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1、(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201410784242.4 (22)申请日 2014.12.18 H04B 10/67(2013.01) H04B 1/7163(2011.01) (71)申请人 北京航空航天大学 地址 100191 北京市海淀区学院路 37 号 (72)发明人 白明 方霄 郑铮 苗俊刚 (54) 发明名称 基于微波光子的超宽带接收机装置及实现方 法 (57) 摘要 基于微波光子的超宽带接收机装置及实现方 法。将激光源输出的光信号分成两路，一路用于生 成频率等间隔的光频梳，采用外调制的方式实现 ； 另一路被待接收射频信号经电光调制器调制，并 与光频梳路。
2、的光信号合成。该合成信号通过可调 谐窄带带通光学滤波器，经该滤波器可将载有待 测信号的光频与最临近的光频梳的固定频点滤 出，再经过高速探测器变换，实现两个频率拍频合 成得到其差频，即得到待测信号下变频的中频信 号。本发明将微波光子学中光频梳的技术应用于 微波信号接收的设计，结合可调光滤波器，实现了 在低频率本振信号(2GHz5GHz)的条件下，超宽 带信号接收和下变频，其中接收带宽十几倍于低 频本振信号。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书3页 附图3页 (10)申请公布号 CN 104486004 A (43)申请公布日。
3、 2015.04.01 CN 104486004 A 1/2 页 2 1.基于微波光子的超宽带接收机装置，其特征在于 ：包括激光源、电光调制器、光频梳 生成模块、单模光纤耦合器、可调光滤波器、高速光电探测器 ；其中光频梳生成模块由微波 本振信号源、强度调制器(IM)、相位调制器(PM)、微波功率放大器(PA)、微波移相器(PS)组 成。各种器件位置关系为 ： 激光源，输出光信号，单模光纤耦合器按照21的分光比将光信号分成两束分别进入 电光调制器和光频梳生成模块 ； 电光调制器的射频输入端口加载待接收的微波信号，直流偏置端口加载直流电压，待 接收的微波信号被调制到光信号上，产生光调制信号。 光频。
4、梳生成模块中的微波本振信号被微波功分器分成两路，第一路经过微波功率放大 器 (PA) 输入到强度调制器，第二路再被微波功分器分成两路，两路信号分别依次通过微波 移相器 (PS) 和微波功率放大器 (PA) 输入到两个相位调制器 (PM)，最终产生光频梳 ； 单模光纤耦合器将光频率梳和光调制信号合成出一路光信号，输入到可调通带的光滤 波器，通过可调通带位置的光学滤波器，滤出加载于不同频段的光信号 ； 高速光电探测器将滤出的加载于不同频段的光信号，与生成的固定间隔的被滤波的光 频梳进行拍频合成得到中频信号，从而将待接收的高频率微波信号下变频到频率较低的中 频信号。 2.根据权利要求 1 所述的基于。
5、微波光子的超宽带接收机装置，其特征在于 ：光频梳生 成模块采用外调制的方式产生，光频梳的中心波长 1550nm，频梳间隔为 2GHz 5GHz 可调， 其频梳间隔由微波本振信号的频率决定。光频梳多条，单边带条数乘以间隔即决定可处理 的待接收的微波信号带宽。 3.根据权利要求 1 所述的基于微波光子的超宽带接收机装置，其特征在于 ：通过单模 光纤耦合器将光调制信号和光频梳合成一路，光调制信号加载到光频梳上，光频梳变为待 接收信号的载波。 4.根据权利要求 1 所述的基于微波光子的超宽带接收机装置，其特征在于 ：可调通带 位置的光学滤波器采用可调的法布里帕罗 (F-P) 滤波器实现，可调光滤波器 。
6、( 通带范围 f 2GHz) 扫描光频梳的整个频带范围，滤出加载与不同频段的光信号。 5.基于微波光子学的超宽带接收机的实现方法，其特征在于包括下列步骤 ： (1) 激光光源产生的激光通过单模光纤耦合器分成两路，分别进入光电调制器和光频 率梳生成模块 ； (2) 在光电调制器上加载直流电压，使其处于载波抑制状态，同时将待接收微波信号加 载到光电调制器上，产生载波抑制的光调制信号 ； (3) 微波本振信号频率为 f 0 ，本振信号根据需要在 2GHz 5GHz 范围内可调，设置信号 功率，同时改变加载在两个相位调制器 (PM) 上的微波信号的相位，使其相差 产生光频梳 多条，频梳间隔为 f OF。
7、C f 0 ； (4) 改变加载在可调光滤波器上电压的频率和大小，使可调光滤波器扫描光频梳的整 个频带范围，滤出加载于不同频段的光信号 ； (5) 高速光电探测器 (PD) 对输出的光信号拍频，产生中频信号 f IF 。此中频信号的幅度 和相位即反映待测信号的幅度和相位，结合中频信号的频率和滤出该信号的可调光滤波器 权 利 要 求 书CN 104486004 A 2/2 页 3 通带所包的频梳，计算待接收信号的频率数值 f rec 。 6.根据权利要求 5 所述的基于微波光子学的超宽带接收机的实现方法，其特征在于 ： 可调光滤波器的通带范围与光频梳的频率间隔接近 (f f OFC )。 7.根。
8、据权利要求 5 所述的基于微波光子学的超宽带接收机的实现方法，其特征在于 ： 经过光滤波器和高速光电探测器后，产生的中频信号频率不大于光频梳频率间隔的一半 结合中频信号的频率和滤出该信号的可调光滤波器通带所包的频梳，计算 待接收信号的频率数值 f rec 。 权 利 要 求 书CN 104486004 A 1/3 页 4 基于微波光子的超宽带接收机装置及实现方法 技术领域 0001 本发明涉及一种超宽带接收机装置及实现方法，特别涉及一种基于微波光子的超 宽带接收机装置及实现方法，属于微波光子学技术领域。 背景技术 0002 随着信息技术的高速发展，电磁频段被充分利用，携带各种信息的信号频段的覆。
9、 盖范围广、信号参数多变，信号形式也日益复杂。高密集和复杂的信号环境要求电子设备接 收机具备大接收带宽、大动态范围、高效率、高分辨率，以及能够对多频点，多形式信号进行 统一接收以及统一处理能力。这样高的需求，传统形式的基于微波器件的电子信号接收机 技术已经面临不可逾越的瓶颈，如微波链路因波导原理以及高损耗特征从根本上限制了系 统的带宽 ；高频信号处理难以降低相噪 ；在大倍频程难以实现均一的高性能，导致低的动 态范围，面临频率截获概率和分辨率之间矛盾 ；特别是难以采用统一设备同时实现超宽带 大动态范围的信号接收和处理。 0003 光学技术的发展使人们意识到，光学信号具备固有的高带宽、低相噪、低损。
10、耗的特 点，同时光学技术的优势还包括超宽带调谐、并行处理、远距离传输以及抗电磁干扰等。 0004 目前，基于微波光子的接收机有以下几种方案 ：一是多个电光调制器级联，多个调 制器上分别加载本振信号和接收信号 ( 参见 Bryan M.Hass，T.E.Murphy，”Linearized Downconverting Microwave Photonic Link Using Dual-Wavelength Phase Moulation and Optical Filtering”IEEE Photonics Journal，Vol.3，No.1，Feburary 2011)。该 方法通过多。
11、个调制器级联，导致转换效率低、插入损耗大，同时对于频率较高的接收信号 所需的本振信号频率也较高，因为本振信号频率越高相躁越差，从而导致系统的带宽和 性能受制于本振信号。二是双臂马赫增德尔调制器加光电振荡回路 ( 参见专利申请号 ： 201310583404.3，“一种微波光子学接收方法”)，此方法频带宽度受制于光电振荡回路中的 微波器件，如带通滤波器、低噪放和移相器的带宽，无法实现超宽带信号接收。 发明内容 0005 本发明的技术解决问题是 ：为了克服上述现有技术的不足，本方案提供了一种基 于微波光子的超宽带接收机装置及实现方法，实现了在低频率本振信号 (2GHz 5GHz) 的 条件下，超宽。
12、带信号接收，其中接收带宽十几倍于低频本振信号 ；降低了中频信号的信噪 比，提高了信号转化效率 ；减少了设备体积和功耗，降低了成本。 0006 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是 ： 0007 一种基于微波光子的超宽带接收机装置，包括激光光源、电光调制器、光频梳生成 模块、单模光纤耦合器、可调光滤波器、高速光电探测器，其中光频梳生成模块由微波本振 信号源、强度调制器 (IM)、相位调制器 (PM)、微波功率放大器 (PA)、微波移相器 (PS) 组成。 0008 激光源，输出光信号，单模光纤耦合器按照21的分光比将光信号分成两束分别 进入电光调制器和光频梳生成模块 ； 说 明 书CN 10。
13、4486004 A 2/3 页 5 0009 电光调制器的射频输入端口加载待接收到的微波信号，直流偏置端口加载直流电 压，待接收的微波信号被调制到光信号上，产生光调制信号。 0010 光频梳生成模块中的微波本振信号被微波功分器分成二路，第一路经过微波功率 放大器 (PA) 输入到强度调制器，第二路再被微波功分器分成两路，两路信号分别经过微波 移相器 (PS) 和微波功率放大器 (PA) 输入到两个相位调制器 (PM)，最终产生光频梳 ； 0011 单模光纤耦合器将光频率梳和光调制信号合成出一路光信号，输入到可调通带的 光滤波器，可调光滤波器 ( 通带范围 f 2GHz) 扫描光频梳的整个频带范。
14、围，滤出加载于 不同频段的光信号 ； 0012 高速光电探测器将滤出的加载于不同频段的光信号，与生成的固定间隔的被滤波 的光频梳进行拍频合成得到中频信号，从而将接收到的高频率微波信号下变频到频率较低 的中频信号。 0013 其中，所述光频梳生成模块采用外调制的方式产生，光频梳的中心波长 1550nm，频 梳间隔为 2GHz 5GHz 可调，其频梳间隔由微波本振信号的频率决定。光频梳多条，单边带 条数乘以间隔即决定可处理的待接收的微波信号带宽。 0014 所述单模光纤耦合器将光调制信号和光频梳合成一路，光调制信号加载到光频梳 上，光频梳变为接收信号的载波。 0015 所述可调通带位置的光学滤波器。
15、采用可调的法布里帕罗 (F-P) 滤波器实现，可调 光滤波器扫描光频梳的整个频带范围，滤出加载于不同频段的光信号。 0016 本发明还提供了一种基于所述装置的实现方法，包括以下步骤 ： 0017 (1) 激光光源产生的激光通过单模光纤耦合器分成两路，分别进入光电调制器和 光频率梳生成模块 ； 0018 (2) 在光电调制器上加载直流电压，使其处于载波抑制状态，同时将待接收微波信 号加载到光电调制器上，产生载波抑制的光调制信号 ； 0019 (3) 微波本振信号频率为 f 0 ，本振信号根据需要在 2GHz 5GHz 范围内可调，设置 信号功率，同时改变加载在两个相位调制器 (PM) 上的微波信。
16、号的相位，使其相差 产生光 频梳多条，频梳间隔为 f OFC f 0 ； 0020 (4) 改变加载在可调光滤波器上电压的频率和大小，使可调光滤波器扫描光频梳 的整个频带范围，滤出加载于不同频段的光信号 ； 0021 (5) 高速光电探测器 (PD) 对输出的光信号拍频，产生中频信号 f IF 。此中频信号的 幅度和相位即反映待测信号的幅度和相位，结合中频信号的频率和滤出该信号的可调光滤 波器通带所包的频梳，计算待接收信号的频率数值 f rgc 。 0022 其中，所述可调光滤波器的通带范围与光频梳的频率间隔接近(f 0 f OFC ) ，经 过光滤波器和高速光电探测器后，产生的中频信号频率不。
17、大于光频梳频率间隔的一半 0023 本发明与现有技术相比有益效果为 ： 0024 (1)本发明使用光频率梳作为载波信号，实现了在低频率本振信号(2GHz5GHz) 的条件下，超宽带信号接收，其中接收带宽十几倍于低频本振信号 ；增大了中频信号的信噪 比，提高了信号转化效率。 说 明 书CN 104486004 A 3/3 页 6 0025 (2) 本发明利用单模光纤耦合器，将光调制信号和光频率梳合成一路光信号，其中 光调制信号处于载波抑制状态，相比于级联的方式，降低了系统的插入损耗。 0026 (3) 本发明的信号传输链路完全由光学器件组成，中频信号的质量不受制于微波 器件的性能和参数，提高了接。
18、收机的稳定性和中频信号的质量，降低了成本。 附图说明 0027 图 1 为本发明基于微波光子的超宽带接收机结构示意图。 0028 图 2 为本发明中可调光滤波器的滤波示意图。 0029 图 3 为实验中光频梳生成模块输出的光频梳波形图。 0030 图 4 为实验中高速光电探测器 (PD) 输出的中频信号。 具体实施方式 0031 下面结合附图对本发明作进一步的说明 ： 0032 图 1 为本发明基于微波光子的超宽带接收机结构示意图。该方案由激光光源、电 光调制器、光频梳生成模块、单模光纤耦合器、可调光滤波器、高速光电探测器，其中光频梳 生成模块由微波本振信号源、强度调制器 (IM)、相位调制器。
19、 (PM)、微波功率放大器 (PA)、微 波移相器 (PS) 组成。 0033 光源输出激光，单模光纤耦合器按照 2 1 的分光比将激光分成两束分别进入电 光调制器和光频梳生成模块 ；电光调制器将待接收的微波信号调制到光信号上，产生光调 制信号 ；光频梳生成模块中的微波本振信号被微波功分器分成二路，经过功率放大和移相 后分别加载到一个强度调制器和两个相位调制器上，产生光频梳 ；单模光纤耦合器将光频 率梳和光调制信号合成出一路光信号，输入到可调通带的光滤波器，改变加载在可调光滤 波器上电压的频率和大小，使可调光滤波器扫描光频梳的整个频带范围，滤出加载于不同 频段的光信号，与生成的固定间隔的被滤波。
20、的光频梳进行拍频合成得到中频信号 ；结合中 频信号的频率和滤出该信号的可调光滤波器通带所包的频梳，计算待接收信号的频率数 值。从而做到大带宽多路信号的变频和接收。 0034 图 2 为本发明中可调光滤波器的滤波示意图。光频梳和调制信号经过单模光纤耦 合器合成为一路光信号，光频梳的第n条梳和第n+1条梳之间加载上光调制信号，其中nf OFC f rec (n+1)f OFC ，可调光通滤波器的通带范围与光频梳间隔接近f f OFC ，改变加载在可 调光滤波器上电压的频率和大小，使可调光滤波器扫描光频梳的整个频带范围，滤出加载 于不同频段的光信号。 0035 图 3 为实验中光频梳生成模块输出的光。
21、频梳波形图，实验中产生的光频梳，在平 坦度为3dB的范围内输出光谱共有33条谱线，光载波的频带宽度20GHz，可以实现超宽带 (0 20GHz) 的微波信号下变频。 0036 图 4 为实验中高速光电探测器 (PD) 输出的中频信号，实验中分别输入 4.5GHz、 8.3GHz、12.7GHz 和 16.4GHz，经过可调光滤波器滤波和高速光电探测器 (PD) 拍频，产生 中频信号如图 4(a)、(b)、(c)、(d) 所示，其中中频信号频率为 500MHz，300MHz、700MHz、 400MHz，完全符合理论计算结果。 0037 本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。 说 明 书CN 104486004 A 1/3 页 7 图1 图2 说 明 书 附 图CN 104486004 A 2/3 页 8 图3 说 明 书 附 图CN 104486004 A 3/3 页 9 图4 说 明 书 附 图CN 104486004 A 。