基于Sagnac环的微波光子自干扰信号消除装置及调节方法与流程

本发明涉及光通信和微波技术领域，尤其是一种微波光子自干扰信号装置及方法。

背景技术：

作为5g移动通信的关键技术之一，带内全双工(in-bandfullduplex,ibfd)技术可以完成信号的同时、同频发射和接收工作。相比于传统双工技术，ibfd技术理论上能够实现频带利用率和数据吞吐量的倍增，因此，广泛应用于卫星通信、无线通信和雷达等领域。然而，由于系统有限的隔离度和收发机之间的电学串扰等问题，在同时收发同频信号时，发射天线发出的高功率自干扰信号会淹没接收到的有用信号，严重制约接收电路解码有用信号的性能。

当前存在多种解决全双工通信系统中自干扰问题的方法，如天线消除、模拟电子消除、数字信号处理消除和光子学消除等。传统基于电子学的自干扰消除技术由于半导体材料和电子瓶颈带来的电磁干扰和工作带宽受限以及低精度时间延迟的影响，并不能满足如今通信领域高速、宽带和大容量的业务需求。而基于光子学的自干扰消除技术具有高频段、大带宽和抗电磁干扰等优势，极具发展潜力和应用前景，因此成为当前的研究热点。

目前已经提出了多种微波光子自干扰的消除方案，如基于直调激光器、基于双驱动马赫曾德尔调制器、基于偏振调制器和偏振复用马赫曾德尔调制器等。以上方案能够在光域消除自干扰信号，但需要引入额外的电衰减器和延时器。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于sagnac环的微波光子自干扰信号消除装置及方法，一种利用相位调制器(phasemodulator，pm)、偏振合/分束器(polarizationbeamsplitter，pbs)、偏振控制器(polarizationcontroller，pc)、光环型器(opticalcirculator，oc)、光带通滤波器(opticalbandpassfilter，obpf)、起偏器(polarizer，pol)和光电探测器(photodetector，pd)实现微波光子自干扰信号消除的装置和方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于sagnac环的微波光子自干扰信号消除装置包括一个激光器、两个相位调制器(phasemodulator，pm)(pm1和pm2)、一个偏振控制器(polarizationcontroller，pc)、一个光环型器(opticalcirculator，oc)、一个偏振合/分束器(polarizationbeamsplitter，pbs)、一个光带通滤波器(opticalbandpassfilter，obpf)、一个起偏器(polarizer，pol)和一个光电探测器(photodetector，pd)，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port1连接到pm1的输入端口，pm1的输出端口连接pm2的输出端口，pm2的输入端口连接到pbs的端口port2。oc的输出端口3连接obpf的输入端口，obpf的输出端口连接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pd的光输入端口。

本发明还提供涉及基于sagnac环的微波光子自干扰信号消除装置的方法，具体步骤为：

步骤1：基于sagnac环的微波光子自干扰信号消除装置中，本地产生的干扰信号(i1)连接pm1的射频端口，掺杂干扰信号(i)的有用信号(s)连接pm2的射频端口。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port1输出的一路顺时针(clockwise，ck)光正向进入pm1被i1调制；从端口port2输出的一路逆时针(counterclockwise，cck)光正向进入pm2被s+i调制。由于从输出端进入pm1和pm2的光信号速率与射频信号的速率不匹配，因此s+i不会对pm1进行调制，且i1不会对pm2进行调制；传输一周pm1、pm2和pbs三者组成的sagnac环的传输路径后，被调制的ck和cck两路光信号进入反向的pbs合成为一路偏振复用光信号，偏振复用光信号表达式为：

其中，μ为调制器损耗；为激光输出信号，ec为激光输出信号的幅度，ωc为激光角频率；ωs和ωi分别为有用信号和干扰信号的角频率；ms、mi、mi1分别为有用信号、接收到的干扰信号和本地产生干扰信号的调制指数；分别为有用信号、接收到的干扰信号和本地产生干扰信号的相位信息；

步骤2：pbs调制后的输出信号经过oc之后输入obpf，滤除光谱中的高阶分量，只保留光载波和正一阶光边带；obpf的输出信号进入pc和pol调节偏振态，则pol的输出表达式为：

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；

步骤3：考虑i1(t)＝a·i(t-τ)，即且的实际情况，当调节pc的偏振控制角α和偏振复用光的相位差δ满足条件时：

此时，将pol的输出信号输入pd进行光电探测，则输出光电流的表达式为：

其中，γpd为光电探测器的响应度，是epol(t)的共轭；

由式(3)可知，对于接收到的任意干扰信号，均可通过调节pc的偏振控制角α和偏振复用光的相位差δ，同时利用pol检偏，实现其幅度和相位的消除，而不用额外引入电衰减器和延时器。

本发明的有益效果在于利用两个pm完成接收信号和本地干扰信号的调制，通过合理调整偏振复用光信号偏振态，实现任意干扰信号的消除。本发明结构简单，具有很强的可操作性；本发明实用性很强，可以应用到各种需要射频信号变频的电子系统中。

附图说明

图1为本发明基于sagnac环的微波光子自干扰信号消除系统装置图。

图2为本发明仿真中未进行自干扰消除(单频干扰)的信号频谱。

图3为本发明仿真中进行自干扰消除(单频干扰)的信号频谱。

图4为本发明仿真中未进行自干扰消除(宽带干扰)的信号频谱。

图5为本发明仿真中进行自干扰消除(宽带干扰)的信号频谱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，一种基于sagnac环的微波光子自干扰信号消除装置包括一个激光器、两个相位调制器(phasemodulator，pm)(pm1和pm2)、一个偏振控制器(polarizationcontroller，pc)、一个光环型器(opticalcirculator，oc)、一个偏振合/分束器(polarizationbeamsplitter，pbs)、一个光带通滤波器(opticalbandpassfilter，obpf)、一个起偏器(polarizer，pol)和一个光电探测器(photodetector，pd)，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port1连接到pm1的输入端口，pm1的输出端口连接pm2的输出端口，pm2的输入端口连接到pbs的端口port2。oc的输出端口3连接obpf的输入端口，obpf的输出端口连接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pd的光输入端口。

本发明还提供涉及基于sagnac环的微波光子自干扰信号消除装置的方法，具体步骤为：

步骤1：基于sagnac环的微波光子自干扰信号消除装置中，本地产生的干扰信号(i1)连接pm1的射频端口，掺杂干扰信号(i)的有用信号(s)连接pm2的射频端口。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port1输出的一路顺时针(clockwise，ck)光正向进入pm1被i1调制；从端口port2输出的一路逆时针(counterclockwise，cck)光正向进入pm2被s+i调制。由于从输出端进入pm1和pm2的光信号速率与射频信号的速率不匹配，因此s+i不会对pm1进行调制，且i1不会对pm2进行调制；传输一周pm1、pm2和pbs三者组成的sagnac环的传输路径后，被调制的ck和cck两路光信号进入反向的pbs合成为一路偏振复用光信号，偏振复用光信号表达式为：

其中，μ为调制器损耗；为激光输出信号，ec为激光输出信号的幅度，ωc为激光角频率；ωs和ωi分别为有用信号和干扰信号的角频率；ms、mi、mi1分别为有用信号、接收到的干扰信号和本地产生干扰信号的调制指数；分别为有用信号、接收到的干扰信号和本地产生干扰信号的相位信息；

步骤2：pbs调制后的输出信号经过oc之后输入obpf，滤除光谱中的高阶分量，只保留光载波和正一阶光边带；obpf的输出信号进入pc和pol调节偏振态，则pol的输出表达式为：

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；

步骤3：考虑i1(t)＝a·i(t-τ)，即且的实际情况，当调节pc的偏振控制角α和偏振复用光的相位差δ满足条件时：

此时，将pol的输出信号输入pd进行光电探测，则输出光电流的表达式为：

其中，γpd为光电探测器的响应度，是epol(t)的共轭；

由式(3)可知，对于接收到的任意干扰信号，均可通过调节pc的偏振控制角α和偏振复用光的相位差δ，同时利用pol检偏，实现其幅度和相位的消除，而不用额外引入电衰减器和延时器。

本实施例中，装置包括：激光器、射频信号源、pm1、pm2、pc、oc、pbs、obpf、pol和pd。激光器的输出端连接oc的输入端口1，oc的输出端口2与pbs的公共输入口相连。pbs的一个输出端口port1与pm1相连，pm1的输出端连接pm2的输出端，pm2的输入端连接到反向pbs的输入端口port2；pbs的另一个输出端口port2与pm2相连，pm2的输出端连接pm1的输出端，pm1的输入端连接到反向pbs的输入端口port1。pbs的输出通过oc后连接obpf的输入端，obpf的输出端连接pc的输入端，pc的输出端连接pol的输入端，pol的输出端与pd的输入端口相连，pd输出电信号连接频谱仪。

本实施例的具体实施步骤是：

步骤一：激光器产生工作波长为1550nm、光功率为13dbm的光载波；射频信号源产生频率为3ghz(有用信号s)、3.04ghz(干扰信号i)、功率均为-20dbm的受干扰信号和频率为3.04ghz、功率为-10dbm的本地产生干扰信号i1；pm1和pm2的半波电压为3.5v，消光比为35db；obpf的中心频率为193.10156thz、带宽为6ghz；pd的响应度为0.75a/w。

步骤二：去除pc、oc、pbs及pol，只保留单个pm2进行调制，保持步骤一中参数不变，观察未进行自干扰消除时的频谱情况。图2为单频干扰情况下，未进行自干扰消除时的输出信号频谱，干扰信号功率为-23.62dbm；

步骤三：假设本地产生干扰信号的相位为180度，调节pc使偏振光信号进入pol时的偏振角为73.5度，偏振相位差为180度，图3为单频干扰情况下，进行自干扰消除后输出信号频谱，如图3所示，干扰信号被消除，干扰抑制达57.66db；

步骤四：将中心频率为3.04ghz、带宽为20mhz的宽带信号作为干扰信号，其余参数不变，重复步骤二，图4为宽带干扰情况下，未进行自干扰消除时的输出信号频谱；

步骤五：将中心频率为3.04ghz、带宽为20mhz的宽带信号作为干扰信号，其余参数不变，重复步骤三，图5为宽带干扰情况下，进行自干扰消除后的输出信号频谱，如图5所示，干扰被消除。

本发明采用简单的系统结构，通过控制光信号的偏振态实现射频信号的自干扰消除，可提高系统的灵活性。

综上，本方案利用pm和sagnac环进行接收信号和本地干扰信号的调制，并通过pc控制光偏振态，实现自干扰信号的消除功能。该方案可以消除接收信号中的任意干扰信号，简单易于实现，操作灵活，在电子系统中具有潜在应用价值。

总之，以上所述实施方案仅为本发明的实施例而已，并非仅用于限定本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明公开的内容上，还可以做出若干等同变形和替换，有用信号频率、干扰信号频率、光载波波长、光载波功率、有用信号功率、本地产生干扰信号功率、光滤波器中心频率、光滤波器带宽、和光信号偏振角等都可改变。这些等同变形和替换以及频率范围的调整也应视为本发明保护的范围。