一种射频自干扰消除的全双工通信系统及方法

本发明提出了一种射频自干扰消除的全双工通信系统及方法，该系统及方法属于射频自干扰消除和微波光子学技术领域。

背景技术：

随着通信技术的发展，5g时代的到来，人们对频谱资源利用率及数据传输速率的要求越来越高，为了满足这一需求，提出了同时同频全双工通信技术。然而在全双工通信中，由于发射信号和接收信号在同一频带内，强的发射信号会直接泄漏到接收端，将弱的接收信号覆盖，造成系统自干扰或共址干扰，并且自干扰信号不能被陷波滤波器或窄带滤波器直接滤除。因此系统自干扰成为全双工通信技术中迫切需要解决的问题之一。

为解决全双工通信技术中系统自干扰的问题，人们从电学领域转换到具有大带宽、高精度和低损耗的光学领域。基于光学领域的射频自干扰消除，是利用电光调制器将射频电信号转换到光域进行处理，再利用光电探测器进行光电转换后进行后续处理。

而现有的一些光域射频自干扰消除技术是在光电转换后实现的自干扰信号的消除，使得信号在光纤中传输时，射频自干扰信号会复现；一些射频自干扰消除技术仅考虑了对接收信号的处理，不能实现收发一体，并且许多消除技术受光纤色散影响，不能实现长距离的光纤传输。

技术实现要素：

为了解决现有方法中功能单一和不能长距离光纤传输的缺点，本发明提出了一种射频自干扰消除的全双工通信系统及方法。该方法可以实现收发一体，且不仅能同时实现上、下变频，还能消除系统射频自干扰。

一种射频自干扰消除的全双工通信系统，包括射频源1(1)、射频源2(2)、激光器(3)、偏振控制器(pc)(4)、保偏光纤分路器(5)、双偏振双平行马赫曾德尔(dp-dpmzm)调制器(6)、偏振分束器(pbs)(7)、光学带通滤波器1(obpf1)(8)、光电探测器1(pd1)(9)、光学带通滤波器2(obpf2)(10)、光纤放大器(edfa)(11)、单模光纤(smf)(12)、光电探测器2(pd2)(13)、电移相器(14)、电衰减器(15)、功分器(16)、电耦合器(17)。激光器(3)的输出端与偏振控制器(4)的输入端相连，偏振控制器(4)的输出端与保偏光纤分路器(5)的输入端相连；光载波经保偏光纤分路器(5)分为两路，其中一个输出端与dp-dpmzm调制器的上路x-dpmzm的光输入端相连，另外一个输出端与dp-dpmzm调制器的下路y-dpmzm的激光输入端相连；

dp-dpmzm调制器的上路x-dpmzm有两个射频输入端口，射频源1(1)输出的射频信号作为中频信号(if)与x-dpmzm的一个射频输入端相连；射频源2(2)输出的射频信号作为本振信号(lo)与x-dpmzm的另一个射频输入端相连；

dp-dpmzm调制器的下路y-dpmzm有两个射频输入端口；功分器(16)分出的参考信号依次通过电移相器(14)、电衰减器(15)，与射频源2(2)输出的本振信号经电耦合器(17)耦合，作为一射频源与y-dpmzm的一个射频输入端相连；接收天线接收到的信号作为另一射频源与y-dpmzm的另一个射频输入端相连；

dp-dpmzm调制器(6)的输出端与偏振分束器(7)的输入端相连；经dp-dpmzm调制器调制后的调制信号经偏振分束器(7)分为两路，其中一路输出端与光电带通滤波器1(8)、光电探测器1(9)通过光纤依次相连，光电探测器1(9)的输出端与功分器(16)的输入端通过电缆相连；功分器(16)有两路输出，一个输出为发射信号，该输出端与发射天线相连；功分器(16)的另一路输出作为参考信号；偏振分束器(7)的另外一路输出端与光学带通滤波器2(10)、光纤放大器(11)、单模光纤(12)、光电探测器2(13)通过光纤依次连接，光电探测器2(13)输出消除噪声后的接收信号；

一种射频自干扰消除的全双工通信方法，过程如下：

步骤1：激光器(3)输出的光信号经过偏振控制器(4)后由保偏光纤分路器(5)分成两路分别进入dp-dpmzm调制器的x-dpmzm路和y-dpmzm路，作为dp-dpmzm调制器的光载波；

步骤2：将射频源1(1)发出的中频信号作为x-dpmzm路的一个子mzm的射频驱动信号，射频源2(2)发出的本振信号作为x-dpmzm路的另一个子mzm的射频驱动信号；

步骤3：通过控制x-dpmzm的三个直流偏置电压，使其两个子mzm输出的信号均处于载波抑制双边带调制状态；

步骤4：通过obpf1(8)保留经调制后的中频信号的+1阶边带和本振信号的-1阶边带，经过光电探测器1(9)拍频后由功分器(16)分为两路，其中一路作为发射信号进行发射，另外一路作为参考信号；

步骤5：参考信号通过电移相器(14)和电衰减器(15)后同射频源2(2)输出的本振信号经过电耦器(17)耦合后一起作为y-dpmzm的一个子mzm的射频驱动信号，接收天线接收到的信号作为另一射频源作为y-dpmzm的另一个子mzm的射频驱动信号，其中，所述的接收信号包括感兴趣信号以及干扰信号；

步骤6：通过对y-dpmzm的主直流偏置电压、电移相器和电衰减器的控制，使得参考信号与干扰信号的幅度匹配，相位相差180°，从而实现相互抵消，其中，通过对y-dpmzm的三个直流偏置电压的控制，使y-dpmzm的两个子mzm处于正交偏置状态；

步骤6：通过obpf2(10)保留感兴趣信号的+1阶边带和本振信号的+1阶边带，之后依次经过光纤放大器(11)和单模光纤(12)后，由光电探测器2(13)拍频得到消除干扰之后的接收信号。

综上，本发明通过obpf1(8)对调制后的信号滤波和pd1(9)拍频后，实现了信号的上变频和信号发射；通过控制y-dpmzm路的主直流偏置点的电压实现射频自干扰消除中反相的条件，进一步通过调节电移相器和电衰减器实现接收信号中自干扰信号的消除；通过obpf2对调制信号的滤波和pd2(13)拍频后实现信号的下变频。至此，本方法已实现收发一体，以及上、下变频和系统射频自干扰消除。

本发明的有益效果：

本发明通过对dp-dpmzm调制器的直流偏置点的控制和滤波器滤波，可实现信号上、下变频和系统射频自干扰消除，进而完成信号的收发一体。

本发明的下变频后的中频信号为载波抑制单边带信号，有效避免了长距离光纤传输过程中由光纤色散引起的功率衰落效应。

附图说明

图1为射频自干扰消除的全双工通信方法流程图。

图2为射频自干扰消除的全双工通信系统链路结构示意图。

图3为信号上变频时，图2中(a)、(b)、(c)、(d)处的频谱示意图。

图4为信号同时下变频和射频自干扰消除时，图2中(e)、(f)、(g)、(h)处的频谱示意图。

其中，(1)射频源1；(2)射频源2；(3)激光器；(4)偏振控制器；(5)保偏光纤分路器；(6)双偏振双平行马赫曾德尔调制器；(7)偏振分束器；(8)光电带通滤波器1；(9)光电探测器1；(10)光学带通滤波器2；(11)光纤放大器；(12)单模光纤；(13)光电探测器2；(14)电移相器；(15)电衰减器；(16)功分器；(17)电耦合器tx：发射天线；rx：接收天线；esa：电谱分析仪；lo：本振信号；if：中频信号；soi：感兴趣的信号；si：干扰信号；sr：参考信号

具体实施方式

下面结合附图和数学推导对本发明做进一步说明：

图1为本发明射频自干扰消除的全双工通信方法系统的结构图，包括射频源1、射频源2、激光器、偏振控制器、保偏光纤分路器、双偏振双平行马赫曾德尔(dp-dpmzm)调制器、偏振分束器、光学带通滤波器1、光电探测器1、光学带通滤波器2、光纤放大器、单模光纤、光电探测器2、电移相器、电衰减器、功分器、电耦合器。

激光器输出的光信号经过偏振控制器后，由保偏光纤分路器分为两路作为光载波分别进入双偏振双平行的马赫曾德尔调制器的x-dpmzm路和y-dpmzm路。

射频源1和射频源2输出的射频信号经过x-dpmzm转换到光域。

通过对x-dpmzm的直流偏置点的控制，实现两路信号的载波抑制双边带调制。

经过x-dpmzm调制后的信号，经过带通滤波器1，保留本振信号的-1阶和中频信号的+1阶边带，经过光电探测器1进行光电转换后实现信号上变频，上变频后的信号由功分器分为两路，一路作为发射信号进行发射。

功分器分出的另一路作为参考信号，同本振信号经过电耦合器耦合后作为一路射频信号和接收天线接收到的信号经y-dpmzm转换到光域。

通过对y-dpmzm的两个子mzm直流偏置点的控制，实现两路信号的正交偏置状态；通过对主mzm的直流偏置点的控制，实现系统射频自干扰消除中反相的条件。

经y-dpmzm调制后的信号，经过带通滤波器2，保留感兴趣的信号和本振信号的+1阶边带。

经过滤波后的信号依次经光纤放大器、单模光纤后，经过光电探测器2进行光电转换后实现信号的下变频。

本发明的思路是通过对y-dpmzm主直流偏置点、电移相器和电衰减器的控制实现系统的自干扰消除；利用对dp-dpmzm的直流偏置点的控制及光学带通滤波器滤波，实现系统上、下变频和收发一体；并且由于下变频和滤波后的信号是单边带的，使得信号在长距离光纤传输过程中，不易受光纤色散引起的功率衰落效应的影响。

利用图1所示的射频自干扰消除的全双工通信方法如下：

步骤一：利用激光器输出光信号，此处为了便于说明，以角频率为ω0，振幅为e0的光信号为例进行分析。则激光器输出的光信号可表示为：

上述光信号作为dp-dpmzm调制器的光载波；该光信号进入dp-dpmzm调制器后，功率等分地进入dp-dpmzm调制器的上下两个正交偏振的子dpmzm中，即x-dpmzm和y-dpmzm。

步骤二：利用射频源1输出的射频信号作为中频信号(if)，利用射频源2输出的射频信号作为本振信号(lo)，经x-dpmzm进行电光转换、光学带通滤波器1滤波和pd1光电转换，从而实现系统对基带中频信号的上变频，用于进行信号发射。为了便于说明，以角频率为ωif、电压幅度为vif的射频信号作为中频信号，以角频率为ωlo、电压幅度为vlo的射频信号作为本振信号为例进行分析。此时，射频源1、射频源2输出的射频信号可分别表示为：

vif(t)＝vifcosωift(2)

vlo(t)＝vlocosωlot(3)

步骤三：将射频源1、射频源2产生的射频信号作为dp-dpmzm调制器上路的x-dpmzm的射频驱动信号，则经过x-dpmzm调制后的输出信号为

其中，分别为中频信号和本振信号的调制深度，vπ为半波电压，θ1、θ2、θ3分别为直流偏置点dc1、dc2、dc3引起的相位变化。其中vdc1、vdc2、vdc3为三个外加直流偏置电压的幅度值。

利用贝塞尔函数将上式展开，则x-dpmzm的输出光场可表示为

其中jn(m)为第一类n阶贝塞尔函数。通过控制vdc1、vdc2、vdc3，令θ1＝θ2＝π，θ3＝2π，使x-dpmzm的两个子mzm处于载波抑制双边带调制状态。在小信号调制下，仅考虑二阶以下的光边带，x-dpmzm输出的光场可表示为

步骤四：利用obpf1滤波后，保留经调制后的if信号的+1阶边带和lo信号的-1阶边带，经过光电探测器1拍频得

然后经过功分器(16)分为两路，其中一路作为发射信号进行发射；

步骤五：参考信号通过电移相器(14)和电衰减器(15)后同射频源2(2)输出的本振信号经过电耦器(17)耦合后一起作为y-dpmzm的一个子mzm的射频驱动信号，接收天线接收到的信号作为另一射频源作为y-dpmzm的另一个子mzm的射频驱动信号，接收信号包括感兴趣信号以及干扰信号，为了便于说明，以角频率为ωm、电压幅度为vsoi的射频信号为接收信号中的感兴趣的信号(soi)，角频率为ωm、电压幅度为vsi的射频信号为接收信号中的干扰信号(si)，以角频率为ωm、电压幅度为vsr的射频信号为参考信号(sr)，其中参考信号经电移相器后时间上有τ的延迟，为便于区分，参考信号的时间量用t’表示，则三个信号可分别表示为

vsoi(t)＝vsoicosωmt(8)

vsi(t)＝vsicosωmt(9)

vsr(t)＝vsrcos(ωmt'+τ)(10)

步骤六：经过y-dpmzm调制后的输出信号为

其中分别为感兴趣的信号、干扰信号和参考信号的调制深度，vπ为半波电压，θ4、θ5、θ6分别为直流偏置点dc4、dc5、dc6引起的相位变化。其中vdc4、vdc5、vdc6为三个外加直流偏置电压的幅度值。

利用贝塞尔函数将上式展开，得

其中jn(m)为第一类n阶贝塞尔函数。通过控制vdc4、vdc5、vdc6，使θ6＝π，使y-dpmzm的两个子mzm处于正交偏置状态。在小信号调制下，忽略二阶及以上的高阶边带，且利用贝塞尔函数的jn(m)＝-j-n(m)特性，则y-dpmzm输出的光场为

通过对y-dpmzm的主直流偏置点、电移相器和电衰减器的控制，使得参考信号与干扰信号的幅度匹配，相位相差180°，从而实现相互抵消，即满足下列条件

j0(msoi)j1(msi)＝j0(mlo)j1(msr)，ωmt＝ωmt'+τ(14)

则抵消后的输出为

步骤七：通过光学带通滤波器2保留感兴趣信号的+1阶边带和本振信号的+1阶边带，经光电探测器2拍频得

至此，本发明通过对中频信号的上变频实现了信号发射；通过对y-dpmzm的主直流偏置点、电移相器和电衰减器的控制，实现了系统射频自干扰信号的消除；同时对接收信号的下变频和单边带滤波，实现了对光纤传输中由光纤色散引起的功率衰落效应的抑制。

综上所述，本发明提出了一种射频自干扰消除的全双工通信系统及方法，该系统及方法解决了现有方法的功能单一和不能长距离光纤传输的问题，同时实现了收发一体和射频自干扰消除。