星上高性能集中式本振信號光學研究

陳 陽,劉 波,王天亮,郭晶晶,張 恒

(上海衛星工程研究所,上海 201109)

星上高性能集中式本振信號光學研究

陳 陽,劉 波,王天亮,郭晶晶,張 恒

(上海衛星工程研究所,上海 201109)

因隨著衛星通信系統向高頻段、大帶寬、多通道方向發展，傳統微波技術在高頻微波信號的產生、饋送、交換等方面越來越多受到電子瓶頸的限制，而微波光子學作為一門淅興學科可解決上述問題，對星上高性能集中式本振信號產生及多路饋送技術進行了研究。研究了兩種高頻微波本振信號產生方法，用低頻射頻信號或無需射頻信號輸入即可生成高頻的微波本振信號，大幅降低系統對光電器件帶寬的要求。一種是基于兩個級聯馬赫-曾德爾(MZ)調制器的高頻微波信號產生方法，可生成八倍頻微波信號，調節輸入射頻信號頻率即可調整生成微波信號的頻率，系統可調諧性較好。另一種是基于光電振蕩器的微波信號生成方法，通過設置偏振調制器、MZ調制器及移相器的參數，可實現對光電振蕩器環路諧振信號的四、六和八倍頻。分析了高頻微波本振信號光纖饋送中損耗和色散的影響，發現兩者對星上微波本振信號的饋送影響很小，且星上饋送系統的體積和重量可明顯降低。研究將為微波光子技術用于星上載荷提供理論基礎和技術支撐。

衛星系統； 微波光子學； 高頻微波信號； 光電振蕩器； 馬赫-曾德爾調制器； 微波信號光學生成； 微波信號光學饋送； 相位噪聲

0 引言

目前，衛星通信系統主要以微波信號作為載波信號，不僅可實現多波束覆蓋，而且受天氣影響小，具有全天候通信能力。但是，目前基于微波鏈路的衛星通信系統發展面臨以下問題：現有的L，S，C，Ku，Ka頻段通信難以滿足越來越高的信號傳輸速率需求；隨著通信轉發器通道數的增加以及通信頻率向高頻段發展，星上通信轉發系統設備的復雜度和重量急劇增加，信號饋送損耗極大；基于電子技術的通信衛星系統電磁環境日益復雜，電磁兼容設計愈發困難；基于電子技術的通信衛星系統可擴展性差，難以滿足衛星全壽命周期內的通信需求增長。微波光子技術綜合了微波技術與光通信技術的優勢，既具微波技術可在自由空間無線傳輸的特點，又有光纖通信技術體積小、重量輕、低損耗、大帶寬、易于復用、抗電磁干擾等優勢。利用微波光子技術優勢，可實現微波系統中復雜甚至無法完成的微波信號處理與傳輸等功能，解決上述基于微波鏈路的衛星通信系統發展中面臨的問題[1-2]。近年來，基于微波光子學的衛星通信技術研究和工程試驗取得了迅速發展。歐盟自2002年基于ARTES計劃開展了微波光子技術在衛星通信系統中的研究，并相繼在第六框架和第七框架計劃中持續支持，重點是衛星激光通信、微波信號光學處理、微波本振光學產生與饋送、光學模數轉換、光子變頻和光傳感等。2009年，歐空局地球探索者系列的第二顆衛星，造價4.64億美元的土壤濕度與海水鹽度(SMOS)衛星成功發射。SMOS衛星利用微波光子技術傳送時鐘信號，時鐘信號在調制后以光信號的形式通過光纖饋送至多個遠端應用單元，再轉換為電信號使用，這顯著減少了衛星的電纜長度，同時光纖傳輸避免了電磁干擾影響[3]。與SMOS衛星一同發射的星上自主項目衛星(Proba-2)同樣采用了微波光子技術，利用光纖傳感系統對衛星推力器進行監控。美國航空航天局、國防部、海軍實驗室、洛克希德·馬丁公司等也對微波光子技術及其在衛星載荷系統中的應用進行了深入且有成效的研究。國內相關高校和科研機構在微波信號光學生成及處理、光電振蕩器、波分復用光載射頻系統(ROF)等微波光子領域開展了研究，但相關工作主要集中于理論及實驗研究。與國外相關研究相比，對微波光子技術星上應用的研究較少，相關技術離實際應用還有一定距離。基于上述國內外技術差距，亟需研究微波光子技術的星上實際應用方法。本文對衛星通信系統中高頻微波本振信號的產生及饋送技術進行了研究，用微波光子技術解決衛星通信系統向高頻段、大帶寬、多通道方向發展中的技術問題。

1 微波光子技術概述

基本微波光子鏈路如圖1所示。輸入的電信號經電光轉換被調制到光信號上，然后通過光學傳輸媒質進行傳輸，最后由光電轉換產生輸出的電信號。在微波光子鏈路中，輸入的電信號根據應用不同，可以是單頻信號，也可以是具有多個頻率分量的信號或是具有連續譜的信號；光學傳輸媒質可以是光纖、自由空間及各種光學系統。通過設計不同的電光轉換、光電轉換方法，以及使用不同特性的光學傳輸媒質，可實現各種不同功能的微波光子系統。與傳統的采用同軸電纜或波導的電傳輸系統相比，微波光子鏈路的優勢主要有體積小、重量輕、成本低、不受電磁干擾影響、傳輸容量大，以及在整個微波波段損耗很低且基本保持一致等[4-5]。

圖1 微波光子鏈路Fig.1 Microwave photonic link

基于微波光子技術的星上高頻本振信號產生及多路饋送可用光學方法實現，具有上述微波光子技術的所有優勢，與傳統微波技術方案的比較見表1。由表1可知：用微波光子技術實現星上本振信號產生及饋送有較大的研究與實際應用價值，是實現衛星輕型化、小型化的一個可能解決方案，同時也滿足未來通信衛星系統向高頻段發展的趨勢，另外，采用微波光子技術實現本振信號的產生與饋送也利于整星的電磁兼容設計。

2 微波光子本振信號生成與饋送方案

本振信號的光學產生與多路饋送總體方案設計如圖2所示，主要包括信號生成與信號多路饋送兩部分。

a)信號生成：通過微波光子技術實現光本振信號的生成，即產生調制了微波信號的光信號。

b)信號多路饋送：將需要的微波本振信號以光信號形式饋送至各遠端應用單元。

表1 傳統微波技術與微波光子技術比較

在應用單元處，被分別饋送至多個應用單元的光本振信號經光電轉換產生所需的電信號用于不同的應用單元。該部分功能通過光電探測器實現。常認為實際的信號生成部分包括了光本振信號的生成與光電轉換過程。

圖2 總體方案Fig.2 Principle of overall designing scheme

2.1 本振信號生成

傳統衛星通信系統中，微波本振信號是由晶振多次鎖相倍頻產生的，未來衛星通信系統的通信頻率將向更高頻段(數十吉赫茲到百吉赫茲)發展，傳統微波技術生成信號的頻率受電子瓶頸限制，高頻段微波信號生成困難，而生成信號的相位噪聲性能受限于晶振的性能，生成的極高頻信號的相位噪聲性能差。用微波光子技術實現微波本振信號的生成可解決上述問題，同時實現極高頻、低相噪微波信號的生成。常用的本振信號光學生成方法有外差法、外調制法和光電振蕩器法。外差法生成微波本振信號需要對兩個獨立光源進行鎖相控制，實現較復雜，對光源性能的要求亦較高；外調制法實現相對簡單，無需復雜的光學鎖相環控制；光電振蕩器法在生成信號相位噪聲方面有很大的優勢。因此，本文針對外調制法和光電振蕩器法進行研究，提出了兩種光學本振生成方法[6-7]。

2.1.1 外調制法

外調制法是利用光外調制器的非線性傳輸特性，達到對輸入電信號倍頻，生成高頻微波信號的方法。最簡單的外調制系統是通過一個調制器實現二倍頻或四倍頻的電信號生成[8-9]。單個調制器實現信號生成的缺點是倍頻因子較低，實現四倍頻的方法需要光學濾波，限制了系統的頻率可調諧性，增加了系統的復雜度。

為獲得更高的倍頻因子，本文提出了一種新型的基于兩個級聯MZ調制器的高頻微波信號產生方法，其原理如圖3所示。激光器輸出的光信號輸入級聯的兩個MZ調制器，射頻源輸出的低頻電信號經功分器分成功率相等的兩路分別輸入兩個MZ調制器的射頻端口，其中一路通過一個移相器引入90°的相移，兩個MZ調制器通過直流偏置電壓均偏置在最大傳輸點。

圖3 基于級聯MZ調制器的微波本振信號產生原理Fig.3 Principle of microwave local oscillator signalgeneration based on cascaded MZ modulator

設輸入MZ調制器1的光信號為

Ein=E0exp(jωct)；

(1)

輸入MZ調制器1、2的射頻信號分別為

VRF1(t)=VRFcos(ωmt)，

(2)

VRF2(t)=VRFsin(ωmt).

(3)

式中：E0為光信號的電場幅值；ωc為光信號角頻率；VRF為射頻信號電場幅值；ωm為射頻信號角頻率；t為時間；j為虛數單位。計算化簡后，MZ調制器2輸出的光信號可表示為

cos(mcos(ωmt))cos(msin(ωmt))=

(4)

式中：1-α2為調制器的插入損耗；m為調制指數，且m=πVRF/Vπ；Vπ為調制器半波電壓；Jn為n階第一類貝塞爾函數。

采用10 GHz的輸入射頻信號，由圖3所示的系統可產生80 GHz的微波信號。采用VPI仿真軟件仿真結果如圖4所示。MZ調制器2輸出的光信號光譜是光本振信號，在星上該信號即為通過光纖饋送的信號，由圖4(a)可知：光譜中主要的光邊帶為間隔80 GHz的兩個4階邊帶，8階光邊帶被抑制。該信號輸入光電探測器，通過光電檢測即可生成80 GHz的微波信號(如圖4(b)所示)。

圖4 仿真生成的信號 Fig.4 Signals by simulation

用該法生成微波信號的頻率為輸入射頻信號的8倍，通過調節輸入射頻信號的頻率即可調整生成微波信號的頻率，系統的可調諧性較好，可由兆赫茲級至百吉赫茲級，這是傳統微波技術難以實現的。

2.1.2 光電振蕩器法

用光電振蕩器產生微波信號與外調制法不同，它通過光電器件構成一閉合的光電環路，只要環路增益大于1，光電振蕩器就可起振并最終形成穩定的振蕩信號[10-12]。利用光電振蕩器生成微波信號無需輸入參考源，生成信號的相位噪聲性能只取決于環路的Q因子，該特性可克服電學倍頻方法生成信號的相位噪聲取決于本振信號相位噪聲的問題，這在極高頻信號的生成中有較大的優勢。

為實現高頻率、低相噪的星上微波信號的生成，本文提出一種基于光電振蕩器的微波信號生成方法，其原理如圖5所示。激光器輸出的光信號通過偏振控制器輸入偏振調制器，調節偏振控制器使光信號的偏振方向與偏振調制器的一個主軸成45°角。偏振調制器輸出的光信號通過光耦合器被分為強度相同的兩路：一路通過一個偏振控制器輸入一個起偏器，通過一段光纖傳輸后輸入光電探測器1轉換成電信號，再通過放大功分后反饋輸入偏振調制器的射頻端口，構成一光電振蕩器環路；另一路光耦合器的輸出通過另一個偏振控制器和起偏器輸入MZ調制器，電功分器輸出的另一路電信號通過電移相器移相后輸入MZ調制器。MZ調制器的輸出經光放大器放大后輸入光電探測器2進行光電檢測，產生所需的微波信號。

圖5 基于光電振蕩器的微波本振信號產生原理Fig.5 Principle of microwave local oscillator signalgeneration based on optoelectronic oscillator

基于圖5的方案，通過設置偏振調制器和MZ調制器的各參數，以及移相器的相移，可在MZ調制器的輸出端生成不同特性的光譜，分別實現對光電振蕩器環路諧振信號的四倍頻、六倍頻和八倍頻。基于上述方法產生的信號光譜如圖6所示。由圖6可知：不同的倍頻數，生成光信號功率最大的兩個光邊帶間隔也不同。

圖6 產生光本振信號光譜圖Fig.6 Optical spectra of optical signal generated

圖6的光信號經光電探測器檢測后即可生成相應頻率的微波信號。在上述系統中，光電振蕩器諧振頻率為9.957 GHz，經四倍頻、六倍頻和八倍頻后生成信號的頻率分別為39.828，59.742，79.656 GHz。諧振信號、四倍頻信號及六倍頻信號的相位噪聲測試結果如圖7所示。

圖7 生成微波信號相位噪聲Fig.7 Phase noise of generated microwave signals

2.2 本振信號饋送

衛星通信系統中，本振信號由晶振鎖相倍頻后產生，星上各應用單元均需配置獨立的本振信號生成部分；如采用集中式本振，需用電纜對電本振信號進行饋送，高頻電纜的損耗可能大于1 dB/m，經饋送后會引入極大的差損，另外電纜網引入的巨大重量和電磁干擾也難以解決[13-14]。

2.2.1 損耗

采用集中式光本振信號，需通過光纖將本振信號傳輸至星上各應用單元。用1∶N的光功率分配器實現對生成本振信號分路，每路信號由光纖饋送至不同的遠端應用單元。設輸入光信號功率為P，光纖饋送距離為L，則經功率分配器和光纖饋送后每路光本振信號功率

P′=P-10×lgN-L×β.

(5)

式中：β為光纖的插入損耗，對波長1 550nm的標準單模光纖，一般取β=0.2 dB/km。考慮星上實際情況，L一般為米量級，故L×β項可忽略。此時，光本振信號經分路和饋送后的總損耗為-10lgN，即功率分配器的插入損耗。由表1可知：裸光纖質量僅70 g/km，實際使用的具有保護層的光纖質量僅11 kg/km，考慮256個遠端應用單元，每單元饋送距離取最大4 m，需光纖11 kg，考慮光纖接頭等，總質量不超過16 kg，遠低于微波信號采用同軸電纜饋送。遠端應用單元數量越多，光纖饋送的優勢就越明顯。

2.2.2 色散

光纖色散是指因為光脈沖中頻率不同或模式在光纖中的傳輸速度不同，導致這些頻率成分或模式到達光纖終端有先后，從而產生信號傳播過程中的光脈沖展寬。色散大小一般用色散系數表示，定義為波長差為1 nm的兩個光信號傳輸1 km距離所需的時間差。對常用的1 550 nm波段，色散系數一般為17 ps/(nm·km-1)。對星上米量級的應用，光纖色散的影響極小，可忽略。

采用集中式光本振光纖饋送技術能將多個遠端應用單元中的本振信號功能集中化，降低每個遠端單元的成本、重量及系統復雜度，是實現衛星通信系統(特別是未來極高頻衛星通信系統)輕型化、小型化的一個可行解決方案。

3 結束語

針對傳統電子技術在未來衛星通信系統向高頻段、大帶寬、多通道發展過程中面臨的問題，本文基于微波光子技術研究了未來衛星通信系統中極高頻微波本振信號的產生與饋送技術，提出了兩種高頻微波本振信號產生方法，并分析了高頻微波本振信號光纖饋送中損耗和色散的影響。基于級聯MZ調制器的微波本振信號生成方法，用低頻的射頻信號可生成八倍頻的高頻微波本振信號；基于光電振蕩器的微波本振信號生成方法，無需輸入射頻信號即可產生光本振信號，且信號頻率可為諧振信號頻率的4，6，8倍。上述方案顯著降低了系統對光電器件帶寬的要求，對高頻微波本振信號的生成有重要意義。在后續研究中，將進一步研究信號生成方案簡化、生成信號頻率提高和生成信號相位噪聲降低。

基于微波光子技術的星上集中式本振信號生成與饋送技術在未來通信衛星系統中有廣闊的應用前景，可實現多路不同頻率本振信號的集中生成與饋送，不但可解決傳統電子技術電子瓶頸的限制，而且能實現系統的輕型化和小型化，是未來衛星通信系統發展的趨勢。另外，微波光子技術對微波頻率透明的特點使該技術在未來多頻段傳輸遙感衛星中有廣闊的應用前景，不同頻段的數傳信號統一在一套微波光子系統中進行處理、傳輸，可避免為每個頻段配置一套獨立的發射系統，大幅降低系統的復雜度、成本和重量。隨著各國對微波光子技術星上應用的深入研究及研究成果的實用化與工程化，未來微波光子技術星上大規模應用將成為現實，基于微波光子技術的星上載荷將為衛星系統帶來實質性突破。

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A Study on High Quality Centralized Local Oscillator in Satellite

CHEN Yang, LIU Bo, WANG Tian-liang, GUO Jing-jing, ZHANG Heng

(Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 201109, China)

With the rapid development of satellite communication system towards high frequency, large bandwidth and multichannel, traditional microwave technology has been increasingly restricted by the electronic bottleneck in generating, distributing and switching of high frequency microwave signals. Microwave photonic is a feasible technique to solve the problems above. Optical generation and distribution of high quality centralized local oscillator were studied in this paper. Two high frequency microwave signal generation methods were researched. By using low frequency RF signal or even using no RF signal, high frequency microwave was generated, which greatly reduced the bandwidth requirement of the optical and electrical components. One was to generate frequency octupling microwave signal based on two cascaded MZ modulators. The frequency of the generated signal could be regulated by adjusting the frequency of the input RF signal. The system had good frequency tunability. The other was to generate microwave signal based on optoelectronic oscillator. By setting the parameters of polarizing modulator, Mach-Zehnder modulator and phase shifter, frequency quardrupling, frequency sextupling or frequency octupling microwave signal with respect to the resonance signal in optoelectronic oscillator loop could be generated. The influence of fiber loss and dispersion in high frequency microwave signals distribution were also analyzed. It found that the influence was very small, and the volume and weight could be greatly reduced by fiber distribution in satellite. The research provided the theoretical basis and technique support for application of microwave photonic in satellite.

Satellite system; Microwave photonics; High frequency microwave signals; Optoelectronic oscillator; Mach-Zehnder modulator; Photonic generation of microwave signal; Photonic distribution of microwave signal; Phase noise

1006-1630(2016)06-0038-06

2016-06-11；

2016-07-26

國家自然科學基金資助(61671305)

陳 陽(1986—)，男，博士，主要研究方向為微波光子技術和衛星數傳系統。

TN913.7

A

10.19328/j.cnki.1006-1630.2016.06.005