新型光子微波接收機(jī)的研制★

張松華，鄧元祥，馮文明，呂建榮，麻雨茂，洪 俊

（1.湖南工學(xué)院，湖南 衡陽 421002；2.衡陽泰豪通信車輛有限公司，湖南 衡陽 421000）

引言

傳統(tǒng)微波信號的接收主要包括放大、濾波、下變頻三個(gè)部分。實(shí)現(xiàn)放大功能要引入微波放大器，微波放大器屬于典型有源器件，會引入較大噪聲；濾波器在微波頻段Q值較低，帶寬較大，不能有效抑制帶外噪聲；同時(shí)下變頻過程需要混頻器與一本振源來完成，也會產(chǎn)生附加噪聲與鏡像信號等干擾因素[1-3]。

本文提出了一種低功率微波信號一體化處理方法，旨在突破傳統(tǒng)電子式微波接收技術(shù)的局限性，實(shí)現(xiàn)放大、濾波與下變頻過程的一體化處理，在保證極低引入噪聲、有效抑制鏡像信號、簡化系統(tǒng)復(fù)雜性的同時(shí)兼具抗電磁干擾性，具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 設(shè)計(jì)方案

圖1所示，是本文所涉低功率微波信號一體化處理的流程圖，包括產(chǎn)生已調(diào)制光信號+產(chǎn)生已調(diào)制本振光源、光域混頻實(shí)現(xiàn)下變頻及低通濾波，共三個(gè)流程。

具體而言：首先，基于光電混合環(huán)路實(shí)現(xiàn)對低功率微波信號提取、放大，并對光載波進(jìn)行調(diào)制，利用相移光纖光柵的光學(xué)特性提取已調(diào)制的光信號（為簡化表述，統(tǒng)一將該已調(diào)制的光信號簡稱為“已調(diào)光信號）；同時(shí)構(gòu)建另一光電混合環(huán)路，基于環(huán)路的自激振蕩產(chǎn)生光電混合振蕩信號，并基于相移光纖光柵的光學(xué)特性提取本振光源（即與已調(diào)光信號相干的本振光信號）。然后，基于光電探測器的包絡(luò)檢波特性實(shí)現(xiàn)對已調(diào)光信號與本振光信號（即已調(diào)制的振蕩光信號）混頻，完成下變頻輸出。最后，將下變頻輸出信號通過低通濾波器，實(shí)現(xiàn)中頻輸出。中頻輸出的信號通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，再利用現(xiàn)有的數(shù)字信號處理方法進(jìn)一步處理即可。

一體化接收機(jī)結(jié)構(gòu)圖2所示。通過天線接收待處理的低功率微波信號輸入上環(huán)路中，由上環(huán)路完成待處理低功率微波信號的提取、放大，并對光載波進(jìn)行調(diào)制，再利用相移光纖光柵1提取已調(diào)光信號并輸出；下環(huán)路旨在產(chǎn)生光電混合振蕩信號，再經(jīng)相位光纖光柵2提取并輸出與上環(huán)路相干的本振光信號。經(jīng)前述相移光纖光柵1輸出的已調(diào)光信號與經(jīng)前述相移光纖光柵2輸出的本振光信號一同輸入至光耦合器2中，經(jīng)光電探測器3拍頻，通過光學(xué)差頻實(shí)現(xiàn)微波信號的下變頻，最后通過低通濾波器抑制帶外噪聲，實(shí)現(xiàn)中頻輸出。

2 原理分析

上環(huán)路產(chǎn)生原頻信號并輸出調(diào)制光信號的原理如下：光載波經(jīng)過相位調(diào)制器，在外加信號V（t）=V0cosωt（V0為信號幅度，ω為信號圓頻率）的調(diào)制下，輸出光信號的電場可表示為[4-6]：

式中：m=πV0/Vπ為調(diào)制系數(shù)，Vπ為調(diào)制器的半波電壓，對式（1）進(jìn)行Jacobi-Anger展開可得：

式中：Jn（m）為n階第一類貝塞爾函數(shù)，可以看出相位調(diào)制信號在光域產(chǎn)生了多對頻譜分量，即為邊帶，對稱分布在光載波兩側(cè)，在小信號近似條件下，只考慮0和±1階調(diào)制信號，式（2）可簡化為：

由此可以看出，±1階邊帶的相位相差為π，如果該相位調(diào)制信號直接經(jīng)過光電探測器拍頻，則輸出的光電流為：

由上式可以看出，相位調(diào)制信號直接經(jīng)過光電探測器，無法恢復(fù)原始信號的頻譜成分。通過相移光纖光柵對其中一個(gè)邊帶抑制，剩余載波與另一個(gè)邊帶進(jìn)行拍頻，可產(chǎn)生原信號頻率。當(dāng)一微波信號對光載波進(jìn)行相位調(diào)制后，會產(chǎn)生兩個(gè)相位相反的邊帶；已調(diào)光信號通過相移光纖光柵后，其中一邊帶（邊帶頻率與抑制峰相等）被抑制，只剩下另一邊帶與載波，即實(shí)現(xiàn)了單邊帶調(diào)制；單邊帶調(diào)制后的信號通過光電探測器拍頻后可實(shí)現(xiàn)原信號輸出。其原理如下：相位調(diào)制后，信號通過相移光纖光柵，其中一信號被抑制，實(shí)現(xiàn)單邊帶調(diào)制后的信號可表示為：

由上式可看出，拍頻后產(chǎn)生了直流項(xiàng)與信號項(xiàng)輸出信號。

綜上，天線接收的低功率微波信號進(jìn)入上環(huán)路，通過電光相位調(diào)制器1對光載波進(jìn)行調(diào)制；通過調(diào)節(jié)激光器波長，使得為調(diào)諧后的激光器波長，λ2為位移光纖光柵陷波波長，ω為接收微波頻率，n為光纖折射率），信號在不斷實(shí)現(xiàn)光電/電光轉(zhuǎn)換過程中被光放大器1放大增強(qiáng)，最終實(shí)現(xiàn)原頻信號輸出，且其中一邊帶信號（Ein（t）J1（m）ejωt）透過相移光纖光柵1進(jìn)入光耦合器2中。

下環(huán)路產(chǎn)生光電混合振蕩信號并輸出與上環(huán)路相干的本振光信號原理如下：載波光信號通過電光相位調(diào)制器2被環(huán)路的電噪聲調(diào)制，然后通過光放大器2放大，通過光環(huán)環(huán)形器2進(jìn)入相移光纖光柵2，反射后通過光纖延時(shí)線進(jìn)行延時(shí)，再通過光電探測器2還原成電信號，完成單邊帶調(diào)制過程，然后通過窄帶濾波器完成濾波后進(jìn)入電光相位調(diào)制器2進(jìn)行下一次循環(huán)。對于某些特定頻點(diǎn)信號，如果其滿足巴克豪森條件（開環(huán)增益大于1，相位差為2π的整數(shù)倍），該頻點(diǎn)的信號就能實(shí)現(xiàn)正反饋而產(chǎn)生振蕩，基于相移光纖光柵的光學(xué)特性，能夠在相移光纖光柵2中實(shí)現(xiàn)本振光信號輸出。在下環(huán)路中，系統(tǒng)振蕩起源于環(huán)內(nèi)噪聲，設(shè)該噪聲為Aejω0t（A為信號幅度，ω0為信號圓頻率），經(jīng)過首次循環(huán)后為S1=αAejω0（t-τ），二次循環(huán)為S2=α2Aejω0（t-2τ）......，n次循環(huán)為Sn=αnAejω0（t-nτ），其中為系統(tǒng)的開環(huán)幅度增益、τ為延時(shí)量；多次疊加后的電信號可表示為根據(jù)等比數(shù)列求和可計(jì)算得：

由上式不難得出ω0τ=n·2π（n為整數(shù)）時(shí)，幅值取得最大值，且呈周期性分布，通過調(diào)節(jié)延時(shí)量τ與窄帶濾波器可得到單頻振蕩信號，該信號調(diào)制光載波后即實(shí)現(xiàn)本振光信號輸出。

之后，上環(huán)路輸出的已調(diào)光信號與下環(huán)路輸出的本振光信號同時(shí)輸入至光耦合器2中，然后通過光電探測器3拍頻實(shí)現(xiàn)光學(xué)混頻。其原理為：上環(huán)輸出的已調(diào)光信號與下環(huán)輸出的本振光信號分別表為：S上=Ein（t）ejωt，S下=Ein（t）ejω0t，通過光電探測器3拍頻后還原成電信號，產(chǎn)生的光電流為：

式中：ρ為光電探測器的響應(yīng)度。式中包含直流項(xiàng)與下變頻信號項(xiàng)，即通過光學(xué)差頻實(shí)現(xiàn)了微波信號的下變頻，最后通過低通濾波器抑制帶外噪聲，實(shí)現(xiàn)中頻輸出。

3 結(jié)論

低功率微波信號一體化接收機(jī)突破了傳統(tǒng)信道化接收系統(tǒng)的“電子瓶頸”，其基于光纖的大帶寬、低損耗、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，將低功率微波信號的接收在光域完成，在保證極低引入噪聲、有效抑制鏡像信號、簡化系統(tǒng)復(fù)雜性的同時(shí)兼具抗電磁干擾性，實(shí)現(xiàn)了集放大、濾波與下變頻功能的一體化接收。