基于K-K检测的低中频光子宽带射频接收方法与流程

本发明涉及光通信技术领域和微波技术领域，主要涉及光通信技术中的微波信号光子学宽带信号变频。

背景技术：

射频接收机是电子系统中重要的组成部分，同传统的射频技术相比，微波光子射频接收机的低损耗、大带宽和抗电磁干扰等特点逐渐得到应用和发展，比如宽带无线通信以及电子对抗领域等。

射频接收机的一个重要的部分是下变频，通过将高频射频信号和高频本振信号混频产生较低频率的中频信号，之后就可利用较低速率的模数转换器进行采样。通常微波光子射频接收机的实现方式是：通过串联或者并联的方式分别将高频射频信号和高频本振信号调制到光载波，经过处理后，通过光电探测器平方率检波对信号进行混频产生低中频信号。

然而由于采用单个光电探测器直接检测的处理方式，会由宽带高频射频信号和高频本振信号之间的频率差而产生信号间的拍频干扰，为了避免信号间拍频干扰的影响，应该使高频射频信号和高频本振信号的频率差大于宽带高频射频信号的带宽，这就使下变频后的中频信号带宽增大，从而对光电探测器、模数转换器和数字信号处理器的要求增高，提高了系统的成本。

传统的光子射频接收机也有通过相干正交检测的方式来消除直接检测引起的信号间拍频干扰问题的，调制的射频光信号和调制的本振光信号分别输入由90度光混合耦合器和平衡的光电探测器组成的光相干接收机中，以此消除信号间拍频干扰。然而这样会增加整个系统的复杂度。或者可以通过偏振控制器和偏振分束器来代替90度光混合耦合器实现正交混频，但是由于光的偏振对外部振动非常敏感，会大大降低系统的稳定性。另外通过多路的方式也会存在多路的长度匹配问题，同样会增加系统的复杂度。

在采用k-k检测即克莱默-克朗格尼算法的自相干检测的方案中，通过高频射频信号和高频本振信号对光载波进行抑制载波单边带调制，也可以消除信号间拍频干扰，但是单边带调制需要对射频信号进行正交处理，这对射频信号的频率有依赖，并且对宽带信号的正交处理也有难度，从而影响系统的工作频率范围和接收机的带宽。

技术实现要素：

为了解决背景技术中所存在的问题，本发明提出了基于k-k检测的低中频光子宽带射频接收方法。该方法使用双平行马赫曾德尔调制器dpmzm，上下两路子调制器均工作在最小点，分别对射频信号和本振信号进行抑制载波双边带调制，dpmzm主偏压工作在最小点，通过单个pd直接检测，经过模数转换器后采用k-k检测算法进行处理，通过该方案可以消除信号间拍频产生的干扰，可以将变频后的中频频率做到较低频率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：所述包括激光器ld、掺饵光纤放大器edfa1、偏振控制器pc、双平行马赫曾德尔调制器dpmzm、信号发生器sg、掺饵光纤放大器edfa2、光滤波器of、光电探测器pd，模数转换器adc以及数字信号处理器dsp；ld的输出端口与edfa1输入端相连，edfa1输出端与pc的输入端相连，调整pc减小偏振相关损耗，pc输出端连接dpmzm输入端，高频射频信号加载在dpmzm的上路子mzm，上路偏压偏置在最小点，对高频射频信号进行抑制载波双边带调制，高频本振信号加载在dpmzm的下路子mzm，下路偏压偏置在最小点，对高频本振信号进行抑制载波双边带调制，dpmzm的主偏压偏置在最小点，dpmzm的输出端与edfa2输入端相连，edfa2输出端与of输入端相连，of输出端与pd输入端相连，pd输出端连接adc，adc模数转换后输入到dsp中通过k-k检测算法进行处理，消除信号间拍频产生的干扰并且恢复出有用信号。

所述dpmzm由三个子mzm结构组成，输入dp-mzm的光信号在主mzm的y分支处分为功率相等的两路分别注入两个上下并行的x-mzm、y-mzm调制器中，主mzm的其中一个臂上还有一个调制电极，可以加载直流偏压。

上述x-mzm和y-mzm具有相同的结构和性能，均具有独立的射频端口和直流偏置端口。

所述光滤波器为大带宽带通滤波器，目的是滤除edfa产生的带外放大自发辐射噪声。

本发明在工作时包括以下步骤：

(1)ld发出的光波经edfa放大后输入到dpmzm中；

(2)宽带高频射频信号和高频本振信号分别接入dpmzm的上下两个子mzm中，上下两个子mzm均偏置在最小点，对宽带射频信号和本振信号进行抑制载波双边带调制，为了能够使用k-k检测处理，主mzm偏置在最小点；

(3)从dpmzm输出的调制光信号经edfa放大后输入到光滤波器中，光滤波器带宽较大，主要是滤除edfa产生的带外放大自发辐射噪声，之后输入到低带宽的光电探测器中拍频，得到带有信号间干扰的低频电信号；

(4)拍频产生的低频电信号经过模数转换器转换为数字信号后，输入到dsp中，采用k-k检测进行处理，可消除信号间拍频干扰，并恢复有用信号。

本发明提出了基于k-k检测的低中频光子宽带射频接收方法，该方案对高频射频信号和高频本振信号均采用简单的抑制载波双边带调制，只使用单个pd直接检测的方式，在数字域采用k-k检测处理即可消除信号间拍频干扰并完整的恢复出有用信号，结构简单，大大降低了接收机系统的复杂度和成本。

该方案能够消除宽带高频射频信号和高频本振信号之间拍频产生的低频干扰，可使高频本振信号频率接近宽带高频射频信号频率，实现将宽带高频射频信号变频到较低的中频，并且恢复出有用信号。

附图说明

图1为本发明基于k-k检测的低中频光子宽带射频接收方法原理图。

图2为经过dpmzm调制后包含射频信号和本振信号的光谱图。

图3为采用k-k检测处理和不采用k-k检测处理的中频信号的功率谱图。

图4为在以信号带宽一半为归一化的中频频率下，分别采用k-k检测处理和不采用k-k检测处理下，误差矢量幅度evm随归一化中频频率变化图，测试中本振功率和射频功率分别为13dbm和3dbm。

图5为分别采用k-k检测处理和不采用k-k检测处理下，误差矢量幅度evm随输入射频信号功率的变化，测试中本振功率为13dbm。

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述的实施例。

如图1所示，本实施例中包括：一个激光器ld、掺饵光纤放大器edfa1、偏振控制器pc、一个矢量信号发生器vsg、一个射频信号源sg、一个双平行马赫曾德尔调制器dpmzm、掺饵光纤放大器edfa2、一个偏振控制器pc、一个光滤波器of、一个光电探测器pd、模数转换器adc以及数字信号处理器dsp。由激光器发出的光波经edfa放大后进入pc，通过pc减小偏振相关损耗后进入dpmzm，输入到上下两个子mzm的光载波分别对宽带高频射频信号和高频本振信号采用抑制载波双边带调制，调节dpmzm主偏压点为最小点，输出的调制光信号经edfa放大后输入到of中滤除掉带外放大自发辐射噪声，之后输入到pd中拍频，拍频产生的电信号经adc采样后输入到dsp中，利用k-k检测算法处理，可以消除信号间的拍频干扰，并恢复有用信号。

本实例中，方法的具体实施步骤是：

步骤一：按照原理图连接各器件，激光器输出光功率约8dbm(1550nm)，经edfa1放大后约为18.5dbm，此时激光器输出的光信号可表示为：

其中，pin和ωc为光载波的功率和角频率。

步骤二：输入dpmzm的高频本振信号和宽带高频射频信号分别表示为elo(t)＝elocosωlt，erf(t)＝es(t)cosωrt,其中elo是高频本振信号的幅度，es(t)是宽带高频射频信号的复包络，ωl和ωr分别是高频本振信号和宽带高频射频信号的角频率。实例中采用的射频信号频率为26ghz，其携带的有用信号为由矢量信号发生器产生的16qam信号，符号速率为100mbaud，基带脉冲被滚降系数为0.2的升余弦滤波器脉冲整型，得到带宽为120mhz的信号，宽带高频射频信号的功率为3dbm；高频本振信号频率为25.94ghz，功率为13dbm，dpmzm中的两个子mzm均工作在最小点，采用抑制载波双边带调制，其输出可以表示为：

其中为主偏压点引起的相位变化。

步骤三：被调制的光信号输入到edfa2放大，edfa2工作在自动增益控制模式，输出光功率恒定为8.5dbm，之后通过of滤除掉放大器产生的带外放大自发辐射噪声，之后输入到低速pd中拍频，pd的响应度为1.09a/w，拍频得到的电信号去除光电流系数可以表示为：：

其中re()表示复信号的实部，从上式中可见pd拍频后的光电流包括：直流、信号间的拍频干扰、下变频到中频的信号，以及高频本振、高频射频信号的高阶分量和交调分量。由于采用的是低速率pd，高阶频率分量可以被抑制，因此可以表示为：

当满足最小相位条件时，pd输出后经过adc采样后输入到dsp中可以利用k-k检测算法处理，下变频的宽带射频信号可以通过下式被完整恢复：

其中，p.v.表示柯西主值。下变频的宽带射频信号被数字示波器采样和数字化，并且通过数字示波器引入了低通滤波器滤除信号带宽外不必要的干扰，之后采用dsp进行处理。在dsp中经过重新上采样、k-k检测消除拍频噪声、直流消除、数字正交下转换、匹配滤波、时间同步、下采样、相位判决后得到基带信号，之后通过符号判决并计算误差矢量幅度evm。图3为采用k-k检测处理和不采用k-k检测处理的中频信号的功率谱图，其中有用信号和由拍频产生的低频干扰带宽都为120mhz，有用信号变到中频的中心频率为180mhz，由拍频产生的低频干扰的中心频率为60mhz，图3中可见不采用k-k检测时，由拍频产生的低频干扰功率较高，采用k-k检测后，由拍频产生的低频干扰得到了很大的抑制，并且使用k-k检测后的误差矢量幅度evm没有下降，说明使用k-k检测不会对有用信号的质量产生影响。

图4为在以信号带宽一半为归一化的中频频率下，分别采用k-k检测处理和不采用k-k检测处理下，误差矢量幅度evm随归一化中频频率变化图，采用k-k检测前，当宽带高频射频信号被变频到较低的本振，即高频射频信号与高频本振信号频率接近时，由于存在信号间拍频产生的低频干扰，会影响低频有用信号的解调，因此在低频阶段，误差矢量幅度较小，通过采用k-k检测后，可见当宽带射频信号变频到低频本振，误差矢量幅度较高，说明k-k检测能够消除由拍频产生的低频干扰，因此采用本方法可以使用与高频射频信号接近的高频本振信号对信号进行下变频，将高频射频信号变频到较低的低频。

综上，本发明利用pdmzm对宽带高频射频信号和高频本振信号都采用抑制载波双边带调制的方式，并通过单个pd直接检测，通过数字域k-k检测算法的处理，实现了高频射频信号下变频到低中频，消除了由于直接检测而引起的信号间拍频干扰，并且恢复原始复信号。该发明方法，采用简单的抑制载波双边带调制以及单个pd，能够使高频本振信号与高频射频信号频率接近，将高频射频信号变频到较低的中频，结构简单，装置性能较好，在实际应用中具有很强的操作性。

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，改变光波长、光功率大小、射频信号的功率大小、频率大小、本振信号的功率大小、频率大小、放大器的放大倍数和光滤波器等参数的改变调整也应视为本发明保护的范围。