一种具有高交调失真抑制度的可调谐微波信号生成系统

摘要

本发明提供了一种具有高交调失真抑制度的可调谐微波信号生成系统，该系统包括激光器、微波源、相位控制与合成单元、直流偏置控制单元、DPMZM和光电探测器；DPMZM(双重并行马赫曾德尔电光调制器)包括三个MZM，分别为第一子调制器MZM1、第二子调制器MZM2和主调制器，所述第一子调制器MZM1、第二子调制器MZM2分别嵌入在主调制器的两臂上，且所述两个子调制器具有相同的性能和结构；该系统通过对交调失真的有效抑制，生成了具有高交调失真抑制度的可调谐微波信号，解决了宽带微波光子通信高线性化需求，保证了宽带微波光子通信系统的高带宽、大动态范围。

说明书

技术领域

本发明涉及微波光子技术领域，特别涉及一种具有高交调失真抑制度的可 调谐微波信号生成系统。

背景技术

随着全球信息社会化技术和卫星通信技术的发展，需要快速提高包括蜂窝 电话、数字广播服务、视频服务等不同类型宽带服务，目前主要采用频谱拥塞 的低频段射频电信号，很难突破带宽和传输速率的瓶颈，必须采用工作频率更 高的射频电信号，实现宽带甚至超宽带射频电信号的传输与处理，因此这需要 生成高频射频电信号。此外，宽带通信卫星的业务宽带化、服务多样化、高可 靠数据转发、高速率的数据传输与处理、高增益的宽覆盖范围和强抗干扰能力 等方面的要求，均需要宽带射频电信号在传输处理中具有高线性、大动态范围 的特点。无论是高频射频电信号生成，还是宽带射频电信号的高线性传输，均 可以通过微波光子技术实现。通过微波光子技术，将低频本振射频电信号进行 倍频可产生高稳定低相噪的高频信号，大大降低对电学和光学器件的需求。通 过微波光技术，将大带宽、多业务宽带射频电信号通过电光外调制在光域进行 传输处理，可大大提高系统容量和系统性能，但这些信号在电光外调制过程中 会因调制器非线性作用产生交调失真，影响系统性能并降低系统范围，因此需 要采取有效的办法实现交调失真的抑制。

实际上，在大带宽、多业务微波光子通信中，存在多种频率的射频电信号。 首先，多频率射频电信号需要经过倍频生成更高频率的射频电信号以承载高速 信号，在倍频过程中将不可避免的存在交调失真和谐波失真，这无疑加大了多 频率射频电信号倍频的实现难度。另外，为进一步提高多频率射频电信号的利 用率，多频率射频电信号还可以作为承载有用信息的多路射频电信号进行再生 及传输处理，这需要多频率射频电信号三阶交调干扰具有高抑制能力。当前微 波光子高频射频电信号生成研究集中在单路倍频信号生成上，并未考虑多频率 射频电信号同时倍频及失真抑制技术，多路宽带射频电信号传输处理研究则集 中在对多频率射频传输信号三阶交调失真抑制上。目前，微波光子高频射频电 信号生成技术研究和多路宽带射频电信号高线性再生与传输的研究是分离的， 并没有将两种技术有效结合起来。微波光子高频信号生成仅仅集中在单频率高 频射频电信号生成上，不涉及多频高频射频电信号同时生成及失真抑制的研究， 多路宽带射频电信号高线性再生与传输的研究则集中在多频射频电信号高线性 传输上，不涉及多频射频电信号再利用后倍频生成多频高频射频电信号的研究。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种具有交调失真抑制度 的可调谐微波信号生成系统，该系统通过对交调失真的有效抑制，生成了具有 高交调失真抑制度的可调谐微波信号，解决了宽带微波光子通信高线性化需求， 保证了宽带微波光子通信系统的高带宽、大动态范围。

本发明以上的目的通过如下技术方案实现：

一种具有高交调失真抑制度的可调谐微波信号生成系统，包括激光器、微 波源、相位控制与合成单元、直流偏置控制单元、DPMZM和光电探测器； DPMZM包括三个MZM，分别为第一子调制器MZM1、第二子调制器MZM2 和主调制器，所述第一子调制器MZM1、第二子调制器MZM2分别嵌入在主调 制器的两臂上，且所述两个子调制器具有相同的性能和结构；其中：

激光器：输出光载波信号到DPMZM；

微波源：生成两个射频电信号并输出到相位控制与合成单元；其中，所述 两个射频电信号分别为V₁(t)＝V_mcosω₁t和V₂(t)＝V_mcosω₂t，其中，V_m为射频电信号 的幅度值，ω₁和ω₂分别为两个射频电信号的频率；

相位控制与合成单元：接收微波源输出的两个射频电信号V₁(t)和V₂(t)，对 所述两个射频电信号进行相位控制和信号合成后，输出四个射频电信号V₁₁(t)、 V₁₂(t)、V₂₁(t)、V₂₂(t)到DPMZM，其中：

V₁₁(t)＝V_m(cosω₁t+cosω₂t)；

V₁₂(t)＝V_m[cos(ω₁t+π)+cos(ω₂t+π)]；

V₂₁(t)＝V_m[cos(ω₁t)+cos(ω₂t+π)]；

V₂₂(t)＝V_m[cos(ω₁t+π)+cos(ω₂t)]或V₂₂(t)＝V_m[cos(ω₁t)+cos(ω₂t+π)]；

直流偏置控制单元：为DPMZM提供的直流偏置控制电压，所述直流偏置 控制电压包括第一直流控制电压、第二直流控制电压和第三直流控制电压；

DPMZM：接收相位控制与合成单元输出的四个射频电信号，以及直流偏 置控制单元输出的直流偏置控制电压和激光器输出的光载波信号；其中：第一 子调制器MZM1接收射频电信号V₁₁(t)和射频电信号V₁₂(t)，并加载直流偏置控制 单元提供的第一直流控制电压，在所述电压控制下第一子调制器MZM1工作在 最小偏置点，即MZM1的直流偏置相移为π；第二子调制器MZM2接收射频 电信号V₂₁(t)和载射频电信号V₂₂(t)，并加载直流偏置控制单元提供的第二直流控 制电压，所述电压使第二子调制器MZM2工作在最小偏置点或正交偏置点，即 MZM2的直流偏置相移为π或π/2；主调制器加载直流偏置控制单元提供的第 三直流控制电压，所述电压使主调制器工作在零点，并且所述主调制器接收激 光器发送的光载波信号，并分发给第一子调制器MZM1和MZM2，两个子调制 器分别利用所述光载波信号对接收到的两路射频电信号进行电光调制，并输出 调制后的光信号到主调制器，然后主调制器对所述两个子调制器输出的两路光 信号进行耦合，并输出耦合后的光信号到光电探测器；

光电探测器：对探测到的光信号进行光电转换，得到电信号。

在上述的具有高交调失真抑制度的可调谐微波信号生成系统中，第一子调 制器MZM1具有两个射频输入端口RF1和RF2，以及1个直流偏置电压输入 端口D1；第二子调制器MZM2具有两个射频输入端口rf1和rf2，以及1个直 流偏置电压输入端口d1；主调制器具有1个直流偏置电压输入端口D0；其中： 在第一子调制器MZM1中，射频输入端口RF1加载射频电信号V₁₁(t)，射频输 入端口RF2加载射频电信号V₁₂(t)，直流偏置电压输入端口D1加载直流偏置控 制单元提供的第一直流控制电压；在第二子调制器MZM2中，射频输入端口rf1 加载射频电信号V₂₁(t)，射频输入端口rf2加载射频电信号V₂₂(t)，直流偏置电压 输入端口d1加载直流偏置控制单元提供的第二直流控制电压；在主调制器中， 直流偏置电压输入端口D0加载直流偏置控制单元提供的第三直流控制电压。

在上述的具有高交调失真抑制度的可调谐微波信号生成系统中，相位控制 与合成单元包括第一电分路器、第二电分路器、第三电分路器、第四电分路器、 第一电移相器、第二电移相器、第一电合路器、第二电合路器和可调移相器组 成，第一电移相器和第二电移相器均为180度电移相器，可调电移相器的相移 为180°或0，其中：

第一电分路器将射频电信号V₁(t)分成两路，并将分路后的射频电信号分别 发送给第一电合路器和第二电合路器；第二电分路器将射频电信号V₁₂(t)分成两 路，并将分路后的射频电信号分别发送给第一电合路器和第一电移相器；第一 电合路器将第一电分路器和第二电分路器输出的射频电信号进行合路后输出给 第三电分路器；第一电移相器将接收到的第二电分路器发送的射频电信号进行 移相后输出给第二电合路器；第三电分路器将第一电合路器输出的射频电信号 分成两路，并将分路后的射频电信号分别发送给第二电移相器和MZM1的射频 输入端口RF1；第二电移相器对接收到的第三电分路器发送的射频电信号进行 移相后输出给MZM1的射频输入端口RF2；第二电合路器将接收到的第一电移 相器发送的射频电信号和第一分路器发送的射频电信号进行合路后输出给第四 电分路器；第四电分路器将第二电合路器输出的射频电信号分成两路，其中一 路送至MZM2的射频输入端口rf1，另一路经可调移相器移相后送至MZM2的 射频输入端口rf2。

在上述的具有高交调失真抑制度的可调谐微波信号生成系统中，直流控制 单元包括第一直流电源模块、第二直流电源模块和第三直流电源模块，其中， 第一直流电源模块施加第一控制电压到第一子调制器MZM1，控制MZM1的直 流偏置工作点；第二直流电源模块施加第二控制电压到第二子调制器MZM2， 控制MZM2的直流偏置工作点；第三直流电源模块施加第三控制电压到主调制 器，控制主调制器的工作点。

在上述的具有高交调失真抑制度的可调谐微波信号生成系统中，如果第二 子调制器MZM2工作在最小偏置点，即所述第二子调制器MZM2的直流偏置相 移为π，则主调制器输出到光电探测器的光信号为双路倍频调制光信号；如果 第二子调制器MZM2工作在正交偏置点，即所述第二子调制器MZM2的直流偏 置相移为π/2，则主调制器输出到光电探测器的光信号为宽带射频调制光信号。

在上述的具有高交调失真抑制度的可调谐微波信号生成系统中，DPMZM 的主调制器通过光纤将耦合后的光信号发送到光电探测器，所述光电探测器完 成基于平方率检波方式的光电转换，得到电信号。

在上述的具有高交调失真抑制度的可调谐微波信号生成系统中，光电探测 器为PD光电探测器。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)、本发明采用相位控制与合成单元对两个射频电信号进行相位控制和 合成，使加载到双驱动DPMZM四个射频输入端口上的射频电信号具有固定的 相位差，并且采用直流偏置控制单元对两个子调制器和主调制器进行直流偏置 工作点控制，其中控制第一子调制器MZM1工作在最小偏置点、主调制器工作 在零点，如果控制第二子调制器MZM2也工作在最小偏置点，则在产生双路倍 频信号的同时，可以实现交调失真的有效抑制；如果控制第二子调制器MZM2 工作在正交偏置点，则可以大大抑制三阶交调失真，实现多路射频电信号的生 成及高线性传输。

(2)、本发明中可调的参数包括相位控制与合成单元的可调移相器的移相 值，以及偏置控制单元提供给第二子调制器MZM2的直流偏置电压，通过这些 参数的调整可以生成双路倍频信号和多路射频电信号，并实现高线性传输；然 后通过探测器的简单检测就能得到满足高交调失真抑制能力的电信号，保证了 宽带微波光子通信系统的高带宽、大动态范围的性能要求。

附图说明

图1为本发明的具有高交调失真抑制度的可调谐微波信号生成系统的原理 组成框图；

图2为本发明的相位控制与合成单元的组成框图；

图3为本发明的DPMZM结构示意图；

图4为本发明实施例中得到的基于DPMZM正交调制的输出电信号频谱测 试全景图；

图5为本发明实施例中得到的双路宽带射频电信号的倍频信号频谱测试全 景图；

图6为本发明实施例中得到的双路宽带射频电信号的倍频信号交调失真抑 制测试频谱图；

图7为本发明实施例中得到的超高三阶交调失真抑制特性的电信号频谱 图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

本发明的主要技术方案就是结合射频信号相位控制合成技术和DPMZM直 流偏置控制操作，通过一个可调直流电源和一个可调电移相器，可以生成具有 高交调失真抑制能力的双路倍频信号，还可以生成三阶交调干扰在噪底以下的 高线性宽带射频信号并进行传输。

如图1所示的系统组成框图，本发明的具有高交调失真抑制度的可调谐微 波信号生成系统包括激光器、微波源、相位控制与合成单元、直流偏置控制单 元、DPMZM(双重并行马赫曾德尔电光调制器)模块和光电探测器。

其中，DPMZM包括三个MZM，分别为第一子调制器MZM1、第二子调制 器MZM2和主调制器，所述第一子调制器MZM1、第二子调制器MZM2分别 嵌入在主调制器的两臂上，且所述两个子调制器具有相同的性能和结构。其中， 第一子调制器MZM1具有两个射频输入端口RF1和RF2，以及1个直流偏置 电压输入端口D1；第二子调制器MZM2具有两个射频输入端口rf1和rf2，以 及1个直流偏置电压输入端口d1；主调制器具有1个直流偏置电压输入端口 D0。

在本发明中，激光器生成光载波信号并输出到DPMZM的光输入端口，微 波源生成两个射频电信号并输出到相位控制与合成单元。其中，微波源生成的 两个射频电信号分别为V₁(t)＝V_mcosω₁t和V₂(t)＝V_mcosω₂t，其中，V_m为射频电信号 的幅度值，ω₁和ω₂分别为两个射频电信号的频率。

相位控制与合成单元接收微波源输出的两个射频电信号V₁(t)和V₂(t)，对所 述两个射频电信号进行相位控制和信号合成后，输出四个射频电信号V₁₁(t)、 V₁₂(t)、V₂₁(t)、V₂₂(t)到DPMZM，其中：

V₁₁(t)＝V_m(cosω₁t+cosω₂t)；

V₁₂(t)＝V_m[cos(ω₁t+π)+cos(ω₂t+π)]；

V₂₁(t)＝V_m[cos(ω₁t)+cos(ω₂t+π)]；

V₂₂(t)＝V_m[cos(ω₁t+π)+cos(ω₂t)]或V₂₂(t)＝V_m[cos(ω₁t)+cos(ω₂t+π)]；

其中，如图2所示的相位控制与合成单元的组成框图，本发明中的相位控 制与合成单元包括第一电分路器、第二电分路器、第三电分路器、第四电分路 器、第一电移相器、第二电移相器、第一电合路器、第二电合路器和可调移相 器组成，第一电移相器和第二电移相器均为180度电移相器，可调电移相器的 相移为180°或0，其中：第一电分路器将射频电信号V₁(t)分成两路，并将分路 后的射频电信号分别发送给第一电合路器和第二电合路器；第二电分路器将射 频电信号V₁₂(t)分成两路，并将分路后的射频电信号分别发送给第一电合路器和 第一电移相器；第一电合路器将第一电分路器和第二电分路器输出的射频电信 号进行合路后输出给第三电分路器；第一电移相器将接收到的第二电分路器发 送的射频电信号进行移相后输出给第二电合路器；第三电分路器将第一电合路 器输出的射频电信号分成两路，并将分路后的射频电信号分别发送给第二电移 相器和MZM1的射频输入端口RF1；第二电移相器对接收到的第三电分路器发 送的射频电信号进行移相后输出给MZM1的射频输入端口RF2；第二电合路器 将接收到的第一电移相器发送的射频电信号和第一分路器发送的射频电信号进 行合路后输出给第四电分路器；第四电分路器将第二电合路器输出的射频电信 号分成两路，其中一路送至MZM2的射频输入端口rf1，另一路经可调移相器 移相后送至MZM2的射频输入端口rf2。

直流偏置控制单元为DPMZM提供的直流偏置控制电压，该直流偏置控制 电压包括第一直流控制电压、第二直流控制电压和第三直流控制电压。在本发 明中直流控制单元包括第一直流电源模块、第二直流电源模块和第三直流电源 模块，其中，第一直流电源模块施加第一控制电压到第一子调制器MZM1，控 制MZM1的直流偏置工作点；第二直流电源模块施加第二控制电压到第二子调 制器MZM2，控制MZM2的直流偏置工作点；第三直流电源模块施加第三控制 电压到主调制器，控制主调制器的工作点。其中，DPMZM的结构示意图如图 3所示。

DPMZM接收相位控制与合成单元输出的四个射频电信号，以及直流偏置 控制单元输出的直流偏置控制电压和激光器输出的光载波信号；其中：在第一 子调制器MZM1中，射频输入端口RF1加载射频电信号V₁₁(t)，射频输入端口 RF2加载射频电信号V₁₂(t)，直流偏置电压输入端口D1加载直流偏置控制单元 提供的第一直流控制电压，在所述电压控制下第一子调制器MZM1工作在最小 偏置点，即MZM1的直流偏置相移为π；在第二子调制器MZM2中，射频输 入端口rf1加载射频电信号V₂₁(t)，射频输入端口rf2加载射频电信号V₂₂(t)，直流 偏置电压输入端口d1加载直流偏置控制单元提供的第二直流控制电压，所述 电压使第二子调制器MZM2工作在最小偏置点或正交偏置点，即MZM2的直 流偏置相移为π或π/2；在主调制器中，直流偏置电压输入端口D0加载直流 偏置控制单元提供的第三直流控制电压，该电压使主调制器工作在零点。

其中，主调制器接收激光器发送的光载波信号，并分发给第一子调制器 MZM1和MZM2，两个子调制器分别利用所述光载波信号对接收到的两路射频 电信号进行电光调制，并输出调制后的光信号到主调制器，然后主调制器对所 述两个子调制器输出的两路光信号进行耦合，并将耦合后的光信号通过光纤发 送到光电探测器。其中，当MZM2工作在最小偏置点时，DPMZM光输出端口 输出抵消双倍频信号交调失真主要来源的双路倍频调制光信号；当MZM2工作 在正交偏置点时，DPMZM光输出端口输出抵消三阶交调失真主要来源的宽带 射频调制信号。

DPMZM输出的调制光信号经光纤传输后，送至PD光电探测器进行直接 探测，在光电探测器上完成基于平方率检波方式的光电转换，得到相应的电信 号，该恢复出来的电信号具有高交调失真抑制双路倍频特性或高线性宽带多射 频电信号特性。

通过以上的论述可以看出，本发明方案的重点在于：

(1)、本发明采用相位控制单元将微波源发出不同频率的射频电信号进行 相位控制与信号合成，使加载到双驱动DPMZM四个射频输入端口上的射频信 号按照需要具有固定的相位关系；

(2)、本发明通过直流偏置控制单元使MZM1工作在载波抑制调制方式， 并通过一个可调直流电源，使MZM2工作在载波抑制调制方式或正交调制方式， 主调制器工作在零点，可以抵消两个子调制器上产生的不同类型的交调项；其 中，如果MZM2工作在最小偏置点，则其调制方式为载波抑制调制；如果MZM2 工作在正交偏置点，则其调制方式为正交调制。

(3)、本发明利用简单易行的直接检测方式，经过光电探测后，输出具有 高交调失真特性的双路宽带射频信号的倍频信号或具有完全抑制三阶交调失真 的宽带射频信号。

实施例：

本实施例中，对本发明的交调干扰抑制能力进行了试验验证分析，分析结 果如图4～7所示。其中，图4为第一子调制器MZM1和MZM2均工作在正交 点(90°)，即DPMZM工作在正交调制方式时得到的双音信号频谱图。图5 为采用本发明的双路宽带射频信号的倍频信号频谱全景图。图6为采用本发明 的双路宽带射频信号的倍频信号交调失真抑制测试频谱图。图7采用本发明的 超高三阶交调失真抑制特性的电信号频谱。

从图4可以看出，输入双音信号所产生的双路倍频信号附近存在各类交调 失真分量，交调失真分量种类多，形式丰富，双音信号交调失真抑制比仅为9dB， 输出双路倍频信号的三阶交调失真抑制比仅有5dB。从图5和图6可以看出， 采用了本发明后，输出双路倍频信号附近仅有两个交调失真频率成分，其交调 失真抑制比接近30dB，交调失真抑制能力得到了大大提高。图7表明采用本 发明后，在传输的双音信号的三阶交调分量在-90dBm噪底以下，三阶交调失 真得到了完美的抑制。

以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限 于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想 到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技 术。