一种多通道微波光子自干扰消除装置及方法

本发明属于光通信，具体涉及一种多通道微波光子自干扰消除装置及方法。

背景技术：

1、当前无线通信的频谱资源稀缺，特别是在高密度用户区域和城市环境中，为了满足不断增长的数据需求，迫切需要寻找更有效的方法提升频谱利用率。多输入多输出(multiple-input multiple-output，mimo)技术通过在发射和接收端使用多个天线，实现多信道传输，已经被证实是提高频谱效率的有效方法。带内全双工(in-band full-duplex，ibfd)技术则允许在同一频带内同时发送和接收信号，从而提高系统容量。如果能将mimo技术与ibfd技术相结合，就可以更好地利用多个天线，进一步提高数据传输速率，支持更多用户和设备的连接。此外，高效的ibfd通信结合mimo技术可能会为新的业务和应用场景带来机会，特别是对于物联网(internet of things，iot)和5g及以上网络中的大规模连接和低时延要求的应用。但是，ibfd系统本身存在严重的自干扰问题亟待解决，与mimo技术相结合后自干扰来源倍增，这对射频前端的电路设计和后端的数字信号处理提出了更高要求。此外，在大规模接收阵列中，通道之间的电磁泄露还会影响自干扰消除的效果，进一步增加系统设计和维护的成本。

2、得益于高频段、低损耗和抗电磁干扰等优势，微波光子自干扰消除技术近些年来得到了研究人员们的广泛研究。除了提高干扰消除深度和带宽以外，如何将自干扰消除技术与下变频、毫米波信号生成、抑制周期性功率衰落、镜像干扰抑制等功能相结合成为当前的研究重点。但是，现有的微波光子自干扰消除方案大多都是针对单通道展开的，很少有方案考虑多通道微波光子自干扰消除，这限制了自干扰消除系统与mimo、相控阵、波束形成网络等系统的兼容性。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种多通道微波光子自干扰消除装置及方法，包括光频梳(optical frequency comb，ofc)产生模块、光分束器、光梳状滤波器、2个双平行马赫曾德调制器(dual-parallel mach-zehnder modulator，dpmzm)、偏振复用马赫曾德调制器(polarization division multiplexing mach-zehnder modulator，pdm-mzm)、2个90°电桥、2个偏振控制器(polarization controller，pc)、偏振合/分束器(polarization beam combiner/splitter，pbc/pbs)、可编程光谱处理器、2个平衡光电探测器(balanced photodetector，bpd)；基于光频梳和偏振复用技术利用可编程光谱处理器引入多通道衰减和移相操作，实现了参考干扰信号的差异化幅度和相位匹配，同时使用平衡探测技术在电域进行反相处理，最终在电域输出端抵消了多通道自干扰信号。本发明结构简单且实用性很强，可以广泛应用于mimo、相控阵雷达、电子战、无线通信等电子系统中。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

3、一种多通道微波光子自干扰消除装置，包括ofc产生模块、光分束器、光梳状滤波器、2个dpmzm即dpmzm1和dpmzm2、pdm-mzm、2个90°电桥即90°电桥1和90°电桥2、2个pc即pc1和pc2、pbs、pbc、可编程光谱处理器、2个bpd即bpd1和bpd2；

4、所述ofc产生模块的输出端口连接光分束器的输入端口；

5、所述光分束器的输出端口1连接pdm-mzm的光输入端口；所述pdm-mzm的光输出端口连接pc1的输入端口；所述pc1的输出端口连接pbs的输入端口；所述pbs的输出端口1连接bpd1的光输入端口1，pbs的输出端口2连接bpd2的光输入端口1；

6、所述光分束器的输出端口2连接光梳状滤波器的输入端口；所述光梳状滤波器的输出端口1连接dpmzm1的光输入端口；所述dpmzm1的光输出端口连接pbc的输入端口1；光梳状滤波器的输出端口2连接dpmzm2的光输入端口；所述dpmzm2的光输出端口连接pc2的输入端口；所述pc2的输出端口连接pbc的输入端口2；所述pbc的输出端口连接可编程光谱处理器的输入端口；所述可编程光谱处理器的输出端口1连接bpd1的光输入端口2；所述bpd1的电输出端口得到输出信号1；可编程光谱处理器的输出端口2连接bpd2的光输入端口2，bpd2的电输出端口得到输出信号2。

7、优选地，所述ofc产生模块包括激光器和马赫曾德调制器mzm，激光器的输出端口连接mzm的光输入端口，mzm的光输出端口作为ofc产生模块的输出端口连接光梳状滤波器的输入端口。

8、优选地，所述pdm-mzm包含y型光分路器、2个并行的mzm即mzmx和mzmy、偏振旋转器和pbc；所述mzmy输出的光信号通过偏振旋转器发生90°偏振旋转，然后与mzmx输出的光信号共同输入pbc，光信号在pbc合并成为偏振复用信号后从pdm-mzm输出。

9、一种多通道微波光子自干扰消除方法，包括如下步骤：

10、步骤1：设驱动ofc产生模块的mzm的射频信号为v0(t)＝v0cosω0t，其中v0和ω0分别表示信号幅度和角频率，t表示时间，则ofc产生模块的光场输出表达式为：

11、

12、其中，μ0表示mzm的损耗；ec(t)表示激光器输出的时变激光信号；m0表示mzm的调制指数；表示mzm的直流偏置角；jn(·)表示第一类n阶贝塞尔函数，n＝1,2,3,4；当调整m0和使得式(2)满足时，得到5线ofc，表达式如式(3)所示：

13、

14、

15、其中，an表示5根梳齿的幅度；

16、步骤2：光梳状滤波器将5线ofc分割为两个频率间隔相等的2线ofc和3线ofc，其表达式分别为：

17、

18、

19、步骤3：初始参考干扰信号vr1(t)经过90°电桥1后连接到dpmzm1的两个射频端口，初始参考干扰信号vr2(t)经过90°电桥2后连接到dpmzm2的两个射频端口；接收天线1接收混合信号vrf1(t)+vsi11(t)+vsi21(t)并驱动pdm-mzm的子调制器mzmx，接收天线2接收混合信号vrf2(t)+vsi22(t)+vsi12(t)并驱动到pdm-mzm的子调制器mzmy；其中，vsi11(t)表示发射天线1在接收天线1处产生的自干扰，vsi21(t)表示发射天线2在接收天线1处产生的干扰，vsi22(t)表示发射天线2在接收天线2处产生的自干扰，vsi12(t)表示发射天线1在接收天线2处产生的干扰；

20、步骤4：期望的接收信号、接收到的自干扰信号和初始参考自干扰信号的表达式分别如式(6)至式(8)所示；

21、

22、

23、

24、其中，vrf1、vrf2、v11、v22、v12、v21、vr1和vr2分别表示信号vrf1(t)、vrf2(t)、vsi11(t)、vsi22(t)、vsi12(t)、vsi21(t)、vr1(t)和vr2(t)的幅度，ωrf1、和ωrf2分别为期望信号vrf1(t)和vrf2(t)的角频率；对于ibfd系统，期望信号频率与自干扰信号频率相等，且两个接收天线的期望信号频率相等，即ωrf1＝ωrf2；τ1、τ2、τ11、τ22、τ12和τ21分别表示上述信号从发射端到接收端经历的延时；θ11、θ22、θ12和θ21表示公式(7)中四路接收到的自干扰信号的等效相移量，θ11表示发射天线1泄露到接收天线1的自干扰信号的相移；θ22表示发射天线2泄露到接收天线2的自干扰信号的相移；θ12表示发射天线1泄露到接收天线2的自干扰信号的相移；θ21表示发射天线2泄露到接收天线1的自干扰信号的相移。

25、步骤5：设置dpmzm1和dpmzm2的子调制器和主调制器均工作在正交点，则输出光信号表示为：

26、

27、其中，μi，i＝1,2分别表示dpmzm1和dpmzm2的损耗；mi分别表示两个调制器的调制指数；

28、步骤6：调整pc1使得dpmzm1和dpmzm2的输出光信号经过pbc耦合后具有正交的偏振态，得到偏振复用光信号，如下所示：

29、

30、其中，和分别表示光场te模式和tm模式的单位向量；

31、将信号epbc(t)输入可编程光谱处理器进行衰减、移相和滤波处理后，得到两个通道的输出信号分别表示为：

32、

33、

34、其中，αi，i＝1,2,3,4表示衰减系数；θi表示移相量；

35、将信号ech1(t)和ech2(t)分别输入bpd1和bpd2的输入端口1，经过光电探测得两路重建后的参考电流分别为：

36、

37、

38、其中，η1和η2分别表示bpd1和bpd2的响应度。

39、步骤7：令pdm-mzm的两个子调制器均工作在正交点，则其输出光信号表示为：

40、

41、其中，μ3表示pdm-mzm的损耗；

42、信号epdm-mzm(t)经过pc和pbs，分别输入bpd1和bpd2的输入端口2后，得接收混合信号光电流为：

43、

44、

45、步骤8：bpd中接收混合信号光电流和重建参考光电流相减，并控制可编程光谱处理器调整衰减和移相满足下列条件：

46、

47、最终得bpd1和bpd2的输出信号为：

48、

49、

50、当调整可编程光谱处理器满足式(18)所示的幅度、相位匹配以及在bpd中满足反相操作时，接收到的多路单频/窄带自干扰信号可以被抵消，只保留期望的接收信号。

51、本发明的有益效果如下：

52、本发明构造了一种多通道微波光子自干扰消除系统。基于光频梳和偏振复用技术利用可编程光谱处理器引入多通道衰减和移相操作，实现了参考干扰信号的差异化幅度和相位匹配，同时使用平衡探测技术在电域进行反相处理，最终在电域输出端抵消了多通道自干扰信号。本发明结构简单且实用性很强，可以广泛应用于mimo、相控阵雷达、电子战、无线通信等电子系统中。