何处理，只单纯完成转发任务，它对工作频带内的任何信号都是“透明”的通路；“处理”转发器除了进行转发信号外，还具有信号处理功能。

星上的信号处理，主要包括对信号进行解调再生和其它的信号变换和处理，如上行fdma变为下行tdma信号，还包括多波束通信中对信号进行星上切换和处理。

申请号为cn201510321452.4的中国发明专利公开了一种面向空间信息网络的光和微波混合传输系统。本发明包括地面收发装置和卫星收发装置。地面收发装置包括地上光与微波信号发射系统、地上光与微波信号接收系统、地上跟瞄子系统，地上跟瞄子系统分别通过微波判决信号和光发射天线姿态调整信号分别来控制地上光与微波信号的发射系统和地上光与微波信号接收系统；卫星收发装置包括卫星上光与微波信号的接收和交换转发装置、卫星上光与微波信号发射系统、卫星上跟瞄子系统，卫星上跟瞄子系统分别与卫星上光与微波信号的接收和交换转发装置、卫星上光与微波信号发射系统连接。但该系统较为复杂。

因此，有必要提供一种具有微波通信的灵活性和光通信低损耗性，能够解决星上微波与激光通信两种体制并存带来的信息融合问题，能更好的适应卫星通信系统发展的基于微波光子学的通信卫星转发装置及其转发方法。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于微波光子学的通信卫星转发装置及其转发方法。

根据本发明提供的一种基于微波光子学的通信卫星转发装置，包括光调制模块、本振产生及馈送模块、变频模块、交换模块和光电转换及放大模块。

所述光调制模块的输入端与卫星接收天线分系统相连接，所述光调制模块的输出端与所述本振产生及馈送模块的输出端均与所述变频模块的输入端连接，所述变频模块的输出端与所述交换模块的输入端相连接，所述交换模块的输出端和所述光电转换及放大模块的输入端相连接，所述光电转换及放大模块的输出端与卫星发射天线分系统相连接。

进一步地，所述光调制模块包括光调制器和激光器，所述本振产生及馈送模块包括光调制器、激光器、微波源、光纤、光纤光栅和光功率分配器，所述变频模块包括光调制器，所述交换模块包括光开关，所述光电转换及放大模块包括光电探测器和微波功率放大器。

相应地，本发明还提供了一种基于微波光子学的通信卫星的转发方法，包括如下步骤：

步骤1，通信卫星的接收天线接收到多路微波信号，光调制后送入变频模块；

步骤2，本振产生及馈送模块生成的高频本振信号馈送至变频模块对已调光信号进行再次调制，实现对信号的变频处理；

步骤3，信号通过光交换单元后，进行光电转换，生成需要发送的微波信号，

步骤4，微波信号通过微波放大器放大，输入到通信卫星发射天线。

进一步地，所述步骤1中的光调制通过光调制器完成，转发器的前端通过星上电缆连接卫星接收天线分系统，获取通信卫星收到的n路微波信号，信号经过前端低噪放大后输入调制器的射频端口，n个调制器的光输入为n个激光器输出的不同波长光信号。

进一步地，所述步骤2中的本振产生及馈送模块产生高频本振信号的方法，包括如下步骤：

步骤2.1，通过微波源产生相位噪声特性低频率微波信号；

步骤2.2，将该低频的微波信号通过马赫-曾德尔调制器调制到光载波上，通过设置施加在调制器上的偏置电压，控制边带信号；

步骤2.3，将光载波信号滤出，实现倍频信号的生成。

进一步地，所述步骤2中的变频模块的变频方法为：将高频本振信号和已调光信号输入马赫-曾德尔调制器，对输入的已调光信号再次调制，实现信号变频。

进一步地，所述步骤3中的光交换单元光电转换的方法是通过高速光开关，完成对输入的n路光信号波长路由选择。

进一步地，系统使用光电探测器对经波长路由交换的光信号进行光电转换，生成经频率变换的微波信号，通过微波放大器进行功率放大，输入到通信卫星发射天线进行发送。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明的基于微波光子学的通信卫星的转发方法，采用了多种微波光子技术，可以克服高频所带来的电子瓶颈，实现对通信信号的透明转发，具有低损耗、大带宽，多通道的特点；

(2)本发明的基于微波光子学的通信卫星的转发方法，微波光子技术同时具有微波通信的灵活性和光通信低损耗、大带宽优势，解决了星上微波与激光通信两种体制并存带来的信息融合问题，能更好的适应卫星通信系统向高频段、大带宽、多通道发展。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实现基于微波光子学的通信卫星转发系统的原理图；

图2为本发明实现基于微波光子学的通信卫星转发系统的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

本发明实施例提供了一种基于微波光子学的通信卫星转发装置，包括光调制模块、本振产生及馈送模块、变频模块、交换模块和光电转换及放大模块。

所述光调制模块的输入端与卫星接收天线分系统相连接，所述光调制模块的输出端与所述本振产生及馈送模块的输出端均与所述变频模块的输入端连接，所述变频模块的输出端与所述交换模块的输入端相连接，所述交换模块的输出端和所述光电转换及放大模块的输入端相连接，所述光电转换及放大模块的输出端与卫星发射天线分系统相连接。

所述光调制模块包括光调制器和激光器，

所述本振产生及馈送模块包括光调制器、激光器、微波源、光纤、光纤光栅和光功率分配器，所述变频模块包括光调制器，所述交换模块包括光开关，所述光电转换及放大模块包括光电探测器和微波功率放大器。

实施例2

在实施例1的基础上，本发明实施例提供了一种基于微波光子学的通信卫星的转发方法，包括如下步骤：

步骤1，通信卫星的接收天线接收到多路微波信号，光调制后送入变频模块；

步骤2，本振产生及馈送模块生成的高频本振信号馈送至变频模块对已调光信号进行再次调制，实现对信号的变频处理；

步骤3，信号通过光交换单元后，进行光电转换，生成需要发送的微波信号，

步骤4，微波信号通过微波放大器放大，输入到通信卫星发射天线。

所述步骤1中的光调制通过光调制器完成，转发器的前端通过星上电缆连接卫星接收天线分系统，获取通信卫星收到的n路微波信号，信号经过前端低噪放大后输入调制器的射频端口，n个调制器的光输入为n个激光器输出的不同波长光信号。

所述步骤2中的本振产生及馈送模块产生高频本振信号的方法，包括如下步骤：

步骤2.1，通过微波源产生相位噪声特性低频率微波信号；

步骤2.2，将该低频的微波信号通过马赫-曾德尔调制器调制到光载波上，通过设置施加在调制器上的偏置电压，控制边带信号；

步骤2.3，将光载波信号滤出，实现倍频信号的生成。

所述步骤2中的变频模块的变频方法为：将高频本振信号和已调光信号输入马赫-曾德尔调制器，对输入的已调光信号再次调制，实现信号变频。

所述步骤3中的光交换单元光电转换的方法是通过高速光开关，完成对输入的n路光信号波长路由选择。

系统使用光电探测器对经波长路由交换的光信号进行光电转换，生成经频率变换的微波信号，通过微波放大器进行功率放大，输入到通信卫星发射天线进行发送。

更为具体地，请参阅图1-2。如图1所示，本发明的卫星转发系统包括由光调制器、激光源组成的光调制模块，由光调制器、激光源、微波源、光纤光栅、光功率分配器和光纤组成的本振产生及馈送模块，由光调制器组成的变频模块，由光开关组成的交换模块，由光电探测器、微波功率放大器组成的光电转换及放大模块。实施具体步骤以本发明技术方案为前提下进行，这里给出详细的实施方式和具体的操作过程，如图2所示。

基于微波光子技术的通信卫星系统包含多个射频系统，调制方式可能各不相同，如bpsk，qpsk，8psk，16qam或者更高阶的调制方式。微波光子技术联系了微波信号和光信号两种信号体制，微波信号作为原始的信息载体，在电域实现各种调制方式，而光信号作为星上信号频率变频、馈送和交换的媒质，对信号的所有原始电域特性是透明的。本发明首先通过光调制器将接收到的多路微波信号(n路)分别调制在n个激光器输出的波长为λi(i＝1,2,...,n)的光载波上，这时微波信号的频谱被搬移到中心波长λi附近，且频谱形状保持不变，将调制后得到的光信号送入变频模块。

微波源产生相位噪声特性较为优良的低频率微波信号，将该低频的微波信号通过马赫-曾德尔调制器调制到光载波上，通过合理设置施加在调制器上的偏置电压，控制边带信号的去留，在此基础上，使用光纤光栅将光载波信号滤出，利用保留下来的边带信号拍频实现倍频信号的生成，然后通过光纤馈送至转发器变频单元处，经功分器分为n路，为变频单元提供高频本振信号。图1中所有变频单元的本振信号来自同一本振产生模块，实际系统可以有多个本振生成模块，实现多个本振信号生成的目的。另外，本振生成模块在卫星通信系统中不仅可以为转发器提供本振，整星所有需要本振信号的地方都可以通过光纤实现馈送，实现整星本振源的统一。

完成上述两部分内容后，得到的高频本振信号输送到变频模块的各个调制器，对输入的已调光信号再次调制，实现信号变频处理；然后光交换单元利用高速光开关，基于光波长交换，实现对输入的n路光信号波长路由选择的功能，完成星上高速、多通道的光交换；接着使用光电探测器对经波长路由交换的光信号进行光电转换，生成需要发送的完成频率变换的微波信号，经微波功率放大器进行功率放大，最终输入到通信卫星发射天线进行发送。

综上，本发明的基于微波光子学的通信卫星的转发方法，采用了多种微波光子技术，可以克服高频所带来的电子瓶颈，实现对通信信号的透明转发，具有低损耗、大带宽，多通道的特点；微波光子技术同时具有微波通信的灵活性和光通信低损耗、大带宽优势，解决了星上微波与激光通信两种体制并存带来的信息融合问题，能更好的适应卫星通信系统向高频段、大带宽、多通道发展。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。