一种基于并联MZM循环频移环路的多载频信号生成方法①

蒋 炜，谭庆贵，张 武，龚静文，李小军

(中国空间技术研究院西安分院 空间微波技术国家级重点实验室，西安 710000)

0 引言

随着卫星通信技术的发展，卫星通信频段覆盖的范围也越来越宽。早期卫星通信所使用的频段多为C频段，随后向下拓展至L频段和S频段，向上又拓展到Ku频段和Ka频段甚至V频段，卫星通信正向多功能并存、多频段并存、多带宽并存、多通道并存的方向发展。卫星通信频段的扩展及通信业务的增加要求构建多频段一体化射频前端，实现不同频段、不同带宽、不同通信方式的有机结合和多业务通用化处理。当前的射频前端主要用传统的微波技术实现本振信号生成馈送及变频，其电子技术瓶颈使得射频前端多本振信号生成馈送及大动态变频能力受限，无法满足多频段一体化射频前端应用需求，微波光子一体化射频前端则可以很好的解决现有卫星射频前端面临的问题，成为当前卫星通信一种潜在的技术手段。在微波光子一体化射频前端中，本振源作为不可或缺的模块，为射频前端中的参考源、发射部分、接收部分等提供频率参考。为满足微波光子一体化射频前端的多频段、多业务通用化处理需求，需同时提供多个载频信号作为参考，且这些载频信号具有较好的幅度一致性，这无疑对多载频、高平坦度、高边带抑制比和频率灵活可调的多载频本振源提出了挑战。

当前采用光频梳作为多载频信号生成的主流方法包括锁模激光器、电光调制器级联及循环频移环路三种。其中，基于锁模激光器的方法[1]可生成大带宽的多个频梳，但调谐范围有限，稳定性差；基于电光调制器级联的光频梳生成方法结构简单、调谐灵活、稳定性高[2-9]，但调制器带宽限制了光频梳的梳齿数目及间隔，且所产生的频梳数目越多，其梳齿间隔就越窄。基于循环频移环路方式的多载频信号生成方法，具有宽带宽、载波数目多、载波频谱无交叠、载波间隔可调谐、高灵活性等诸多优点，成为国内外研究关注的重点[10-12]，但在提高载波数目的同时，其多载频信号功率平坦度及边带抑制比受限，无法满足星载应用需求。

本文以并联排列的MZM与循环频移环路相结合的方式，给出了一种新型高平坦高边带抑制比多载频信号生成方法。通过将其中两个MZM工作在单边带调制方式，另一个MZM工作在载波抑制方式，结合循环频移环路，得到载波数目为60以上、边带抑制比为30dB、最大功率起伏为4.4dB，且其中有20个载频信号的功率起伏在1dB以内的多载频信号。

1 基于循环频移环路的多载频信号生成原理

基于循环频移环路的多载频信号生成原理如图1所示，主要由光源、光载波抑制单边带信号(SSB-OCS)生成单元、偏振控制器、光带通滤波器和光纤放大器(EDFA)构成循环频移环路。其中光源为整个循环频移环路提供光载波，并决定产生多载频信号的起始频率点；SSB-OCS生成单元用于生成光载波抑制单边带信号，该信号可作为频移信号在循环频移环路中进行往复回环；偏振控制器用于调整光信号的偏振态以获取最佳调制结果；光纤放大器用于补偿环路运行中的传输损耗，同时利用增益饱和特性提高光频梳的平坦度；光带通滤波器则用于滤除带外噪声，控制光频梳的数目。

如图1所示，SSB-OCS生成单元输出的光载波抑制单边带信号每经过一次环路，就会有射频信号频移、放大和滤波，经多次循环后，将以光频梳的形式输出所需要的多个梳齿作为多载频信号，其光谱示意如图2所示。在多载频信号生成过程中，边带抑制比、平坦度、载波间隔、载波数目都是表征多载频信号质量的主要因素，其在本文中的主要定义如下：

SMSR：所生成的多载频信号与边带信号之间的差值。

平坦度：所生成多载频信号的功率起伏范围。

载波间隔：所生成多载频信号的相邻信号频率间隔。

载波数目：所生成多载频信号的数目。

2 基于并联MZM的SSB-OCS生成单元设计

2.1 SSB-OCS生成单元模型

基于并联MZM循环频移的多载频信号生成原理与图1类似[13]，主要由基于三个并联MZM的SSB-OCS单元和光循环频移环路两部分实现。其中最为关键的部分就是SSB-OCS单元，其原理如图3所示。在该单元中，三个MZM呈并联结构，MZM1和MZM2组成一个双平行马赫-曾德尔调制器(DPMZM)调制器，MZM3为强度调制器(IM)。射频源输出的射频(RF)信号分别经π/2 和-π/2电移相后送至MZM1和MZM2。 MZM1、MZM2工作在正交偏置点，MZM3工作在最小偏置点，光移相器1和光移相器2引入的光相移分别为π和π/2。

2.2 SSB-OCS生成理论分析及仿真

图1 基于循环频移环路的多载频信号产生原理框图

图2 多载频信号光谱示意

图3 基于并联MZM的光载波抑制单边带信号生成原理框图

假定由电移相器1和电移相器2引入的电移相分别为θ1和θ2，由光移相器1和光移相器2引入的光移相分别为Φ1和Φ2，由直流偏置引入的MZM两臂相位差分别为φ1，φ2，和φ3，且φi=πVdci/Vπ(i=1,2,3)，Vπ为MZM的半波电压。

电移相器1设置为90度，即θ1=π/2， 同时MZM1工作在正交偏置点，即φ1=π/2，那么MZM1调制输出表达式为：

(1)

电移相器2设置为-90度，即θ2=-π/2，同时 MZM2工作在正交偏置点，即φ2=π/2，那么MZM2调制输出表达式为：

(2)

MZM3工作在推挽模式且处于最小偏置点，那么MZM3调制输出表达式为：

(3)

式中m=πV/Vπ为射频信号调制系数，V和ω为输入射频信号的幅值和频率，E0和ωc为光载波信号的幅值和频率，Jn(·)为一类n阶贝塞尔函数。

设定光移相器1引入的移相量Φ1=π，光移相器2引入的移相Φ2=π/2，那么MZM1、光移相器1和光移相器2输出光信号经光耦合器1耦合为一路后输出的光场表达式为：

Eout(t)=E0ejωct[-4J1(m)ejωt+4J3(m)e-3jωt]

(4)

假定工作波长为1550nm、功率为20dBm的连续光信号送至SSB-OCS生成单元，该单元各MZM的插入损耗为3dB，半波电压为5V，消光比为40dB。射频信号工作频率为10GHz，所生成的SSB-OCS信号光谱图如4所示。从图4可以看出，当射频信号驱动电压在0.1Vπ～0.25Vπ时，其边带抑制比可达29dB以上。其最佳射频信号驱动电压为0.2Vπ，此时的边带抑制比达36dB。

(a) 0.1V (b) 0.15V

(c) 0.2V (d) 0.25V

在实际应用中，通用调制器的消光比将低于40dB，图5给出不同消光比下所生成的SSB-OCS信号边带抑制比函数曲线。从图中可以看出，随着调制器消光比的增加，所生成的SSB-OCS信号边带抑制比逐步增加，当调制器消光比为30dB时，所生成SSB-OCS信号的边带抑制比为29dB，当调制器消光比为30dB时，所生成SSB-OCS信号的边带抑制比达36dB。

图5 不同消光比下输出SSB-OCS信号的边带抑制比曲线

3 基于并联MZM循环频移环路多载频信号生成仿真及分析

3.1 系统仿真模型

在上节基于并联MZM的SSB-OCS单元设计基础上，利用VPI软件构建的基于并联MZM循环频移的高平坦高边带抑制比多载频信号生成仿真模型如图6所示。其中光工作波长为1550nm，激光器输出光功率为20dBm，线宽为10kHz，相对强度噪声为-150dB/Hz的连续光信号送至并行排列的三个MZM，每个MZM的插入损耗为3dB，半波电压为5V，消光比为40dB。此外，PD的响应度为 0.8A/W，射频源输出射频信号的频率为10GHz，EDFA放大增益为23dB。该多载频信号生成的具体方法为：激光器发出连续光信号经一分三光耦合器送至并联MZM组成的SSB-OCS生成单元，该单元输出的信号经光耦合器分为两路，其中一路直接输出，另一路进入由SSB-OCS生成单元、偏振控制器、光带通滤波器、EDFA组成的循环频移环路进行频移。每经过一次环路，SSB-OCS生成单元输出的光信号都作为新的载频信号执行SSB-OCS的光信号生成操作，并经光放大和滤波后，作为新的载频信号输出，如此经过多次循环后，就会以光频梳的形式输出所需要的多载频信号。假定光载波的频率为fc，射频驱动信号的频率为f，那么第一次循环频移后输出的光信号频率包含fc和fc+f两种频率成分，经过第二次循环频移后输出的光信号频率包含fc、fc+f和fc+2f三种频率成分，经过第N次循环频移后输出的光信号为包含fc、fc+f、fc+2f、……、fc+Nf等多种频率成分的多载频信号。

图6 基于并联MZM循环频移的多载频信号生成仿真模型

3.2 仿真结果分析

图7给出了射频信号驱动电压为0.2Vπ下所生成的多载频信号的仿真结果。图7(a)所示为包含40个载频的多载频信号仿真结果，图7(b)所示为包含60个载频的多载频信号仿真结果。从图中可以看出，所生成的多载频信号的频谱范围可高达600GHz以上，边带抑制比为30dB，最大功率起伏为4dB。此外，这60根载频信号中有20个载频信号的功率起伏在1dB以内。对比图7(a)和图7(b)的仿真结果可以看出，所产生的多载频信号的数目越多，所生成多载频信号的噪底越高。主要原因在于这种多载频信号生成方法基于循环频移环路构成，循环频移环路中包含EDFA，随着每次环路循环，EDFA产生的自发辐射噪声(ASE)经不断加以累积，进而导致最后生成的多载频信号噪底增加，载噪比下降。

图7 多载频信号输出光谱图

4 结论

文章针对多频段一体化接收处理对多本振参考信号的需求，从现有基于循环频移环路的多载频信号生成方法的局限性出发，提出了一种基于并联MZM循环频移环路的新型高性能多载频信号生成方法。通过并联MZM生成抑制比高达36dB的SSB-OCS信号，并将该信号引入到循环频移环路，在光域组成振荡环路进行循环频移，从而产生平坦度好、边带抑制比高、且载频频率灵活可调的多载频信号。仿真结果表明：所生成的60根光频梳的SMSR优于30dB，最大功率起伏为4dB，且其中20根谱线的功率起伏在1dB以内。该方法可有效生成高平坦高边带抑制比多载频信号，为卫星载荷的多频段一体化综合接收处理提供相应技术支撑。