基于光子非线性补偿的超宽带大动态接收系统..pdf

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（19）国家知识产权局（12）发明专利申请（10）申请公布号（43）申请公布日（21）申请号202311557150.8（22）申请日2023.11.21（71）申请人中国空间技术研究院地址100094北京市海淀区友谊路104号院（72）发明人刘乃金梁启军高光宇赵强袁帅闫翔高阳特苏蔚峰（74）专利代理机构北京谨诚君睿知识产权代理事务所（特殊普通合伙）11538专利代理师延慧李红（51）Int.Cl.H04B10/61（2013.01）（54）发明名称基于光子非线性补偿的超宽带大动态接收系统（57）摘要本发明涉及基于光子非线性补偿的超宽带大动态接收系统，所述系统由光载波及光本振产生单元、光子变频单元、数字信号处理单元组成，通过基于光子线性化的预失真补偿，获得提升接收前端线性度的有效途径，使接收系统具备超宽带、大动态、低失真的特点。

权利要求书3页说明书9页附图5页CN117675026A2024.03.08CN117675026A1.一种基于光子非线性补偿的超宽带大动态接收系统，其特征在于，包括光载波及光本振产生单元、光子变频单元和数字信号处理单元。

2.根据权利要求1所述的基于光子非线性补偿的超宽带大动态接收系统，其特征在于，所述光载波及光本振产生单元，包括激光源、移频器、可调谐微波频综、光滤波器、相位调制器和光放大器。

3.根据权利要求1所述的基于光子非线性补偿的超宽带大动态接收系统，其特征在于，所述光子变频单元，包括光子上变频模块和光子下变频模块，所述光子上变频模块的输入端连接至光载波生成，所述光子下变频模块的输入端连接至光本振生成和所述光子上变频模块的输出端。

4.根据权利要求1所述的基于光子非线性补偿的超宽带大动态接收系统，其特征在于，所述光子上变频模块，包括双平行马赫曾德尔电光调制器（DPMZM）和光域预失真补偿模块。

5.根据权利要求1所述的基于光子非线性补偿的超宽带大动态接收系统，其特征在于，所述光子下变频模块，包括90光耦合器和基于平衡光电探测器的相干接收器。

6.根据权利要求4所述的基于光子非线性补偿的超宽带大动态接收系统，其特征在于，所述双平行马赫曾德尔电光调制器是一种针对MZM的失真匹配抵消的架构，其工作原理为：

对于信号MZM，输入射频信号功分为功率相同的上下两个支路信号，上支路射频信号经过180度相位翻转后驱动上支路，下支路射频信号直接驱动下支路，设上支路的初始外加偏置电压为V11，下支路的初始外加偏置电压为V12，则上下两支路的初始外加电压差为V1V11V12；对于非线性补偿MZM，经衰减后的射频信号功分为相同功率的两支路，上支路射频信号经过180度相位翻转后驱动上支路，下支路射频信号直接驱动下支路，设上支路初始外加偏置电压为V21，下支路初始外加偏置电压为V22，则上下两支路的初始外加电压差为V2V21V22；非线性补偿MZM输出的光在射频信号经过180度相位翻转后与信号MZM输出的光在射频信号合路后与可调谐光本振在光电探测器中拍频，得到非线性补偿后的相干接收中频信号；设输入信号为频率分别为1和2的射频信号，由射频信号带来的调制电压为Vm，则信号MZM上下支路的驱动电压分别为：

V11（t）Vmcos（1t+）+cos（2t+）+V11V12（t）Vmcos（1t）+cos（2t）+V12非线性补偿MZM上下支路的驱动电压分别为：

V21（t）Vmcos（1t+）+cos（2t+）+V21V22（t）Vmcos（1t）+cos（2t）+V22令：

权利要求书1/3页2CN117675026A2则上支路MZM输出信号Eout1和下支路MZM输出信号Eout2分别为：

利用贝塞尔函数展开式：

将所述双平行马赫曾德尔电光调制器输出信号表示为：

第二支路经过180相移，与第一支路直接合并，得合并后的输出：

Eout（t）Eout1（t）Eout2（t）设：

V11V12V1/2V21V22V2/2则输出信号：

权利要求书2/3页3CN117675026A3其一阶频率1分量和212分量分别为：

为使变频系统的三阶交调最小，需寻找基频分量最大，IMD3分量最小的解，利用贝塞尔函数在小信号下的近似：

（n+1）n！

将输出信号的一阶频率1分量和212分量简化为：

权利要求书3/3页4CN117675026A4基于光子非线性补偿的超宽带大动态接收系统技术领域0001本发明涉及微波光子技术领域，具体涉及一种基于光子非线性补偿的超宽带大动态接收系统。

背景技术0002为了更好地应对日趋复杂的电磁环境和不断涌现的新威胁、新挑战，适应未来高性能信号检测与分析、综合电子干扰与电子攻击等应用，射频装备首先应解决超宽带射频信号的大动态范围传输与感知等问题。

传统的电学技术由于“电子瓶颈”的制约，电子系统的频带宽度难以进一步提高，限制了其在现代电子信息中的应用。

微波光子技术由于具有带宽宽、体积小、重量轻及抗电磁干扰等优点，近年来受到人们的广泛关注。

微波光子技术结合了光信号和微波信号的优点，具有超带宽、低损耗等优势。

相比于传统电域接收，微波光子射频接收有以下优点和应用价值：

1）超宽带变频，极大降低系统的复杂度，对于卫星通信Ku波段（12GHz14GHz）、Ka波段（27GHz40GHz）研究极具吸引力；2）光纤的引入，相比同轴电缆传输拥有极低的损耗和高速传输，已经应用于光载无线通信（RoF）中；3）光信号不会从光纤和光电器件泄露，拥有超高的隔离度，这对于电子侦测系统具有重大意义；4）光子变频技术可以发挥大动态范围的优势，可有效缓解干扰强烈等因素的影响。

0003在微波光子变频链路中，由于光电器件的传输函数不是完全线性的，因此，除了所需的信号外，还会产生其他不需要的频率信号，这些信号就被称为非线性失真。

其来源主要是调制器和探测器等有源器件，在外调制链路中，调制器的非线性占主要地位，其固有的非线性特性将导致输出信号中存在失真干扰，从而导致信息的误判。

非线性失真主要分为两类：

一类是谐波失真，它在只有一个输入信号的时候就会产生，除了原信号频率，其他整数倍于原信号频率的频率项即为谐波失真项；另一类是交调失真，它在有多个信号同时调制时产生，主要指代那些不同信号谐波项代数叠加后的频率产物。

对于变频系统，谐波失真距离所要信号较远，一般可通过滤波器直接进行抑制。

而交调失真，尤其是奇数阶交调失真与信号距离很近，无法用滤波的方法进行抑制。

因此，在微波光子变频链路中，非线性的抑制主要是交调失真的抑制，对失真进行抑制可有效提升微波光子系统的无杂散动态范围，提升其对微弱信号及强信号的处理能力。

发明内容0004为解决上述微波光子链路中的非线性失真带来的问题，本发明提出一种基于光子非线性补偿的超宽带大动态接收系统及方法。

0005本发明的基于光子非线性补偿的超宽带大动态接收系统，包括光载波及光本振产生单元、光子变频单元和数字信号处理单元。

0006进一步地，所述光载波及光本振产生单元，包括激光源、移频器、可调谐微波频综、光滤波器、相位调制器和光放大器。

0007进一步地，所述光子变频单元，包括光子上变频模块和光子下变频模块，所述光子说明书1/9页5CN117675026A5上变频模块的输入端连接至光载波生成，所述光子下变频模块的输入端连接至光本振生成和所述光子上变频模块的输出端。

0008进一步地，所述光子上变频模块，包括双平行马赫曾德尔电光调制器和光域预失真补偿模块。

0009进一步地，所述光子下变频模块，包括90光耦合器和基于平衡光电探测器的相干接收器。

0010进一步地，所述双平行马赫曾德尔电光调制器是一种针对MZM的失真匹配抵消的架构，其工作原理为：

0011对于信号MZM，输入射频信号功分为功率相同的上下两个支路信号，上支路射频信号经过180度相位翻转后驱动上支路，下支路射频信号直接驱动下支路，设上支路的初始外加偏置电压为V11，下支路的初始外加偏置电压为V12，则上下两支路的初始外加电压差为V1V11V12；0012对于非线性补偿MZM，经衰减后的射频信号功分为相同功率的两支路，上支路射频信号经过180度相位翻转后驱动上支路，下支路射频信号直接驱动下支路，设上支路初始外加偏置电压为V21，下支路初始外加偏置电压为V22，则上下两支路的初始外加电压差为V2V21V22；0013非线性补偿MZM输出的光在射频信号经过180度相位翻转后与信号MZM输出的光在射频信号合路后与可调谐光本振在光电探测器中拍频，得到非线性补偿后的相干接收中频信号；0014设输入信号为频率分别为1和2的射频信号，由射频信号带来的调制电压为Vm，则信号MZM上下支路的驱动电压分别为：

0015V11（t）Vmcos（1t+）+cos（2t+）+V110016V12（t）Vmcos（1t）+cos（2t）+V120017非线性补偿MZM上下支路的驱动电压分别为：

0018V21（t）Vmcos（1t+）+cos（2t+）+V210019V22（t）Vmcos（1t）+cos（2t）+V220020令：

0021002200230024则上支路MZM输出信号Eout1和下支路MZM输出信号Eout2分别为：

0025说明书2/9页6CN117675026A600260027利用贝塞尔函数展开式：

00280029003000310032将所述双平行马赫曾德尔电光调制器输出信号表示为：

003300340035第二支路经过180相移，与第一支路直接合并，得合并后的输出：

0036Eout（t）Eout1（t）Eout2（t）0037设：

0038V11V12V1/20039V21V22V2/20040则输出信号：

00410042其一阶频率1分量和212分量分别为：

0043说明书3/9页7CN117675026A700440045为使变频系统的三阶交调最小，需寻找基频分量最大，IMD3分量最小的解，利用贝塞尔函数在小信号下的近似：

00460047（n+1）n！

0048将输出信号的一阶频率1分量和212分量简化为：

004900500051本发明提出的基于光子非线性补偿的超宽带大动态接收系统总体上采用相干光子变频架构，相干探测可以提高接收机的灵敏度和变频质量，并且相干探测本身具有滤波作用，可避免使用大带宽、高损耗的光滤波器。

相干探测与超宽带可调谐光本振产生相结合，通过基于光子线性化的预失真补偿，获得提升接收前端线性度的有效途径，使接收系统具备超宽带、大动态、低失真的特点。

附图说明0052为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

0053图1为本发明的基于光子非线性补偿的超宽带大动态接收系统示意图；0054图2为本发明的基于光子非线性补偿的超宽带大动态接收系统中光子上变频模块示意图；0055图3为本发明的基于光子非线性补偿的超宽带大动态接收系统中基于MZM的失真匹配补偿架构示意图；0056图4为基于两级光本振及非线性补偿的光子射频接收系统示意图；0057图5为基于两级光本振及非线性补偿的光子射频接收系统变频原理图；0058图6为无MZM失真匹配补偿时的三阶交调抑制比仿真结果；0059图7为增加MZM失真匹配补偿时的三阶交调抑制比仿真结果（单PD探测）；0060图8为MZM失真匹配补偿时的三阶交调抑制比仿真结果（平衡探测）。

具体实施方式0061此说明书实施方式的描述应与相应的附图相结合，附图应作为完整的说明书的一部分。

在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。

再者，附图中各结构的部分将以分别描述进行说明，值得注意的是，图中未示出或未通过文字进行说明的元说明书4/9页8CN117675026A8件，为所属技术领域中的普通技术人员所知的形式。

0062此处实施例的描述，有关方向和方位的任何参考，均仅是为了便于描述，而不能理解为对本发明保护范围的任何限制。

以下对于优选实施方式的说明会涉及到特征的组合，这些特征可能独立存在或者组合存在，本发明并不特别地限定于优选的实施方式。

本发明的范围由权利要求书所界定。

0063如图1所示，为本发明的基于光子非线性补偿的超宽带大动态接收系统，包括光载波及光本振产生单元、光子变频单元和数字信号处理单元。

0064

（1）光载波及光本振产生单元0065包括激光源、移频器、可调谐微波频综、光滤波器、相位调制器、光放大器等。

同源激光器经耦合器分成两束光，分别用于光载波和种子光本振产生，光载波用于信号的上变频，产生光载信号。

种子光本振移频后再经相位调制产生不同调制边带作为超宽带可调谐光本振，用于将光载信号的不同频段信号下变频到基带/中频。

光本振的性能极大地影响接收前端的工作范围、全频带一致性、系统附加相位噪声等性能指标。

基于相位调制的光本振产生方式可避免电光调制器直流偏置电压调控精度导致的稳定性较难把握的问题。

光本振与光载信号进行零差或超外差变频，将中心频率对应光本振频率的频谱信号下变频到基带或中频。

该光本振产生方式具有超宽带覆盖、灵活可调谐、低残留干扰、高幅相稳定性和一致性的特点，可以克服传统电光调制光本振产生中载波残留带来的干扰，有助于提升变频的杂散抑制和动态范围。

同时，具有较高的独立性和灵活性。

0066

（2）光子变频单元0067包含光子上变频模块和光子下变频模块。

0068光子上变频模块，如图2所示，主要由双平行马赫曾德尔电光调制器（DPMZM）、光域预失真补偿模块组成，其主要功能是将接收到的超宽带信号低失真地上变频到光载波上，以方便光信号传输、处理和后面的光子下变频。

该单元的核心是具有大变频带宽、高线性度、高消光比的电光调制以及相应的模拟域信号预失真补偿，这决定着超宽带信号接收的工作频率范围、瞬时带宽、动态范围等性能指标。

电光调制器应当具有大调制带宽，低插入损耗，低半波电压。

目前的商用器件基本能够满足链路指标，主要难点是采取合理的线性化方法提升链路的线性度。

0069光子下变频模块，主要由90光耦合器、基于平衡光电探测器的ICR（相干接收器）组成。

其核心功能是将超宽带光载信号下变频到IQ基带信号，利用平衡探测抑制共模噪声、降低激光器RIN噪声带来的影响，提升链路增益。

其主要技术挑战是实现大动态范围、高噪声抑制和低失真的超宽带下变频，与光子上变频模块共同决定着信号接收前端的工作范围、瞬时带宽、动态范围等性能指标。

要实现高性能信号接收，平衡光电探测器应当具有高的饱和输入功率、大的探测带宽、低的散粒噪声，经信号处理后的基带信号应当具有低的附加相位噪声和低非线性失真。

0070（3）数字信号处理单元0071数字信号处理单元主要包括数据采集和数据处理两部分，下变频后的基带/中频信号经过ADC转换为可进行数字处理的数据信号。

数字信号处理单元还有一个重要功能是针对模拟域上非线性失真能力的不足，在数字域上进一步提高非线性失真补偿效果。

0072影响光子链路线性度的两个重要器件是MZM电光调制器和光电探测器。

MZM电光调说明书5/9页9CN117675026A9制器是光子链路中重要的信号接收及上变频组件。

其具有明确定义的传递函数，具备允许精确链路性能分析以及利用预失真或后失真实现线性化技术的潜力。

MZM的传递函数是一个非线性传递函数，导致输出信号会产生一定的失真，产生很多非线性失真项，主要包括谐波失真和交调失真。

在接收系统中，MZM电光调制器的三阶失真是限制链路动态范围的主要因素。

光电探测器是光子链路中重要的下变频组件，光电探测器的饱和输入功率、响应速率、噪声水平是限制光子链路动态范围的关键因素。

除了探测器本身指标外，采用平衡探测方式可以达到更优的链路性能。

理想情况下，平衡相干探测可以抑制共模噪声，同时提升链路增益，从而有效降低系统的噪声系数，提升系统动态范围。

0073MZM调制器的偏置点与链路的非线性之间存在一定的关系，因此，当考虑不同链路指标时，最优偏置点的选择会有所不同，需要灵活可调的MZM偏置控制。

0074非线性失真会影响链路的动态范围，主要来源于信号的谐波、交调、互调等非线性失真频率成分。

当微波信号的功率足够大时，这些非线性产物的功率会增大，逐渐超出系统噪底。

若输入信号功率较大，超过动态范围的功率上限时，系统就会饱和导致信号失真。

链路噪声和调制线性度是影响微波光子链路动态范围的两个主要因素，分别决定了链路的最小可探测功率和最大可探测功率。

光子链路的线性度主要由链路中加载信号的电光调制器的传输函数决定，为提升链路的线性度，需要对调制器的传输函数进行失真补偿。

0075微波光子链路非线性失真补偿可分为基于电子技术和基于光子技术两类方法。

基于电子技术的方法，如数字后处理，数字预失真和前馈线性化技术，虽然可以提高动态范围，却是以增加架构复杂性、功耗、成本为代价的，并且其频率范围受限于电子器件。

基于光子技术的方法有望克服上述限制。

其中，针对MZM的失真匹配抵消是一种有效的架构，构造匹配的光路产生所需的畸变分量，通过调控这些畸变分量的相对振幅和相位变化量，经相干检测，使得这两种畸变信号实现精确抵消。

0076为了克服上述非线性失真引起的诸多问题，如图3所示，本发明还提出一种针对MZM的失真匹配抵消的架构。

原理为：

0077对于信号MZM，输入射频信号功分为功率相同的上下两个支路信号，上支路射频信号经过180度相位翻转后驱动上支路，下支路射频信号直接驱动下支路，设上支路的初始外加偏置电压为V11，下支路的初始外加偏置电压为V12，则上下两支路的初始外加电压差为V1V11V12；0078对于非线性补偿MZM，经衰减后的射频信号功分为相同功率的两支路，上支路射频信号经过180度相位翻转后驱动上支路，下支路射频信号直接驱动下支路，设上支路初始外加偏置电压为V21，下支路初始外加偏置电压为V22，则上下两支路的初始外加电压差为V2V21V22；0079非线性补偿MZM输出的光在射频信号经过180度相位翻转后与信号MZM输出的光在射频信号合路后与可调谐光本振在光电探测器中拍频，得到非线性补偿后的相干接收中频信号；0080设输入信号为频率分别为1和2的射频信号，由射频信号带来的调制电压为Vm，则信号MZM上下支路的驱动电压分别为：

0081V11（t）Vmcos（1t+）+cos（2t+）+V110082V12（t）Vmcos（1t）+cos（2t）+V12说明书6/9页10CN117675026A100083非线性补偿MZM上下支路的驱动电压分别为：

0084V21（t）Vmcos（1t+）+cos（2t+）+V210085V22（t）Vmcos（1t）+cos（2t）+V220086令：

0087008800890090则上支路MZM输出信号Eout1和下支路MZM输出信号Eout2分别为：

009100920093利用贝塞尔函数展开式：

00940095009600970098将所述双平行马赫曾德尔电光调制器输出信号表示为：

00990100说明书7/9页11CN117675026A110101第二支路经过180相移，与第一支路直接合并，得合并后的输出：

0102Eout（t）Eout1（t）Eout2（t）0103设：

0104V11V12V1/20105V21V22V2/20106则输出信号：

01070108其一阶频率1分量和212分量分别为：

010901100111为使变频系统的三阶交调最小，需寻找基频分量最大，IMD3分量最小的解，利用贝塞尔函数在小信号下的近似：

01120113（n+1）n！

0114将输出信号的一阶频率1分量和212分量简化为：

011501160117下面，关于本发明的基于光子非线性补偿的超宽带大动态接收系统，还提出一个典型实施例：

0118如图4和图5所示，窄线宽激光器输出的频率为fc激光经光耦合器分成两路，一路作为光载波加载输入的射频信号，另一路作为种子光本振，首先经过移频f，在经过超宽带光本振产生模块产生任意频率的光本振。

光本振与经模拟域失真补偿的光载信号在光电探测上进行相干下变频，产生基带或中频信号，该基带/中频信号经数字采集和处理，以及数字域的非线性补偿，进一步完成高保真信号的重建。

0119具体实施步骤如下：

0120预失真补偿的光子上变频：

利用低半波电压、高消光比DPMZM调制器，通过载波抑制调制方式，将输入信号调制到光载波上。

结合预失真补偿技术抑制光载波和信号的偶阶次谐波，同时抑制三阶交调、谐波等非线性失真。

0121超宽带光子下变频：

利用超宽带可调谐光本振将光载信号下变频到基带/中频，同时利用平衡探测抑制共模噪声，并提升链路增益。

说明书8/9页12CN117675026A120122非线性失真补偿校正：

针对光子变频过程中的链路残留失真进行补偿校正。

0123在大动态光子变频中，由模拟域预失真补偿模块结合MZM电光调制在完成光子上变频的同时，在模拟域实现对三阶交调失真和谐波失真的抑制，同时，结合后端非线性补偿技术进一步抑制和补偿微波光子变频输出信号的失真分量，提高微波光子变频线性度。

0124预失真补偿模块对失真的电光器件进行模拟域的预失真抑制，使用调制器之前的电路进行与调制器非线性传输函数相反的运算，使得预失真电路与调制器相级联后整体呈现线性的传输函数。

非线性补偿将链路输出信号的一部分与射频输入信号进行比较生成包含非线性失真的误差信号，并将其前向反馈到调制端，从而对输出信号进行线性化处理。

自适用环路部分控制输出信号与射频输入信号的幅度相位关系，使射频信号能够相互完整地抵消，从而得到只有非线性失真的误差反馈信号。

0125如前所述，在大带宽光子变频链路中，需要重点考虑三阶非线性，提出相应的线性化方案以降低三阶交调。

利用双驱动双平行马赫曾德尔调制器（PDMDPMZM），将功率加权、偏置控制和相位控制相结合，通过调整功率加权因子、MZM电压偏置点、相位差调控补偿信号的幅度和相位，实现对三阶交调量的抑制，提升动态范围。

0126为进一步说明本发明提出方法的有效性，利用Optisystem对图4所示系统进行了仿真。

仿真结果显示，在无具备补偿效能的下支路的条件下，三阶项的抑制比仅有约40dB（图6）；增加了具备补偿效能的下支路的条件下，当V1/V1/4，V2/V2/5，0.75时，三阶交调项达到最小，单探测器时的三阶项抑制比约为60dB（图7），平衡探测时三阶项的抑制比明显大于70dB（图8）。

仿真系统的分辨率为1MHz，因此可得系统的无杂散动态范围（SFDR）可以达到110dBHz2/3。

0127以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

说明书9/9页13CN117675026A13图1图2说明书附图1/5页14CN117675026A14图3图4图5说明书附图2/5页15CN117675026A15图6说明书附图3/5页16CN117675026A16图7说明书附图4/5页17CN117675026A17图8说明书附图5/5页18CN117675026A18