基于正系数实现的矩形响应微波光子滤波器及滤波方法

摘要

本发明公开了一种基于正系数实现的矩形响应微波光子滤波器及滤波方法，包括：放大自发辐射光源、马赫曾德尔调制器、掺铒光纤放大器、多通道可编程光处理器、可调谐光延迟线阵列、光耦合器、光电探测器、信号输入端口、信号输出端口，放大自发辐射光源、马赫曾德尔调制器、掺铒光纤放大器、多通道可编程光处理器、可调谐光延迟线阵列、光耦合器和光电探测器依次通过光纤相连，信号输入端口和马赫曾德尔调制器通过电路相连，光电探测器和信号输出端口通过电路相连。该微波光子滤波器具有工作频率高的优点，在现代通信系统的信道滤波过程中可以更好地抑制带外噪声和杂散信号，进而提升相邻信道功率泄漏比。

权利要求

1.一种基于正系数实现的矩形响应微波光子滤波器，其特征在于，包括：放大自发辐射光源（1）、马赫曾德尔调制器（2）、掺铒光纤放大器（3）、多通道可编程光处理器（4）、可调谐光延迟线阵列（5）、光耦合器（6）、光电探测器（7）、信号输入端口（8）、信号输出端口（9），所述的放大自发辐射光源（1）、马赫曾德尔调制器（2）、掺铒光纤放大器（3）、多通道可编程光处理器（4）、可调谐光延迟线阵列（5）、光耦合器（6）和光电探测器（7）依次通过光纤相连，信号输入端口（8）和马赫曾德尔调制器（2）通过电路相连，光电探测器（7）和信号输出端口（9）通过电路相连；其中，滤波前的信号由信号输入端口（8）输入，经过由马赫曾德尔调制器（2）、掺铒光纤放大器（3）、多通道可编程光处理器（4）、可调谐光延迟线阵列（5）、光耦合器（6）、光电探测器（7）组成的链路后实现滤波功能，由信号输出端口（9）输出；

在所述多通道可编程光处理器（4）中根据滤波器设计参数，对整形后的光谱进行处理，包括：

将滤波器的抽头系数所需的sinc函数与cos(πn)序列相乘后进行频带搬移，将零频率通带范围搬移至高频，再将其整体加上一个正值，进而消除负系数；

其中每个波长分别进入可调谐光延迟线阵列（5）的相应延迟线通道，不同波长之间在时域中引入延迟；

所述基于正系数实现的矩形响应微波光子滤波器的滤波方法，包括如下步骤：

由放大自发辐射光源（1）发出的连续光作为光载波进入马赫曾德尔调制器（2），输入信号通过信号输入端口（8）调制在光载波上，光信号被掺铒光纤放大器（3）放大，再利用基于空间光调制器的多通道可编程光处理器（4）对光谱进行整形，并根据滤波器设计参数，对整形后的光谱进行处理，产生具有相应光强的多个波长，每个波长由多通道可编程光处理器（4）对应的通道输出，进入可调谐光延迟线阵列（5），经过光耦合器（6）耦合，得到输出信号，输出信号经光电探测器（7）进行光电转换后由信号输出端口（9）输出，完成滤波过程；

其中根据滤波器设计参数，对整形后的光谱进行处理，包括：

将滤波器的抽头系数所需的sinc函数与cos(πn)序列相乘后进行频带搬移，将零频率通带范围搬移至高频，再将其整体加上一个正值，进而消除负系数；

其中每个波长分别进入可调谐光延迟线阵列（5）的相应延迟线通道，不同波长之间在时域中引入延迟。

说明书

基于正系数实现的矩形响应微波光子滤波器及滤波方法

技术领域

[0001] 本申请涉及光通信领域和信号处理领域，具体涉及一种基于正系数实现的矩形响应微波光子滤波器及滤波方法。

背景技术

[0002] 随着数字信号处理技术的快速发展，对宽带信号的处理需求不断增加，由于传统模拟信号系统处理的工作带宽范围较窄，提出更高性能的解决方案已成为必然要求。在现代雷达信号处理、高速无线网络和卫星通信等诸多应用中，引入能够处理大带宽信号的滤波系统尤为重要。由于光子信号处理有带宽大、不受电磁干扰影响、损耗低、体积小等许多优点，因此，为了提升信号处理系统性能，光学技术引起了广泛关注。此外，在信号处理领域，微波光子滤波技术一方面具有光子学器件的诸多优点，另一方面具有可重构性和可调性，在宽带通信系统中具有广阔的应用前景。

[0003] 微波光子滤波器的出现是为了在射频系统或链路中替代传统微波滤波器，并利用光子学技术的优势进行滤波。为了避免干扰，大多数滤波器工作在非相干模式下。由于工作在非相干模式下的光子滤波器只能具有正抽头系数，根据信号处理理论，基于全正系数抽头的微波光子滤波器只能用作低通滤波器。为了克服这一限制，近年来出现了大量的工作以实现负系数抽头的微波光子滤波器。在各类方法中，最直接的方法是使用平衡检测器，使用电域差分检测技术。基于光子学技术，其他实现双极性抽头的解决方案包括：采用光学相位调制和相位调制‑强度调制转换的方法，使用马赫曾德尔调制器或偏振调制器的互补调制曲线的方法，以及基于半导体光放大器中的交叉增益调制或交叉偏振调制的方法等。用于实现双极性抽头的上述光子学解决方案通常可用于只有少量抽头的系统中，否则，当抽头的数目较大时，上述系统结构将变得非常复杂。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，提供一种基于正系数实现的矩形响应微波光子滤波器及滤波方法。

[0005] 根据本申请实施例的第一方面，提供一种基于正系数实现的矩形响应微波光子滤波器，包括：放大自发辐射光源、马赫曾德尔调制器、掺铒光纤放大器、多通道可编程光处理器、可调谐光延迟线阵列、光耦合器、光电探测器、信号输入端口、信号输出端口，所述的放大自发辐射光源、马赫曾德尔调制器、掺铒光纤放大器、多通道可编程光处理器、可调谐光延迟线阵列、光耦合器和光电探测器依次通过光纤相连，信号输入端口和马赫曾德尔调制器通过电路相连，光电探测器和信号输出端口通过电路相连；其中，滤波前的信号由信号输入端口输入，经过由马赫曾德尔调制器、掺铒光纤放大器、多通道可编程光处理器、可调谐光延迟线阵列、光耦合器、光电探测器组成的链路后实现滤波功能，由信号输出端口输出；

[0006] 在多通道可编程光处理器中根据滤波器设计参数，对整形后的光谱进行处理，包括：

[0007] 将滤波器的抽头系数所需的sinc函数与cos(πn)序列相乘后进行频带搬移，将零频率通带范围搬移至高频，再将其整体加上一个正值，进而消除负系数；

[0008] 根据本申请实施例的第二方面，提供一种使用如第一方面所述的基于正系数实现的矩形响应微波光子滤波器的滤波方法，包括如下步骤：

[0009] 由放大自发辐射光源发出的连续光作为光载波进入马赫曾德尔调制器，输入信号通过信号输入端口调制在光载波上，光信号被掺铒光纤放大器放大，再利用基于空间光调制器的多通道可编程光处理器对光谱进行整形，并根据滤波器设计参数，对整形后的光谱进行处理，产生具有相应光强的多个波长，每个波长由多通道可编程光处理器对应的通道输出，进入可调谐光延迟线阵列，经过光耦合器耦合，得到输出信号，输出信号经光电探测器进行光电转换后由信号输出端口输出，完成滤波过程；

[0010] 其中根据滤波器设计参数，对整形后的光谱进行处理，包括：

[0011] 将滤波器的抽头系数所需的sinc函数与cos(πn)序列相乘后进行频带搬移，将零频率通带范围搬移至高频，再将其整体加上一个正值，进而消除负系数；其中每个波长分别进入可调谐光延迟线阵列的相应延迟线通道，不同波长之间在时域中引入延迟。

[0012] 本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

[0013] 由上述实施例可知，本申请与传统滤波器相比，该微波光子滤波器具有工作频率高的优点，在现代通信系统的信道滤波过程中可以更好地抑制带外噪声和杂散信号，进而提升相邻信道功率泄漏比。同时由于采用正系数设计，避免了矩形响应微波光子滤波器中负系数抽头的出现，简化了系统结构，具有体积小、易集成等优点。

[0014] 应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

[0015] 此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

[0016] 图1是本发明实施例提供的基于正系数实现的矩形响应微波光子滤波器系统结构示意图。

[0017] 图2是本发明实施例提供的基于正系数实现的矩形响应微波光子滤波器的工作原理示意图。

[0018] 图中：1、放大自发辐射光源；2、马赫曾德尔调制器；3、掺铒光纤放大器；4、多通道可编程光处理器；5、可调谐光延迟线阵列；6、光耦合器；7、光电探测器；8、信号输入端口；9、信号输出端口。

具体实施方式

[0019] 这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

[0020] 在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

[0021] 如图1所示，为本发明提供的基于正系数实现的矩形响应微波光子滤波器系统结构示意图，本发明实施例提供一种基于正系数实现的矩形响应微波光子滤波器，包括放大自发辐射光源1、马赫曾德尔调制器2、掺铒光纤放大器3、多通道可编程光处理器4、可调谐光延迟线阵列5、光耦合器6、光电探测器7、信号输入端口8、信号输出端口9；所述的放大自发辐射光源1、马赫曾德尔调制器2、掺铒光纤放大器3、多通道可编程光处理器4、可调谐光延迟线阵列5、光耦合器6和光电探测器7依次通过光纤相连，信号输入端口8和马赫曾德尔调制器2通过电路相连，光电探测器7和信号输出端口9通过电路相连；其中，滤波前的信号由信号输入端口8输入，经过由马赫曾德尔调制器2、掺铒光纤放大器3、多通道可编程光处理器4、可调谐光延迟线阵列5、光耦合器6、光电探测器7组成的链路后实现滤波功能，由信号输出端口9输出。其中在所述多通道可编程光处理器4中根据滤波器设计参数，对整形后的光谱进行处理，包括：将滤波器的抽头系数所需的sinc函数与cos(πn)序列相乘后进行频带搬移，将零频率通带范围搬移至高频，再将其整体加上一个正值，进而消除负系数；其中每个波长分别进入可调谐光延迟线阵列5的相应延迟线通道，不同波长之间在时域中引入延迟。

[0022] 矩形响应是滤波器中应用最为广泛的频率响应，该微波光子滤波器和传统滤波器相比，具有工作频率高的优点，在现代通信系统的信道滤波过程中可以更好地抑制带外噪声和杂散信号，进而提升相邻信道功率泄漏比。同时由于采用正系数设计，避免了矩形响应微波光子滤波器中负系数抽头的出现，简化了系统结构，具有体积小、易集成等优点。

[0023] 本发明实施例还提供一种使用上述的基于正系数实现的矩形响应微波光子滤波器的滤波方法，包括如下步骤：

[0024] 由放大自发辐射光源1发出的连续光作为光载波进入马赫曾德尔调制器2，输入信号(滤波前)通过信号输入端口8调制在光载波上，光信号被掺铒光纤放大器3放大，再利用基于空间光调制器的多通道可编程光处理器4对光谱进行整形，并根据滤波器设计参数，对整形后的光谱进行处理，产生具有相应光强的多个波长，每个波长由多通道可编程光处理器4对应的通道输出，进入可调谐光延迟线阵列5，经过光耦合器6耦合，得到输出信号(滤波后)，输出信号经光电探测器7进行光电转换后由信号输出端口9输出，完成滤波过程；

[0025] 其中根据滤波器设计参数，对整形后的光谱进行处理，包括：

[0026] 将滤波器的抽头系数所需的sinc函数与cos(πn)序列相乘后进行频带搬移，将零频率通带范围搬移至高频，再将其整体加上一个正值，进而消除负系数；

[0027] 其中每个波长分别进入可调谐光延迟线阵列5的相应延迟线通道，不同波长之间在时域中引入延迟。

[0028] 如图2所示，在滤波器设计中，针对N抽头横向微波光子滤波器结构，滤波器的频率响应可以表示为：

[0029]

[0030] 其中，h[n]是表示滤波器抽头系数的离散序列。

[0031] 由于理想带通滤波器的冲激响应是sinc函数，也即表明为了设计一个矩形响应的微波光子滤波器，需要同时实现正负抽头系数。为避免负系数出现，首先将滤波器的离散冲激响应序列h1[n]乘以序列cos(πn)，即在+1和‑1之间变化的二值序列，以将通带从靠近直流的低频频段搬移到高频频段。然后给所有的系数加上一个常数，以确保所有的系数都是非负的。这个过程可以写为

[0032] h3[n]＝h1[n]cos(πn)+|c|

[0033] 其中c是表示序列h1[n]cos(πn)中最小值的常数，h3[n]是最终需要的滤波器抽头系数。图2展示了h1，h2和h3相应的傅里叶变换(旁瓣使用汉明窗抑制)。由于抽头系数整体加上了一个常数值，所以在相邻通带之间会出现尖峰。该滤波器可以直接在自由频谱范围内对目标信号进行滤波，或者通过使用阻塞滤波器来滤除频率响应中不需要的频率成分。

[0034] 本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由权利要求指出。

[0035] 应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。