鄭　月，李建強(qiáng)，呂　強(qiáng)，戴一堂，尹飛飛，徐　坤

(1.北京郵電大學(xué) 信息光子學(xué)與光通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100876；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 航天信息應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081；3.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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基于微波光子的寬帶I/Q混頻技術(shù)

鄭月1，李建強(qiáng)1，呂強(qiáng)2,3，戴一堂1，尹飛飛1，徐坤1

(1.北京郵電大學(xué) 信息光子學(xué)與光通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100876；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 航天信息應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081；3.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

針對(duì)傳統(tǒng)射頻前端在體積、重量、功耗和帶寬等方面存在的諸多限制，研究面向通用一體化射頻前端應(yīng)用的微波光子技術(shù)。簡(jiǎn)要介紹了射頻前端混頻技術(shù)，對(duì)超外差和零中頻這2種混頻方式進(jìn)行了對(duì)比分析，重點(diǎn)對(duì)混頻用到的主要微波光子技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，并引入軟件無(wú)線電的概念，提出了基于微波光子的寬帶I/Q混頻技術(shù)。該技術(shù)利用光的寬帶處理能力，可以支持L波段至Ka波段任一頻段的寬帶信號(hào)解調(diào)，該混頻裝置兼容軟件無(wú)線電平臺(tái)。

微波光子；零中頻；I/Q混頻；射頻前端

0　引言

隨著通信系統(tǒng)容量需求及未來(lái)業(yè)務(wù)的不斷擴(kuò)展[1]，射頻前端需具備處理高頻率、多頻段寬帶信號(hào)的收發(fā)能力以及通用化、靈活可重配置能力，因此提出一體化射頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)想。混頻器作為射頻前端的重要組成部分，需要支持多個(gè)頻段寬帶信號(hào)的頻率變換。為實(shí)現(xiàn)超寬帶的模擬信號(hào)處理，射頻前端需配置多種頻段的混頻模塊。為獲得較高的性能指標(biāo)，需要進(jìn)行多級(jí)變頻和濾波處理，導(dǎo)致整個(gè)模塊復(fù)雜度增加。

通過(guò)引入微波光子技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的混頻，有著帶寬高、抗電磁干擾、并行處理能力強(qiáng)等諸多優(yōu)勢(shì)[2]。另一方面，I/Q混頻采用零中頻結(jié)構(gòu)，只需一級(jí)變頻，比超外差結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單、集成度高，無(wú)需考慮鏡頻干擾。同時(shí)，軟件無(wú)線電(SDR)平臺(tái)可供用戶根據(jù)需求對(duì)混頻器進(jìn)行靈活配置。因此兼容軟件無(wú)線電平臺(tái)的微波光子寬帶I/Q混頻技術(shù)在射頻前端一體化中具有巨大的潛力和優(yōu)勢(shì)。

1　微波光子I/Q混頻技術(shù)

1.1I/Q混頻

目前接收機(jī)根據(jù)混頻方式的不同，主要分為超外差接收機(jī)和零中頻接收機(jī)2種。超外差接收機(jī)的結(jié)構(gòu)中需要采用多級(jí)混頻，而零中頻接收機(jī)的結(jié)構(gòu)中，混頻器將信號(hào)直接IQ解調(diào)到基帶。超外差接收機(jī)中二級(jí)變頻帶來(lái)的最大問(wèn)題是鏡頻干擾，鏡像抑制技術(shù)也無(wú)法將這種干擾完全抑制，而零中頻接收機(jī)中的這種I/Q混頻方式則不會(huì)出現(xiàn)鏡頻干擾問(wèn)題，只需要一級(jí)混頻設(shè)備，體積、功耗比起超外差接收機(jī)都有較大的優(yōu)勢(shì)，可以說(shuō)是目前集成度最高的一種接收機(jī)[3]。

然而傳統(tǒng)微波領(lǐng)域的I/Q混頻技術(shù)受限于電子特性，如果到了高頻段，零中頻接收機(jī)的設(shè)計(jì)將變得非常復(fù)雜、困難。因?yàn)殡S著頻率提高，IQ解調(diào)所用到的本振很難做到正交，因而無(wú)法處理高頻段的寬帶射頻信號(hào)[5]。隨著通信系統(tǒng)功能、業(yè)務(wù)和頻段的不斷增加，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸和處理的數(shù)量也在迅速增長(zhǎng)，如果還使用傳統(tǒng)的微波技術(shù)，則需要大量不同的射頻前端，無(wú)法重配置，升級(jí)困難。同時(shí)，在系統(tǒng)性能上，基于純微波技術(shù)的I/Q混頻器還會(huì)出現(xiàn)以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：

① 本振泄漏。本振信號(hào)輻到射頻輸入端會(huì)和自身混頻產(chǎn)生直流，隨本振的泄漏程度而改變，難以估計(jì)和消除。

② 閃爍噪聲。由介質(zhì)導(dǎo)電性能的起伏引起，是半導(dǎo)體器件固有的缺陷。

③ 由上下2路不一致引起的IQ失配和偶次失真等問(wèn)題[4]。而利用光纖的高隔離度可以解決傳統(tǒng)微波領(lǐng)域I/Q混頻技術(shù)中的本振泄漏等問(wèn)題，讓混頻鏈路較少地受到電子限制及干擾，在光上實(shí)現(xiàn)IQ解調(diào)還不受頻率的限制，IQ失配和偶次失真不會(huì)隨著射頻頻率提高而明顯增加，是一種具有天然優(yōu)勢(shì)的解決方案。

1.2電光調(diào)制

要借助光來(lái)解決混頻問(wèn)題，首先要將微波信號(hào)調(diào)制到光載波上。電光調(diào)制主要分為直接調(diào)制和外調(diào)制，外調(diào)制具有更高的調(diào)制效率和動(dòng)態(tài)范圍。電光外調(diào)制器已經(jīng)做到上百吉的帶寬，能夠?qū)崿F(xiàn)多波段的寬帶信號(hào)的電光調(diào)制，對(duì)寬帶微波光子混頻具有重要支持作用。電光外調(diào)制器主要有相位調(diào)制器和幅度調(diào)制的馬赫-曾德爾調(diào)制器。相位調(diào)制器使用起來(lái)簡(jiǎn)單，只需將微波信號(hào)加在調(diào)制器上，缺點(diǎn)是只有一種工作方式，載波功率大于邊帶功率，難以濾除。實(shí)驗(yàn)證明當(dāng)采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)時(shí)，上下2路時(shí)延差的變化會(huì)使2路光載波產(chǎn)生一定的相差，加上鏈路中時(shí)變相噪的影響，導(dǎo)致干涉現(xiàn)象的產(chǎn)生，其結(jié)果是拍頻后所得信號(hào)的功率值會(huì)大幅度抖動(dòng)，難以獲得穩(wěn)定的信號(hào)。馬赫-曾德爾調(diào)制器通過(guò)控制加在兩臂上的信號(hào)和直流偏置，可以工作在雙邊帶、單邊帶和抑制載波雙邊帶這3種模式下[6]，要穩(wěn)定在單邊帶或抑制載波模式都需要一個(gè)偏置電路控制，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且偏置電路會(huì)引入一些雜散分量。而帶來(lái)的好處是當(dāng)設(shè)置在抑制載波雙邊帶模式時(shí)，理想情況下光譜上至剩下2個(gè)信號(hào)的邊帶，不再需要濾除光載波，同時(shí)2個(gè)邊帶的頻率間隔為微波信號(hào)頻率的2倍，這就大大降低了對(duì)濾波器的要求，同時(shí)也提高了隔離度。

1.3光濾波

電光調(diào)制后會(huì)出現(xiàn)2個(gè)或多個(gè)信號(hào)邊帶，光載波也不能完全抑制，為了讓進(jìn)入光電探測(cè)的光信號(hào)盡可能“純凈”，減少雜散分量，可以使用光濾波器。又為了實(shí)現(xiàn)寬帶信號(hào)在各個(gè)頻段的處理，希望光上的濾波器在多個(gè)頻段間可以調(diào)節(jié)?？烧{(diào)光纖濾波器有光纖布拉格光柵(FBG)濾波器、 F-P 濾波器、聲光濾波器和電光濾波器等。其中FBG 濾波器是一種在線反射式光無(wú)源器件，其纖芯中折射率按周期性分布，通過(guò)增加光纖光柵的長(zhǎng)度可以提高光譜的選擇性，減少3 dB帶寬[7]。因此這種濾波方式具有較低插損，對(duì)偏振不敏感，方便與普通光纖接鏈接，并且光譜上的帶寬和頻率可以動(dòng)態(tài)控制，利于實(shí)現(xiàn)對(duì)不同頻段調(diào)制到光上邊帶的濾出。目前的FBG濾波器已經(jīng)可以做到1G帶寬、帶外抑制30 dB。傳統(tǒng)微波濾波器的制作中頻率和帶寬是主要的矛盾，而FBG濾波器的使用使得這一矛盾得以克服，在大范圍的頻率范圍內(nèi)都可以達(dá)到相同的窄帶濾波性能。窄帶可調(diào)諧光上濾波的實(shí)現(xiàn)使混頻裝置得以通用和可重配置。

1.4光電檢測(cè)

光上處理完成后需要轉(zhuǎn)換成電信號(hào)得到混頻輸出。光電檢測(cè)利用的是光電效應(yīng)，一般通過(guò)PN結(jié)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。常用光電檢測(cè)器的有光電二極管(PD)和雪崩光電二極管(APD)。光生電流的大小和入射光功率成正比，比值為光電轉(zhuǎn)換效率，常用響應(yīng)度來(lái)衡量，響應(yīng)度越大輸出電信號(hào)功率的增益越大[8]。由于光電流與入射光功率成正比，光上功率的增長(zhǎng)可以帶來(lái)電上功率的雙倍增長(zhǎng)。因此在光電探測(cè)前使用光放大技術(shù)可以極大提高探測(cè)輸出電信號(hào)的增益，也提高了鏈路的增益指標(biāo)。

1.5軟件無(wú)線電

軟件無(wú)線電技術(shù)使用現(xiàn)代化軟件來(lái)控制傳統(tǒng)的硬件電路的無(wú)線通信，許多功能由軟件實(shí)現(xiàn)，是軟件化、計(jì)算密集型的操作形式。而基于軟件無(wú)線電的通信系統(tǒng)不僅可以充分利用射頻信號(hào)中的大量信息，評(píng)估傳輸質(zhì)量，分析信道特點(diǎn)，實(shí)時(shí)采用最佳接入模式，靈活分配無(wú)線資源，還可以通過(guò)軟件對(duì)通信系統(tǒng)實(shí)施遠(yuǎn)程控制，切換通信模式、修改系統(tǒng)配置、完成系統(tǒng)升級(jí)，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)管理和優(yōu)化，為系統(tǒng)規(guī)劃和網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化提供更有效的手段[9]。

2　基于微波光子的寬帶通用I/Q混頻方案

總體I/Q混頻技術(shù)方案如圖1所示，主要包括：激光產(chǎn)生、電光調(diào)制及光上處理、光電探測(cè)及電上處理3個(gè)部分，光上的處理包括移相、耦合和交換等，可以產(chǎn)生相差90°的光載本振信號(hào)，實(shí)現(xiàn)零中頻的混頻過(guò)程。

圖1　兼容軟件無(wú)線電平臺(tái)的微波光子寬帶I/Q混頻方案

整個(gè)系統(tǒng)的輸入為需要進(jìn)行混頻的微波信號(hào)，輸出為經(jīng)過(guò)混頻的IQ解調(diào)信號(hào)。方案中，利用激光源產(chǎn)生一定頻率的激光，將激光分成并行的2路，2路都經(jīng)過(guò)一個(gè)電光調(diào)制及光上處理模塊，其中一路的射頻端口輸入本振信號(hào)，另一路的射頻端口輸入需要進(jìn)行混頻的微波信號(hào)，電光調(diào)制器將本振信號(hào)和系統(tǒng)輸入的微波信號(hào)分別調(diào)制到并行的2路上。在光上對(duì)調(diào)制產(chǎn)生的各分量進(jìn)行處理，盡量?jī)H保留需要的信號(hào)邊帶而對(duì)其他分量進(jìn)行抑制。接下來(lái)，并行2路處理后的光信號(hào)同時(shí)進(jìn)入電光探測(cè)模塊，通過(guò)對(duì)2路的移相、耦合等操作，讓光上加載的輸入微波信號(hào)和本振信號(hào)拍頻，最終完成混頻過(guò)程，輸出所需的變頻信號(hào)。輸入的微波信號(hào)可以是射頻信號(hào)，混頻實(shí)現(xiàn)IQ解調(diào)；輸入的微波信號(hào)也可以是基頻的2路信號(hào)，混頻實(shí)現(xiàn)高頻的IQ調(diào)制。

在I/Q混頻中應(yīng)用微波光子技術(shù)，利用光的高頻寬帶特性及日益成熟的電光調(diào)制和光上濾波等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)任意頻段到任意頻段寬帶信號(hào)的頻率變換，同時(shí)可以兼容軟件無(wú)線電平臺(tái)，大大增強(qiáng)了射頻前端的通用性。在兼容軟件無(wú)線電平臺(tái)的微波光子I/Q混頻器中，管理者可以在遠(yuǎn)程通過(guò)軟件修改其中的本振頻率、濾波頻率和帶寬，以適應(yīng)不同頻段的頻率變換。同時(shí)當(dāng)硬件滿足通用條件，即可以支持寬帶、多頻段時(shí)，軟件無(wú)線電系統(tǒng)還可以利用A/D/A轉(zhuǎn)換器件實(shí)現(xiàn)模擬和數(shù)字的轉(zhuǎn)換，對(duì)解調(diào)下來(lái)的I/Q兩路數(shù)據(jù)在數(shù)字域進(jìn)行信號(hào)處理[10]，恢復(fù)出原始信號(hào)。利用微波光子實(shí)現(xiàn)的I/Q混頻，使得信號(hào)被直接解調(diào)至基帶，對(duì)A/D/A轉(zhuǎn)換器件的要求也有所降低。一方面，混頻裝置的通用化為軟件無(wú)線電控制提供了基礎(chǔ)和平臺(tái)，另一方面，軟件無(wú)線電的應(yīng)用又為混頻裝置提供了可遠(yuǎn)程控制可重配置的功能，二者相輔相成相得益彰。

總之，零中頻的混頻方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積功耗較小。基于微波光子的I/Q混頻裝置，具有大帶寬、高頻率、高電磁隔離和高動(dòng)態(tài)范圍的特點(diǎn)。借助軟件無(wú)線電平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)混頻裝置的靈活配置，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)。

3　仿真結(jié)果

使用VPItransmissionMaker根據(jù)上述變頻方案進(jìn)行仿真，輸入光功率設(shè)置為100 mW，在光電探測(cè)后使用20 dB的電放大器，測(cè)量混頻方案的鏈路性能及系統(tǒng)性能。在微波輸入端輸入單載波信號(hào)，測(cè)量得到鏈路增益(G)為-27 dB，噪聲系數(shù)(NF)為40 dB。在微波輸入端輸入雙音信號(hào)，輸出的一階及三階分量擬合如圖2所示，噪聲主要由激光器和探測(cè)器引入，噪底測(cè)得-161 dBm/Hz，SFDR計(jì)算結(jié)果為118 dB·Hz2/3。隨著輸入微波信號(hào)的頻率在0～40 GHz改變，以上測(cè)量指標(biāo)的波動(dòng)在0.5 dB以內(nèi)。在微波輸入端輸入QPSK信號(hào)，輸出的I/Q兩路進(jìn)行信號(hào)恢復(fù)得到星座圖如圖3所示。

圖2　混頻鏈路的SFDR

圖3 混頻輸出的QPSK信號(hào)星座

EVM測(cè)量值為5.0%。隨著輸入QPSK信號(hào)的頻率在0～40 GHz改變，EVM的波動(dòng)在0.3%以內(nèi)。

仿真結(jié)果顯示了微波光子技術(shù)在I/Q混頻中的優(yōu)勢(shì)，能夠適應(yīng)多個(gè)頻段調(diào)制信號(hào)的直接下變換，鏈路性能不會(huì)隨著頻率的增高而改變。同時(shí)結(jié)果也證明了微波光子混頻在動(dòng)態(tài)范圍上的巨大優(yōu)勢(shì)。由于微波光子器件的無(wú)源特性，實(shí)現(xiàn)的混頻裝置目前還存在著變頻增益較小等問(wèn)題。下一步的研究也需要進(jìn)一步提高混頻鏈路的性能。

4　結(jié)束語(yǔ)

面對(duì)通信系統(tǒng)中面臨的射頻前端冗余、固定、體積功耗過(guò)大、系統(tǒng)難以擴(kuò)展和升級(jí)困難等問(wèn)題，亟需尋找一種靈活、可重配置的射頻前端解決方案，尤其是占主要地位的混頻裝置。為了突破傳統(tǒng)微波混頻方案中的電子瓶頸，引入微波光子技術(shù)，應(yīng)用到在體積功耗、集成度上都占優(yōu)勢(shì)的I/Q混頻當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)至高頻任意頻段寬帶信號(hào)的直接IQ解調(diào)，可以使整個(gè)混頻裝置更通用，讓軟件無(wú)線電技術(shù)的應(yīng)用成為可能。結(jié)合軟件無(wú)線電技術(shù)，可以使射頻前端中的混頻裝置極大程度地增加靈活性、通用性，使遠(yuǎn)程配置和升級(jí)成為可能。兼容軟件無(wú)線電的微波光子混頻技術(shù)是未來(lái)潮流，是射頻前端一體化的必然趨勢(shì)。

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鄭月女，(1992—)，碩士研究生，信息與通信工程專業(yè)。主要研究方向：微波光子混頻技術(shù)。

李建強(qiáng)男，(1983—)，博士，副教授。主要研究方向：微波光子學(xué)在光纖無(wú)線融合、天地一體化網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)等。

Broadband I/Q Mixer Based on Microwave Photonics

ZHENG Yue1，LI Jian-qiang1，LV Qiang2,3，DAI Yi-tang1，YIN Fei-fei1，XU Kun1

(1.State Key Laboratory of Information Photonics and Optical Communications,BUPT,Beijing 100876,China;2.KeyLaboratoryofAerospaceInformationApplications,CETC,ShijiazhuangHebei050081,China；3.The54thResearchInstitute,CETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

As conventional RF front-ends suffer from limitations in size,weight,power and bandwidth,microwave photonic techniques are investigated for universal integrated RF front-ends in this paper.First,frequency mixing techniques is introduced for RF front-ends in superheterodyne and zero-IF receivers,respectively.Second,several microwave photonic mixing techniques are presented.Finally,a broadband I/Q mixer based on microwave photonics is proposed for software defined radio.The proposed mixer is capable of demodulating RF signals in multiple bands from L to Ka,and thereby is compatible to software defined radio concept.

microwave photonics;zero-IF;I/Q mixer;RF front-end

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.09.05

2016-05-21

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61431003，6302086,61401411)；中國(guó)電子科技集團(tuán)公司創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目；中國(guó)電子科技集團(tuán)公司航天信息應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題資助項(xiàng)目。

TN856

A

1003-3106(2016)09-0020-04

引用格式：鄭月,李建強(qiáng),呂強(qiáng),等.基于微波光子的寬帶I/Q混頻技術(shù)[J].無(wú)線電工程,2016,46(9):20-23.