一种多载波射频信号变频同步合并方法及装置

1.本发明涉及微波光子射频信号处理技术领域，具体地，涉及一种多载波射频信号变频同步合并方法及装置。


背景技术：

2.多载波射频信号是指具有多个射频频率作为载波进行传输处理的信号，其在微波光子雷达、通信等领域具有重要的应用价值，例如，在相参雷达应用中，可以利用多载波射频信号探测目标，并在接收端将多载波变频至同一频段进行叠加处理，在保证每个经下变频的射频信号具有相同的相位(即相参)时，可对多个频率回波信号进行相参积累，提高接收信噪比，并可通过目标回波信号的相位信息，提取多普勒频移等参数，获取目标的速度，虽然回波均变频至同一频段处理，但其包含了目标对应于多个频率的响应，避免了利用单一波段探测，目标材料对该频率反射不强的弊端。在扩频通信应用中，可以将有用信号扩展至多载波构成的宽频谱上，分散其能量，解扩时，利用与扩频方式对应的解扩码实现解扩，将频谱再搬移回基带，实现信号同频同相合并，完成能量聚集，获得扩频增益。由此也可见，多载波射频信号在雷达和通信中均有一定作用，并且多载波射频信号在接收端的同相位对准，同样至关重要，它影响着信号的处理增益，甚至在极端情况下，未经同步的信号相位相反时，信号叠加相消，无法处理。
3.然而，多载波射频信号在传输过程中，由于不同频率的信号经历相同的传输时间会带来附加的不同相位，经下变频后，虽然信号均集中在同一频率，但由于附加的不同相位，无法直接合并，在微波光子链路中，光频梳作为一种等频率间隔的多波长光源，常用来处理多载波射频信号，在基于光频梳的多载波射频信号处理系统中，实现多载波信号变频后同步通常有两种办法：其中第一种同步方法是采用各载波分别同时并行接收，然而后进行相位对准的处理，这种方式将耗费大量硬件资源，并且无法达到低延时处理效果；此外，第二种同步方法是采用本振端附加步进可调延时线实现延时扫描对准的方式，然而，需要引入额外的光延迟线阵列，其反馈时间受限，并且给光纤链路带来额外的器件插入损耗。鉴于这两种同步方法都存在一定的弊端，因此，亟需设计一种多载波射频信号变频同步合并方法及装置。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种多载波射频信号变频同步合并方法及装置，解决现有技术中多载波射频信号变频同步存在的采用各载波分别同时并行接收，后处理进行相位对准耗费大量硬件资源，无法达到低延时处理效果以及采用本振端附加步进可调延时线需要引入额外的光延迟线阵列，反馈时间受限，并且给光纤链路带来额外的器件插入损耗的技术问题，利用电光调制中各梳齿相位随其序号呈线性关系，斜率为驱动其微波信号相位的基本原理，实现多载波的相位同步对准。无需体积庞大并行的后处理硬件模块，也无需参数精确设计的可调光延迟线阵列，通过调谐驱动电光光频梳微波源
的初始相位，即可实现多载波射频信号接收端变频同步。
5.为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
6.作为本发明的一个方面，提供了一种多载波射频信号变频同步合并方法，包括以下步骤：
7.s1.可调谐激光器分两路光驱动可调谐光频梳，一路光驱动可调谐光频梳1加载多载波射频信号，另一路光驱动可调谐电光光频梳2作为本振光频梳对多载波信号实现下变频；
8.s2.两路光经耦合器、平衡探测器和电滤波器实现多载波信号的同时变频后合并，能量计算单元与可调谐移相器实现通信，对变频合并后的信号实现同步对准。
9.作为本发明上述方面的一种多载波射频信号变频同步合并方法，所述s1包括以下步骤：
10.s11.可调谐激光器提供单波长激光源，其角频率为w0，相位为分为两路，一路作为可调谐光频梳1的光载波，另一路作为可调谐电光光频梳2的光载波；
11.s12.可调谐光频梳1的角频率的间隔为w
d1
，每根梳齿间具有固定的相位差，设此相位差为可调谐光频梳1输出的第n根梳齿的表达式为：
[0012][0013]
s13.可调谐电光光频梳2采用电光调制法产生，由微波频率源和可调谐移相器驱动；
[0014]
s14.接收天线接收经空间传输进入接收系统的多载波射频信号，其基带信第一载波频率为w
rf0
，设其初相位为
[0015]
s15.电光调制器用于加载多载波射频信号，将其调制在可调谐光频梳1上。
[0016]
作为本发明上述方面的一种多载波射频信号变频同步合并方法，所述s13包括以下步骤：
[0017]
s131.微波频率源输出射频信号，设角频率为w
d2
，可调谐移相器赋予初始射频信号初始相位，设为则可调谐电光光频梳2输出的第n根梳齿的表达式为：
[0018][0019]
s132.对可调谐电光光频梳2频率和相位进行设置，其中，令δwd＝w
d2-w
d1
，表示两光频梳的频率间隔差，表示两光频梳第一根梳齿的相位差。
[0020]
作为本发明上述方面的一种多载波射频信号变频同步合并方法，所述s14包括以下步骤：
[0021]
s141.多载波射频信号为以基带信号为起始，等频率间隔的若干射频信号的和，多载波频
[0022]
率间隔等于可调谐光频梳1与可调谐电光光频梳2的频率间隔之差；
[0023]
s142.当其未经过空间传输，多载波射频信号的起始相位相同，其表达式为：
[0024][0025]
作为本发明上述方面的一种多载波射频信号变频同步合并方法，所述s15包括以下步骤：
[0026]
s151.考虑空间传输给多载波信号带来的附加延时δτ，则经调制后，可调谐光频梳1输出的第n根梳齿表达式为：
[0027][0028]
s152.分别取上述公式(2)和公式(4)的实部，可调谐电光光频梳2输出信号和可调谐光频梳1第n根梳齿加载多载波信号后的表达式具体如下：
[0029][0030][0031]
作为本发明上述方面的一种多载波射频信号变频同步合并方法，所述s2包括以下步骤：
[0032]
s21.两路光经耦合器实现拍频，由平衡光电探测器实现光电转换，输入光电探测器的两路光信号a1，a2为：
[0033][0034]
即平衡光电探测器输出的光电流为：i(t)
∝
a1a
1*-a2a
2*
；
[0035]
s22.由于w
rf0
+nδwd+nw
d1
＝w
rf0
+nw
d2
，只有经调制后的可调谐光频梳1与可调谐电光光频梳2中序号相同的梳齿相互拍频的信号得以保留，经计算，电滤波器输出的电流i’(t)为：
[0036][0037]
s23.将i’(t)输入于能量计算单元计算其能量，同时，可调谐移相器以一定步进变化其相位值。
[0038]
作为本发明上述方面的一种多载波射频信号变频同步合并方法，所述s23包括以下步骤：
[0039]
s231.考虑i’(t)中的相邻梳齿对拍频贡献的不同光电流成分：
[0040][0041][0042]
两者的相位相差其中δwd和δτ为定量；
[0043]
s232.通过调谐使相邻梳齿相位相差满足2π整数倍时，(8)式化为：
[0044][0045]
此时，实现各通道的相干叠加，经能量计算单元判决，获得极大值，并反馈给可调谐移相器，固定此时的相位值。
[0046]
作为本发明的另一个方面，提供一种多载波射频信号变频同步合并装置，包括：
[0047]
可调谐激光器，用于提供单波长激光源，分为两路，一路作为可调谐光频梳1的光载波，另一路作为可调谐电光光频梳2的光载波；和
[0048]
可调谐光频梳1，以可调谐激光器的频率为中心，形成频谱上等频率间隔的光频梳，作为信号光频梳承载多载波信号；和
[0049]
接收天线，用于接收由空间传输至系统的多载波射频信号；和
[0050]
电光调制器，将多载波射频信号加载在可调谐光频梳1之上；和
[0051]
可调谐电光光频梳2，由电光调制方法产生，以可调谐激光器的频率为中心，形成频谱上等频率间隔的光频梳，作为本振光频梳；和
[0052]
微波频率源，用于驱动可调谐电光光频梳2，微波频率源的频率决定了可调谐电光
光频梳2的频率间隔；和
[0053]
可调谐移相器，具备通信功能，以一定步进实现调谐，改变可调谐电光光频梳2的梳齿相位。
[0054]
作为本发明上述方面的一种多载波射频信号变频同步合并装置方法，还包括：
[0055]
耦合器，用于将可调谐光频梳1与可调谐光频梳2的信号合束；和
[0056]
平衡光电探测器，对耦合器输出的信号实现光电转换；和
[0057]
电滤波器，用于对平衡探测器的输出电流实现滤波，其带宽与多载波射频信号的基带带宽相一致；和
[0058]
能量计算单元，用于计算电滤波器输出信号的能量，并能够与可调谐移相器实现通信。
[0059]
采用上述技术方案，本发明具有以下优点：
[0060]
本发明提供了一种多载波射频信号变频同步合并方法及装置，利用电光调制中各梳齿相位随其序号呈线性关系，斜率为驱动其微波信号相位的基本原理，在光子模拟域实现多载波的相同时同步对准，无需体积庞大并行的后处理硬件模块，也无需参数精确设计的可调光延迟线阵列，通过调谐驱动电光光频梳微波源的初始相位，即可实现多载波射频信号接收端变频同步，无需对各个载波进行分别接收后数字处理，减少了系统复杂度，节约了处理时间，实现了低延时的同步；完成了信号下变频接收与同步的一体化实现，无需引进额外的光学延时器件，节约了成本，避免了器件引入的光链路插损。
附图说明
[0061]
图1为本发明的多载波射频信号变频同步合并装置的系统框图；
[0062]
图2为本发明的多载波射频信号变频同步合并方法中的各环节信号频谱及相位的演化示意图。
具体实施方式
[0063]
以下结合说明书附图对本发明的技术方案进行具体描述，需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
[0064]
图1示出了本发明的多载波射频信号变频同步合并装置的系统框图；一种多载波射频信号变频同步合并装置具体如图1所示，包括可调谐单频激光器100、可调谐光频梳1140、可调谐电光光频梳2110、微波频率源130、可调谐移相器120、接收天线160、电光调制器150、耦合器170、平衡光电探测器180、电滤波器190以及能量计算单元200。
[0065]
其中，可调谐激光器100提供单波长激光源，其分为两路，一路作为可调谐光频梳1140的光载波，另一路作为可调谐电光光频梳2110的光载波。
[0066]
可调谐光频梳1140可以是采用电光调制方法产生，也可是微腔等其他方式产生皆可，其以可调谐激光器100的频率为中心，形成频谱上等频率间隔的光频梳，作为信号光频
梳承载多载波信号。
[0067]
接收天线160接收由空间传输至系统的多载波射频信号，并由电光调制器150将其加载在可调谐光频梳1之上。
[0068]
可调谐电光光频梳2110由电光调制方法产生，其以可调谐激光器100的频率为中心，形成频谱上等频率间隔的光频梳，作为本振光频梳。可调谐电光光频梳2110的频率间隔与可调谐光频梳1140的频率间隔差等于多载波射频信号的频率间隔。每根光频梳的梳齿相位与驱动其可调谐移相器120的相位正相关，随梳齿序号的增大等倍数增大。微波频率源130驱动可调谐电光光频梳2，其频率决定了可调谐电光光频梳2110的频率间隔。可调谐移相器120具备通信功能，并可以以一定步进实现调谐，改变可调谐电光光频梳2110的梳齿相位。
[0069]
耦合器170将可调谐光频梳1与可调谐光频梳2的信号合束，并送入平衡光电探测器180中实现光电转换。电滤波器190对光电探测器180的输出电流实现滤波，其带宽与多载波射频信号的基带带宽相一致。能量计算单元200计算电滤波器190输出信号的能量，并能够与可调谐移相器120实现通信。当能量计算单元200得到最大能量时，通信指令给可调谐移相器120，使其停止相位调谐，此时，电滤波器190输出信号获的最大输出，多载波信号实现变频后的同步合并。
[0070]
图2示出了本发明的多载波射频信号变频同步合并方法中的各环节信号频谱及相位的演化示意图；图2(a)为可调谐光频梳1140频谱和相位示意图；图2(b)为初始多载波信号频谱和相位示意图；图2(c)为空间传输后的多载波信号频谱和相位示意图；图2(d)为可调谐光频梳1140加载多载波射频信号后的频谱示意图；图2(e)为可调谐电光光频梳2110的频谱和相位示意图；图2(f)为多载波经下变频同步后相干叠加。
[0071]
一种多载波射频信号变频同步合并方法包括以下步骤：
[0072]
s1.可调谐激光器100提供单波长激光源，频率是(角频率)w0，相位为其分为两路，一路作为可调谐光频梳1140的光载波另一路作为可调谐电光光频梳2110的光载波。
[0073]
其中，s1包括以下步骤：
[0074]
s11.可调谐激光器提供单波长激光源，其角频率为w0，相位为分为两路，一路作为可调谐光频梳1的光载波，另一路作为可调谐电光光频梳2的光载波；
[0075]
s12.可调谐光频梳1140可以是采用电光调制方法产生，也可是微腔等其他方式产生皆可，其频率(角频率)间隔为w
d1
，每根梳齿间具有固定的相位差，设此相位差为其频谱和相位示意图如图2(a)所示，可调谐光频梳1140输出的第n根梳齿的表达式为：
[0076][0077]
s13.可调谐电光光频2110采用电光调制法产生，由微波频率源130和可调谐移相器120驱动。
[0078]
s13包括以下步骤：
[0079]
s131.可调谐电光光频梳2110采用电光调制法产生，由可调谐微波频率源130和可调谐移相器120驱动，可调谐微波频率源130输出射频信号，设其频率(角频率)为w
d2
，可调谐移相器120赋予初始射频信号初始相位，设为可调谐光频梳1140输出的第n根梳齿的可表达式为：
[0080]
[0081]
也即，电光调制光频梳每根光频梳得梳齿相位正比于其梳齿序号与其驱动微波信号的相位乘积。
[0082]
s132.可调谐电光光频梳2110频谱和相位示意图具体如图2(e)所示，其中，令δwd＝w
d2-w
d1
，表示两光频梳的频率间隔差，其应等于多载波射频信号的频率间隔，为两光频梳第一根梳齿的相位差，可调谐移相器可以改变因此，可调谐。
[0083]
s14.接收天线160接收经空间传输进入接收系统的多载波射频信号具体如图2(c)所示，其基带信号中第一载波频率为w
rf0
(基带信号可以是点频，也可以是线性调频等格式)为了公式推导，只取其中的第一载波频率(角频率)w
rf0
举例，设其初相位为
[0084]
s14包括以下步骤：
[0085]
s141.多载波射频信号为以基带信号为起始，等频率间隔的若干射频信号的和，具体如图2(b)所示；
[0086]
s142.当其未经过空间传输，多载波射频信号的起始相位相同，其表达式为：
[0087][0088]
s15.电光调制器150用于加载多载波射频信号，将其调制在可调谐光频梳1上。
[0089]
s15包括以下具体步骤：
[0090]
s151.电光调制器150用于加载多载波射频信号，将其调制在可调谐光频梳140上，考虑空间传输给多载波信号带来的附加延时δτ，则经调制后，其输出的第n根梳齿表达式为：
[0091][0092]
s152.可调谐光频梳1140加载多载波射频信号的频谱示意图如图2(d)所示，取式(2)、(4)的实部，具体如下：
[0093][0094][0095]
s2.两路光经耦合器、平衡光电探测器和电滤波器实现多载波信号的同时变频后合并，能量计算单元与可调谐移相器实现通信，对变频合并后的信号实现同步对准。
[0096]
s2包括以下步骤：
[0097]
s21.两路光经耦合器170实现拍频，由光电探测器180实现光电转换，输入光电探测器180的两路光信号a1，a2为：
[0098][0099]
即平衡光电探测器输出的光电流为：i(t)
∝
a1a
1*-a2a
2*
；
[0100]
s22.电滤波器190的带宽大于等于基带信号的带宽，小于可调谐光频梳1与可调谐电光光频梳2的频率间隔之差。则由于w
rfo
+nδwd+nw
d1
＝w
rf0
+nw
d2
，只有经调制后的可调谐光频梳1与可调谐电光光频梳2中序号相同的梳齿相互拍频的信号得以保留，经计算，电滤波器输出的电流i’(t)为：
[0101][0102]
也即，i’(t)是由一系列等频率，但不同相位的信号的叠加，只有他们的相位完全
相等，或差2π的整数倍时，这一系列同频信号才能实现同频相干叠加，获得最大能量，否则能量会削弱，甚至信号可能会相消叠加。
[0103]
s23.将i’(t)输入于能量计算单元计算其能量，同时，可调谐移相器以一定步进变化其相位值。
[0104]
其中，s23包括以下具体步骤：
[0105]
s231.将i’(t)输入于能量计算单元200计算其能量，并且与此同时，可调谐移相器120以一定步进变化其相位值。考虑i’(t)中的相邻梳齿对儿拍频贡献的不同光电流成分：
[0106][0107][0108]
两者的相位相差其中δwd和δτ为定量，由可调谐移相器120控制，是一个变量。
[0109]
s232.因此，可以通过调谐使两者相位相差满足2π整数倍时，(8)式可化为：
[0110][0111]
此时，实现各通道的相干叠加，经能量计算单元200判决，获得极大值，并反馈给可调谐移相器120，固定此时的相位值，即实现了多载波变频后的相位同步，具体如图2(f)所示。
[0112]
最后，需要指出的是，虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，在不脱离本发明构思的前提下还可以作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

技术特征：
1.一种多载波射频信号变频同步合并方法，其特征在于，包括以下步骤：s1.可调谐激光器分两路光驱动可调谐光频梳，一路光驱动可调谐光频梳1加载多载波射频信号，另一路光驱动可调谐电光光频梳2作为本振光频梳对多载波信号实现下变频；s2.两路光经耦合器、平衡探测器和电滤波器实现多载波信号的同时变频后合并，能量计算单元与可调谐移相器通信交互，对变频合并后的信号实现同步对准。2.根据权利要求1所述的一种多载波射频信号变频同步合并方法，其特征在于，所述s1包括以下步骤：s11.可调谐激光器提供单波长激光源，其角频率为w0，相位为分为两路，一路作为可调谐光频梳1的光载波，另一路作为可调谐电光光频梳2的光载波；s12.可调谐光频梳1的角频率的间隔为w
d1
，每根梳齿间具有固定的相位差，设此相位差为可调谐光频梳1输出的第n根梳齿的表达式为：s13.可调谐电光光频梳2采用电光调制法产生，由微波频率源和可调谐移相器驱动；s14.接收天线接收经空间传输进入接收系统的多载波射频信号，其基带信号的第一载波频率为w
rf0
，设其初相位为s15.电光调制器用于加载多载波射频信号，将其调制在可调谐光频梳1上。3.根据权利要求2所述的一种多载波射频信号变频同步合并方法，其特征在于，所述s13包括以下步骤：s131.微波频率源输出射频信号，设角频率为w
d2
，可调谐移相器赋予初始射频信号初始相位，设为则可调谐电光光频梳2输出的第n根梳齿的表达式为：s132.对可调谐电光光频梳2频率和相位进行设置，其中，令δw
d
＝w
d2-w
d1
，表示两光频梳的频率间隔差，表示两光频梳第一根梳齿的相位差。4.根据权利要求3所述的一种多载波射频信号变频同步合并方法，其特征在于，所述s14包括以下步骤：s141.多载波射频信号为以基带信号为起始，等频率间隔的若干射频信号的和，多载波频率间隔等于可调谐光频梳1与可调谐电光光频梳2的频率间隔之差；s142.当其未经过空间传输，多载波射频信号的起始相位相同，其表达式为：5.根据权利要求4所述的一种多载波射频信号变频同步合并方法，其特征在于，所述s15包括以下步骤：s151.考虑空间传输给多载波信号带来的附加延时δτ，则经调制后，可调谐光频梳1第n根梳齿加载多载波信号后的表达式为：s152.分别取上述公式(2)和公式(4)的实部，可调谐电光光频梳2输出信号和可调谐光频梳1第n根梳齿加载多载波信号后的表达式具体如下：频梳1第n根梳齿加载多载波信号后的表达式具体如下：
6.根据权利要求5所述的一种多载波射频信号变频同步合并方法，其特征在于，所述s2包括以下步骤：s21.两路光经耦合器实现拍频，由平衡光电探测器实现光电转换，输入平衡光电探测器的两路光信号a1，a2为：即平衡光电探测器输出的光电流为：i(t)
∝
a1a
1*-a2a
2*
；s22.由于w
rf0
+nδw
d
+nw
d1
＝w
rf0
+nw
d2
，只有经调制后的可调谐光频梳1与可调谐电光光频梳2中序号相同的梳齿相互拍频的信号得以保留，经计算，电滤波器输出的电流i’(t)为：s23.将i’(t)输入于能量计算单元计算其能量，同时，可调谐移相器以一定步进变化其相位值。7.根据权利要求6所述的一种多载波射频信号变频同步合并方法，其特征在于，所述s23包括以下步骤：s231.考虑i’(t)中的相邻梳齿对拍频信号贡献的不同光电流成分：(t)中的相邻梳齿对拍频信号贡献的不同光电流成分：两者的相位相差其中δw
d
和δτ为定量；s232.通过调谐使相邻梳齿相位相差满足2π整数倍时，(8)式化为：此时，实现各通道的相干叠加，经能量计算单元判决，获得极大值，并反馈给可调谐移相器，固定此时的相位值。8.一种多载波射频信号变频同步合并装置，其特征在于，包括：可调谐激光器，用于提供单波长激光源，分为两路，一路作为可调谐光频梳1的光载波，另一路作为可调谐电光光频梳2的光载波；和可调谐光频梳1，以可调谐激光器的频率为中心，形成频谱上等频率间隔的光频梳，作为信号光频梳承载多载波信号；和接收天线，用于接收由空间传输至系统的多载波射频信号；和电光调制器，将多载波射频信号加载在可调谐光频梳1之上；和可调谐电光光频梳2，由电光调制方法产生，以可调谐激光器的频率为中心，形成频谱上等频率间隔的光频梳，作为本振光频梳；和微波频率源，用于驱动可调谐电光光频梳2，微波频率源的频率决定了可调谐电光光频梳2的频率间隔；和可调谐移相器，具备通信功能，以一定步进实现调谐，改变可调谐电光光频梳2的梳齿相位。9.根据权利要求8所述的一种多载波射频信号变频同步合并装置，其特征在于，还包括：耦合器，用于将可调谐光频梳1与可调谐光频梳2的信号合束；和
平衡光电探测器，对耦合器输出的信号实现光电转换；和电滤波器，用于对平衡探测器的输出电流实现滤波，其带宽与多载波射频信号的基带带宽相一致；和能量计算单元，用于计算电滤波器输出信号的能量，并能够与可调谐移相器实现通信。

技术总结
本发明公开了微波光子射频信号处理技术领域一种多载波射频信号变频同步合并方法，该多载波射频信号变频同步合并方法包括以下步骤：可调谐激光器分两路光驱动可调谐光频梳，两路光经耦合器、平衡探测器和电滤波器实现多载波信号的同时变频后合并，能量计算单元与可调谐移相器具备通信功能，对变频合并后的信号实现同步对准。本发明还公开了微波光子射频信号技术领域一种多载波射频信号变频同步合并装置。该多载波射频信号变频同步合并方法及装置节约了处理时间，实现了低延时的同步；完成了信号下变频接收与同步的一体化实现，无需引进额外的光学延时器件，节约成本，避免了器件引入的光链路插损。引入的光链路插损。引入的光链路插损。


技术研发人员：江天 张馨 董玮
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：2023.07.21
技术公布日：2023/10/11