本發(fā)明涉及微波接收技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種全光技術(shù)微波接收系統(tǒng)與方法。

背景技術(shù)：

微波光子技術(shù)涉及到微波與光子技術(shù)兩個領(lǐng)域，是一門新興的學(xué)科，通常是指采用先進(jìn)的光子技術(shù)來突破電子瓶頸，用于產(chǎn)生、傳輸、處理以及接收微波信號。光纖具有大帶寬、低損耗、抗電磁干擾以及重量輕等特點(diǎn)被廣泛用于微波光子領(lǐng)域，用于產(chǎn)生、傳輸與處理微波信號。

現(xiàn)有的微波接收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其通常將高頻微波信號與本振信號通過混頻器進(jìn)行混頻實(shí)現(xiàn)微波信號的下變頻，輸出中頻信號并通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換后再進(jìn)行數(shù)字信號處理，最終將基帶信號傳送至中心站。首先，混頻器為一典型帶通器件，工作頻段有限，其次，混頻器也是一典型非線性器件，混頻后頻譜成分非常復(fù)雜，而且具有較大的噪聲系數(shù)與較小的動態(tài)范圍；此外，現(xiàn)有接收系統(tǒng)大部分信號處理功能均在基站實(shí)現(xiàn)，不僅加大了基站的負(fù)擔(dān)，而且增加了建設(shè)成本與維護(hù)成本；更加重要的是，系統(tǒng)中大量高頻有源微波器件的使用將導(dǎo)致較嚴(yán)重的電磁干擾。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：1、提供一種基于光子技術(shù)的超寬帶微波接收方法，其下變頻過程在光域完成，可以克服混頻器與本振對系統(tǒng)性能的負(fù)面影響，同時采取“光混頻”的方式來進(jìn)行微波信號的下變頻，實(shí)現(xiàn)中頻輸出，不需要本振等高頻有源器件，可以最大程度降低系統(tǒng)的電磁干擾。2、基于上述技術(shù)思路，本發(fā)明還提供一種實(shí)現(xiàn)上述方法的全光技術(shù)微波接收系統(tǒng)。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種全光技術(shù)微波接收方法，包括以下步驟：

步驟一、用接收的微波信號對上支路激光進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，經(jīng)電/光轉(zhuǎn)化后形成光信號1；

步驟二、用自激振蕩產(chǎn)生的穩(wěn)定微波信號對與上支路激光具有相同特征參數(shù)且相位同步的下支路激光進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，形成光信號2；

步驟三、將光信號1與光信號2進(jìn)行耦合并傳輸；

步驟四、接收步驟三傳輸過來的光信號1和光信號2，通過包絡(luò)檢波進(jìn)行光差頻，再通過低通濾波后實(shí)現(xiàn)中頻輸出。

步驟五、對步驟四輸出的中頻信號進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換后再進(jìn)行數(shù)字信號處理。

其中，所述步驟一中通過電光強(qiáng)度調(diào)制器來實(shí)現(xiàn)用接收的微波信號對上支路激光進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。

其中，所述步驟二中通過開環(huán)增益大于1的光電混合環(huán)路來實(shí)現(xiàn)基于自激振蕩原理產(chǎn)生穩(wěn)定微波信號并對輸入該光電混合環(huán)路中的下支路激光進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。

其中，所述步驟四中先將接收到的光信號1和光信號2放大后對其傳輸損耗進(jìn)行補(bǔ)償，然后再通過包絡(luò)檢波進(jìn)行光差頻。

進(jìn)一步，所述步驟四中通過光電探測器的包絡(luò)檢波來對光信號1與光信號2進(jìn)行光差頻。

作為本發(fā)明的另一方面，一種全光技術(shù)微波接收系統(tǒng)，包括基站、光纖2及中心站，所述基站與中心站之間通過光纖2進(jìn)行通信；

所述基站包括光源、電光強(qiáng)度調(diào)制器1、耦合器2與開環(huán)增益大于1的光電振蕩環(huán)路；

所述中心站包括光電探測器2、低通濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器與數(shù)字信號處理器；

所述光源用于提供上支路激光和下支路激光，所述下支路激光與上支路激光具有相同的特征參數(shù)且相位同步；

所述電光強(qiáng)度調(diào)制器1與光電振蕩環(huán)路的輸出端連接耦合器2的兩輸入端，所述耦合器2的輸出端與光纖2、光電探測器2、低通濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及數(shù)字信號處理器依次連接；

所述上支路激光在電光強(qiáng)度調(diào)制器1中被接收的微波信號進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，實(shí)現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)化，形成光信號1并從電光強(qiáng)度調(diào)制器1的輸出端輸出至耦合器2；

所述光電振蕩環(huán)路中自激振蕩產(chǎn)生穩(wěn)定的微波信號，該微波信號對下支路激光進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，形成光信號2并從光電振蕩環(huán)路輸出端輸出至耦合器2；

所述耦合器2對輸入的光信號1和光信號2進(jìn)行耦合后并通過光纖2傳輸至光電探測器2，所述光電探測器2對接收到的光信號1與光信號2包絡(luò)檢波實(shí)現(xiàn)光差頻，然后經(jīng)所述低通濾波器進(jìn)行低通濾波后輸出中頻信號，輸出的中頻信號經(jīng)所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換后再進(jìn)入所述數(shù)字信號處理器中完成數(shù)字信號處理。

其中，所述光電振蕩環(huán)路包括依次首尾相連的電光強(qiáng)度調(diào)制器2、光纖1、光放大器1、耦合器3、光電探測器1與窄帶帶通濾波器；所述光電振蕩環(huán)路內(nèi)的噪聲信號通過電光強(qiáng)度調(diào)制器2對下支路激光進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制后通過光纖1延時，再通過所述光放大器1放大后耦合輸出一部分，剩余部分在光電振蕩環(huán)路內(nèi)通過光電探測器1還原成電信號，接著通過窄帶帶通濾波器進(jìn)行濾波后到達(dá)電光強(qiáng)度調(diào)制器2進(jìn)行下一循環(huán)，對于滿足巴克豪斯條件的頻點(diǎn)信號將逐漸被放大，最終非線性效應(yīng)將環(huán)路增益壓縮至1，形成穩(wěn)定振蕩，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的微波信號，該微波信號通過電光強(qiáng)度調(diào)制器2對下支路激光進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制后形成光信號2，所述光信號2最后通過耦合器3的輸出端從光電振蕩環(huán)路中輸出。

其中，所述光源包括激光器和耦合器1，所述激光器產(chǎn)生連續(xù)單波長激光并通過耦合器1分成上支路激光和下支路激光。

進(jìn)一步，所述中心站還包括光電放大器2，所述光電放大器2與光纖2及光電探測器2連接，所述光纖2先將耦合后的光信號1和光信號2傳輸至光電放大器2，所述光信號1和光信號2經(jīng)光電放大器2放大補(bǔ)償傳輸損耗后再輸送至光電探測器2。

本發(fā)明采用全光處理技術(shù)，免除了本振、混頻器等有源微波器件的使用，不僅可以降低噪聲系數(shù)而且可顯著增強(qiáng)系統(tǒng)的抗電磁干擾能力。從基站、傳輸介質(zhì)與中心站功能上講，本發(fā)明所涉全光微波接收系統(tǒng)將“混頻”、“數(shù)模轉(zhuǎn)換”與“數(shù)字信號處理”功能轉(zhuǎn)移至中心站，而基站僅僅需要實(shí)現(xiàn)“電/光轉(zhuǎn)換”一種功能，同時將金屬傳輸介質(zhì)換成了通信光纖，將“混頻”、“數(shù)模轉(zhuǎn)換”與“數(shù)字信號處理”功能轉(zhuǎn)移至中心站處理，這樣增加了系統(tǒng)的工作帶寬，簡化了基站結(jié)構(gòu)，降低了整個系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

附圖說明

圖1是傳統(tǒng)微波接收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明所涉全光技術(shù)微波接收方法的流程示意圖

圖3是本發(fā)明所涉全光技術(shù)微波接收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為了便于本領(lǐng)域技術(shù)人員的理解，下面結(jié)合實(shí)施例與附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，實(shí)施方式提及的內(nèi)容并非對本發(fā)明的限定。

需要提前說明的是，在本發(fā)明的描述中，術(shù)語“上支路”、“下支路”僅是便于本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀本發(fā)明時對兩支路進(jìn)行區(qū)分，而非方位上的限定。此外，各部件名稱后所帶的“1”、“2”等數(shù)字也僅是便于本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀本發(fā)明時對同樣類型的兩個部件進(jìn)行區(qū)分，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的部件的數(shù)量。

本發(fā)明主要基于以下構(gòu)思：將接收的微波信號通過電光強(qiáng)度調(diào)制器對激光強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)化，形成光信號1支路；構(gòu)建開環(huán)增益大于1的光電混合環(huán)路，基于“自激振蕩”原理產(chǎn)生光電混合振蕩，耦合部分振蕩的光信號，形成光信號2支路；將兩個支路的光信號進(jìn)行耦合，并通過光纖傳輸至中心站；兩光信號經(jīng)過放大后對其傳輸損耗進(jìn)行補(bǔ)償，通過光電探測器的包絡(luò)檢波來進(jìn)行“光混頻”，通過低通濾波后實(shí)現(xiàn)中頻輸出；最終，中頻輸出信號通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)行數(shù)字信號處理。

在對本發(fā)明作具體說明之前，先結(jié)合圖1詳細(xì)介紹現(xiàn)有微波接收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其工作原理，以便本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠更好地理解本發(fā)明相對于現(xiàn)有微波接收系統(tǒng)的改進(jìn)之處。在現(xiàn)有微波接收系統(tǒng)中，天線接收的微波信號通過混頻器與本振混頻，經(jīng)過濾波器濾波后實(shí)現(xiàn)中頻輸出，然后通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換后再進(jìn)行數(shù)字信號處理，上述過程均在基站進(jìn)行；基站處理好的信號通過電纜再傳送至中心站進(jìn)行統(tǒng)一處理與調(diào)度。具體來說，這種微波接收系統(tǒng)存在以下缺點(diǎn)：

1、基站需完成微波信號處理、混頻、模/數(shù)轉(zhuǎn)換以及數(shù)字信號處理功能，建設(shè)與維護(hù)成本高，大量高頻有源器件的使用造成電磁干擾嚴(yán)重。

2、微波混頻器接收系統(tǒng)存在噪聲系數(shù)大、工作頻段窄以及動態(tài)范圍小的電子瓶頸，使得接收系統(tǒng)性能指標(biāo)受到局限。

3、微波接收系統(tǒng)采用電纜作為信道，帶寬較小且成本高昂。

圖3是本發(fā)明所涉全光技術(shù)微波接收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，其包括基站、光纖2及中心站，基站與中心站之間通過光纖2進(jìn)行通信；

基站包括光源、電光強(qiáng)度調(diào)制器1、耦合器2與開環(huán)增益大于1的光電振蕩環(huán)路；

中心站包括光電探測器2、低通濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器與數(shù)字信號處理器；

光源用于提供上支路激光和下支路激光，該光源可以是圖3中所示包括激光器和耦合器1的結(jié)構(gòu)，激光器用于產(chǎn)生連續(xù)單波長激光，通過耦合器1分成上支路激光和下支路激光。若采用不同激光器分別提供上支路激光和下支路激光能夠保證上支路激光和下支路激光具有相同的特征參數(shù)且相位同步，也可以不使用含耦合器1，但將增加系統(tǒng)的硬件成本。實(shí)際情況是不同激光器產(chǎn)生的光源難以達(dá)到相位完全同步，考慮到光差頻需要相干光源，本發(fā)明在實(shí)際應(yīng)用時應(yīng)當(dāng)采用一個激光器，通過耦合器1來分成上支路激光和下支路激光。

電光強(qiáng)度調(diào)制器1與光電振蕩環(huán)路的輸出端連接耦合器2的兩輸入端，耦合器2的輸出端與光纖2、光電探測器2、低通濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及數(shù)字信號處理器依次連接。

首先，激光器產(chǎn)生單波長激光，通過耦合器1分成兩部分。

然后，上支路激光通過電光強(qiáng)度調(diào)制器1被輸入微波信號進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，形成已調(diào)制光信號1支路；下支路激光通過電光強(qiáng)度調(diào)制器2引入光電混合環(huán)路，為該環(huán)路提供光源。

具體而言，光電混合環(huán)路由電光強(qiáng)度調(diào)制器、光纖1、光放大器1、耦合器3、光電探測器1與窄帶帶通濾波器首尾相連構(gòu)成。如果在窄帶帶通濾波器內(nèi)某個頻點(diǎn)信號對應(yīng)的開環(huán)增益大于1，該頻點(diǎn)信號就會產(chǎn)生自激振蕩，最終通過環(huán)內(nèi)非線性壓縮效應(yīng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定循環(huán)，可實(shí)現(xiàn)光、電兩種輸出方式。其原理在于：環(huán)路內(nèi)的噪聲信號通過電光強(qiáng)度調(diào)制器2對光載波進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制后通過光纖1延時，再通過光放大器1放大后耦合輸出一部分，在環(huán)內(nèi)通過光電探測器1還原成電信號，最后通過窄帶帶通濾波器進(jìn)行濾波后到達(dá)電光強(qiáng)度調(diào)制器進(jìn)行下一循環(huán)。對于某一特殊頻點(diǎn)，如果滿足巴克豪斯條件(即每次增益大于1，延遲產(chǎn)生的相位差為2π的整數(shù)倍)，那么該頻點(diǎn)信號將會逐漸被放大，最終“非線性”效應(yīng)將環(huán)路增益壓縮至1，形成穩(wěn)定振蕩，產(chǎn)生高穩(wěn)定的微波信號，該信號對光載波進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，在耦合器3輸出端口輸出，形成已調(diào)制光信號2。

再然后，光信號1與光信號2通過耦合器2耦合成一路信號，通過光纖2傳送至中心站，通過光放大器2補(bǔ)償傳輸損耗后(需要說明的是，若傳輸損耗處于可接受/可忽略不計的范圍之內(nèi)，則可不通過光放大器2進(jìn)行放大補(bǔ)償)傳送至光電探測器2，完成光混頻后產(chǎn)生中頻輸出信號。

具體而言，設(shè)已調(diào)光信1為：

其中，A_-1與A₁分別為兩邊頻信號的幅度，A₀為直流光信號幅度，Ω為光載波角頻率，ω_M為輸入微波信號頻率；由于兩光信號源于同一激光光源，可設(shè)已調(diào)光信號2為

其中，B_-1與B₁分別為兩邊頻信號的幅度，B₀為直流光信號幅度，ω_L為光電混合環(huán)路振蕩信號的頻率。兩路光信號通過光電探測器2實(shí)現(xiàn)光混頻后可表示為

其中，Z為探測器的匹配阻抗，ρ為探測器的相應(yīng)度。將上述三式綜合可得：

求解可得

其中，代表光混頻后的中頻輸出信號，S_h代表高頻信號

(相對中頻信號而言)，DC代表直流信號。最終求得中頻輸出信號表達(dá)式為

再然后，光混頻產(chǎn)生的信號通過低通濾波器，對直流信號進(jìn)行隔離，對高頻信號進(jìn)行抑制，最終只有中頻信號輸出，實(shí)現(xiàn)接收機(jī)的“下變頻”功能。

最后，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器對中頻信號進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號以后再通過數(shù)字信號處理器對其進(jìn)行數(shù)字信號處理。

基于與上述全光技術(shù)接收系統(tǒng)同樣的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種全光技術(shù)微波接收方法，參考圖2，其包括以下步驟：

步驟一、用接收的微波信號對上支路激光進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，經(jīng)電/光轉(zhuǎn)化后形成光信號1；

步驟二、用自激振蕩產(chǎn)生的穩(wěn)定微波信號對與上支路激光具有相同特征參數(shù)的下支路激光進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，形成光信號2(提取振蕩光信號)；

步驟三、將光信號1與光信號2進(jìn)行耦合并傳輸；

步驟四、接收步驟三傳輸過來的光信號1和光信號2，通過包絡(luò)檢波進(jìn)行光差頻，再通過低通濾波后實(shí)現(xiàn)中頻輸出。

步驟五、對步驟四輸出的中頻信號進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換后再進(jìn)行數(shù)字信號處理。

其中，步驟一中可以通過電光強(qiáng)度調(diào)制器來實(shí)現(xiàn)用接收的微波信號對上支路激光進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。

其中，步驟二中可以通過開環(huán)增益大于1的光電混合環(huán)路來實(shí)現(xiàn)基于自激振蕩原理產(chǎn)生穩(wěn)定微波信號并對輸入該光電混合環(huán)路中的下支路激光進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。

其中，步驟四中可以先將接收到的光信號1和光信號2放大后對其傳輸損耗進(jìn)行補(bǔ)償，然后再通過包絡(luò)檢波進(jìn)行光差頻。

其中，步驟四中通過光電探測器的包絡(luò)檢波來對光信號1與光信號2進(jìn)行光差頻。

結(jié)合上述對現(xiàn)有微波接收系統(tǒng)及本發(fā)明全光技術(shù)微波接收系統(tǒng)的介紹可以看出，從基站、傳輸介質(zhì)與中心站功能上講，本發(fā)明所涉新型微波接收機(jī)將“混頻”、“數(shù)模轉(zhuǎn)換”與“數(shù)字信號處理”功能轉(zhuǎn)移至中心站，而基站僅需實(shí)現(xiàn)“電/光轉(zhuǎn)換”一種功能，同時本發(fā)明將金屬傳輸介質(zhì)換成了通信光纖。本發(fā)明將“混頻”、“數(shù)模轉(zhuǎn)換”與“數(shù)字信號處理”功能轉(zhuǎn)移至中心站處理，簡化了基站結(jié)構(gòu)，降低了運(yùn)行成本；采用全光處理技術(shù)，免除了本振、混頻器等有源微波器件的使用，下變頻過程在光域完成，克服了混頻器與本振對系統(tǒng)性能的負(fù)面影響。本發(fā)明采取“光混頻”的方式來進(jìn)行微波信號的下變頻，實(shí)現(xiàn)中頻輸出，采用“光纖拉遠(yuǎn)”技術(shù)將數(shù)字信號處理模塊集中在中心站處理并且不存在任何高頻有源器件，由此增加了系統(tǒng)的工作帶寬，降低了噪聲系數(shù)，最大程度降低了來自系統(tǒng)內(nèi)部的電磁干擾，同時也增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗電磁干擾能力。

為了讓本領(lǐng)域普通技術(shù)人員更方便地理解本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)的改進(jìn)之處，本發(fā)明的一些附圖和描述已經(jīng)被簡化，并且為了清楚起見，本申請文件還省略了一些其它元素，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該意識到這些省略的元素也可構(gòu)成本發(fā)明的內(nèi)容。