一种基于微波光子循环频移的射频信号任意延时装置及方法与流程

本发明涉及光通信技术领域、微波技术领域以及电子对抗技术领域，主要涉及利用光子学技术实现射频信号的接收及任意延时的存储。

背景技术：

在现代战争中，敌对双方都会运用特定的电子对抗手段对敌方的电子设备进行干扰。在现代雷达系统中，由于接收机都与所发射雷达信号波形相匹配，雷达抗干扰能力都较强，传统的干扰方法已不能满足需求。因此，对于雷达干扰系统来说，需要其作出快速的反应，以达到对敌方雷达的干扰作用，所以不仅要求其发出的干扰信号与敌方雷达信号的高度匹配，还要求其响应迅速。后来发展起来的基于射频存储的雷达干扰技术为干扰现代雷达提供了有效的措施，通过精确的复制雷达波形，采用欺骗/遮盖的调制方式在时间、空间、频率几调制样式等方面对敌方雷达实施最佳干扰。

数字射频存储技术在上世纪70年代被提出，随着电子战欺骗干扰技术的需求得到迅速的发展，并被广泛应用于雷达对抗领域。数字射频存储技术对接收到的雷达信号进行高速采样、存储、变换处理和复制，实现信号捕获和保存的高速性、干扰技术的多样性和控制的灵活性。但是对于数字存储技术来说，想要获得较高的信号保真度，则要求adc处理有较高的动态范围。然而adc的采样率和工作带宽有限，而且海量的数据对信号处理也提出了更高的要求，因此限制了数字射频存储技术的工作频率范围。

近些年，微波光子技术逐渐发展起来，由于光子学具有瞬时带宽大、工作频段宽、隔离度大、抗电磁干扰等一系列优点为射频信号的存储实现提供了一新的解决方案，基于光子学的射频信号存储技术成为近几年研究的热点。采用光子学技术，使无需进行下变频以及模数转换即可实现射频信号的高保真度存储成为可能。

目前已报道的光子射频信号存储的方案主要分为两大类，一类为基于光纤延时线组及切换开关的光子射频存储方案，一类为基于光纤环循环延时的光子射频存储方案。在第一种方案中，虽然可以选择射频信号的不同存储时间，但是需要大量的光纤以及光控开关，每条延时线只能进行一次延时作用，在多个光开关和光纤延时线级联的结构中，插损较大，并且该方案要求光开关有较高的切换速度以及较低的串扰，以避免影响存储信号的保真度。在第二种方案中，不需要大量的光开关以及光纤，通过光纤环的循环延时实现射频信号的延时储存。但是，该方案在输入端以及输出端分别需要一个光开关进行同步，不能实现连续时间信号的输入存储以及无法处理高占空比的雷达脉冲信号，只能实现特定时间的延时存储，不具备任意时间延时存储的灵活性。

技术实现要素：

为了解决技术背景中所存在的问题，本发明提出了一种利用频谱搬移和光滤波来实现射频信号的光子学存储方法。该方法无需大量光纤，即可实现射频信号的较长时间延时存储，而且输入端和输出端不需要时钟同步便可实现不同时间的延时存储，结构相对简单且容易实现。

采用双平行马赫曾德尔调制器对输入到光纤环的信号进行抑制载波单边带调制，实现存储信号的频谱搬移，使得循环不同圈数的信号，处于不同的频段，防止了后续输入到环路中的信号对先前环中已有信号的干扰。在光纤环中加入光滤波器，防止信号无限循环造成环内信号功率过大。在结构输出端采用波分复用器、光开关矩阵以及可调延时模块，通过选择不同频率段的信号以及调节延时模块的延时，实现信号的任意延时存储。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：所述装置包括光源1、偏振控制器2、相位调制器3、光带通滤波器4、2x2光耦合器5、射频源6、90°射频正交耦合器7、双平行马赫曾德尔调制器8、标准单模光纤9、掺铒光纤放大器10、波分复用器11、光开关矩阵12、可调延时模块13以及光电探测器14。光源的输出端与偏振控制器相连，偏振控制器与相位调制器的输入端连接。射频信号加载在相位调制器的射频输入端，相位调制器的输出端与光带通滤波器连接，滤波器输出端与2x2光耦合器的一个输入端相连。2x2光耦合器的一个输出端与偏振控制器相连，然后偏振控制器再与双平行马曾调制器的输入端相连。射频源与90°射频正交耦合器的输入端相连，90°射频正交耦合器的一个输出端连接双平行马赫曾德尔调制器的一个射频输入端。90°射频正交耦合器的另一个输出端与双平行马赫曾德尔调制器的另一个射频输入端相连。双平行马赫曾德尔调制器的输出端与光纤相连，然后光纤输出端与光带通滤波器连接。光带通滤波器的输出端与掺铒光纤放大器的输入端相连，掺铒光纤放大器的输出端与2x2光耦合器的另一个输入端相连。2x2光耦合器的另一个输出端与波分复用器相连，波分复用器的输出端与光开关矩阵相连，开关矩阵的输出端与可调延时模块相连，最后可调延时模块与光电探测器相连。光电探测器的输出端可接频谱分析仪与采样示波器进行测试。

其中双平行马赫曾德尔调制器由两个并行的子马赫曾德尔调制器mzma、mzmb和个主马赫曾德尔调制器mzmc构成；

上述双平行马赫曾德尔调制器的子调制器具有相同的结构和功能。子调制器具有独立的射频信号输入端口和偏置端口；主偏置端口可以用来调整子调制器的输出。

本发明在工作时包括以下步骤：

(1)从光源发出波长为的光载波经过偏振控制器输入到相位调制器中；

(2)射频信号rf输入到相位调制器的射频输入端口。

(3)相位调制器输出的相位调制信号经过一光带通滤波器，实现单边带调制方式。

(4)从光带通滤波器的输出端得到单边带调制信号，并将信号输入到2x2光耦合器的一个输入端a。

(5)从耦合器输入端a输入的单边带调制信号，经耦合器1：1分路后，一部分在2x2光耦合器的输出端b输出，一部分在输出端d输出，从d输出的信号经偏振控制器输入到双平行马赫曾德尔调制器。

(6)射频源输出本振信号输入到90°射频正交耦合器中，将90°射频正交耦合器一个输出端直接连接到双平行马赫曾德尔调制器的mzma的射频输入端口，将90°射频正交耦合器的另外一个输出端与双平行马赫曾德尔调制器的mzmb的射频输入端口相连

(7)在双平行马赫曾德尔调制器中，将幅度为vdca的直流电压接入到mzma的直流输入端，幅度为vdcb的直流电压接入到mzmb的直流输入端，幅度为vdcc的直流电压接入到mzmc的直流输入端。设置vdca、vdcb、vdcc的大小，使双平行马赫曾德尔调制器处于抑制载波单边带调制方式，进而实现输入到双平行马赫曾德尔调制器的双边带调制信号的频率移动，频率移动大小等于本振信号频率。

(8)从双平行马赫曾德尔调制器输出的频移信号经过一段标准单模光纤，在光纤中经过一段时间延时后，频移信号输入到一个光学带通滤波器。

(9)从光虑波器中输出的信号，经由一个掺铒光纤放大器，对频移信号进行功率放大。

(10)从掺铒光纤放大器输出的频移信号，输入到2x2光耦合器的另一个输入端c，从c端输入的信号，经过耦合器分路后，一部分输出到b端口，另一部分从d端口输出进入光纤环，继续频移和延时。

(11)在2x2耦合器输出端口b处，一部分为未经频移延时的原始单边带调制信号，另一部分为经过光纤环频移延时之后的单边带调制信号。从b端口输出的信号输入到一个波分复用器中。

(12)波分复用器的多路输出端与一光开关矩阵相连，通过光开关矩阵，选择某一频段的信号，即选择循环特定圈数的信号。

(13)开关矩阵输出的信号与可调延时模块相连，通过调节延时模块的延时，可以在光纤环路延时的基础上进一步的精细调节。最后经过光电探测器后恢复出原始信号最终实现射频信号的任意时间延时存储。

本发明提出了一种新型的基于微波光子循环频移的射频信号任意延时装置及方法，使用相位调制和光滤波实现射频信号的调制。使用光纤环以及双平行马赫曾德尔调制器，实现了信号的循环延时与频谱搬移。使用波分复用器和光开关矩阵，实现不同延时时间(循环圈数)信号的选择。采用可调延时模块，在循环延时的基础上，可实现进一步的精细时延调整，最终实现信号的任意时间延时存储。最后经过光电探测器进行光电转换，恢复出存储的射频信号。

本方案不需要大量光纤延时线，结构简单，降低了实现成本，减小了链路的插入损耗。采用双平行马赫曾德尔调制器对输入到光纤环的信号进行抑制载波单边带调制，实现存储信号的频谱搬移，这样既可实现循环不同圈数的信号处于不同的频段，防止了后续输入光纤环中的信号对先前环内已有信号的干扰。在光纤环中加入光滤波器，防止信号无限循环频移造成环内的信号功率过大。

附图说明

图1为基于微波光子循环频移的射频信号任意延时装置原理图；

图2为仿真结果图，其中：

(a)为光开关矩阵选择未经延时的光信号频谱图；

(b)为未经延时的光信号经光电转换后射频信号频谱图；

(c)为光开关矩阵选择延时10us(即循环20圈、频移20次)的光信号频谱图；

(d)为延时10us(即循环20圈、频移20次)的光信号经光电转换后的射频频谱图；

(e)为光开关矩阵选择延时20us(即循环40圈、频移40次)的光信号频谱图；

(f)为延时20us(即循环40圈、频移40次)的光信号经光电转换后的射频频谱图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作流程，但本发明的保护范围不限于下属的实施例：

图1为基于微波光子循环频移的射频信号任意延时装置原理图。相位调制器用于对待存储的射频信号进行调制，相位调制信号经过一个光带通滤波器，滤掉调制信号的一个边带，得到单边带调制信号。得到的已调信号，经过光耦合器后进入光纤环，结合双平行马赫曾德尔调制器进行循环频移和延时。延时频移之后的信号经由波分复用器及光开关矩阵，可得到不同延时时间的信号，并结合可调延时模块，对延时信号进行进一步高精细度时延调整后，实现信号的任意时间延时。最后经过光电探测器光电转换后得到延时的射频信号。

如图1所示，本实施例中，装置包括：光源1、偏振控制器2、相位调制器3、光带通滤波器4、2x2光耦合器5、射频源6、90°射频正交耦合器7、双平行马赫曾德尔调制器8、标准单模光纤9、掺铒光纤放大器10、波分复用器11、光开关矩阵12、可调延时模块13以及光电探测器14。其中，双平行马赫曾德尔调制器是由两个并行的子mzma、mzmb和一个主mzmc构成，如图1所示；光源的输出端与偏振控制器相连，偏振控制器与相位调制器的输入端连接。射频信号加载在相位调制器的射频输入端，相位调制器的输出端与光带通滤波器相连，实现光单边带调制。光滤波器的输出端与2x2光耦合器的一个输入端相连。2x2光耦合器的一输出端与偏振控制器相连，然后偏振控制器再与双平行马曾调制器的输入端相连。射频源输出的本振信号与90°射频正交耦合器的输入端相连，90°射频正交耦合器一个输出端连接双平行马赫曾德尔调制器的mzma的射频输入端。90°射频正交耦合器的另一个输出端与双平行马赫曾德尔调制器的mzmb的射频输入端相连。双平行马赫曾德尔调制器的输出端与光纤相连，然后光纤输出端与光带通滤波器连接。光带通滤波器的输出端与掺铒光纤放大器的输入端相连，掺铒光纤放大器的输出端与2x2光耦合器的另一个输入端相连。2x2光耦合器的另一个输出端与波分复用器相连，波分复用器的输出端与光开关矩阵相连，开关矩阵的输出端通过一个可调延时模块与光电探测器相连，光电探测器最终输出延时存储的射频信号。

本实例中，具体包括以下步骤：

步骤一：光源产生工作频率为193.1thz，功率为10dbm的连续光波，该连续光波作为载波输入到相位调制器。

步骤二：射频信号源输出频率为5.9ghz和6.1ghz的双音信号，经过相位调制器调制后的信号，通过一个中心频率为193.103thz、带宽为8ghz光带通滤波器，滤掉下边带信号，得到单边带调制信号。

步骤三：滤波器输出的单边带调制信号输入到2x2光耦合器的一个输入端。

步骤四：从2x2光耦合器的一个端口输出的信号输入到双平行马赫曾德尔调制器中。

步骤五：射频源输出的本振信号的频率为10ghz，经过90°射频正交耦合器后，一个输出端连接到双平行马赫曾德尔调制器的mzma的射频输入端口，另一个输出端连接到双平行马赫曾德尔调制器的mzmb的射频输入端口。

步骤六：通过设置双平行马赫曾德尔调制器的三个直流偏压vdca、vdcb、vdcc的大小，使得双平行马赫曾德尔调制器处于抑制载波单边带调制方式。因此，输入到双平行马赫曾德尔调制器的双边带调制信号，在光域上会产生10ghz的频移。

步骤七：频移之后的单边带调制信号从双平行马赫曾德尔调制器的输出端输出进入100m的光纤进行延时传输，延时时间为0.5us。

步骤八：经延时频移之后的信号经过光学带通滤波器进入掺铒光纤放大器，放大器对延时频移后的功率衰减信号进行20db的放大后，输入到2x2光耦合器的另一个输入端。

步骤九：经延时及频移后的信号，可再次进入光纤环进行延时频移。在2x2光耦合器的另一个输出端，可得到未经延时频移的原始信号以及经过延时频移之后的信号。从其输出端输出的信号输入到波分复用器中，波分复用器的多路输出与光开关矩阵连接，可选择不同频段即不同延时的信号。

步骤十：光开关矩阵输出的信号再经过一个可调延时模块，可进一步调节延时时间，延时之后的信号输入到光电探测器进行光电转换，最终得到存储的射频信号。

图2(a)为光开关矩阵选择未经延时的光信号频谱图。图2(b)为未经延时的光信号经光电转换后射频信号频谱图。由图中可以看出输入的双音信号频率分别为5.9ghz和6.1ghz，对三阶交调信号的抑制比为36db。图2(c)、(e)分别为光开关矩阵选择延时10us(循环20圈、频移20次)、延时20us(循环40圈、频移40次)后的光信号频谱图，从图中可以看出，通过光开关矩阵可选择不同频段的信号，即可实现选择不同时间的延时存储。因为信号每循环一圈，延时0.5us，频率移动10ghz。并且从图中还可以看出，光开关矩阵选择某一特定频段时，对其他延时时间的干扰信号抑制比可达35db以上。图2(d)、(f)分别为延时10us(循环20圈、频移20次)、延时25us(循环40圈、频移40次)的光信号经光电转换后的射频频谱图。从图中可以看出，经过不同延时之后恢复出的信号，对噪声信号的抑制比可达30db，具有较高的保真度。另外，还可以选择带宽较小的光电探测器或者在光电探测器之后通过电域滤波的方式，进一步提高延时信号的保真度。

在本方案中，所处理射频信号的频率范围与本振信号的频率及波分复用器的通带间隔和通带带宽大小相关。在本次仿真验证中，射频源输出本振频率为10ghz，波分复用器通带带宽为8ghz，射频双音信号非别为5.9ghz和6.1ghz。采用本方案，可以选用不同长度的光纤，选择循环一圈的延时时间。选用不同频率的本振以及不同通带间隔和带宽大小的的波分复用器的，改变处理射频信号的范围，具有较高的灵活性。

综上，本发明提出了一种基于微波光子循环频移的射频信号任意延时装置及方法。在方案结构中，通过相位调制器对射频信号进行调制，避免了强度调制器的偏压漂移问题。通过光滤波器实现单边带调制方式，一方面增大了该方案所能处理射频信号的频率范围，另方面解决了由于色散导致的信号在光纤中传输时的周期性功率衰落问题。通过采用光纤环并结合双平行马赫曾德尔调制器即可实现存储信号的频移，使得循环不同圈数的信号，处于不同的频段，防止不同时间进入环内信号之间的干扰。同时采用波分复用器及光开关矩阵，通过对特定频段信号的选择，实现了射频信号不同时间的延时，并结合可调延时模块对循环延时后的信号做进一步高精细度的时延调整，最终实现信号的任意时间延时存储，装置性能比较灵活，结构简单较容易实现。

总之，以上所述实施方案仅为本发明的实施例而已，并非仅用于限定本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明公开的内容上，还可以做出若干等同的变形和替换，如将相位调制器替换为强度调制器，同样可以实现射频信号的调制。将波分复用器替换为可调光滤波器或梳状滤波器，同样可以选择不同频段的信号。此外，用其它类型的移频装置来实现延时信号频谱搬移的这些等同变形和替换也相应视为本发明的保护的范围。