技术支持
技术分享 | 微波光子信道化接收技术研究进展
2025-02-08 17:26:03 | 技术支持 浏览量：476
微波光子信道化接收技术研究进展
0 摘要
未来的电子战、雷达、无线通信等先进电子系统朝着高频段、大带宽、大动态范围、多功能一体化等方向发展。随着工作频段的扩宽、瞬时带宽的增加，超宽带射频信号的瞬时接收成了难题。基于微波光子技术的信道化接收技术具有大带宽、可并行处理、抗电磁干扰等优势，是实现超宽带射频信号瞬时接收的使能技术。本文系统性地回顾了微波光子信道化接收技术最新研究进展，首先，对各种微波光子信道化接收技术的工作原理、技术特点进行了综述分析；然后，对超外差架构下信道化接收机中的镜像抑制技术以及自干扰消除技术进行了阐述；最后对微波光子信道化接收机未来的发展趋势进行了展望。
1 引言
随着通信技术的不断发展，各类通信领域对信号带宽的处理需求也与日俱增。例如在宽带卫星通信系统中，传统C波段和Ku波段卫星通信存在严重的频谱拥挤问题，而Ka频段因其更宽的可用频率资源和更大的带宽，成为了高通量卫星通信的主要选择。除了Ka频段，还有更高频率的Q（33-50GHz）、V（50-75GHz）、E（60-90GHz）、W（75-110GHz）等频段也在积极开发中。这些高频段卫星通信还在灵活性、抗干扰能力、体积等方面具有明显的优势。欧美等国家自20世纪70年代就陆续开展了卫星通信相关研究。2001年欧洲航天局（ESA）建立了世界首个卫星间的光通信链路SILEX，该链路实现了SPOT-4卫星实现了向Artemis数据中继卫星单方向传输数据，通信速率为50Mbit/s。2002年德国航天中心（DLR）开展了LCTSX计划，将数据中继卫星终端搭载在TerraSAR-X卫星上，随后在2008年与美国的NFIRE卫星建立了通信速率为5.6Gbit/s的双向告诉激光通信链路。2006年法国开展了LOLA演示验证项目，验证了高轨中继卫星与航空器之间的激光通信的可行性。2020年3月，美国的AEHF-6军事通信卫星发射升空，该卫星以战术通信为主，总波束天线工作频段已扩展到EHF/SHF频段（EHF上行44.5GHz，提供2GHz带宽，SHF下行20.7GHz，提供1GHz带宽）。2020年3月，我国首个Ku频段高通量宽带卫星通信系统的首发星亚太6D卫星成功发射。2022年，我国首个基于地球静止轨道卫星Q/V频段星地通信试验系统成功实现运行，该系统对标欧洲航天局和德国宇航中心基于Alphasat卫星Q/V频段载荷的星地通信试验系统，填补了我国Q/V频段高轨星地通信试验系统建设和研究的空白。2023年2月，我国首颗超百Gbps容量的高通量卫星中星26号卫星成功发射。该卫星是我国目前通信容量最大、波束最多、最复杂的民商用通信卫星。
现有电子侦察系统中，扫频侦察接收方法的扫描速度有限、有漏警可能。射频信道化存在体积损耗大、电磁干扰等问题，难以做到全频段实时接收测量。无论是美国EA-18B“咆哮者”上的AN/ALQ-99电子对抗吊舱、还是美国海军下一代电子战干扰机（NextGenerationJamming，NGJ），均采用超宽频谱、大瞬时带宽接收机，可实现大带宽信号的精确定位分析，以提高复杂战场环境下的电磁侦察和电子干扰能力。2013年起中国电子科技集团公司36所的杨小牛院士团队、军事科学院的王沙飞院士团队都开展了电子战关键技术的相关研究工作。如何在0–40GHz全频段范围内实现高灵敏度、多信号形式的快速实时接收是未来电子战发展的趋势。
在雷达系统中，超宽带雷达以其高距离分辨率、强穿透力、低截获率与强抗干扰性在军事领域得到关注。美国陆军研究实验室为研究叶簇和地下埋藏目标的基本特性而研制的撑杆合成孔径雷达的信号瞬时带宽已经达到了1GHz，这为其带来了小于0.3m的高距离分辨率。美国国防部已将超宽带和高距离分辨率雷达列为关键技术，为了获得厘米级的距离分辨率，未来超宽带雷达的信号带宽将超过3GHz。2018年悉尼大学的J.AndrewZhang等人提出了一种空分复用方式来实现一体化功能，利用固定子波束和分组变化扫描子波束分别实现通信功能和雷达感知。2021南京航空航天大学潘时龙等人将微波光子大带宽、低损耗、抗干扰能力强的优势应用于雷达系统，提出一种能融合多个机会频带以实现高分辨率探测的微波光子认知雷达系统。2022年复旦大学的YanyiWang等人提出了基于时分复用方式在电域产生低频段的正交频分复用信号和线性调频信号，经微波光子上变频实现了W波段和THz波段的OFDM信号和LFM信号生成，信号的带宽分别是10GHz和15GHz，能够实现厘米级的距离分辨率和高速数据通信。
综上所述，为了满足上述领域的发展需求，新一代的宽带射频接收机必然向着高频段、大瞬时接收带宽和大动态范围的方向发展，这给当前电子处理系统带来了巨大压力。信道化接收技术可将一个超宽带信号利用频谱分割并行接收处理的方式完整接收，是实现超宽带射频信号接收的使能技术之一。一台性能优越的射频信道接收机不仅要具备大瞬时工作带宽，还需要大动态范围和较多的子信道数量。大瞬时工作带宽意味着最大限度的覆盖未知信号的频率范围，大动态范围主要用于侦测微弱信号，而子信道的数量决定了该信道化接收机同时接收不同频点的信号数量。
传统的微波信道化接收机除了受带宽、电磁干扰等固有电子瓶颈外还面临以下问题。首先，传统微波器件自身重量和体积较大，因此信道化接收机显得非常笨重，特别是随着子信道数量的扩展，这一缺陷尤为突出；其次，传统微波器件在高频范围内的插损较大，导致整个系统工作时的功耗过高，并且这些微波器件具有明显的频率依赖性，各频段通用性差；最后，由于每个子信道难以保证幅度和相位平衡，因此子信道间的均衡性较差。
微波光子技术是近几十年发展起来的一个新兴交叉技术，将微波技术和光子学技术的优点相融合，利用光子学技术的优点进行微波信号的产生、传输和处理等，具有工作频段宽且可重构、传输带宽大、传输损耗小、无电磁干扰、体积质量小等固有优势，引起了国内外学者们的广泛关注。基于微波光子的信道化接收技术有效克服了传统射频接收机难以解决的电子瓶颈问题，可满足未来电子战、雷达系统、无线通信系统对高频段大带宽的发展需求，是目前研究的热点问题之一。本文将介绍国内外微波光子信道化接收机的最新研究进展，主要聚焦微波光子信道化接收机理分析以及信道化接收中的镜像抑制及自干扰消除技术，最后对微波光子信道化接收机未来的研究方向与发展趋势进行讨论和展望。
2 基于微波光子的信道化接收技术
信道化接收的主要原理是把一个无法直接接收的超宽带射频信号通过频谱切割的方式 划分为多个窄带信号并行接收。目前已报道的信道化接收方案大体上可分为三类，第一 类是基于光滤波器组的非相干接收，第二类是基于多本振的相干信道化接收，第三类 是基于双光梳的相干信道化接收。
2.1 基于光滤波器组的非相干接收
基于光滤波器的非相干探测接收方法利用一系列中心频率不同的光滤波器，得到不同 频点的目标信号随后进行光电探测。最具代表性的方案是 1999 年澳大利亚电监实验室的 S. T. Winnall 等人提出，采用可调法布里-珀罗(Fabry-Perot，F-P)腔将不同中心频率的光信号分 离后分别进行光电探测，实现了 40 GHz 频率范围内 90 MHz 分辨率的频率检测。类似的 方案还包括2009 年瑞典Acreo AB 公司的P.Rugeland 等人提出的基于电控可调光纤布拉格光 栅（Fiber Bragg Grating, FBG）的信道化接收方案。这类方案结构简单，但要求光滤波器具有平顶陡边的滤波特性，实施难度大而且无法恢复接收信号的完整信息且信号的截获率相 对较低。
图1 基于光滤波器组非相干信道化接收方案（EOM：电光调制器；PD：光电探测器）
为了解决使用光滤波器数量较多导致的体积过大问题，2012 年浙江大学李泽等人提出了基于光频梳的可重构微波光子信道接收方案，原理图如图2所示。先利用两个马赫-曾德尔调制器（Mach-Zehnder Modulator，MZM）级联生成 11 线光频梳，生成的 11 线光频梳 作为光载波送入第三个 MZM 完成宽带射频信号的复制。复制完成以后利用一个梳状滤波器将宽带射频信号的每一部分频谱滤出后，通过波分复用器（Wavelength Division Multiplexing, WDM）实现子信道分离，每个子信道经光电探测器后得到信号的幅度信息，而相位信息无法 得到。为了提高光边带的利用率，2018 年成都电子科技大学的邱昆等人提出了双边带调制的优化方案，在不改变光频梳梳齿数量的前提下达到了双倍效率的信道化效果，但该方案仍无法得到相位信息。
图 2 基于光频梳的可重构微波光子信道接收机原理图（LD：激光器；WDM：波分复用）
2.2 基于多本振的相干信道化接收
在基于多本振的相干信道化接收方案中，不同中心频率的待接收信号与多个中心频率 不同的光本振信号一一对应进行下变频，经光电探测后可得到待接收信号的幅度及相位信息，信号的还原程度取决于待接收信号与光本振信号的相干性及链路噪声。代表性方案是 2001年美国新焦点公司与空军罗马实验室提出的基于自由空间衍射光栅的微波光子信道化接收 方案，主要采用相干外差探测的信道化技术，其原理如图 3 所示。调制了宽带射频信号的光载波和本振光频梳分别以不同角度入射到衍射光栅上，宽带射频信号被衍射光栅分割为 中心频率不同的等带宽窄带信号再经棱镜反射到与之中心频率吻合的相应子信道中，本振光 频梳同样经光栅衍射和棱镜反射后与每一个子信道中的窄带信号光耦合进入对应的光电探测器完成光电转换，从而实现信道化接收。所有子信道下变频之后的中心频率均为 5GHz， 在理论上可实现 100 个子信道的同时接收，每个子信道带宽为 1GHz。这一类型的信道化接收方案通常系统复杂、体积庞大。
图 3 基于自由空间衍射光栅的微波光子信道化接收机原理图
2019 年西北工业大学高永胜等人提出了一种零中频的微波光子信道化接收方案。其 原理图如图 4 所示。利用一个差分相移键控正交相移键控（Differential Phase Shift Keying Quadrature Phase Shift Keying，DP-QPSK）调制器生成了两套偏振态不同的 5 线光梳，其中 一套 5 线光梳用于调制待接收的宽带射频信号，另一套偏振态不同的 5 线光梳作为光本振用于下变频，由于调制后的宽带射频中心频率与光本振中心频率相同，因此相干探测后可实现 零中频接收。值得一提的是，该方案利用 I/Q 幅相平衡及精细调控技术可最大限度的避免镜 像干扰，但受实验条件限制只进行了仿真验证。结果表明，5 个带宽为 600MHz 的子信道可 实现 3GHz 宽带信号的完整接收。该方案中，光滤波器组可采用小体积的 FBG。
图 4 基于零中频的微波光子信道化接收机原理图（DPMZM：双平行马赫曾德尔调制器；MZM：马曾 调制器；PBC：偏振合束器；OBPF：光带通滤波器；PC：偏振控制器；BPD：平衡探测器）
2.3 基于双光梳的相干信道化接收
基于双光梳的相干信道化接收方案是目前报道最多的微波光子信道化接收方案之一， 该方案利用两套梳齿间距不同的相干光频梳进行下变频后实现同中频接收，两套光频梳的梳 齿间距之差即子信道带宽。2012 年北京邮电大学的徐坤等人首次提出了基于双相干光频梳 的信道化方案，其原理如图 5 所示，利用电光调制器生成两个自由谱范围略有不同的光 频梳，一个光频梳用于调制和复制宽带射频信号，复制完成后利用 WDM 将每一份拷贝信 息分离，另一个光频梳作为本振光频梳，同样利用 WDM 将每一根梳齿分离出来后与上路 的每一份复制得到的信号下变频到同一中频范围后进行正交解调，实验验证了 7 个带宽为 500MHz 的子信道同时接收的能力。
图5 基于双相干光频梳的微波光子信道化接收机（OFC：光频梳；HC：正交耦合器；ADC：模数转 换器；DSP：数字信道处理器）
2014年东南大学的崇毓华等人提出了基于双光频梳的 F-P 腔周期光滤波器信道化接收 方案，但该方案只验证了两个相邻信道的接收。2016 年南京航空航天大学的潘时龙等人 提出了基于相干光频梳和受激布里渊散射效应的信道化方案，2018年该团队提出了基于 双相干光频梳的镜像抑制下变频的信道化接收方案，原理图如图 6 所示，将（b）处生成 的调制后的宽带射频信号和（c）处生成的移频后的本振光频梳送入光混频器，下变频到同 中频后（d）和（e）处的中频信号都存在镜像信号频谱混叠，通过一个 90 度电混频器消除 镜像干扰信号。该方案与以往方案最大的不同是利用构造的 Hartely 结构的镜像抑制混频器 在模拟内直接实现了镜像抑制，镜像抑制比可达到 25dB。2019 年该团队又提出了基于双光频梳结构的镜像抑制双输出信道化方案和偏振复用双输出方案。
图 6 基于双相干光频梳的镜像抑制下变频信道化接收机原理图（PM：相位调制器；EDFA：掺铒光纤放大器；POLM：偏振调制器；EBPF：电带通滤波器）
2022 年西北工业大学高永胜等人提出了基于信号偏振复用的超高效微波光子信道化接收方案，如图 7 所示。上路的偏振调制器（Polarization Modulator，PolM1）用于生成偏 振复用光频梳，随后利用 PolM2 进行射频信号的复制并通过 WDM 实现信号分离，下路先 利用一个 DPMZM 实现光载波的移频，随后在 MZM 中生成本振光梳，生成的本振光梳经 WDM 分离后与上路信号进入双偏振相干检测接收机进行下变频，最后利用 DSP 算法实现超宽带信号的高质量信道化接收。传统的基于光频梳的信道化接收方案，为了避免出现频谱 混叠因此要求光频梳具有大梳齿间隔，而要生成大梳齿间隔的光频梳通常要求调制器处在特 殊调制点，增加了系统的实施难度以及杂散信号带来的影响。偏振复用技术应用于信道化接 收大大减小了信号光梳和本振光梳的梳齿间距，而且在正交工作点就可以生成稳定的本振光梳。
图 7 基于信号偏振复用的超高效微波光子信道化接收机原理图（DP-CDR：双偏振相干检测接收机）
2017 年北京邮电大学的郝文慧等人提出了一种基于啁啾脉冲线性调频的信道化接收方案，其结构原理图如图 8 所示。锁模激光器输出的光脉冲滤波后在色散补偿光纤的作用下产生两路啁啾脉冲，一路啁啾脉冲通过光延时线引入不同时延，另一路啁啾脉冲实现宽带 射频信号的载波抑制双边带调制，两路信号送入 I/Q 解调器完成 IQ 信号的解调。工作频段 为直流到 18.4GHz，可实现 184个带宽为 100MHz 的子信道的同时接收，该方案用两路啁啾脉冲分别替代了两路光频梳，但由于每一路都需要配备光延时线，因此系统结构较为复杂。
图 8 基于啁啾脉冲线性调频的信道化接收机：（a）结构图；（b）原理图
基于电光调制法生成的光频梳通常梳齿数较少从而限制了信道化接收机的子信道数量。因此，2018年澳大利亚思威本科技大学徐兴元等人提出的基于克尔光频梳的信道化方案， 其原理图如图 9 所示。光分路器之前的链路用于生成克尔光频梳，其中最主要的器件是集成 的微环谐振器，该方案中用到了两个微环谐振腔（Micro-Ring Resonator，MRR），上路的称为主 MRR 用于生成克尔光频梳，下路的副 MRR 用于光滤波，光耦合器分出的两路一路 作为光本振经波分复用后送入混频器进行后续处理，另一路通过相位调制器（Phase Modulator，PM）将宽带射频信号调制到克尔光频梳上经副 MRR 依次滤出窄带射频信号后 送入相应的混频器进行后续处理，通过实验验证了 1.7-19GHz 宽带射频信号的接收。由于克 尔光频梳是由 MRR 集成得到，梳齿数量可以极大的扩充，因此该方法是未来信道化接收的 一个重要方向。该团队又于2020 年提出了基于克尔光频梳的 92 路子信道接收的优化方案，利用 PM 生成的光载波和其中一个光边带拍频替代了本振信号并进行了实验验证。克尔光频梳具有集成度高、尺寸小、重量轻、低功耗等优势，但其梳齿间距受光学微腔腔长限制无法 灵活调谐，且稳定性受腔内温度影响较大，而基于电光调制法生成的光频梳优势在于中心频 率和重复频率可灵活调谐。国防科技大学江天等人将电光调制技术与非线性变频技术结合，生成的光频梳梳齿数可达到 170 根且平坦度小于 2dB，但该光频梳生成方案用于信道化接收的话则系统较为复杂、样机体积较大。
图 9 基于克尔光频梳的宽带射频接收机原理图（MRR：微环谐振腔；WS:波形形成器；TEC：温度控制器）
目前已报道的基于双光梳的信道化方法较多，由于其光频梳的产生方法不同，因此相应的信道化接收方案也各有优缺点，例如基于外调制方法生成的光频梳具有平坦度较高、 双光梳相干性好的优势，但梳齿数量通常较少且梳齿间距受电光调制器的调制指数限制难以 做到很大。基于微环谐振腔（克尔效应）生成的的光频梳，产生的梳齿数量较多，但平坦度 难以保证、梳齿间距不可灵活调谐且受温度影响较大。
2.4 其他信道化接收方案
近几年已报道的微波光子信道化接收方案几乎都需要用到光频梳，目前虽然光频梳生成 方案众多，但受梳齿数量、平坦度、带外抑制比等指标限制，适用于信道化接收的并不多。为了提高光频梳的信道化效率，2021 年西北工业大学高永胜等人首次提出了基于声光移频 的信道化接收方案，方案原理图如图 10 所示。
图10 基于声光移频的信道化接收机（AOFS：声光移频器；OHC：光正交耦合器）
该方案无需使用光频梳，利用声光移频器对一个光本振信号上下移频即可实现 6 个子信道同时接收。实验验证了可将 20-26GHz 频率范围内的宽带 RF 信号划分为 6 个带宽为 1GHz 的子信道同时接收。为了扩充子信道数量，该团队利用 3 线光频梳取代光本振信号验证了 10-19GHz 范围内 18 个子信道带宽为 500MHz 的信道化接收机对宽带 RF 信号的同时接收， 实验证明光频梳的每一根梳齿可解调 6 个子信道，极大提升了光频梳的信道化效率，弥补了 子信道数量受梳齿数严重限制的缺陷，能量利用高且具有良好的稳定性。2022 年电子科技大学张崇富等人也进行了基于声光移频的信道化接收方案研究。
表 1 是对上述微波光子信道化接收代表性方案进行的总结和对比。
3 基于微波光子信道化镜像抑制技术
射频接收机从架构上可分为超外差接收机、近零中频接收机和零中频接收机三种，其中 以超外差接收机应用最为广泛，待接收的射频信号首先经过一个电滤波器将所需的射频信号 滤出，经低噪声放大器（Low Noise Amplifier, LNA）放大后送入镜像抑制滤波器将镜像信 号抑制到一个可接收的程度，镜像抑制后的 RF 信号在混频器中与 LO 信号拍频，输出的 IF信号经带通滤波器后滤出所需信号，因此该滤波器的滤波性能直接影响接收机的子信道带宽 和灵敏度，随后还要经过第二次 I/Q 下变频得到 I 路和 Q 路基带信号。超外差接收机具有信道可调谐、灵敏度高等优点，甚至被认为是可靠性最高的接收机拓扑结构，但由于光电探测器输出的电流正比于输入光场的平方，处于光本振梳齿两侧的频谱分量将同时下变频并在频域 中混叠，互为镜像干扰信号，无法直接用滤波器滤除，从而产生镜频干扰。解决此问题 的方法有两种。一种是在光模拟域直接完成镜像抑制，例如，2019 年南京航空航天大学潘 时龙等人提出了基于 Hartley 结构的双输出镜像抑制混频器，可利用一个混频器同时实现 两个子信道的镜像抑制双输出，镜像抑制比优于25dB。值得指出的是，这种结构的镜像抑制混频器可同时实现对镜频干扰和多种混频杂散的抑制，对于消除多倍频程超宽带信道化接 收中的非线性串扰尤其重要。从模拟域来说，优化硬件电路可以改善 I/Q 不平衡带来的影响， 包括选用更好的混频器、放大器和低通滤波器，优化 PCB 电路等方法，尽量保证 I 路和 Q路的平衡。但这种方法会大大提高成本，并且无法完全消除不平衡。
图 11 基于 Hartley 结构的双输出镜像抑制混频器
2020年，该团队又提出了一种基于双通道偏振调制的镜像抑制混频器，通过调节相移偏振调制器，可使两个通道在0.2至13GHz 范围内独立连续地从-180度调谐到180度，从而满足实现镜像抑制所要求的严格相位正交。验证证明单频信号的镜像抑制比可达到60dB，宽带信号的镜像抑制比可达到35dB，适用于宽带射频前端和光载射频链路。
图 12 基于偏振调制器的双通道镜像抑制混频器
另一种抑制镜像的方法是通过DSP算法在数字域实现，文献在利用偏振复用技术提高光频梳信道化效率的同时还提出了基于I/Q幅相不平衡的数字域补偿算法的镜像抑制方案，该方案将2-14GHz的宽带信号分成12个频谱连续，带宽为1GHz的窄带信号，然后分别对每个窄带信号进行幅相补偿。图13是单频信号测试时，当
时，窄带信号10和窄带信号12互为镜像信号，为了更清楚的看到镜像抑制效果，令待接收的有用单频信号频率为29.1GHz，对应的镜像信号频率为28GHz。数字域镜像抑制的原理是将混频器出来的两个I/Q信号经过数模转换器采样后，将该中频信号转化为数字信号，再将该数字信号输入到数字信号处理模块，进行I/Q幅度和相位补偿，并将补偿后的信号在数字域进行镜像抑制。定义整个IQ不平衡传输矩阵为：
在链路中对中频 IQ 信号进行模数转化，在码元中间抽样得到
对应的有
要想补偿IQ不平衡，使用协方差矩阵自适应的迭代过程自适应地估计Z−1矩阵。进而使用Z−1矩阵对IQ不平衡进行补偿，将补偿后的IQ信号在数字域进行90⁰耦合，则镜像信号得到理想的抑制，经测试镜像抑制比可提高37dB。
图 13 基于 I/Q 幅相不平衡的数字域补偿测试结果
4 基于微波光子的信道化自干扰消除技术
带内全双工（In-Band Full-Duplex，IBFD）收发机可在同一频率同一时间实现信号发射和接收，不仅能将频谱利用率提高了一倍，还具有省时、规避信号丢失的优点，在无线通信和连续波雷达上极具应用潜力。
图14 带内全双工系统结构原理图
图14是一种一对多的带内全双工系统结构原理图，受系统体积大小限制，发射天线和接收天线会因为距离较近而导致隔离度不足，发射端必然有信号直接泄露到接收端成为自干扰信号，当自干扰信号功率远远大于接收到的目标信号时会将其淹没从而无法检测到有用的 目标信号。由于自干扰信号与目标信号频率相同，因此无法直接用滤波器分离，如何在带内全双工系统中实现自干扰信号的消除是当前研究的热点之一。目前已报道的自干扰消除方案可分为在电域消除以及在光域消除两种方法。
2018 年华东师范大学的陈阳和南京航空航天大学的潘时龙提出了一种基于微波光子链路的带内全双工系统，通过引入一个射频参考信号并在电域对其衰减和延迟，使其与自干扰信号在电域直接抵消，该方案不仅可实现宽带信号自干扰消除，还可对待接收信号完成 下变频接收，单频信号的自干扰消除深度约为 58dB，宽带信号的自干扰消除深度高于 25dB。2021 年西北工业大学的史芳静等人提出了一种基于Sagnac 环的微波光子自干扰消除方案， 利用双相位调制器构成 Sagnac 环，使参考信号与自干扰消除反相消除，单频信号的消除深 度可可达到 45dB。2019 年南京航空航天大学的朱丹等人提出了一种可同时实现自干扰消除和镜像抑制混频的微波光子系统。该方案针对以往实现自干扰消除和下变频功能过于依赖在电域进行相移、功率加权和时延导致带宽和频率受限的问题，通过引入一个偏振复用的 光正交耦合器，在光域同时引入 0、π、π∕2 和 3π∕2 相移，此外，利用偏振复用在光域内实现用于自干扰抵消的参考信号的功率加权和时延，整个链路在全光域完成，单频信号的自干扰 消除深度约为 58dB，宽带信号的自干扰消除深度可达到 25dB。
图 15 基于全光域的自干扰消除及下变频系统
2021 年华东师范大学的陈阳等人提出一种基于双偏振双驱动马赫曾德尔调制器的自干扰消除及线性度提升方案，将有用信号和自干扰信号注入该调制器的两个子双驱动马赫曾德尔调制器（DDMZM）上臂的射频端口，构建的参考信号注入两个子调制器下臂的射频端口。当注入的参考信号和自干扰完全相同时，两路输出电信号中的自干扰可被完全消除，将这两路电信号采样后进行数字域联合处理，即可恢复出不含自干扰和非线性失真的有用信 号。该方案提出了一种优化算法用于减少两路电信号功率不匹配导致的失真，最终实现 24dB的自干扰消除深度和17dB的三阶交调失真（IMD3）抑制深度。
将信道化接收技术与自干扰消除技术结合应用于带内全双工收发系统不仅可大大增加瞬时接收带宽，还能有效解决带内全双工系统无法避免的自干扰问题，进一步提高接收机性 能指标。2022 年西北工业大学高永胜团队率先将自干扰消除技术与基于声光移频的信道化 接收方案结合，方案原理图如图 16 所示。
图 16 具有自干扰消除的基于声光移频的微波光子信道化接收机（声光调制器：AOM；OTDL：光延迟线；VOA：可变光衰减器）
当接收到的目标信号和发射端泄露过来的自干扰信号同时被电光调制时，在双偏振载波抑制双边带调制模块同时引入一个参考信号，参考信号的频率与目标信号及自干扰信号相同， 利用光延迟和光衰减使参考信号的幅度与自干扰信号幅度相同，相位相差180度，从而在光 域直接实现对消。实验结果验证了自干扰信号抑制深度可达到40dB以上。该方案利用6个子信道可实现 3GHz 带宽信号的完整接收，同时具备镜像抑制和自干扰消除功能，与已报道的带内全双工自干扰消除方案相比，自干扰信号消除的整个过程均在光域完成，因此不受电子瓶颈限制。
2023 年南京航空航天大学潘时龙等人将自干扰消除技术与目前报道最多的基于双光梳的信道化接收方案相结合，提出了同时具备自干扰消、镜像抑制功能的信道化接收机， 其原理图如图 17 所示。实验结果显示 6 个子信道可将瞬时接收带宽提高至 6GHz，自干扰 信号抑制深度可达到 20dB 以上。
图17 具有自干扰消除的基于双光梳的微波光子信道化接收机原理图
5 结束语
本文针未来无线通信、雷达系统和电子战领域对高频段、大带宽的发展需求，分析了微波光子技术应用于信道化接收机上的优势，并对目前已报道的微波光子信道化接收方案进行了简要梳理，总结并对比分析了上述方案的优缺点及实施难点。此外，还将直接影响射频接收机性能的镜像抑制技术以及全双工系统中无可避免的自干扰消除技术与信道化接收机相结合的方案。为了更好的适应电子战等战场环境，未来微波光子信道化接收机还需要解决以下几个关键问题：
微波光子信道化接收机集成化程度较低。目前很多已报道的微波光子信道化接收机均采用的商用分立元件搭建实验链路，链路占地面积较大且接收性能受外力和温度的影响较大、一定程度的环境振动就有可能对系统噪声造成严重恶化。因此，采用硅集成技术不仅可以有效减小系统的体积和重量还能大大提高系统的稳定性降低相位噪声。
微波光子信道化接收链路增益较低。由于链路中要进行电光、光电两次调制，而现有的电光调制器及光电探测器效率较低导致系统的链路增益较低，不得不进行多次功率 放大，从而增加了系统底噪，恶化了系统噪声性能。因此，提高光电器件的调制效率及探测效率优化系统噪声具有重要意义。
微波光子信道化接收机无杂散动态范围仍需提高。无杂散动态范围是衡量系统接收射频信号能力强弱的重要体现，主要指可检测到的最小功率射频信号到可分辨的最大功率射频信号的具体范围，若输入的射频信号功率过小则会被湮没在噪声中无法检测到，若输入的射频信号功率过大会出现较多的高阶光边带即意味着引入了非线性失真，特别是二阶交调失真项 （IMD2）和三阶交调失真项（IMD3），当其信号强度大于基波强度时会严重影响有用信号的接收。IMD2 的抑制可通过平衡探测技术有效解决，抑制 IMD3 的方法较多，主要包括在数字域完成的基于 DSP 的线性度优化技术、以及在光域完成的双调制器非线性相消技术、光滤波优化技术、IMD3 部分抑制的线性优化技术等。
[ 作 者 ] 陈博,翟伟乐,王婧懿,李彦琨,金徐辉,樊养余,高永胜
[ 来源期刊 ] 激光与光电子学进展
康冠光电自成立以来一直坚持以自主研发为主，同时与国际著名光电子产品制造商合作，积极为客户引入国外先进光电子产品，并始终秉承着“精诚服务、客户至上”的原则，“质量为本，创新为源”的方针，不断更新完善现有产品系列，全力打造专业技术团队，持续为用户提供优质、可靠、先进的产品和技术服务。并不断的赢得了国内广大客户的信赖。目前，康冠光电的客户群已遍布国内一流的高校和研究院所，并且和北京工业大学等众多知名高校的光电实验室建立了产学研合作模式。康冠光电愿竭尽所能为您提供服务，与您共创辉煌！
更多相关文章阅读：
微波光子链路 http://www.conquer-oc.com/cn/info-20-142.html
光发射模块 http://www.conquer-oc.com/cn/info-20-142-59.html
光接收模块 http://www.conquer-oc.com/cn/info-20-142-77.html
微波光传输链路 http://www.conquer-oc.com/cn/info-20-142-78.html
微波光子的基本原理 http://www.conquer-oc.com/cn/detail-18-19-567.html
高增益微波光子链路的设计及解决方案推荐 http://www.conquer-oc.com/cn/detail-18-19-612.html
微波光子技术在瞬时测频中的应用 http://www.conquer-oc.com/cn/detail-18-19-628.html
薄膜铌酸锂在集成微波光子技术上的优势及重要意义 http://www.conquer-oc.com/cn/detail-18-19-835.html
基于载波抑制单边带调制的微波光子本振倍频上转换方法 http://www.conquer-oc.com/cn/detail-18-19-865.html
