微波光子濾波器的研究進展及其在ROF系統(tǒng)中的應(yīng)用論文

1、微波光子濾波器的研究進展及其在ROF系統(tǒng)中的應(yīng)用1微波光子濾波器概述1.1微波光子濾波器的發(fā)展及應(yīng)用微波光子濾波器是一個利用光學方法處理微波信號并實現(xiàn)濾波功能的光學子系統(tǒng)。傳統(tǒng)電子技術(shù)的濾波技術(shù)是直接將射頻信號下變頻后在電路中進行處理，相對缺少靈活性，系統(tǒng)易受電磁波的干擾;受到頻帶及采樣頻率等電子瓶頸的限制。而微波光子濾波技術(shù)是在光域上處理載有的電信號，利用光纖、光學鏈路、光電子器件等對信號采樣、加權(quán)、相加等處理。由于微波光子濾波器是用光學的方法處理微波信號，它可以克服傳統(tǒng)的電濾波器的“電子”瓶頸。傳統(tǒng)的采樣頻率最高只能達到幾千兆赫茲左右，而微波光信號處理則可以達到上千億赫茲，這將給高速無線通

2、信提供良好的基礎(chǔ)。比起傳統(tǒng)的電子濾波器，微波光子濾波器用光學的方法處理微波信號，這種方法利用了光纖延遲線損耗小、抗電磁干擾、體積小、重量輕、能提供較寬的工作帶寬和高速的取樣頻率等優(yōu)勢;并且微波光子濾波器更容易實現(xiàn)可調(diào)和可重構(gòu)。這些優(yōu)點使得微波光子濾波器的應(yīng)用非常廣泛。微波光子濾波器可以在現(xiàn)代高速光纖無線接入網(wǎng)中得到廣泛的應(yīng)用。既可以應(yīng)用到地面雷達系統(tǒng)中，也可以應(yīng)用到從通用移動通信系統(tǒng)(UMTS: universal Mobile Telecommunication system)到固定接入微蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的寬帶無線接入網(wǎng)及相關(guān)標準中(例如無線局域網(wǎng)(WLAN: Wireless Local Are

3、a Network)、全球互操作性微波接入(WIMAx: world Interoperability for Microwave Access) 以及局域多點分布服務(wù)(LMDS: Local Multipoint Distribution Service)，另外，由于重量輕的特點，微波光子濾波器的在數(shù)字衛(wèi)星通信系統(tǒng)中也有廣泛的應(yīng)用。這些技術(shù)都希望通過提高微波頻率，減小微波信號的覆蓋范圍來提高傳輸?shù)男诺廊萘浚肦OF系統(tǒng)技術(shù)提高系統(tǒng)的傳輸容量，它利用寬帶光纖無線技術(shù)能實現(xiàn)大容量無線射頻信號的有線傳輸和超寬帶無線接入。1.2微波光子濾波器的研究現(xiàn)狀微波光子濾波器的研究興起于國外，早在1976

4、年，wilter和Vander Heuvel第一次提出了把光纖作為色散介質(zhì)應(yīng)用在微波信號處理中，他們最早認識到光纖的低損耗和大帶寬的特性使其在寬帶延遲線方面有廣闊的前景。在20世紀70年代，一些研究人員如C.Chang，H.F.Taylor:等人致力于研究如何用利用多模光纖實現(xiàn)基于離散時間微波信號的光處理。在20世紀80年代，美國斯坦福大學Goodman，Shaw等人進行了大量的理論和實驗研究，集中在用單模光纖延遲線實現(xiàn)微波光子處理技術(shù)。此后，更多的抽樣元件和色散機制被應(yīng)用于微波濾波器的研究，使其能夠在更復雜的時域和頻域上進行信號處理。20世紀80年代末，隨著光放大器、耦合器、調(diào)制器、電光開關(guān)

5、等光電器件的發(fā)展，微波光子處理的方法更加靈活，但是大多數(shù)研究仍然是集中在光纖的延遲線基礎(chǔ)上。然而，光纖布拉格光柵(FBG)和陣列波導光柵(AWG)的出現(xiàn)給全光微波信號處理的應(yīng)用提供了更為廣闊的前景，提高了微波光子信號處理的重構(gòu)性以及可調(diào)節(jié)性。此后，D.B Hunte和R.A.Minasian等人第一個提出了單光源的連續(xù)可調(diào)濾波器，實驗中耦合器兩個不同輸入端分別連接長凋啾光柵，通過調(diào)節(jié)光源的波長，可以線性控制其在光柵中反射點，從而控制了兩個反射波的時間延遲。2001年J.Mora等人研究了基于陣列激光器的多光源微波光子濾波器，它可以快速而獨立的重構(gòu)和調(diào)節(jié)濾波器，但是成本太高;而將光纖光柵(FBG

6、)應(yīng)用在基于光源切片的微波光子濾波器的方法不僅可以降低成本，而且使得濾波器具有更多的靈活性;由于微波光子濾波器頻率響應(yīng)的周期性使得它的實際應(yīng)用受到了一定的限制，2005年，J.Capmany和J.Mora等人研究了單頻響應(yīng)的微波光子濾波器，文章中利用光纖馬赫一曾德干涉儀分割寬帶光源的頻譜，經(jīng)過光纖色散介質(zhì)后形成了單個帶寬的頻率響應(yīng)。Ningsi You和Robert A.Minasian等人提出了基于負系數(shù)的低通微波光子濾波器，可以更好的應(yīng)用于基帶信號的處理;之后，Alayn Loayssa、Jose Capmany等人又提出了基于受激布里淵散射的復系數(shù)的濾波器，使微波光子濾波器的應(yīng)用更加廣泛

7、。Jose Capmany，Beatriz Otrega和Daniel Pastor等對微波光子濾波器作了比較系統(tǒng)的綜合研究，不僅從理論上分析了微波光子濾波器的原理，還從實驗上研究測試了其性能參數(shù)指標。2微波光子濾波器的基本原理及分類2.1微波光子濾波器的基本原理如圖2.1所示，微波光子濾波器可分為三個部分:微波信號通過光源直接調(diào)制或光電調(diào)制器的外部調(diào)制實現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換，其中光源可以使用單個連續(xù)光源或是獨立光源陣列;光學子系統(tǒng)，如光學延遲鏈路、光纖光柵、耦合器、放大器等，主要用來處理信號的采樣、加權(quán)、相加等;接收器用來接收光信號，如光電探測器，進行光電轉(zhuǎn)換輸出微波信號，接收器可以是單個接收器或是陣

8、列接收器。輸出電信號單個連續(xù)光 源 /連續(xù)光源陣 列調(diào)制器光器件子系統(tǒng)（光纖延遲線，光耦合器，光纖光柵，光放大器等）單個探測器/探測器陣列輸入電信號輸出光的電場分量微波光子濾波器濾波器0T2T3TNTh(0)h(1)h(2)h(3)h(N)圖2.1 微波光子濾波器的基本結(jié)構(gòu)圖2.1下方的圖表示微波光子濾波器的理論模型。事實上，我們希望輸入的射頻信號和輸出的射頻信號能夠通過時域上的脈沖響應(yīng)h(t)或是頻率響應(yīng)建立一種線性關(guān)系。但實際上，這種線性關(guān)系只存在于特殊情中。首先，射頻輸入信號與光學系統(tǒng)中輸入的光場強度存在非線性的關(guān)系：正比于;類似的，射頻輸出信號與光學系統(tǒng)中輸入的光強度也存在著非線性的關(guān)

9、系: 正比于。因此射頻輸入信號與在一般情況下并不能符合線性關(guān)系。根據(jù)麥克斯方程的線性特征，我們只能確定射頻信號對應(yīng)的輸入光場強度和輸出光場強度之間保持線性關(guān)系，這種線性關(guān)系可以表示為如下: 2.1其中，為光域上的傳輸函數(shù)。如果我們假設(shè)與之間的線性關(guān)系存在，那么在時域上他們滿足如下關(guān)系: 2.2 2.3 2.4其中，N為脈沖響應(yīng)序列中的采樣數(shù)。由公式2.4可知，h(t)可以看作離散時間信號或序列，所以可以利用z變換及傅里葉離散時間變換進行分析例如:Z變換： 2.5傅里葉離散時間變換 2.6微波光子濾波器可以用系統(tǒng)差分方程以及相關(guān)的系統(tǒng)函數(shù)表示，見公式2.7?？梢?，系統(tǒng)函數(shù)可以表示成含有z的多項式

10、N(z)和D(z)的比值，方程的根則為濾波器的零值和極值。濾波器的零值和極值決定了濾波器的模及相位響應(yīng)。 2.7由公式2.5及2.6，濾波器的傳輸函數(shù)在頻域上具有周期性，對應(yīng)頻率1/T，稱為濾波器的自由頻譜范圍(FSR: Free spectral Range)。如圖2.2微波光子濾波器的典型周期頻譜圖。對于微波光子濾波器，有特定的參數(shù)來定義它的相關(guān)性能，下面是一些具體的參數(shù):(一)MSSR濾波器的非相鄰通帶的抑制比是通過主峰與二次旁瓣的比值(MSSR: Main To Secondary Side lobe Ratio)表示的。(二)Q值對于帶通濾波器，其頻率選擇性是由其通帶的3dB帶寬決定

11、的，我們將其稱為全寬半高值，記作.，濾波器的選擇性用Q值來衡量，表示如下: 2.8Q值與濾波器的采樣個數(shù)N有關(guān)，如果采樣個數(shù)比較多(>10)，則Q值近似于N。研究表明，當Q值為大于3000時，可以形成單響應(yīng)微波光子濾波器。(三)FIR及IIR根據(jù)脈沖響應(yīng)序列中的采樣數(shù)N的個數(shù)，濾波器可以分為:有限沖激響應(yīng)(FIR: Finite Impulse Response)濾波器(對應(yīng)于)和無限沖激響應(yīng)(IIR: Infinite Impulse Response)濾波器(對應(yīng)于)。圖2.2 微波光子濾波器的典型周期頻譜圖2.2微波光子濾波器的分類按照使用光源數(shù)目的不同，微波光子濾波器可以分為單光

12、源微波光子濾波器(SSMPF: single-source Microwave Photonic Filters)和多光源微波光子濾波器(MSMPF: Multi-Source Microwave Photonic Filters)圖2.3 實現(xiàn)非相干微波光子濾波器的四種可能方法圖2.3列出了用非相干離散時間微波信號光處理的方法實現(xiàn)微波光子濾波器的四種可能的方法。(a)中使用了單光源產(chǎn)生微波光子濾波器，信號調(diào)制后，在光學系統(tǒng)中進行處理，通過光纖延遲等方法，被調(diào)制的信號通過各個通道產(chǎn)生不同時延，再進行疊加;如果使用相干長度很長的窄線寬激光器，系統(tǒng)中的干涉現(xiàn)象非常嚴重，在一定程度上限制了FSR。要

13、提高濾波器的FSR，可以使用有一定線寬的單模激光器，如分布反饋式激光器DFB。另一種提高FSR的方法如(b)，使用激光器陣列，每個激光器都被同一個射頻信號調(diào)制后進行延遲加權(quán)處理，每一個激光器產(chǎn)生的光信號形成一路或有限路抽頭。在第一種情況中，由于各路信號中不存在相位相關(guān)，相干時間可近似看為0，即對于最小延遲時間和最大FSR沒有限制;在第二種情況中，如果相鄰的兩信道是來自不同的激光器，則相干問題可以避免，但來自同一個光源的兩個連續(xù)采樣時間間隔需要遠遠大于光源的相干時間。(C)中是利用寬譜光源構(gòu)成微波光子濾波器:寬譜光源具有低相干時間的特點，每一路載波都具有寬譜光源的全部光譜成分。由于寬譜光源的線寬

14、很寬，每一路采樣的相干長度近似為0，所以對于最小延遲時間和最大FSR沒有限制。但如果延遲是使用色散器件實現(xiàn)的，每一路采樣的載波都是寬譜光源，延遲的實際時間不僅受到色散介質(zhì)的一階色散的影響，還會受到二階色散的影響，從而導致濾波器的傳輸函數(shù)上出現(xiàn)低通包絡(luò)，影響濾波器的性能。(d)圖中，也使用的是寬帶光譜，和(C)不同的是，此寬帶光源進行了光譜分割的處理。所以每一個抽頭實際是被分割的寬譜光源一個部分，相當于多個子光源產(chǎn)生的微波光子濾波器。如果寬譜光源光譜足夠?qū)?，系統(tǒng)對于FSR也沒有限制.單光源微波光子濾波器單光源光子濾波器是使用一個光源形成的微波光子濾波器。根據(jù)采樣數(shù)的不同，單光源光子濾波器又可以分

15、為有限沖激響應(yīng)的單光源微波光子濾波器(FIR-SSMPF)和無限沖激響應(yīng)的單光源微波光子濾波器(IIR-SSMPF)，如圖2.4所示。光源輸出的光場強度為:，其中，代表光強，代表光源的相位抖動，為光源的中心頻率。光載波被射頻輸入信號調(diào)制后，可以經(jīng)過不同的延遲及加權(quán)處理。圖2.4 (a)FIR SSMPF基本結(jié)構(gòu) (b)IIR SSMPF基本結(jié)構(gòu)如圖2.4（a）是有限沖激響應(yīng)的單光源微波光子濾波器，帶有射頻信號的光載波被禍合器分成了N路，每一路進行加權(quán)和延遲的處理，例如耦合器的第j路輸出經(jīng)過加權(quán)系數(shù)為的衰減/放大器以及(j-1)T長的延遲線后，然后N路信號又通過另一個對稱的耦合器疊加干涉成一路，

16、用光電探測器接收后恢復出經(jīng)過不同延時和疊加處理后的射頻信號。如圖2.4(b)為無限沖激響應(yīng)的單光源微波光子濾波器。如圖2.4(b)的結(jié)構(gòu)是基于單個光纖環(huán)延遲線形成的微波光子濾波器，把耦合器的一個輸出端和輸入端相連即構(gòu)成了光纖環(huán)延遲線。光信號每經(jīng)過一次環(huán)形器就產(chǎn)生T的延遲，理論上說，光信號會無限次經(jīng)過光纖環(huán)形器，所以采樣數(shù)接近無限。上述兩種結(jié)構(gòu)中，輸出光強都可以表示為公式2.9 2.9所以光電探測器的電流可以表示為: 2.10表示光源的相干性，我們假設(shè)光源的各個形態(tài)過程中都存在相位抖動現(xiàn)象，那么 2.11其中是光源的相干時間，它和連續(xù)光源的線寬v成反比。由公式2.10可以看出，輸出電流由兩部分組

17、成:非相干部分和相干部分非相干部分中，輸出的電流是和輸入的射頻信號成線性關(guān)系的，而相干部分中，這種線性關(guān)系取決于光源的相干性。如果光源的相干時間遠遠小于濾波器的延遲時間，即<<T，那么將近似于0，輸入、輸出的射頻信號之間則存在線性關(guān)系: 2.12這種濾波器叫做非相干濾波器。非相干濾波器有很多優(yōu)勢，任何的光相位的變化不會影響濾波器的脈沖響應(yīng)，如公式2.12所示。無論是在溫度改變或是外界機械(壓力)影響下，濾波器響應(yīng)都能保持穩(wěn)定性。但是它也有一個明顯的缺點:濾波器的系數(shù)總是為正。早在20世紀80年代，Goodman、Moslehi等人研究證明，由于正系數(shù)的濾波器在基帶處總是存在響應(yīng)，使

18、其頻率選擇性受到了限制。但是，隨著技術(shù)的發(fā)展，這種局限性已經(jīng)被突破，研究人員已經(jīng)研究出非相干的條件負系數(shù)的濾波器。另一方面，如果光源的相干時間大于濾波器的基本延遲時間，即>T，那么公式2.11可表示為: 2.13所以2.10可以寫成: 2.14可以從公式上看出，輸出的射頻信號是由被調(diào)制后的射頻信號經(jīng)過加權(quán)、延時、相加后得到的，合并項很容易受到光源相位變化的影響。雖然相干濾波器最終可以得到負的總加權(quán)系數(shù)，但是濾波器的性能將大大受到環(huán)境的影響，這個致命的缺點導致其實用性不強。.多光源微波光子濾波器對于多光源微波光子濾波器來說，連續(xù)激光陣列耦合后同時被射頻輸入信號調(diào)制。光源陣列可以是獨立激光器

19、陣列、低成本的法布里珀羅激光器、或者是寬帶光源被周期濾波器分割后的梳狀陣列等。無論使用哪種類型的多光源光信號在被射頻信號調(diào)制之前的光強度為: 2.15其中，為光強。為光源的中心頻率，為第r個光源的相位抖動。每個光源都完成對濾波器的采樣，通過色散延遲線，如色散光纖、線性啁啾布拉格光纖光柵等形成采樣，使得光源陣列的相鄰波長的延遲時間為T。多種技術(shù)可以實現(xiàn)采樣窗口。如果光源是獨立的激光陣列，那么可以通過調(diào)節(jié)每個激光器的功率來調(diào)節(jié)采樣窗口;如果光源是基于寬帶光譜分割的，那么就比較復雜，可以對光譜進行波長解復用，然后再對每路光進行單獨的衰減、放大后合路。圖2.5說明了兩類不同的多光源微波光子濾波器。圖2.5 (a)基于激光陣列的MSMPF;(b)基于寬帶光源光譜分割的MSMPF多路信號經(jīng)過加權(quán)、相加后的輸出電場為: 2.16假設(shè)光電探測器的響應(yīng)度為r，則其輸出電流可以表示為 2.17由于不同光源之間通常是非相關(guān)的，其相位抖動也可視為非相關(guān)的，所以公式2.17的第二項可以看為0。在這種情況下，輸入射頻信號和輸出射頻信號之間呈線性關(guān)系。3微波光子濾波器在