集成相干信道化接收技术初探文献综述

 2023-08-11 10:16:07

文献综述(或调研报告):

随着雷达等一系列现代射频系统中所接收信号带宽的增加,具有宽带射频信号处理能力的接收机是迫切需要的。然而,传统器件在大带宽下无法保证性能的一致性,因此信道化是实现这一要求的最有效方法之一[1],它将接收到的宽带射频信号分割成多个窄带信道,之后再对窄带信道进行并行处理。

由于具有宽频带、低损耗和抗电磁干扰等优点,微波光子信号处理在过去20年里受到了广泛的关注[2],其基本思想是通过调制器将微波信号上变频到光域,然后利用光学器件来完成信号处理,由于光频率极高,可以处理的信号带宽也非常大,随着高速电光调制器等一系列光学器件的不断发展,微波光子信号处理技术也必将获得更为广泛的应用。

一个显而易见的信道化方案,是利用多个带通滤波器来滤出每个信道,这个方案在较低频段是性能良好的,但是对于信号谱的高频段,由佩利-维纳准则,理想带通滤波器不是物理可实现的,滤波器制作的难度取决于过渡带的归一化值,显然高频段的带通滤波器更难制作;并且在较高的频率下,电容电感这些无源器件的Q值较低,进一步影响了滤波器的性能。

对这个方案进行改进的核心思路,是把信号下变频到一个较低的频率后再进行滤波,为了避免中心频率两侧信号发生混叠,一般采用I/Q下变频,即只把载波高频侧的信号下变频到基带,该方法的难点是90°移相器和乘法器的制作上,传统的电信号移相器难以在较大归一化频段内保持所移相位的恒定,而如果上变频到光域,归一化频宽就会大大减小,移相器的精度也会更高,下变频的精度也会更高。

I/Q下变频在光域对应的核心光学器件是90°相移光混合器,可以通过多模干涉光耦合器(MMI)的自成像效应来实现[3],目前所设计的器件,可以在整个C波段内相位误差<3°,如果使用的信号更窄,还可以进行优化让相位误差更低。

如果使用I/Q下变频方案,就需要提供信号光和本振光,决定下变频的频率分割位置的,是本振光所对准的信号光的位置,考虑到将信号进行调制的时候也需要光载波,对原光载波进行上移频就可以对准到所需的位置,但是在进行较多信道的信道化时,需要提供较多的射频本振,而过多的使用射频源则难于集成,同时也会造成电磁干扰。

因此,有人提出使用光学频率梳来进行信道化。光学频率梳是20世纪70年代所提出的概念,它是由一系列离散且等间隔的频率光载波组成,并且每个频率分量之间具有稳定的相位关系。由于具有一系列优良的使用特性,现在已经被广泛的用于光学频率的精密测量、远程信号的时钟同步与卫星导航等领域,随着光信息技术的不断发展,光学频率梳也会在基于光子的射频信道化中获得广泛的应用。将光学频率梳用于信道化的基本思想是[4]:使用两组重频稍有不同的光学频率梳,将信号调制到其中一个光学频率梳上,这样就有了一组在频域上等间距的信号副本,而另外一组光学频率梳由于重频稍有不同,此时就如同游标一样,每根频梳会依次对准信号的不同位置,之后经过90°相移光混合器再选择频谱切片,经过光电探测器的检测,之后就能得到从不同位置下变频的信号,最后进行电信号滤波。

这个方案巧妙利用了光学频率梳的等频率间隔与相位差恒定的特点,可以一次性下变频多个频谱切片,同时对射频本振数量要求大为减少,所以解决好光学频率梳在集成芯片上的产生问题,该课题便算成功了一半。现在光学频率梳有许多产生方案[5],主要是以下几种:

1.基于光纤非线性效应[6]:首先是产生飞秒激光,然后利用光子晶体光纤中的非线性效应来拓宽光频梳带宽,这个方案需要长距离光纤来产生足够强的非线性效应,不适合集成。

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