基于双偏振光IQ调制器的多功能微波光子射频前端系统转让专利
申请号 : CN202110068434.5
文献号 : CN112929091B
文献日 : 2021-12-17
发明人 : 邓磊 , 胡润泽 , 曹子偲 , 宋海平 , 刘德明
申请人 : 华中科技大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种基于双偏振光IQ调制器的多功能微波光子射频前端系统,其特征在于,所述射频前端系统包括:上行链路和下行链路;
所述下行链路包括微波光子本地振荡生成模块和微波光子上变频模块;
所述微波光子本地振荡生成模块用于产生LO信号;
所述微波光子上变频模块用于接收中频信号与所述微波光子本地振荡生成模块所产生的LO信号耦合后的信号,并以LO信号作为变频基准信号对中频信号进行上变频,并将上变频后的中频信号分为两路,其中一路作为反馈信号输入至所述微波光子本地振荡生成模块以实现LO信号自生成;另一路再次被分为两路,其中第一路作为发射信号发射出去,第二路作为参考信号传输至所述上行链路;
所述上行链路包括自干扰消除模块和微波光子下变频模块;
所述自干扰消除模块用于接收信号以及下行链路传输的参考信号,以消除发射信号对接收信号的干扰;
所述微波光子下变频模块用于接收干扰消除后的接收信号,并以下行链路自生成的LO信号作为变频基准信号对干扰消除后的接收信号进行下变频并输出;
所述微波光子下变频模块包括X偏振态光IQ调制器和第一电耦合器;所述X偏振态光IQ调制器由三个马赫曾德尔调制器组成,分别为MZM_XI调制器、MZM_XQ调制器和MZM_XP调制器;
所述MZM_XI调制器通过所述第一电耦合器连接接收天线,所述接收信号与所述LO信号经过所述第一电耦合器进行耦合并进入所述MZM_XI调制器的射频输入端,所述接收信号对所述X偏振态光IQ调制器内的信号光进行幅度调制,从而完成对所述接收信号的下变频;所述X偏振态光IQ调制器输出的经下变频的接收信号依次通过偏振合束器、偏振分束器和光滤波器后被中心局接收;
所述微波光子上变频模块包括Y偏振态光IQ调制器、第一光电探测器、第二光电探测器、光电振荡模块光纤、第二光电探测器、第二电耦合器;
所述Y偏振态光IQ调制器由三个马赫曾德尔调制器组成,分别为MZM_YI调制器、MZM_YQ调制器和MZM_YP调制器;所述MZM_YI调制器的射频输入端连接所述第一光电探测器,用于接收中心局发射的中频信号;所述中频信号经所述Y偏振态光IQ调制器上变频后的信号作为发射信号依次通过所述偏振合束器、所述偏振分束器、所述光电振荡模块光纤和所述第二光电探测器后进入所述第二电耦合器;所述第二电耦合器将所述发射信号分为两路,其中第一路发射信号经滤波、放大后输入至所述发射天线;第二路发射信号经放大、滤波后作为LO信号分别进入所述MZM_YQ调制器和MZM_XI调制器。
2.据权利要求1所述的基于双偏振光IQ调制器的多功能微波光子射频前端系统,其特征在于,所述光电振荡模块光纤、第二光电探测器、第二功率放大器与所述Y偏振态光IQ调制器构成OEO环路,通过调节所述光电振荡模块光纤的长度以及所述Y偏振态光IQ调制器的偏置点以满足OEO环路闭环起振条件,从而实现自生LO信号。
3.根据权利要求2所述的基于双偏振光IQ调制器的多功能微波光子射频前端系统,其特征在于,所述Y偏振态光IQ调制器的偏置点设定为
4.根据权利要求3所述的基于双偏振光IQ调制器的多功能微波光子射频前端系统,其特征在于,所述OEO环路为单环OEO结构环路或双环OEO结构环路。
5.根据权利要求1所述的基于双偏振光IQ调制器的多功能微波光子射频前端系统,其特征在于,还包括激光器和第二偏振分束器;所述第二偏振分束器的输出端分别连接所述X偏振态光IQ调制器和所述Y偏振态光IQ调制器,所述激光器用于产生信号光,所述信号光经所述第二偏振分束器偏振分束后分别进入所述X偏振态光IQ调制器和所述Y偏振态光IQ调制器中。
6.一种如权利要求1‑5任一项所述的基于双偏振光IQ调制器的多功能微波光子射频前端系统,其特征在于,所述射频前端系统应用于移动通信领域。
说明书 :
基于双偏振光IQ调制器的多功能微波光子射频前端系统
技术领域
背景技术
制,已无法满足高带宽的需求。由于光子器件大带宽、低损耗的特性,结合了传统微波技术
与光子技术的微波光子技术成为了这一困境的解决方案。微波光子技术的核心思路是以光
作为载体,以光器件作为硬件基础,利用光学器件和系统来实现射频电信号的产生、传输和
处理。与传统电子器件相比,光子器件具有高带宽、低损耗、高响应平坦度的特点。因此研究
微波光子射频前端是移动通信领域的一个重要方向。
干扰消除,无法实现全双工;有的方案同时实现了自干扰消除与下变频,却需要外输LO信
号。
扰消除以及自生LO信号的功能需要使用较多的光调制器,难以实现集成。考虑到整个移动
通信链路包含上行链路与下行链路两个部分,而双偏振光IQ调制器包含X偏振光IQ调制器
和Y偏振光IQ调制器两个独立的调制器,因此利用双偏振光IQ调制器实现上下链路射频前
端的一体化是有可行性的。
发明内容
功能一体化集成,由此解决现有技术中射频前端功能单一的技术问题。
行上变频,并将上变频后的中频信号分为两路,其中一路作为反馈信号输入至所述微波光
子本地振荡生成模块以实现LO信号自生成;另一路再次被分为两路,其中第一路作为发射
信号经放大后由发射天线发射出去,第二路作为参考信号传输至所述上行链路;
输入至中心局中。
MZM_XP调制器;
收信号对所述X偏振态光IQ调制器内的信号光进行幅度调制,从而完成对所述接收信号的
下变频;所述X偏振态光IQ调制器输出的经下变频的接收信号依次通过偏振合束器、偏振分
束器和光滤波器后被中心局接收。
器,用于接收中心局发射的中频信号;所述中频信号经所述Y偏振态光IQ调制器上变频后的
信号作为发射信号依次通过所述偏振合束器、所述偏振分束器、所述光电振荡模块光纤和
所述第二光电探测器后进入所述第二电耦合器;所述第二电耦合器将所述发射信号分为两
路,其中第一路发射信号经滤波、放大后输入至所述发射天线;第二路发射信号经放大、滤
波后作为LO信号分别进入所述MZM_YQ调制器和MZM_XI调制器。
调制器的偏置点以满足OEO环路闭环起振条件,从而实现自生LO信号。
信号光经所述第二偏振分束器偏振分束后分别进入所述X偏振态光IQ调制器和所述Y偏振
态光IQ调制器中。
块四个子模块,可以通过本发明的射频前端系统同时实现信号的上下变频、自生LO信号以
及自干扰消除功能,发射天线与接收天线之间不会相互产生影响,大大提升系统性能;由于
采用双偏振光IQ调制器,将传统结构中分离的上行链路射频前端与下行链路射频前端整合
在一起,利用一个调制器同时实现了多个功能,结构更加紧凑,易于后续结构的集成,也大
大降低了成本。
附图说明
具体实施方式
不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要
彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
频模块和微波光子本地振荡生成模块构成的下行链路。
中频信号与所述微波光子本地振荡生成模块所产生的LO信号耦合后的信号,并以LO信号作
为变频基准信号对中频信号进行上变频,并将上变频后的中频信号分为两路,其中一路作
为反馈信号输入至所述微波光子本地振荡生成模块以实现LO信号自生成;另一路再次被分
为两路,其中第一路作为发射信号经放大后由发射天线发射出去,第二路作为参考信号传
输至所述上行链路。
对接收信号的干扰;所述微波光子下变频模块用于接收干扰消除后的接收信号,并以下行
链路自生成的LO信号作为变频基准信号对干扰消除后的接收信号进行下变频,将所述下变
频后的信号输入至中心局中。
端的集成度。将上行链路与下行链路的射频前端整合在一起,并结合自干扰消除技术,实现
了移动通信射频前端的全双工一体化。
于双偏振光IQ调制器的Y偏振光IQ调制器,实现了中频信号的上变频以及自生高稳定度的
LO信号功能。
偏振合束器、偏振分束器、第一光滤波器、光环形器、拉远光纤、光电振荡模块光纤、第二光
电探测器、第二电耦合器、第一功率放大器、第一电滤波器、第三电耦合器、第二光电探测
器、第二电滤波器、第四电耦合器、电延时器和第二功率放大器。各器件具体连接关系如下:
所述偏振合束器,所述偏振合束器连接所述偏振分束器,所述偏振分束器的输出端分别连
接所述光滤波器的输入端和所述光电振荡模块光纤的一端,所述光滤波器的输出端通过所
述光环行器连接所述拉远光纤;所述光电振荡模块光纤的另一端连接所述第二光电探测器
的输入端,所述第二光电探测器的输出端连接所述第二电耦合器的输入端,所述第二电耦
合器的输出端分别连接所述第一功率放大器和所述第二电滤波器;所述第一功率放大器依
次连接所述第一光滤波器和所述第三电耦合器的输入端,所述第三电耦合器的输出端分别
连接所述第一电耦合器的输入端和所述MZM_YQ调制器的输入端;所述第二电滤波器的输出
端连接所述第四电耦合器的输入端,所述第四电耦合器的输出端分别连接所述电延时器和
所述第二功率放大器,所述电延时器连接所述MZM_XQ调制器,所述第二功率放大器连接发
射天线;所述第一光电探测器的输入端连接所述光环行器,其输出端连接所述MZM_YI调制
器;所述激光器连接所述第二偏振分束器,所述第二偏振分束器分别连接所述Y偏振态光IQ
调制器和所述Y偏振态光IQ调制器的输入端,所述Y偏振态光IQ调制器的输出端连接所述偏
振合束器。
接收天线接收到的射频信号与下行链路OEO环路分束而来的LO信号的混合信号,MZM_XQ调
制器的射频端口输入参考信号Ref(t),参考信号分束于下行链路中经过上变频的信号,并
在输入到MZM_XQ调制器的射频端口之前经过了一个电延时器。自干扰信号Si(t)与发射信
号Tx(t)满足Si(t)=A0·Tx(t‑τ)的关系,其中A0表示空间信道损耗,τ表示自干扰信号与发
射信号的延时差。为方便描述,假定接收天线接收到的信号R(t)与参考信号Ref(t)均为单
频信号,R(t)角频率为ωe,幅值为A1,Ref(t)角频率为ωi,幅值为A3。LO信号的角频率为
ωLO,幅值为A2。当 即该MZM偏置在NULL点时,X偏振态光IQ调制器的输出光场可以
写作:
了接收信号的下变频以及自干扰消除功能。
射过来的中频信号,Y偏振态光IQ调制器的输出光由光探测器转换为电信号后,经过耦合、
放大、滤波以及耦合后输入至MZM_YQ调制器的射频端口中,构成OEO环路。对于本发明中的
OEO环路,先考虑开环结构,当MZM_YQ调制器射频端口输入的信号为Vin=Asin(ωt)时,整个
环路的开环增益为: 其中α1表示调制器的光
插损,α1表示光纤损耗,GPD表示光探测器及其封装的TIA的等效总功率增益,GA表示电放大
器增益,αe表示电子元件插损,Iin表示输入MZM_YQ调制器中的光功率。若光纤长度为L,折射
率为n,光纤以外部分的系统时延为τ0,则调制器偏置点设置在Q点,即 时,可以
通过调节输入信号幅度A使得Goc>1。同时若有 则满足起振条
件。当光电振荡器闭环后随着输入信号幅度A的增大,环路增益会减小,直至恒定为1,即输
出稳定的信号。
偏振态光IQ调制器,当偏置点设定为 时,输出光功率满足:
扰消除以及自生LO信号四个功能。
射频输入端中。输入到MZM调制器中的射频信号会对经过MZM调制器的信号光进行幅度调
制,将两种频率的射频信号输入到MZM调制器中时,在输出光中会包含两种频率的射频信号
的差频项。因此可以通过MZM_XI调制器实现了接收射频信号下变频。此外,如果将X偏振态
光IQ调制器的偏置点设定在(π,2arcsin(A0),π),X偏振态光IQ调制器可以同时实现减法器
以及衰减器的功能,其中A0表示空间信道损耗。此时若将下行链路待发射的发射信号经过
第四电耦合器分出一部分作为参考信号,经过电延时器后输入到MZM_XQ调制器的射频输入
端,经过光IQ调制器的衰减后可以重构处自干扰效应产生的干扰信号,进而通过X偏振态光
IQ调制器的减法器功能,实现了自干扰消除的功能。
偏振态的光经光电振荡模块光纤后,由所述第二光电探测器PD2进行探测后转换为电信号。
第二光电探测器PD2输出的电信号经过第二电耦合器分成两路,其中一路作为发射信号,经
过宽带电带通的第二电滤波器进行滤波,第二功率放大器放大后与发射天线连接,由发射
天线发射出去;另一路经过第一功率放大器放大以及第一电滤波器滤波之后,经过第三电
耦合器再次被分为两路,一路作为OEO环路的反馈电信号输入至MZM_YQ调制器中,另一路作
为OEO环路的输出LO信号传输至上行链路。当在Y偏振态光IQ调制器两个支路的射频输入端
输入两个不同频率的信号且偏置点设置为 时,Y偏振态光
IQ调制器的输出光中会含有两个信号的和频项与差频项,并且OEO环路闭环满足起振条件,
从实现了自生LO信号的功能以及中频信号的上变频功能。
发生器用于生成真实接收信号R(t),为中心频率12.6GHz带宽5×20MHz,调制格式为OFDM‑
16QAM和OFDM‑64QAM的LTE‑A信号。低速矢量信号发生器用于产生上变频之前的发射信号,
信号为LTE‑A信号,中心频率为2.6GHz,带宽为3×20MHz,调制格式为OFDM‑16QAM和OFDM‑
64QAM。任意波形发生器用于产生宽带的未上变频的发射信号,便于模拟宽带自干扰的情
形,产生信号为普通OFDM信号,调制格式为16QAM,带宽为150MHz。
号的功率为14.64dBm,实际中心频率约为9.995GHz,边模抑制比达到了51.58dB,信号性能
较为理想。从图5可以看出,本发明所述结构中的自干扰消除子模块可以实现30.3dB的自干
扰抑制比。此外接收到的信号中心频率为2.6GHz,即成功地实现了信号的下变频。从图6可
以看出,上变频支路输出信号中心频率为12.6GHz,信噪比达到了31.3dB,成功实现了上变
频功能。综合上述测试结果可以看出,本发明所述结构中的信号上变频,信号下变频,收发
信号的自干扰消除以及自生LO信号的功能均可以实现。
在本发明的保护范围之内。