微波光子濾波器的研究進(jìn)展及其在ROF系統(tǒng)中概要

微波光子濾波器的研究進(jìn)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(gè)利用光學(xué)方法處理微波信號(hào)并實(shí)現(xiàn)濾波功能的光學(xué)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(hào)下變頻后在電路中進(jìn)行處理，相對(duì)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(hào)，利用光纖、光學(xué)鏈路、光電子器件等對(duì)信號(hào)采樣、加權(quán)、相加等處理。由于微波光子濾波器是用光學(xué)的方法處理微波信號(hào)，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(dá)到幾千兆赫茲左右，而微波光信號(hào)處理則可以達(dá)到上千億赫茲，這將給高速無(wú)線通信提供良好的基礎(chǔ)。比起傳統(tǒng)的電子濾波器，微波光子濾波器用光學(xué)的方法處理微波信號(hào)，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(shì);并且微波光子濾波器更容易實(shí)現(xiàn)可調(diào)和可重構(gòu)。這些優(yōu)點(diǎn)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(wú)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(dá)系統(tǒng)中，也可以應(yīng)用到從通用移動(dòng)通信系統(tǒng)(UMTS:universalMobileTelecommunicationsystem)到固定接入微蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的寬帶無(wú)線接入網(wǎng)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中(例如無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN:WirelessLocalAreaNetwork)、全球互操作性微波接入(WIMAx:worldInteroperabilityforMicrowaveAccess)以及局域多點(diǎn)分布服務(wù)(LMDS:LocalMultipointDistributionService)，另外，由于重量輕的特點(diǎn)，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(guò)提高微波頻率，減小微波信號(hào)的覆蓋范圍來(lái)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(wú)線技術(shù)能實(shí)現(xiàn)大容量無(wú)線射頻信號(hào)的有線傳輸和超寬帶無(wú)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(guó)外，早在1976年，wilter和VanderHeuvel第一次提出了把光纖作為色散介質(zhì)應(yīng)用在微波信號(hào)處理中，他們最早認(rèn)識(shí)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(jì)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(shí)現(xiàn)基于離散時(shí)間微波信號(hào)的光處理。在20世紀(jì)80年代，美國(guó)斯坦福大學(xué)Goodman，Shaw等人進(jìn)行了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究，集中在用單模光纖延遲線實(shí)現(xiàn)微波光子處理技術(shù)。此后，更多的抽樣元件和色散機(jī)制被應(yīng)用于微波濾波器的研究，使其能夠在更復(fù)雜的時(shí)域和頻域上進(jìn)行信號(hào)處理。20世紀(jì)80年代末，隨著光放大器、耦合器、調(diào)制器、電光開(kāi)關(guān)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(dǎo)光柵(AWG)的出現(xiàn)給全光微波信號(hào)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(hào)處理的重構(gòu)性以及可調(diào)節(jié)性。此后，D.BHunte和R.A.Minasian等人第一個(gè)提出了單光源的連續(xù)可調(diào)濾波器，實(shí)驗(yàn)中耦合器兩個(gè)不同輸入端分別連接長(zhǎng)凋啾光柵，通過(guò)調(diào)節(jié)光源的波長(zhǎng)，可以線性控制其在光柵中反射點(diǎn)，從而控制了兩個(gè)反射波的時(shí)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(dú)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)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(shí)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(guò)光纖色散介質(zhì)后形成了單個(gè)帶寬的頻率響應(yīng)。NingsiYou和RobertA.Minasian等人提出了基于負(fù)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(hào)的處理;之后，AlaynLoayssa、JoseCapmany等人又提出了基于受激布里淵散射的復(fù)系數(shù)的濾波器，使微波光子濾波器的應(yīng)用更加廣泛。JoseCapmany，BeatrizOtrega和DanielPastor等對(duì)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(shí)驗(yàn)上研究測(cè)試了其性能參數(shù)指標(biāo)。2微波光子濾波器的基本原理及分類(lèi)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(gè)部分:微波信號(hào)通過(guò)光源直接調(diào)制或光電調(diào)制器的外部調(diào)制實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換，其中光源可以使用單個(gè)連續(xù)光源或是獨(dú)立光源陣列;光學(xué)子系統(tǒng)，如光學(xué)延遲鏈路、光纖光柵、耦合器、放大器等，主要用來(lái)處理信號(hào)的采樣、加權(quán)、相加等;接收器用來(lái)接收光信號(hào)，如光電探測(cè)器，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換輸出微波信號(hào)，接收器可以是單個(gè)接收器或是陣列接收器。輸出電信號(hào)單個(gè)連續(xù)光源輸出電信號(hào)單個(gè)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(gè)探測(cè)器/探測(cè)器陣列輸入電信號(hào)輸出光的電場(chǎng)分量微波光子濾波器濾波器濾波器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(shí)上，我們希望輸入的射頻信號(hào)和輸出的射頻信號(hào)能夠通過(guò)時(shí)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(shí)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(hào)與光學(xué)系統(tǒng)中輸入的光場(chǎng)強(qiáng)度存在非線性的關(guān)系：正比于;類(lèi)似的，射頻輸出信號(hào)與光學(xué)系統(tǒng)中輸入的光強(qiáng)度也存在著非線性的關(guān)系:正比于。因此射頻輸入信號(hào)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(hào)對(duì)應(yīng)的輸入光場(chǎng)強(qiáng)度和輸出光場(chǎng)強(qiáng)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(shí)域上他們滿(mǎn)足如下關(guān)系:2.22.32.4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(shí)間信號(hào)或序列，所以可以利用z變換及傅里葉離散時(shí)間變換進(jìn)行分析例如:Z變換：2.5傅里葉離散時(shí)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(jiàn)公式2.7?？梢?jiàn)，系統(tǒng)函數(shù)可以表示成含有z的多項(xiàng)式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(duì)應(yīng)頻率1/T，稱(chēng)為濾波器的自由頻譜范圍(FSR:FreespectralRange)。如圖2.2微波光子濾波器的典型周期頻譜圖。對(duì)于微波光子濾波器，有特定的參數(shù)來(lái)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?fù)◣У囊种票仁峭ㄟ^(guò)主峰與二次旁瓣的比值(MSSR:MainToSecondarySidelobeRatio)表示的。(二)Q值對(duì)于帶通濾波器，其頻率選擇性是由其通帶的3dB帶寬決定的，我們將其稱(chēng)為全寬半高值，記作.，濾波器的選擇性用Q值來(lái)衡量，表示如下:2.8Q值與濾波器的采樣個(gè)數(shù)N有關(guān)，如果采樣個(gè)數(shù)比較多(>10)，則Q值近似于N。研究表明，當(dāng)Q值為大于3000時(shí)，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(gè)數(shù)，濾波器可以分為:有限沖激響應(yīng)(FIR:FiniteImpulseResponse)濾波器(對(duì)應(yīng)于)和無(wú)限沖激響應(yīng)(IIR:InfiniteImpulseResponse)濾波器(對(duì)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(lèi)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源微波光子濾波器(SSMPF:single-sourceMicrowavePhotonicFilters)和多光源微波光子濾波器(MSMPF:Multi-SourceMicrowavePhotonicFilters)圖2.3實(shí)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(shí)間微波信號(hào)光處理的方法實(shí)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(hào)調(diào)制后，在光學(xué)系統(tǒng)中進(jìn)行處理，通過(guò)光纖延遲等方法，被調(diào)制的信號(hào)通過(guò)各個(gè)通道產(chǎn)生不同時(shí)延，再進(jìn)行疊加;如果使用相干長(zhǎng)度很長(zhǎng)的窄線寬激光器，系統(tǒng)中的干涉現(xiàn)象非常嚴(yán)重，在一定程度上限制了FSR。要提高濾波器的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(gè)激光器都被同一個(gè)射頻信號(hào)調(diào)制后進(jìn)行延遲加權(quán)處理，每一個(gè)激光器產(chǎn)生的光信號(hào)形成一路或有限路抽頭。在第一種情況中，由于各路信號(hào)中不存在相位相關(guān)，相干時(shí)間可近似看為0，即對(duì)于最小延遲時(shí)間和最大FSR沒(méi)有限制;在第二種情況中，如果相鄰的兩信道是來(lái)自不同的激光器，則相干問(wèn)題可以避免，但來(lái)自同一個(gè)光源的兩個(gè)連續(xù)采樣時(shí)間間隔需要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光源的相干時(shí)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(shí)間的特點(diǎn)，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很寬，每一路采樣的相干長(zhǎng)度近似為0，所以對(duì)于最小延遲時(shí)間和最大FSR沒(méi)有限制。但如果延遲是使用色散器件實(shí)現(xiàn)的，每一路采樣的載波都是寬譜光源，延遲的實(shí)際時(shí)間不僅受到色散介質(zhì)的一階色散的影響，還會(huì)受到二階色散的影響，從而導(dǎo)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(jìn)行了光譜分割的處理。所以每一個(gè)抽頭實(shí)際是被分割的寬譜光源一個(gè)部分，相當(dāng)于多個(gè)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)挘到y(tǒng)對(duì)于FSR也沒(méi)有限制.2.2.1.單光源微波光子濾波器單光源光子濾波器是使用一個(gè)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為有限沖激響應(yīng)的單光源微波光子濾波器(FIR-SSMPF)和無(wú)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(chǎng)強(qiáng)度為:，其中，代表光強(qiáng)，代表光源的相位抖動(dòng)，為光源的中心頻率。光載波被射頻輸入信號(hào)調(diào)制后，可以經(jīng)過(guò)不同的延遲及加權(quán)處理。圖2.4(a)FIRSSMPF基本結(jié)構(gòu)(b)IIRSSMPF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(hào)的光載波被禍合器分成了N路，每一路進(jìn)行加權(quán)和延遲的處理，例如耦合器的第j路輸出經(jīng)過(guò)加權(quán)系數(shù)為的衰減/放大器以及(j-1)T長(zhǎng)的延遲線后，然后N路信號(hào)又通過(guò)另一個(gè)對(duì)稱(chēng)的耦合器疊加干涉成一路，用光電探測(cè)器接收后恢復(fù)出經(jīng)過(guò)不同延時(shí)和疊加處理后的射頻信號(hào)。如圖2.4(b)為無(wú)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(gè)光纖環(huán)延遲線形成的微波光子濾波器，把耦合器的一個(gè)輸出端和輸入端相連即構(gòu)成了光纖環(huán)延遲線。光信號(hào)每經(jīng)過(guò)一次環(huán)形器就產(chǎn)生T的延遲，理論上說(shuō)，光信號(hào)會(huì)無(wú)限次經(jīng)過(guò)光纖環(huán)形器，所以采樣數(shù)接近無(wú)限。上述兩種結(jié)構(gòu)中，輸出光強(qiáng)都可以表示為公式2.92.9所以光電探測(cè)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(gè)形態(tài)過(guò)程中都存在相位抖動(dòng)現(xiàn)象，那么2.11其中是光源的相干時(shí)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(hào)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(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于濾波器的延遲時(shí)間，即<<T，那么將近似于0，輸入、輸出的射頻信號(hào)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(shì)，任何的光相位的變化不會(huì)影響濾波器的脈沖響應(yīng)，如公式2.12所示。無(wú)論是在溫度改變或是外界機(jī)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(gè)明顯的缺點(diǎn):濾波器的系數(shù)總是為正。早在20世紀(jì)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(fù)系數(shù)的濾波器。另一方面，如果光源的相干時(shí)間大于濾波器的基本延遲時(shí)間，即>T，那么公式2.11可表示為:2.13所以2.10可以寫(xiě)成:2.14可以從公式上看出，輸出的射頻信號(hào)是由被調(diào)制后的射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)加權(quán)、延時(shí)、相加后得到的，合并項(xiàng)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(fù)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(gè)致命的缺點(diǎn)導(dǎo)致其實(shí)用性不強(qiáng)。2.2.2.多光源微波光子濾波器對(duì)于多光源微波光子濾波器來(lái)說(shuō)，連續(xù)激光陣列耦合后同時(shí)被射頻輸入信號(hào)調(diào)制。光源陣列可以是獨(dú)立激光器陣列、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(wú)論使用哪種類(lèi)型的多光源光信號(hào)在被射頻信號(hào)調(diào)制之前的光強(qiáng)度為:2.15其中，為光強(qiáng)。為光源的中心頻率，為第r個(gè)光源的相位抖動(dòng)。每個(gè)光源都完成對(duì)濾波器的采樣，通過(guò)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(zhǎng)的延遲時(shí)間為T(mén)。多種技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)采樣窗口。如果光源是獨(dú)立的激光陣列，那么可以通過(guò)調(diào)節(jié)每個(gè)激光器的功率來(lái)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(fù)雜，可以對(duì)光譜進(jìn)行波長(zhǎng)解復(fù)用，然后再對(duì)每路光進(jìn)行單獨(dú)的衰減、放大后合路。圖2.5說(shuō)明了兩類(lèi)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(hào)經(jīng)過(guò)加權(quán)、相加后的輸出電場(chǎng)為:2.16假設(shè)光電探測(cè)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(dòng)也可視為非相關(guān)的