具有带内自干扰消除能力的镜像抑制混频装置及方法

本发明涉及微波光子信号处理领域，具体涉及一种基于偏振复用和哈特雷结构的带内全双工体制下兼容远距离色散传输，且具有带内自干扰消除能力的镜像抑制混频装置及方法。

背景技术：

1、近年来，微波光子技术的发展受到各个领域的广泛关注，相比于传统的电学技术，微波光子具有更好的宽带操作能力和抗电磁干扰能力，并且具有体积小、重量轻、可兼容光纤传输从而降低传输损耗等优势。其中，微波光子混频器在实现频率变换的过程中发挥了重要作用，不仅可以使接收的高频信号下变频为中频以降低对后续模数转换及数字信号处理的采样率要求，还可以将有用信号上变频为需要的高频频段进行发射。然而，在实际应用过程中，开放的无线信道通常会接收环境中的多种信号，人为产生的镜像信号对混频器的变频结果有着明显的干扰。由于镜像信号和射频信号变频之后的中频信号处于同一频段，无法通过滤波器将其分离，因此会造成有用信号携带的信息出现失真。此外，为解决有限的频谱资源和不断增长的数据速率之间的突出矛盾，可以在同一时间以同一频率发射和接收信号的带内全双工体制因其频谱利用效率的翻倍而成为人们关注的重点。但是，带内全双工体制也给系统带来自干扰问题，即高功率发射信号串扰进接收通道使得低功率接收信号的恢复受到影响，这种带内自干扰同样也无法利用滤波器进行消除。因此，研究一种具有自干扰消除能力的镜像抑制混频器是有效解决带内全双工系统中自干扰和镜像干扰问题，实现信号高效收发和有效通信的关键。

2、传统的镜像抑制混频器大多基于哈特雷(hartley)结构的相位相消原理，通过移相器或者90°电桥来引入镜像信号和射频信号之间的相位差，这种方法在输入频率发生变化时仍然可以实现镜像干扰的抑制，有利于混频器的宽带操作能力。然而目前大部分镜像抑制混频器未将自干扰信号的消除考虑在内，也并未考虑兼容远距离光纤传输场景时光纤色散对镜像抑制性能的影响，使得现有系统无法发挥出带内全双工体制高频谱效率和光载无线系统(rof)大容量、低传输损耗的优势。而镜像抑制混频器与自干扰消除系统的独立功能叠加将造成系统插入损耗增加、成本和复杂度上升、灵活性较差。因此亟需一种兼容带内全双工体制和光纤传输的镜像抑制混频器，以解决上述问题。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供一种具有带内自干扰消除能力的镜像抑制混频装置，包括远端基站、传输介质以及中心站；

2、中心站包括信号处理模块，第一90°电耦合器a 14，光电探测器x 12和光电探测器y 13，偏振分束器11以及光功率放大器10；传输介质为单模光纤9；远端基站包含激光器1、偏振控制器2、偏振复用-双驱动-马赫-曾德尔调制器pdm-dmzm 3、光滤波器8、接收天线17、发射天线18、直流源x 15、直流源y 16、第一电分束器a 19和第二电分束器b 22、第一电合束器a 25和第二电合束器b 26、第二90°电耦合器b 24、本振信号发生器23、电衰减器20、电延时线21；其中

3、激光器1，其输出端与偏振控制器2的输入端相连；

4、偏振控制器2，其输出偏振调节后的光载波；

5、偏振复用-双驱动马赫曾德尔调制器pdm-dmzm 3为集成器件，内部集成有子调制器x 4，子调制器y 5，90°偏振旋转器6和偏振合束器7，pdm-dmzm 3输入端与偏振控制器2的输出端相连，输出光载射频调制信号；

6、子调制器x 4，嵌入于pdm-dmzm 3的上臂，其输出端与偏振合束器7的一个输入端相连；

7、子调制器y 5，嵌入于pdm-dmzm 3的下臂，其输出端与90°偏振旋转器6的输入端相连；

8、90°偏振旋转器6，嵌入于pdm-dmzm 3的下臂，其输入端与子调制器y 5的输出端相连，其输出端与偏振合束器7的一个输入端相连；

9、偏振合束器7，集成于pdm-dmzm 3，其接收子调制器x 4输出的偏振在x轴方向的光载射频调制信号和90°偏振旋转器6输出的偏振在y轴方向的光载射频调制信号，将pdm-dmzm 3上下两路的偏振正交调制信号进行偏振合束并输出光载射频调制信号；

10、光滤波器8，其输入端与偏振合束器7的输出端相连，输出滤波后的光载射频调制信号；

11、单模光纤9，其输入端与集成光滤波器8的输出端相连，其输出至中心站；

12、光功率放大器10，其输入端与单模光纤9的输出端相连；

13、偏振分束器11，其输入端与光功率放大器10的输出端相连，用于将偏振正交的两路光载射频调制信号分离并在上路输出处于x轴偏振状态的光载射频调制信号，在下路输出处于y轴偏振状态的光载射频调制信号；

14、光电探测器x 12，其输入端与偏振分束器11的一个输出端相连，输出一路光电转换后的电信号；

15、光电探测器y 13，其输入端与偏振分束器11的另一个输出端相连，输出另一路光电转换后的电信号；

16、第一90°电耦合器a 14，其输入端分别与光电探测器x 12、光电探测器y 13的输出端的相连，输出耦合后的电信号；

17、直流源x 15，其输出端与pdm-dmzm 3上支路子调制器x 4的直流输入端相连；

18、直流源y 16，其输出端与pdm-dmzm 3下支路子调制器y 5的直流输入端相连；

19、接收天线17，其接收端面向无线信道，输出端与第一电分束器a 19的输入端相连；

20、第一电分束器a 19，其输入端与接收天线17的输出端相连，其输出端分别与pdm-dmzm 3上支路子调制器x 4的射频输入端x-1和下支路子调制器y 5的射频输入端y-1相连；

21、发射天线18，其发射端面向无线信道，发射出的信号将进入自由空间传播，其中发射天线18泄漏进入接收天线17的信号为si信号③，发射天线18回传至电衰减器20的信号作为参考信号(ri)④；

22、电衰减器20，其接收来自发射天线18的参考信号(ri)④，其输出端与电延时线21的输入端相连；

23、电延时线21，其接收来自电衰减器20的幅度可调的光载ri调制信号，其输出端与第二电分束器b 22的输入端相连；

24、第二电分束器b 22，其接收来自电延时线21的幅度及延时可调的光载ri调制信号，其输出端分别与第一电合束器a 25，第二电合束器b 26的输入端之一相连；

25、本振信号发生器23，其输出端与第二90°电耦合器b 24的输入端相连；

26、第二90°电耦合器b 24，其接收来自本振信号发生器23的本振(lo)信号⑤，其输出端分别与第一电合束器a 25，第二电合束器b 26的另一个输入端相连；

27、第一电合束器a 25，其输出端与pdm-dmzm 3上支路子调制器x 4的另一个射频输入端x-2相连；

28、第二电合束器b 26，其输出端与pdm-dmzm 3下支路子调制器y 5的另一个射频输入端y-2相连。

29、还提供一种具有带内自干扰消除能力的镜像抑制混频方法，其基于上述具有带内自干扰消除能力的镜像抑制混频装置，其中：

30、假定激光器1产生的光载波为ec(t)＝ecexpjωct，其中ec是载波的振幅，ωc表示光载波的角频率；由接收天线17接收到的soi信号①为im信号②为si信号③为经由发射天线18传输回系统装置的ri信号④为本振信号发生器23产生的lo信号⑤为其中vsoi、vim、vsi、vri、vlo分别为soi信号、im信号、si信号、ri信号和lo信号的电压，ωsoi、ωim、ωsi、ωri、ωlo分别为soi信号、im信号、si信号、ri信号和lo信号的角频率，分别为soi信号、im信号、si信号、ri信号和lo信号的初始相位；

31、该方法具体包括下列步骤：

32、(1)光载波由激光器1产生并注入pdm-dmzm 3；

33、激光器1产生的光载波输出给偏振控制器2，通过偏振控制器2将光载波的偏振态调整成对准pdm-dmzm 3的主轴x轴并输出；

34、(2)偏振控制器2输出的光载波在pdm-dmzm-3的输入端被均分为功率相等的上下两路，分别进入上路子调制器x 4和下路子调制器y5中，此时两路光载波的偏振态相同；

35、(3)进入pdm-dmzm 3并均分为上下两路的光载波分别在上下两路子调制器x 4和y5中被soi信号、im信号、si信号、ri信号和lo信号调制；具体如下：

36、接收天线17接收到的soi信号①、im信号②和si信号③经过第一电分束器a 19均分为功率相等且同向的两路，其中一路由pdm-dmzm 3上路子调制器x 4的第一射频输入口x-1注入，对上路光载波进行调制；另外一路由pdm-dmzm 3下路子调制器y 4的第一射频输入口y-1注入，对下路光载波进行调制；

37、发射天线18回传至系统装置的ri信号④先通过电衰减器20实现幅度调谐，再通过电延时线21实现延时调谐，之后经过第二电分束器b 22均分为功率相等且同向的两路；其中一路与由本振信号发生器23产生并经过第二90°电耦合器b 24分束的i路lo信号⑤经过第一电合束器a 25合束后，由pdm-dmzm 3上路子调制器x 4的第二射频输入口x-2注入，对上路光载波进行调制；另外一路与由本振信号发生器23产生并经过第二90°电耦合器b 24分束的q路lo信号⑤经过第二电合束器b 26合束后，由pdm-dmzm 3下路子调制器y 5的第二射频输入口y-2注入，对下路光载波进行调制；

38、直流源x 15的电压设置为vπ，vπ为pdm-dmzm 3的半波电压，其作用是通过pdm-dmzm3上支路的直流输入端口x-3使上路子调制器x 4偏置在最小传输点，从而在子调制器x 4的上下两路引入π的相位；直流源y 16的电压设置为vπ，其作用是通过pdm-dmzm 3下支路的直流输入端口y-3使下路子调制器y 5偏置在最小传输点，在下路子调制器y 5的上下两路引入π的相位；

39、由子调制器x 4和子调制器y 5输出的光载射频调制信号的偏振态相同，此时下路子调制器y 5输出的光载射频调制信号由下路集成的90°偏振旋转器6进行偏振态调整，使得90°偏振旋转器6输出的光载射频调制信号的偏振态与子调制器x 4输出的光载射频调制信号的偏振态处于正交状态，即偏振在y轴方向；两路偏振正交的光载射频信号进入偏振合束器7进行偏振合束；

40、因此，pdm-dmzm 3输出端的光载微波信号分别为：

41、

42、其中βsoi＝πvsoi/vπ、βim＝πvim/vπ、βsi＝πvsi/vπ、βri＝πvri/vπ和βlo＝πvlo/vπ分别为soi信号、im信号、si信号、ri信号和lo信号的调制系数，j为虚数，vπ为pdm-dmzm 3的半波电压，ex和ey分别表示在x和y偏振方向的单位向量；经贝塞尔函数展开并在小信号调制下保留一阶边带，得到：

43、

44、其中j0(βi)、j1(βi)为对应信号的0或1阶第一类贝塞尔函数，i表示为soi\im\si\ri\lo；

45、(4)pdm-dmzm 3输出端的光载微波信号进入光滤波器8中滤除负一阶边带，仅保留一阶边带，并离开远端基站经过单模光纤进行传输；具体为：

46、单模光纤的传递函数表示为：

47、h(jω)＝exp[-αl/2+jβ2l(ω-ωc)2/2]     (3)

48、其中，α和l分别是单模光纤的衰减系数和长度，β2为单模光纤的二阶色散系数，ω表示通过单模光纤的信号角频率；经过光滤波器8和单模光纤9的输出信号为：

49、

50、其中为单模光纤9在角频率点ω处引入的色散相位；因此在式(4)中，i表示为soi\im\si\ri\lo；

51、(5)经单模光纤9实现远距离传输后的光载微波信号进入中心站，功率放大后实现偏振分束及光电转换，同时调节参数实现镜像干扰信号抑制和自干扰信号消除；具体为：

52、单模光纤9输出的光载微波信号经光功率放大器10放大后注入偏振分束器11，在偏振分束器11中将两路偏振正交的光载微波信号分离；其中处于x偏振方向的信号进入光电探测器x 12中实现光电转换，处于y偏振方向的信号进入光电探测器y 13中实现光电转换；则光电探测器x 12和光电探测器y 13输出的电信号分别为：

53、

54、其中g是光放大器10所提供的光场增益，r是光电探测器x 12和光电探测器y 13的响应度，假设二者的响应度相同；

55、随后由光电探测器x 12和光电探测器y 13输出的两路电信号进入第一90°电耦合器a 14中，在下路电信号中引入90°的附加相位后耦合为一路信号，同时调节电衰减器20和电延时线21，使得ri信号与si信号与本振信号混频后产生的电信号满足j0(βsoi)j0(βim)j1(βsi)＝j0(βlo)j1(βri)两个条件时，由于si信号与ri信号的频率相同，经过同一段光纤传输的长度和色散值相同，使得因此si信号和ri信号与本振信号混频后产生的电信号幅度相等，延时匹配，则第一90°电耦合器a 14的输出信号为：

56、

57、从式(6)看出im信号与lo信号拍频产生的镜像变频干扰信号被消除，si信号与lo信号拍频产生的自干扰信号与ri信号和lo信号拍频产生的参考信号相抵消，输出信号中仅保留soi信号与lo信号拍频产生的有用变频信号，其频率分量为ωsoi-ωlo，幅度为-2grec2j1(βsoi)j0(βim)j0(βsi)j1(βlo)j0(βri)；此外光纤传输并没有造成有用信号的色散诱导功率周期性衰落现象。

58、本发明不仅可以发挥带内全双工体制的高频谱效率优势，还不受光纤传输导致的色散诱导功率周期性衰落现象的影响，既可以在带内全双工体制下有效消除自干扰信号，还可以将开放信道接收的人为或无意造成的镜像干扰有效抑制。该方案具有简洁的系统结构，可以兼容光纤远距离传输，将远端基站与中心站分离，有利于多个远端基站通过光纤将接收信号传输至中心站进行统一的数据处理，降低了基站信号处理的难度和结构复杂度，将有效保障接收信号的质量，提高系统的成本效益，提升系统的整体效能。