微波光子自干扰消除及信号延时下变频装置及方法与流程

本发明涉及光通信和微波，更为具体的，涉及一种微波光子自干扰消除及信号延时下变频装置及方法。

背景技术：

1、随着移动设备的普及，通信系统需要处理的数据量越来越大。同时同频全双工(in-band full-duplex，ibfd)系统能够实现同频收发，成倍增加频率利用率和传输速率，可以缓解当前通信系统由于数据量过大引起的频谱资源紧张问题。然而这种通信系统总是面临着严重的自干扰问题，即部分发射信号泄露进接收机且无法使用滤波器直接滤除，进而影响接收信号的正确解调。受电子器件带宽和精度的限制，传统的电学自干扰消除系统在自干扰消除性能和应用场景等方面受限。得益于高频段、大带宽和抗电磁干扰等优势，基于光子学的自干扰消除系统在工作频段、消除带宽和消除深度等方面均有所提升，一举成为当前的研究热点。

2、为了降低对射频前端线性度和后续模数转换器分辨率的要求，同时兼顾自干扰消除深度指标，模拟域自干扰消除技术成为了微波光子自干扰消除的关键。目前大多数基于微波光子的模拟域自干扰消除方案重点关注工作频段、消除带宽和消除深度的提高，考虑到模数转换器的采样压力，研究人员还将自干扰消除与下变频技术相结合。然而，大部分方案使用电学器件重建参考干扰信号实现自干扰消除，消除带宽和深度依旧受限，并未发挥出微波光子技术的全部优势。此外，很少有方案在同时实现自干扰消除和下变频的基础上对期望信号进行延时处理，限制了自干扰消除系统与相控阵雷达、波束形成网络等系统的兼容性。综上，基于微波光子的自干扰消除及信号延时下变频技术可以为相控阵雷达中接收信号的同步处理、校准测试、延时存储等提供解决思路。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种微波光子自干扰消除及信号延时下变频装置及方法，实现了自干扰信号的消除以及延时下变频，结构简单，实用性很强，可以广泛应用于相控阵雷达、电子战、无线通信电子系统中。

2、本发明的目的是通过以下方案实现的：

3、一种微波光子自干扰消除及信号延时下变频装置，包括：可调激光器、一个相位调制器pm、一个双驱动马赫曾德尔调制器ddmzm、一个光可调延时线otdl、一个光环形器oc、一个偏振分束器pbs、一个偏振控制器pc、一个起偏器pol、一个色散介质和一个光电探测器pd；所述可调激光器的输出端口连接oc的输入端口1，oc的输出端口2连接pbs的公共输入端口；pbs的端口1连接到pm的光输入端口，pm的光输出端口连接ddmzm的光输出端口；反向经过ddmzm后连接otdl的输出端口，otdl的输入端口连接到pbs的端口2；oc的输出端口3连接pc的输入端口，pc的输出端口连接pol的输入端口，pol的输出端口连接色散介质的输入端口，色散介质的输出端口连接pd的光输入端口。

4、进一步地，所述ddmzm包括一个y型光分路器、两个并行的子调制器pm1和pm2和一个y型光合路器，输入光经过y型光分路器后等分为两路，分别进入pm1和pm2中，两个子调制器输出的光信号经过y型光合路器合成一束输出。

5、进一步地，该装置包括如下信号流向关系：初始参考干扰信号连接pm的射频端口，混合自干扰信号的接收信号连接ddmzm的射频端口1，本振信号连接ddmzm的射频端口2；波长可调的激光信号经过pbs后被等分为两路正交偏振的光信号，从端口1输出的一路顺时针光ck正向进入pm被初始参考干扰信号调制；从端口2输出的一路逆时针光cck正向进入ddmzm被受干扰的接收信号和本振信号调制；当环路内的顺时针信号依次经过pm、ddmzm和otdl传输一周，且环路内的逆时针信号依次经过ddmzm、otdl和pm传输一周后，被调制的ck路光信号和cck路光信号进入反向的pbs合成为一路偏振复用光信号。

6、进一步地，所述两路正交偏振的光信号具体为te模式光信号和tm模式光信号。

7、进一步地，所述从端口1输出的一路顺时针光ck为te模式光。

8、进一步地，所述从端口2输出的一路逆时针光cck为tm模式光。

9、一种微波光子自干扰消除及信号延时下变频方法，基于如上所述的装置，包括如下步骤：

10、s1，设期望的接收信号、接收到的自干扰信号、初始参考自干扰信号和本振信号的表达式分别为：

11、

12、其中，vs、vi、vr和vl分别表示接收信号、接收到的自干扰信号、初始参考自干扰信号和本振信号的信号幅度，ωs、ωi和ωl分别表示期望信号、接收自干扰信号、初始参考自干扰信号和本振信号的角频率，t0表示自干扰信号从发射端到接收端经历的延时；

13、基于权利要求1所述的装置结构，pm输出的调制信号经过otdl后，光载波和调制边带同时引入了延时；在ddmzm输出的调制信号中只有光载波引入了延时；在整个信号调制过程中只有参考干扰信号得到了延时；此时，将oc的端口3输出的偏振复用光信号表示为：

14、

15、其中，μ1和μ2分别为pm和ddmzm的损耗；为激光器产生的频率可调的信号，ec为激光输出信号的幅度，ωtl＝ωc+nωr为激光角频率，ωc为初始角频率，ωr为频率步进间隔，n为整数；mr、ms、mi、ml分别为初始参考自干扰信号、期望的接收信号、接收到的自干扰信号和本振信号的调制指数；τ表示otdl引入的延时量；表示ddmzm的直流偏置角；jn(·)表示第一类n阶贝塞尔函数；和分别表示光场te模式和tm模式的单位向量；

16、s2，信号输入pc和起偏器，令pc的输出信号与起偏器的主轴对齐，则起偏器的输出信号表示为：

17、

18、其中，α为pc的偏振控制角；δ为两路偏振复用光之间的相位差；根据公式(3)可得，在小信号近似j0(m)≈1下，当下述公式(4)条件同时成立时，即可在光域完全消除自干扰信号；此时，幅度匹配和反相操作均由偏振控制实现；

19、

20、s3，将消除自干扰信号后的光信号输入色散介质中；所述色散介质包括单模光纤，只考虑损耗和色散时，光纤的传输函数表示为：

21、

22、其中，αsmf和l分别为光纤的衰减系数和长度；β0、β1和β2分别表示介质在中心频率ωc下的传播常数、群速度的倒数和群速度色散；后续的推导过程中只考虑β2，单模光纤的输出表示为：

23、

24、其中，表示群速度色散对期望信号和本振边带引入的相移；

25、s4，经过光电探测后，pd恢复得到的光电流表示为：

26、

27、其中，η表示光电探测器的响应度；通过公式(7)，能够得到在光域消除自干扰信号的前提下，实现期望信号的下变频，并通过调整群色散系数β2、光纤长度l和激光频率调整间隔nωr实现期望下变频信号的延时控制，进而调整相位；以及，通过调整ddmzm的直流偏置角进行φ补偿，以解决在双边带调制下，色散介质引入的色散会造成功率衰落问题。

28、进一步地，在步骤s1中，对于ibfd系统来说ωs＝ωi。

29、进一步地，在步骤s1中，第一类n阶贝塞尔函数jn(·)在小信号输入下，其他高阶分量被忽略。

30、进一步地，在步骤s3中，所述色散介质包括光栅、啁啾镜和高色散光纤。

31、本发明的有益效果包括：

32、本发明在环形调制结构的基础上，通过合理调整偏振复用光信号的偏振参数和otdl的延时以及激光器的波长，实现了自干扰信号的消除以及延时下变频，结构简单且实用性很强，可以为相控阵雷达中接收信号的同步处理、校准测试、延时存储等提供解决思路，能够广泛应用于相控阵雷达、电子战、无线通信等电子系统中。

33、本发明构造了一种新的微波光子自干扰消除及信号延时下变频装置。基于环形调制结构进行了参考自干扰信号和接收自干扰信号的差异化延时引入，同时利用偏振控制实现了幅度匹配和反相操作，最终在光域消除了自干扰信号。此外，通过加载本振信号、增加色散介质并调整激光器波长、群色散系数等参数还可以同时实现期望信号的下变频和延时功能。