基于频谱交织光本振的信道化接收方法及装置与流程

本发明涉及微波光子信号处理技术领域，尤其涉及一种基于频谱交织光本振的信道化接收方法及装置。

背景技术

随着信息技术的发展，通信系统、雷达、电子战等场合都对信号带宽提出了更高的需求。adc的瞬时带宽成为了限制信号带宽的主要因素。信道化作为一种可以将大带宽信号切割为多路窄带信号的手段，可以有效降低对adc瞬时带宽的需求。传统的基于电子的信道化往往具有信道相对带宽大，信道间串扰严重，功耗大，信息不安全的弊端。较之传统的电子信道化技术，微波光子信道化具有明显的优势：光载频率极高而信号带宽相对载频极小，使线路具有稳定的传输特性，解决了传统宽带信号频率响应不平坦的问题；光电子器件体积小、重量轻、传输损耗低，使整个系统紧凑、轻巧、节能；光子系统具有较低的电磁辐射，能够抗电磁干扰和抗电磁脉冲。此外，微波光子信道化与传统电信道化的信号处理系统无缝衔接，借助光通信成熟器件的优势，完成传统电子系统难以完成甚至无法完成的宽带信号传输和处理功能。

目前，微波光子信道化接收的方案主要包括基于滤波效应的信道化和基于双光频梳及i/q解调的信道化两种。

基于滤波效应的信道化主要包括基于光栅滤波和基于光梳滤波两种。基于光栅滤波的方法是将射频信号调制单频光载波上，通过光栅窄线宽滤波效应选取光射频信号不同的频率分量完成信道化过程。图1给出了一种基于相移光栅滤波的射频信道化装置(d.b.hunter,l.g.edvell,andm.a.eglund,widebandmicrowavephotonicchannelisedreceiver,mwp2005.internationaltopicalmeetingonmicrowavephotonics,2005:249-252.)。借助相移光栅的超窄通带使得每一信道只有光射频信号的部分频率可以通过，完成信道化过程。这一方案对相移光栅中心频率的精确度和所有光栅带宽的匹配提出了极大的要求。

基于光梳滤波的方法是将射频信号调制到频率间隔为fs的光频梳上，通过频率间隔为flo梳状滤波器选取光射频信号不同的频率分量完成信道化过程。图2给出了一种基于受激布里渊散射的射频信道化装置(w.xu,d.zhu,ands.pan,coherentphotonicrfchannelizationbasedonstimulatedbrillouinscattering,2015internationaltopicalmeetingonmicrowavephotonics,2015:1-4.)。通过受激布里渊散射完成对光射频信号的滤波。受激布里渊散射的增益谱半波全宽一般只有几十mhz，在遇到几ghz的大带宽信号的时候对光频梳梳齿的数量和信道数量需求极大。类似的还可以通过法布里-珀罗腔作为梳状滤波器完成信道化(xiaojunxie,yitangdai,yuji,kunxu,yanli,jianwu,andjintonglin,broadbandphotonicradio-frequencychannelizationbasedona39-ghzopticalfrequencycomb,ieeephotonicstechnologyletters,vol.24,no.8,april15,2012)，或者使用标准具产生光谱切片非相干光源作为光源调制射频信号，并用第二组梳齿间隔有略微差异的标准具作为光梳滤波器滤波完成信道(x.h.zouw.pan,b.luo,andlianshanyan,photonicapproachformultiple-frequency-componentmeasurementusingspectrallyslicedincoherentsource,opticsletters,vol.35,no.3,february1,2010)。同样的，这两种方案也受限于梳状滤波器的滤波带宽，难以完成大带宽信号的多通道信道化。

另一种基于双光频梳和i/q解调的方法主要是将信号通过载波抑制的单边带调制在其中一路频率间隔为fs的光频梳上，另一路频率间隔为flo的光频梳作为光本振。两组光频梳梳齿间隔有些微的差别，经过镜频抑制混频可以选取不同梳齿上调制的电信号的不同频率分量。图3给出了一种基于双光频梳和数字信号处理的信道化接收装置，通过数字信号处理完成了镜频抑制混频(x.j.xie,y.t.dai,k.xu,j.niu,r.xwang,l.yan,andj.t.lin,broadbandphotonicrfchannelizationbasedoncoherentopticalfrequencycombsandi/qdemodulators,ieeephotonicsjournal,2012,4(4):1196-1202.)。图4给出了一种基于双光频梳和镜频抑制的信道化接收装置，实现了n信道的信道化接收(z.z.tang,d.zhu.ands.l.pan,coherentrfchannelizerbasedondualopticalfrequencycombsandimage-rejectmixers,2017internationaltopicalmeetingonmicrowavephotonics,2017:1-4.)。这两种方案均将射频信号调制到一组光频梳上去，用另一组梳齿间隔有略微差别的光频梳作为光本振，通过i/q下变频将不同通道的信号下变频到不同频段，滤波完成信道化。图4所示的方案使用了平衡探测器进行i/q解调，可以更好的抑制直流分量和宽带信号自拍频所产生的噪声。图5给出了一种基于移频反馈激光器和延迟相干探测的信道化接受方案(w.h.hao,y.t.dai,f.f.yin,y.zhou,j.q.li,j.dai,w.z.li,andk.xu,chirped-pulse-basedbroadbandrfchannelizationimplementedbyamode-lockedlaseranddispersion,opt.lett.,vol.42,no.24,pp.5234-5237,dec.2017.)。该方案产生了两组相同的啁啾光脉冲，其中一组作为光载波，另一组通过载波抑制调制信号，在光载波和信号路之间引入不同的延时差，使得去斜过程中射频信号下变频到不同频段，滤波完成信道化。这三种方法随着信道数量增加，对光频梳梳齿数量的需求也会显著增加。随着梳齿数量的增加，光频梳的产生难度也会显著增加。

传统的基于光梳滤波的信道化方案和基于双光频梳和i/q解调的信道化方案在完成n信道的信道化过程中将光射频信号的功率分为了n份，并且n信道就需要占用n倍射频信号带宽的频谱资源，导致频谱利用率和信道化效率只有1/n。随着射频信号不断向大带宽方向发展，频谱利用率和信道化效率会进一步地降低。

技术实现要素：

本发明所要及解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种基于频谱交织光本振的信道化接收方法，两个信道共用一根光本振，仅使用信道数量一半的光本振数量，实现宽带射频信号的多通道窄带接收，相比于传统信道化方案提高两倍及两倍以上的频谱利用率和信道化效率，并且对接收到的射频信号形式无要求。

本发明基于频谱交织光本振的信道化接收方法，利用载波抑制单边带调制方法，将接收到的宽带射频信号调制到梳齿间隔为kffsr，梳齿数量为n的光频梳上，生成光载射频信号，同时，生成由一组频率间隔依次为kffsr+bch,kffsr+3bch,kffsr+bch,kffsr+3bch……的共n根光本振所组成的频谱交织光本振，其中，k＝0或1，bch为信道带宽，ffsr是预设的频率；将所述光载射频信号和频谱交织光本振分别按照频谱分割出n路，分割出的每一路子光载射频信号均包含完整的宽带射频信号，分割出的每一路子频谱交织光本振包含一根光本振；将n路子光载射频信号与n路子光载射频信号一一对应地组成n组信号对，分别从每组信号对中i/q解调出两路正交输出并经滤波得到两个通道信道化的窄带信号，同一组信号对中的子光载射频信号与子频谱交织光本振满足以下条件：将该子光载射频信号按bch的带宽分为2n个频率域，则该子频谱交织光本振中的光本振频率需要落在该子光载射频信号第4n-1,4n-2(n＝0,1,2,3…)频率域的中心频率处；将2n个窄带信号分别转换为数字信号，并在数字域对各个通道信道化后的数字信号进行延时和/或幅度修正以及频率纠正，完成信号的拼接，实现数字信号还原。

优选地，所述频谱交织光本振通过以下方法生成：在两组梳齿间隔均为(k+1)ffsr+4bch的光频梳之间引入kffsr+bch的频移，然后将这两组光频梳耦合。或者，所述频谱交织光本振通过以下方法生成：在两个偏振态上通过载波抑制单边带调制方式分别调制两个频率间隔为bch的射频信号，得到一对偏振态正交的光本振。

优选地，通过电光调制的方式生成所述光频梳。

优选地，所述从每组信号对中i/q解调出两路正交输出，具体方法如下：将信号对中的子光载射频信号与子频谱交织光本振分别送入90°光耦合器的两个输入端，然后对90°光耦合器输出的两对正交光信号分别进行平衡光电探测，接着将所得到的两路电信号输入90°电桥，90°电桥的输出即为i/q解调出的两路正交输出。

根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案：

基于频谱交织光本振的信道化接收装置，包括：

电光调制模块，用于利用载波抑制单边带调制方法，将接收到的宽带射频信号调制到梳齿间隔为kffsr，梳齿数量为n的光频梳上，生成光载射频信号；

频谱交织光本振模块，用于生成由一组频率间隔依次为kffsr+bch,kffsr+3bch,kffsr+bch,kffsr+3bch……的共n根光本振所组成的频谱交织光本振，其中，k＝0或1，bch为信道带宽，ffsr是预设的频率；

光信号处理模块，用于将所述光载射频信号和频谱交织光本振分别按照频谱分割出n路，分割出的每一路子光载射频信号均包含完整的宽带射频信号，分割出的每一路子频谱交织光本振包含一根光本振；

i/q解调及滤波模块，用于将n路子光载射频信号与n路子光载射频信号一一对应地组成n组信号对，分别从每组信号对中i/q解调出两路正交输出并经滤波得到两个通道信道化的窄带信号，同一组信号对中的子光载射频信号与子频谱交织光本振满足以下条件：将该子光载射频信号按bch的带宽分为2n个频率域，则该子频谱交织光本振中的光本振频率需要落在该子光载射频信号第4n-1,4n-2(n＝0,1,2,3…)频率域的中心频率处；数字信号处理模块，用于将2n个窄带信号分别转换为数字信号，并在数字域对各个通道信道化后的数字信号进行延时和/或幅度修正以及频率纠正，完成信号的拼接，实现数字信号还原。

优选地，所述频谱交织光本振模块包括：

光频梳模块，用于生成两组梳齿间隔均为(k+1)ffsr+4bch的光频梳；

频移模块，用于在所述两组光频梳之间引入kffsr+bch的频移；

光耦合器，用于将引入频移后的两组光频梳耦合。

优选地，所述频谱交织光本振模块包括：

双偏振电光调制模块，用于在两个偏振态上通过载波抑制单边带调制方式分别调制两个频率间隔为bch的射频信号，得到一对偏振态正交的光本振

优选地，通过电光调制的方式生成所述光频梳。

优选地，所述i/q解调及滤波模块包括n个并行的i/q解调单元，用于对n组信号对分别进行i/q解调；每个i/q解调单元由一个90°光耦合器、一个90°电桥及两个平衡光电探测器组成；信号对中的子光载射频信号与子频谱交织光本振分别送入90°光耦合器的两个输入端，两个平衡光电探测器分别对90°光耦合器输出的两对正交光信号进行平衡光电探测，平衡光电探测得到的两路电信号输入90°电桥，90°电桥的输出即为i/q解调出的两路正交输出。

相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

本发明基于频谱交织光本振，在光域实现宽带信号的信道化接收，相比现有技术减少了一半的本振数量，降低了对光频梳梳齿数量的要求，提高了频谱利用率和信道化效率；并且有效减少了对低频电信号镜频抑制比的需求，降低了信道间的串扰。

附图说明

图1为基于相移光栅滤波的射频信道化结构原理示意图；

图2为基于受激布里渊散射的射频信道化结构原理示意图；

图3为基于相干光频梳和i/q调制解调器的大带宽光子射频信道化结构原理示意图；

图4为基于双光频梳和镜频抑制连续射频信道化结构原理示意图；

图5为基于锁模激光器和色散的啁啾脉冲大带宽射频信号信道化结构原理示意图；

图6为本发明基于频谱交织光本振的信道化接收装置的结构原理示意图；

图7为本发明信道化接收装置一个具体实施例的结构原理示意图；

图8为本发明信道化接收装置接收另一个具体实施例的结构原理示意图；

图9为使用图8所示结构的光本振的光谱图；

图10为使用图8所示结构的原信号的时域图，时频曲线和频谱图；

图11为使用图8所示结构的四个通道接收到的信号时域图，时频曲线和频谱图；

图12为使用图8所示结构的四个通道频率修正后信号时域图，时频曲线和频谱图；

图13为使用图8所示结构的还原信号的时域图、时频曲线和频谱图；

图14为本发明基于图8扩展的一个具体实施例的的结构原理示意图。

具体实施方式

最对现有技术的不足，本发明的思路是基于镜频抑制技术，通过频谱交织光本振来扩展信道数量，从而实现两个通道共用一根光本振，n根光本振可以实现2n通道的信道化；从而减少了一半的本振数量，降低了对光频梳梳齿数量的要求；并且有效减少了对低频电信号镜频抑制比的需求，降低了信道间的串扰。

根据以上发明思路可得到本发明基于频谱交织光本振的信道化接收方法，具体如下：

利用载波抑制单边带调制方法，将接收到的宽带射频信号调制到梳齿间隔为kffsr，梳齿数量为n的光频梳上，生成光载射频信号，同时，生成由一组频率间隔依次为kffsr+bch,kffsr+3bch,kffsr+bch,kffsr+3bch……的共n根光本振所组成的频谱交织光本振，其中，k＝0或1，bch为信道带宽，ffsr是预设的频率；将所述光载射频信号和频谱交织光本振分别按照频谱分割出n路，分割出的每一路子光载射频信号均包含完整的宽带射频信号，分割出的每一路子频谱交织光本振包含一根光本振；将n路子光载射频信号与n路子光载射频信号一一对应地组成n组信号对，分别从每组信号对中i/q解调出两路正交输出并经滤波得到两个通道信道化的窄带信号，同一组信号对中的子光载射频信号与子频谱交织光本振满足以下条件：将该子光载射频信号按bch的带宽分为2n个频率域，则该子频谱交织光本振中的光本振频率需要落在该子光载射频信号第4n-1,4n-2(n＝0,1,2,3…)频率域的中心频率处；将2n个窄带信号分别转换为数字信号，并在数字域对各个通道信道化后的数字信号进行延时和/或幅度修正以及频率纠正，完成信号的拼接，实现数字信号还原。

所述频谱交织光本振可通过多种不同的方法生成，本发明优选采用以下方法：在两组梳齿间隔均为(k+1)ffsr+4bch的光频梳之间引入kffsr+bch的频移，然后将这两组光频梳耦合。或者，所述频谱交织光本振通过以下方法生成：在两个偏振态上通过载波抑制单边带调制方式分别调制两个频率间隔为bch的射频信号，得到一对偏振态正交的光本振。当然，也可采用其他可行方式，例如在两组梳齿间隔为ffsr+4bch，偏振态正交的两组光频梳之间引入bch的频移，然后将这两组光频梳耦合，此时光处理模块可以同时使用波分复用和偏振分束模块完成频谱交织光本振的分割。

所述从每组信号对中i/q解调出两路正交输出，可采用现有的各种i/q解调方法，本发明优选采用以下方法：将信号对中的子光载射频信号与子频谱交织光本振分别送入90°光耦合器的两个输入端，然后对90°光耦合器输出的两对正交光信号分别进行平衡光电探测，接着将所得到的两路电信号输入90°电桥，90°电桥的输出即为i/q解调出的两路正交输出。

图6显示了本发明基于频谱交织光本振的信道化接收装置的基本结构及原理。下路的电光调制模块利用载波抑制单边带调制方法，将接收到的带宽为fs的宽带射频信号调制到梳齿间隔为kffsr，梳齿数量为n的光频梳上，生成光载射频信号；上路的频谱交织光本振模块生成由一组频率间隔依次为kffsr+bch,kffsr+3bch,kffsr+bch,kffsr+3bch……的共n根光本振所组成的频谱交织光本振，其中，k＝0或1，bch为信道带宽，ffsr是预设的频率；光信号处理模块将下路的光载射频信号和上路的频谱交织光本振分别按照频谱分割出n路，分割出的每一路子光载射频信号如图6中(a)处频谱所示(图中的fsl和fsr分别为子光载射频信号中频率低于、高于对应光本振的部分)，均包含完整的宽带射频信号，分割出的每一路子频谱交织光本振如图6中(b)处频谱所示，包含一根光本振(图中为flo1)；i/q解调及滤波模块将n路子光载射频信号与n路子光载射频信号一一对应地组成n组信号对，分别从每组信号对中i/q解调出两路正交输出，其频谱如图6中(c)、(d)所示，正交信号的频率分别为光载射频信号频率高于和低于光本振的频率部分。并经滤波得到两个通道信道化的窄带信号，同一组信号对中的子光载射频信号与子频谱交织光本振满足以下条件：将该子光载射频信号按bch的带宽分为2n个频率域，则该子频谱交织光本振中的光本振频率需要落在该子光载射频信号第4n-1,4n-2(n＝0,1,2,3…)频率域的中心频率处；数字信号处理模块将2n个窄带信号分别转换为数字信号，并在数字域对各个通道信道化后的数字信号进行延时和/或幅度修正以及频率纠正，完成信号的拼接，实现数字信号还原。该方案频谱利用率和信道化效率相比于传统方案提高了一倍。

图7显示了本发明基于频谱交织光本振的信道化接收装置的一个具体实施例。为简便起见，图中未示出数字信号处理模块。

如图7所示，本实例中的频谱交织光本振模块由两个耦合器，两个移频模块和两个电光调制器组成，i/q解调模块由一个90°光耦合器，两个平衡探测器和一个90°电桥组成。频谱交织光本振模块中的两个电光调制器用于产生两组梳齿间隔为2ffsr+4bch的光频梳，移频模块分别将两组光频梳红移或蓝移fd1和fd2(fd1＝fsmin+1.5bch,fd2＝fd1+ffsr+bch,fsmin为射频信号最小频率)；下路第一个电光调制器用于产生梳齿间隔为ffsr的光频梳，第二个电光调制器用于将射频信号通过载波抑制单边带调制方式调制到光频梳上；通过波分复用器，将对应频率范围内的子频谱交织光本振和光信号分别送入每路的90°光耦合器的两个输入端；在每路中；90°光耦合器的四个正交输出端分别连接两个平衡探测器的四个输入端；两个光电探测器的输出端分别和电90°电桥的两个输入端相连；90°光耦合器，平衡探测器和90°电桥共同完成了i/q下变频，90°电桥的两个输出端分别输出子频谱交织光本振高频和低频两侧的光信号；将电桥输出的两个电信号送入电滤波器和模数转换器；模数转换器的输出部分连接数字信号处理器；数字信号处理器完成信号的还原。

图8显示了本发明基于频谱交织光本振的信道化接收装置的另一个具体实施例，为便于说明，本实施例使用间隔为kffsr+bch的两根光本振实现连续四个信道的信道化，即每四个信道完成了一次频谱交织，并利用其对本发明的可行性及技术效果进行验证。本实例中的频谱交织本振模块以双偏振-马赫曾德尔调制器代替，i/q解调模块由一个90°双偏振光耦合器，两个平衡探测器和一个90°电桥组成。窄线宽激光器及光耦合器分别为上下两路提供光源，上路双偏振-马赫曾德尔调制器上下两臂分别输入11.5ghz和12.5ghz的本振信号，结合滤波器完成载波抑制单边带调制，得到两根偏振态正交的光本振，如图9。通过调节频谱交织光本振模块之后的偏振控制器，结合90°双偏振光耦合器内置的偏振分束器，可以实现1ghz双光本振的分离，分离的光本振已显示在图9中。

下路通过马赫曾德尔调制器和滤波器实现10-14ghz正啁啾线性调频信号的载波抑制单边带调制。图10显示了10-14ghz信号的时域图，时频曲线图和频谱图。将上路得到的频谱交织光本振和下路得到的光信号分别输入90°双偏振光耦合器的信号和本振输入口，这里频谱交织光本振输入信号口的原因是90°双偏振光耦合器只有信号口有偏振分束器，调节频谱交织光本振路的偏振控制器，将两个偏振态的频谱交织光本振分别送入90°双偏振光耦合器内置的两个子90°光耦合器中，将光射频信号等功率的送入两个90°光耦合器中。每个90°光耦合器的输出为两个i信号和两个q信号。两个i信号的本振和光射频信号分别存在0°和180°相差，两个q信号的本振和光射频信号分别存在90°和270°相差。两个i信号被送入同一个平衡探测器，两个q信号被送入另一个平衡探测器。两个平衡探测器输出一对正交电信号。这一对正交电信号被分别送入90°电桥的两个输入端，90°电桥的两个输出端输出光射频信号两个频率部分的信号，这两个频率部分分别为光射频信号频率高于和低于子频谱交织光本振频率的部分。将这两个信号经过0.5-1.5ghz电滤波器滤波之后送入模数转换器；模数转换器的输出部分连接数字信号处理器，实验中使用了实时示波器代替模数转换器。数字信号处理器接收到的信号显示在图11中。a1，b1，c1，d1分别为四个通道的数字信号时域图，实验使用的是线性调频信号，可以看到，四个通道1us时间内先后出现了信号；a2，b2，c2，d2分别为四个通道数字信号的时频曲线图，1和2通道为负啁啾信号，3和4通道为正啁啾信号；a3，b3，c3，d3分别为四个通道的数字信号频谱图，均为0.5-1.5ghz频率范围的信号。由于下变频的过程中会出现理论计算上的负频率，但实际中频率并不能为负，所以1和2通道的信号会关于零频作一次对称，原本的正啁啾信号在下变频之后变成了负啁啾信号，此时就需要频率纠正来修正这些关于零频镜像变化之后的信号，该方案中的频率纠正是将负啁啾信号下变频为负频率，由此再完成一次关于零频的对称，将里1和2通道的负啁啾信号变为正啁啾信号。频率纠正之后的信号均为0.5-1.5ghz的正啁啾信号，还需要将四个通道的信号进行上变频到中频，上边变频结果显示在图12中，a2，b2，c2，d2分别为四个通道数字信号的时频曲线图，四个通道均变换为正啁啾信号；a3，b3，c3，d3分别为四个通道的数字信号频谱图，四个通道的中心频率分别为1.5ghz，2.5ghz，3.5ghz，4.5ghz，且带宽均为1ghz，完成了需要的频率纠正。将四个通道频率纠正之后的信号幅度相加就得到了还原信号，还原信号在图13中显示，a.为还原信号的时域图，是一个时长0.5us的信号，与原信号时长相同；b为还原信号的时频曲线图，该图显示出还原信号为一个1-5ghz的正啁啾信号；c为还原信号的频谱图，仅在1-5ghz内有信号，完成了信道化。该方案的频谱利用率和信道化效率达到了理论上的最大值，完全利用了调制得到的光射频信号的全部频谱。

如图14所示，为实现多于4通道的信道化装置，频谱交织光本振模块由一个偏振分束器，一个偏振合束器，两个移频模块和两个光电调制器组成。偏振分束器和偏振合束器用于使频谱交织光本振模块上下两路光信号的偏振态垂直。频谱交织光本振模块上下两路的光电调制器用于生成两组梳齿间隔为ffsr+4bch，偏振态垂直的光频梳。移频模块分别将两组光频梳红移或蓝移fd1和fd2(fd1＝fsmin+1.5bch,fd2＝fd1+bch,fsmin为射频信号最小频率)。经过偏振合束器耦合两组光频梳得到频谱间隔分别为bch，ffsr+3bch，bch，ffsr+3bch……的双偏振频谱交织光本振。上路光处理模块将频谱交织光本振分为n/2路，其中n为频谱交织光本振的梳齿数量。每路包含两个频率间隔为bch并且偏振态垂直的子频谱交织光本振。下路第一个电光调制器用于产生梳齿间隔为ffsr的光频梳，第二个光电调制器用于将射频信号通过载波抑制单边带调制方式调制到光频梳上。下路光处理模块用于将光载射频信号分为n/2路。将n/2路子频谱交织光本振和n/2路光射频信号一一对应地送入n/2个i/q解调模块。每路都完成了与图8结构相同的i/q解调，滤波，数字信号处理过程。该方案频谱利用率和信道化效率相比于传统方案提高了三倍。

综上，本发明提供的频谱交织的信道化接收方法、装置，通过引入频谱交织的信道化接收处理，结合光子技术的宽带处理优势和数字技术的精细、灵活可重构的优势，单宽带信号多信道接收、多宽带信号多信道接收，可用于多功能的信号接收；且信道化过程中不需要复制射频信号，充分节约了频谱资源。这使得本发明可以广泛应用于航电系统、雷达、电子战等大带宽射频系统。