微波光子滤波器在卫星通信信号处理中的应用

黄宁博，孙亨利，张安旭，吕　强

(1.中国电子科技集团公司 航天信息应用技术重点实验室，河北 石家庄 050081；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)



微波光子滤波器在卫星通信信号处理中的应用

黄宁博1,2，孙亨利1,2，张安旭1,2，吕强1,2

(1.中国电子科技集团公司 航天信息应用技术重点实验室，河北 石家庄 050081；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

微波光子学主要研究微波和光波的相互作用，其应用领域有宽带无线接入网、传感网络、雷达、卫星通信、仪器仪表和现代电子战等。微波光子技术的优势主要体现为：载波所具有的巨大带宽优势，传输介质所具有的重量轻、低损耗，以及光载波能够抵抗空间存在的各种电磁干扰等，而这也正是目前的电子技术面临的困境。积极研究、探索用光子学技术和方法来进行微波信号的产生、传输和处理等，就成为了微波光子学的热门研究方向。论述了微波光子技术在信号滤波处理等方面的应用以及近年来的研究进展，简要介绍了正系数、负系数、复系数以及单通道微波光子滤波器的基本架构、工作原理及其在卫星通信信号处理中的应用及发展趋势。在有巨大应用前景的单通道微波光子滤波器中，目前已能实现0～20 GHz的频率调谐范围、350 MHz的通道带宽。

微波光子技术；信号处理；卫星通信；微波光子滤波器；延时模块

0　引言

近40年来，伴随着光纤通信技术的发展，光波和微波的交叉学科——微波光子学也引起了世界范围内相关高校、研究机构和商业界的广泛关注[1]。微波光子技术将光子器件、技术及系统应用到微波和毫米波信号的产生[2]、传输和处理[3]等领域。鉴于传统微波器件的损耗及带宽均无法满足特定场合实际系统的应用，自1976年Wilner和Heunel首先提出利用光纤作为延时介质进行信号处理以来[4]，微波光子信号处理已经成为热门研究领域。目前，微波光子技术已经广泛应用于高性能模拟微波信号链路传输[5]、雷达及其天线拉远[6]、卫星通信、射电天文学[7]、有线电视系统、信号产生与处理[8]等领域。在信号处理应用中的一个关键处理模块是滤波器，鉴于传统电子滤波器所遇到的瓶颈，利用光子技术实现微波信号的滤波具有传统电滤波器无法比拟的优势，如低损耗、大带宽、抗电磁干扰、可调谐和可重构性等[9]。

卫星通信有效载荷以及卫星通信地面站的发射系统和接收系统中都需要用到不同频段的带通滤波器，且对滤波器的带宽要求亦不尽相同。传统电滤波器性能参数的不通用性给其广泛应用带来了困难，也给滤波器设计带来了难题。微波光子滤波器在参数调谐和系统可重构方面弥补了传统滤波器的缺点，因而可应用于不同业务的卫星地面站系统中。

1　微波光子滤波器基本原理

在传统的电子电路信号处理中，微波信号源发出的或者天线接收到的射频信号直接被馈入射频电路中进行处理；对于待处理高频信号，一般要先经过下变频将高频微波信号降为中频信号才能进行处理。而采用微波光子滤波技术，射频信号直接加载到光载波上，然后再由光纤和光信号处理器等光电子器件组成的光学系统进行信号处理，处理过的射频信号最后在光电探测器中经过光电转换恢复出来，而无需复杂的变频技术。微波光子滤波器的基本结构如图1所示，包括光源、调制器、光色散器件和光电探测器等[10]。需要处理的微波信号加载在光载波上，通过光链路传输并经过放大、延时和色散等处理；最后到达光电接收机进行光电转换，恢复出微波信号。

图1　微波光子滤波器系统组成

微波光子滤波器中的关键器件是光延时模块，常用作延时模块的有光纤布拉格光栅(FBG)、阵列波导光栅(AWG)、色散光纤或者硅基微环等。图1给出了一个两抽头的有限冲激响应(FIR)微波光子滤波器的结构框图。一般对于具有N抽头的微波光子滤波器，其输出端微波信号表达式为[10]：

y(t)=a0x(t)+a1x(t-T)+a2x(t-2T)+

(1)

式中，a0、a1、a2等是每个延时支路的抽头系数，表示增益或损耗；T为相邻两延时支路的时延差。对式(1)进行傅里叶变换，得到该结构的微波光子滤波器的传输响应为：

(2)

对于FIR滤波器，这是一个周期函数，其周期即是该微波光子滤波器的自由频谱范围(FSR)，且满足FSR=1/T。典型的微波光子滤波器响应曲线如图2所示。

图2　正系数微波光子滤波器频率响应曲线

2　微波光子滤波器的分类及实现

微波光子滤波器按其频谱响应曲线的差异，又可分为正抽头系数、负抽头系数和复抽头系数微波光子滤波器。

2.1正系数微波光子滤波器

对于正系数微波光子滤波器，抽头系数只有正值，表现在延时链路中即为每一路延时分量只对光波的强度有增益或损耗，而无相位的变化。正系数微波光子滤波器的一个重要特点是，对于基带低频信号，由于每一延时支路由信号频率不同所引入的相移相对较小，从而到达探测器后可认为这些被探测到的低频电信号基本是同相叠加，因此这类微波光子滤波器在基带低频信号段总会存在响应，这称为基带响应。也正因为如此，正系数微波光子滤波器只能用作低通滤波器。图1和图2分别给出了基于延时线结构的典型的正抽头系数微波光子滤波器的实现结构图及频率响应曲线。这种延时线结构的时延差由相邻支路的光纤长度差决定。

除了使用光纤作为延时单元，还可以采用光栅作为延时模块，将电信号加载到宽谱光源上，从而不同波长的光载波将在不同反射点被反射[11]，相邻2个反射点之间的光程差决定了时延差，且光纤光栅的反射率决定了各个支路的抽头系数的大小。此外，宽谱光源也可以用阵列激光器来替代，且频谱纯度和噪声系数要优于采用宽谱光源的微波光子滤波器，但在成本上略高于前者。对于激光器波长间隔为Δλ、色散系数为D(ps/nm/km)、长度为L的光纤延时线，所引入的时延差为T=Δλ·D·L。例如，当波长间隔为0.4 nm、色散系数为17 ps/nm/km、长度为25 km的单模光纤，它所引入的时延差T=170 ps，对应的FSR=5.88 GHz。这种结构的微波光子滤波器的频率响应与图2所示类似。值得注意的是，采用宽谱光源或阵列激光器作为光源的微波光子滤波器，须保证激光器的拍频信号落在滤波器通带之外，这在实际系统实现中并不需要再额外放置电滤波器，一般采用截止频率带宽较小的调制器或光电探测器即可实现。

2.2负系数微波光子滤波器

由于正系数微波光子滤波器在低频处总有基带响应，故只能用作低通滤波器。为克服这一应用限制，研究人员又引入了负系数微波光子滤波器。实现负系数微波光子滤波器最直接的实验方案是采用差分探测方法[12]。平衡差分探测器输出2路电信号的差信号，在消除基带响应的同时得到2路相位相差180°的微波信号，从而实现了2抽头的负系数微波光子滤波器。利用差分探测方法实现的负系数微波光子滤波器并不是全光的，而是混合的。典型的负系数微波光子滤波器频谱响应曲线如图3所示。

图3　典型负系数微波光子滤波器频率响应曲线

此后研究人员又分别提出了全光负系数微波光子滤波器，如利用半导体光放大器的交叉增益调制效应(波长转换)[13]、注入锁定激光器等方案[14]，这主要是利用了光波注入引起的相位反转，从而在光域实现了2个正负抽头系数的微波光子滤波器。

除了在光源部分引入相位反转外，也可以通过改变所用强度调制器的偏置点来引入相位反转[15]，这2个强度调制器分别工作在正斜率和负斜率正交偏置点处，经过色散延时后在光电探测器上便得到不同延时量的微波信号，构成了2抽头负系数全光微波光子滤波器，其频率响应曲线与图3所示类似。为了得到更多的抽头数，可在光源部分采用多波长激光器或激光器阵列，并相间输入到正负偏置的强度调制器中。

在负系数微波光子滤波器中，除了利用强度调制器的方案，也可以采用相位调制器搭建微波光子滤波器系统[16]。在该方案中，负抽头系数的获取是通过色散元件的作用，将相位调制转换为强度调制而得到的。其工作原理是，当直接将微波射频信号加载到相位调制器上，得到调制后的载波及正负一阶边带，但正负一阶边带相位正好相差180°。由于光电探测器的包络检波特性，正一阶边带与光载波的拍频出的微波信号正好抵消了负一阶边带与光载波的拍频输出的微波信号，从而导致其输出将无法恢复出调制端所加载的电信号。然而当相位调制器输出的光信号经过色散器件的延时作用后，2个边带与载波的相位关系就会发生改变，引起相位调制到强度调制的转换。这种相位调制方案相比于强度调制方案的优势在于，相位调制器不需要进行偏置点的稳定控制，从而消除了强度调制器方案中的偏置点漂移问题，简化了实验系统结构和损耗。

2.3复系数微波光子滤波器

在很多应用场合，由于需要处理的微波射频信号频率并不是完全固定不变，当载波频率发生变化时，相应的微波滤波器的通带中心频率也需要改变，这就要求滤波器具有频率调谐特性。这种调谐特性在电滤波器中是很难实现的，尤其是对于高频微波滤波器而言更是如此。而微波光子滤波器在通带中心频率调谐性方面具有极大优势，也是微波光子滤波器未来发展的重要方向。基于光纤延时线结构的微波光子滤波器的频率调谐性是通过调节时延来实现的，然而直接调整各支路的时延差又会导致频率响应的自由频谱范围改变，这也就同时改变了单个通带的3 dB带宽，导致滤波器的整个频率响应曲线形状发生了变化。而在很多应用中，总是期望仅仅改变滤波器的通带或者阻带的中心频率而不改变频谱响应曲线形状。要实现这一功能，就需要采用具有复系数的延时线微波光子滤波器。一个N抽头的复系数延时线微波光子滤波器的传递函数[10]如式(3)所示，典型频率响应曲线如图4所示。

(3)

从式(3)中可以看出，为了在调谐滤波器中心频率的同时保持滤波器频率响应形状曲线不变，所有抽头的相移项应保持一个确定的相位差关系，因此实现复系数微波光子滤波器的关键就在于如何利用微波光子技术实现射频移相器的功能。在文献[17]中微波的相移功能是通过光纤中的受激布里渊散射(SBS)作用实现的。在得到的2路微波信号中，可以在±180°范围内实现对其中一路微波信号进行宽带移相，从而得到一个2抽头的复系数微波光子滤波器。同时在另一支路采用单边带调制技术，又克服了光纤色散引入的功率代价的影响，系统的频率响应范围得以进一步扩展。

图4　复系数微波光子滤波器频率响应曲线

由于SBS是一种非线性效应，该系统的可靠性在实际应用中会受到很大限制，为此，研究人员采用了新的方法来搭建宽带射频移相器。文献[18]给出了基于这类宽带微波光子移相器的两抽头复系数微波光子滤波器。在所得到的实验结果中，在Ka、Ku频段，陷波滤波抑制深度可达到60 dB，并可在60 MHz频段范围内实现调谐。类似的方案也可以采用2个独立的强度调制器替代1个双平衡M-Z强度调制器。

2.4单通道可调谐微波光子滤波器

尽管上面提到的有限冲击响应微波光子滤波器在高性能雷达、射电天文学以及毫米波通信中极富应用吸引力，但这种离散时间有限冲击响应滤波器的一大缺点是其频率响应的周期性，很容易导致有用频率分量和间隔较远的无用频率分量都引入到系统中，增加系统噪声，这在复杂电磁环境下很难得到实际应用。此外，在卫星通信应用的地面站系统中以及未来极具应用前景的通信雷达通道一体化应用系统中，也都亟需单通道频率、可大范围调谐的滤波器，而目前这种高性能的滤波器采用电子技术是很难实现的。为了解决这一电子技术难题，研究人员提出了采用光子技术实现单通道宽带可调谐微波光子滤波器的实现方案，其原理架构可分为利用宽谱光源的无限冲击响应滤波器和基于光滤波器的相干微波光子滤波器。

2.4.1基于非切割宽谱光源的无限冲击响应单通道微波光子滤波器

在文献[19]的实验中，利用可调谐光滤波器产生非切割的矩形宽谱光源作为微波信号的光载波。滤波整形后的宽谱光源经由起偏器形成偏振光，两正交偏振态的光路经历不同延时后经偏振合束器输入到偏振调制器中。当偏振调制器与起偏器配合使用，二者偏振主轴夹角不同时，它们所引起的调制效果也不同，在小信号调制下，可以出现双边带调制、载波抑制调制和奇阶边带抑制调制。这篇文献即采用这种原理，在2个偏振支路上分别单独得到载波和边带，从而得到复系数微波光子滤波器。同时由于采用的是非切割宽谱光源，频谱的周期无穷大，所得到的微波光子滤波器即是单通道的。此外，通过改变宽谱光源的谱宽，可以改变滤波器的3 dB带宽，当谱宽为4 nm时，带宽在350 MHz左右；调节2个偏振支路的延时差，可以实现通带中心频率的调谐。0～20 GHz范围内中心频率调谐实验结果如图5所示。

在基于宽谱光源的单通道可调谐微波光子滤波器实验方案中，除了利用光波的偏振特性，也可以采用直接光束分路。文献[20]中提出了可变光载波时移机构，能够实现载波与边带信号分别产生独立延时，进而结合色散媒质，最终产生宽带可调谐单通道微波光子滤波器。

2.4.2基于光滤波器的相干微波光子滤波器

上面讨论的基于延时线结构的滤波器属于非相干微波光子滤波器，在其工作频段内，不论是采用宽谱光源还是激光器阵列，都需要避开光干涉的影响。实际上，微波光子滤波器也可以采用单一光波长，这时就无需考虑光干涉的影响，在一定范围内拓展了微波光子滤波器的工作频段。相干微波光子滤波器的一般实现结构如图6所示，一个窄线宽光波输入到相位调制器中，在小信号调制作用下，输出1个光载波和2个一阶边带。

图6　基于光栅的单通道微波光子滤波器结构

在负系数微波光子滤波器一节中已经提到，由于相位调制的2个一阶边带是相位相反的，如果它们直接在光电探测器中进行拍频，则输出只有直流信号而没有射频信号输出。这里为了恢复调制信号，采用了一个光滤波器(如光纤布拉格光栅FBG)滤除其中一个边带，这样双边带相位调制信号转变为单边带调制信号，就可以在光电探测器中输出微波信号。因此，这个实验系统实现微波光子滤波器功能的原理就是，当加载到相位调制器上的微波信号频率恰好等于光载波频率与FBG的阻带频率的差时，就可以在输出端得到该微波信号；而当其他频率的信号加载到调制器上时，在输出端只有直流信号输出，实现了对特定频率微波信号的单通带滤波，通带带宽由FBG的带宽决定，采用不同的FBG，其带宽一般可在几十MHz到数十GHz范围内改变。此外，这种结构还可以实现通道中心频率的调谐，当固定FBG的通带中心频率后，可以通过调谐输入光源的波长实现调谐。这样就很容易构成了单通道宽带可调谐微波光子滤波器[10]。

以此结构为模型，研究人员又陆续提出了与此类似的相干单通道可调谐微波光子滤波器，以期提高滤波器的性能参数。事实上，对于工作在相干区域的微波光子滤波器来说，滤波器的频率响应就是光滤波器的谱响应在微波频段的映射。因此，实现相干微波光子滤波器的关键就在于设计适合应用需求的光滤波器的响应谱线。这种微波光子滤波器的频率调谐性也多是通过调节源端的激光器光波长实现的。

3　结束语

本文回顾了微波光子技术在信号滤波处理等方面的应用，并简要介绍了微波光子滤波器的基本架构及其工作原理和应用。尽管微波光子滤波器具有相较于电滤波器的明显优势，然而在目前的技术条件下，这类基于光子技术的滤波器也有其缺点，如较高的插损和较小的动态范围等。这些性能参数的改善，有赖于器件如高功率处理能力的光电探测器、低插损高调制效率的调制器等参数的提高。此外，目前所报道的微波光子滤波器多是基于分立的光源、调制器、探测器和延时模块等器件，导致整个系统体积较大、成本较高，未来微波光子滤波器技术的发展将朝着硅基集成化方向发展。随着硅基光子技术的发展进步，微波光子滤波器的性能也必将进一步提高，并将广泛应用于卫星通信系统和雷达通信一体化系统中。

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黄宁博男，(1986—)，博士，工程师。主要研究方向：微波光子学及光通信。

孙亨利男，(1986—)，硕士，工程师。主要研究方向：微波光子学和自由空间光通信。

Applications of Microwave Photonic Filters in Signal Processing of Satellite Communications

HUANG Ning-bo1,2,SUN Heng-li1,2,ZHANG An-xu1,2,LV Qiang1,2

(1.Key Laboratory of Aerospace Information Applications,CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China;2.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

Microwave photonics mainly discusses the interaction between microwave and lightwave,which has been used in wireless access networks,sensing networks,radar,satellite communications,instruments and modern electronic warfare.The advantages of microwave photonics include the huge bandwidth carried by the carrier,light weight,low loss and the immunity to electromagnetic interference,and these help to overcome the bottlenecks that the traditional electronic technologies have met.Therefore,it is better to explore the photonic techniques to generate,transfer and process the microwave signal.In this paper,a summary of the applications and development of microwave photonics in signal filtering is presented,followed by a simple description of the principles and structures of microwave photonic filters with positive coefficients,negative coefficients and complex coefficients.As to the microwave photonic filter with a single-bandpass,a frequency tuning range of 0～20GHz and a bandwidth of 350MHz have been achieved,which has a prospect in satellite communications and radar.

microwave photonics;signal processing;satellite communications;microwave photonic filters;optical delay module

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.09.01

2016-05-14

国家自然科学基金青年基金资助项目(61401411)。

TN29

A

1003-3106(2016)09-0001-05

引用格式：黄宁博,孙亨利,张安旭,等.微波光子滤波器在卫星通信信号处理中的应用[J].无线电工程,2016,46(9):1-5,32.