微波光子滤波器的研究进展及其在ROF系统中概要.doc

微波光子滤波器的研究进展及其在ROF系统中的应用1微波光子滤波器概述1.1微波光子滤波器的发展及应用微波光子滤波器是一个利用光学方法处理微波信号并实现滤波功能的光学子系统。传统电子技术的滤波技术是直接将射频信号下变频后在电路中进行处理，相对缺少灵活性，系统易受电磁波的干扰;受到频带及采样频率等电子瓶颈的限制。而微波光子滤波技术是在光域上处理载有的电信号，利用光纤、光学链路、光电子器件等对信号采样、加权、相加等处理。由于微波光子滤波器是用光学的方法处理微波信号，它可以克服传统的电滤波器的“电子”瓶颈。传统的采样频率最高只能达到几千兆赫兹左右，而微波光信号处理则可以达到上千亿赫兹，这将给高速无线通信提供良好的基础。比起传统的电子滤波器，微波光子滤波器用光学的方法处理微波信号，这种方法利用了光纤延迟线损耗小、抗电磁干扰、体积小、重量轻、能提供较宽的工作带宽和高速的取样频率等优势;并且微波光子滤波器更容易实现可调和可重构。这些优点使得微波光子滤波器的应用非常广泛。微波光子滤波器可以在现代高速光纤无线接入网中得到广泛的应用。既可以应用到地面雷达系统中，也可以应用到从通用移动通信系统(UMTS: universal Mobile Telecommunication system)到固定接入微蜂窝网络中的宽带无线接入网及相关标准中(例如无线局域网(WLAN: Wireless Local Area Network)、全球互操作性微波接入(WIMAx: world Interoperability for Microwave Access) 以及局域多点分布服务(LMDS: Local Multipoint Distribution Service)，另外，由于重量轻的特点，微波光子滤波器的在数字卫星通信系统中也有广泛的应用。这些技术都希望通过提高微波频率，减小微波信号的覆盖范围来提高传输的信道容量，而利用ROF系统技术提高系统的传输容量，它利用宽带光纤无线技术能实现大容量无线射频信号的有线传输和超宽带无线接入。1.2微波光子滤波器的研究现状微波光子滤波器的研究兴起于国外，早在1976年，wilter和Vander Heuvel第一次提出了把光纤作为色散介质应用在微波信号处理中，他们最早认识到光纤的低损耗和大带宽的特性使其在宽带延迟线方面有广阔的前景。在20世纪70年代，一些研究人员如C.Chang，H.F.Taylor:等人致力于研究如何用利用多模光纤实现基于离散时间微波信号的光处理。在20世纪80年代，美国斯坦福大学Goodman，Shaw等人进行了大量的理论和实验研究，集中在用单模光纤延迟线实现微波光子处理技术。此后，更多的抽样元件和色散机制被应用于微波滤波器的研究，使其能够在更复杂的时域和频域上进行信号处理。20世纪80年代末，随着光放大器、耦合器、调制器、电光开关等光电器件的发展，微波光子处理的方法更加灵活，但是大多数研究仍然是集中在光纤的延迟线基础上。然而，光纤布拉格光栅(FBG)和阵列波导光栅(AWG)的出现给全光微波信号处理的应用提供了更为广阔的前景，提高了微波光子信号处理的重构性以及可调节性。此后，D.B Hunte和R.A.Minasian等人第一个提出了单光源的连续可调滤波器，实验中耦合器两个不同输入端分别连接长凋啾光栅，通过调节光源的波长，可以线性控制其在光栅中反射点，从而控制了两个反射波的时间延迟。2001年J.Mora等人研究了基于阵列激光器的多光源微波光子滤波器，它可以快速而独立的重构和调节滤波器，但是成本太高;而将光纤光栅(FBG)应用在基于光源切片的微波光子滤波器的方法不仅可以降低成本，而且使得滤波器具有更多的灵活性;由于微波光子滤波器频率响应的周期性使得它的实际应用受到了一定的限制，2005年，J.Capmany和J.Mora等人研究了单频响应的微波光子滤波器，文章中利用光纤马赫一曾德干涉仪分割宽带光源的频谱，经过光纤色散介质后形成了单个带宽的频率响应。Ningsi You和Robert A.Minasian等人提出了基于负系数的低通微波光子滤波器，可以更好的应用于基带信号的处理;之后，Alayn Loayssa、Jose Capmany等人又提出了基于受激布里渊散射的复系数的滤波器，使微波光子滤波器的应用更加广泛。Jose Capmany，Beatriz Otrega和Daniel Pastor等对微波光子滤波器作了比较系统的综合研究，不仅从理论上分析了微波光子滤波器的原理，还从实验上研究测试了其性能参数指标。2微波光子滤波器的基本原理及分类2.1微波光子滤波器的基本原理如图2.1所示，微波光子滤波器可分为三个部分:微波信号通过光源直接调制或光电调制器的外部调制实现电光转换，其中光源可以使用单个连续光源或是独立光源阵列;光学子系统，如光学延迟链路、光纤光栅、耦合器、放大器等，主要用来处理信号的采样、加权、相加等;接收器用来接收光信号，如光电探测器，进行光电转换输出微波信号，接收器可以是单个接收器或是阵列接收器。输出电信号单个连续光 源 /连续光源阵 列调制器光器件子系统（光纤延迟线，光耦合器，光纤光栅，光放大器等）单个探测器/探测器阵列输入电信号输出光的电场分量微波光子滤波器滤波器0T2T3TNTh(0)h(1)h(2)h(3)h(N)图2.1 微波光子滤波器的基本结构图2.1下方的图表示微波光子滤波器的理论模型。事实上，我们希望输入的射频信号和输出的射频信号能够通过时域上的脉冲响应h(t)或是频率响应建立一种线性关系。但实际上，这种线性关系只存在于特殊情中。首先，射频输入信号与光学系统中输入的光场强度存在非线性的关系：正比于;类似的，射频输出信号与光学系统中输入的光强度也存在着非线性的关系: 正比于。因此射频输入信号与在一般情况下并不能符合线性关系。根据麦克斯方程的线性特征，我们只能确定射频信号对应的输入光场强度和输出光场强度之间保持线性关系，这种线性关系可以表示为如下: 2.1其中，为光域上的传输函数。如果我们假设与之间的线性关系存在，那么在时域上他们满足如下关系: 2.2 2.3 2.4其中，N为脉冲响应序列中的采样数。由公式2.4可知，h(t)可以看作离散时间信号或序列，所以可以利用z变换及傅里叶离散时间变换进行分析例如:Z变换： 2.5傅里叶离散时间变换 2.6微波光子滤波器可以用系统差分方程以及相关的系统函数表示，见公式2.7。可见，系统函数可以表示成含有z的多项式N(z)和D(z)的比值，方程的根则为滤波器的零值和极值。滤波器的零值和极值决定了滤波器的模及相位响应。 2.7由公式2.5及2.6，滤波器的传输函数在频域上具有周期性，对应频率1/T，称为滤波器的自由频谱范围(FSR: Free spectral Range)。如图2.2微波光子滤波器的典型周期频谱图。对于微波光子滤波器，有特定的参数来定义它的相关性能，下面是一些具体的参数:(一)MSSR滤波器的非相邻通带的抑制比是通过主峰与二次旁瓣的比值(MSSR: Main To Secondary Side lobe Ratio)表示的。(二)Q值对于带通滤波器，其频率选择性是由其通带的3dB带宽决定的，我们将其称为全宽半高值，记作.，滤波器的选择性用Q值来衡量，表示如下: 2.8Q值与滤波器的采样个数N有关，如果采样个数比较多(>10)，则Q值近似于N。研究表明，当Q值为大于3000时，可以形成单响应微波光子滤波器。(三)FIR及IIR根据脉冲响应序列中的采样数N的个数，滤波器可以分为:有限冲激响应(FIR: Finite Impulse Response)滤波器(对应于)和无限冲激响应(IIR: Infinite Impulse Response)滤波器(对应于)。图2.2 微波光子滤波器的典型周期频谱图2.2微波光子滤波器的分类按照使用光源数目的不同，微波光子滤波器可以分为单光源微波光子滤波器(SSMPF: single-source Microwave Photonic Filters)和多光源微波光子滤波器(MSMPF: Multi-Source Microwave Photonic Filters)图2.3 实现非相干微波光子滤波器的四种可能方法图2.3列出了用非相干离散时间微波信号光处理的方法实现微波光子滤波器的四种可能的方法。(a)中使用了单光源产生微波光子滤波器，信号调制后，在光学系统中进行处理，通过光纤延迟等方法，被调制的信号通过各个通道产生不同时延，再进行叠加;如果使用相干长度很长的窄线宽激光器，系统中的干涉现象非常严重，在一定程度上限制了FSR。要提高滤波器的FSR，可以使用有一定线宽的单模激光器，如分布反馈式激光器DFB。另一种提高FSR的方法如(b)，使用激光器阵列，每个激光器都被同一个射频信号调制后进行延迟加权处理，每一个激光器产生的光信号形成一路或有限路抽头。在第一种情况中，由于各路信号中不存在相位相关，相干时间可近似看为0，即对于最小延迟时间和最大FSR没有限制;在第二种情况中，如果相邻的两信道是来自不同的激光器，则相干问题可以避免，但来自同一个光源的两个连续采样时间间隔需要远远大于光源的相干时间。(C)中是利用宽谱光源构成微波光子滤波器:宽谱光源具有低相干时间的特点，每一路载波都具有宽谱光源的全部光谱成分。由于宽谱光源的线宽很宽，每一路采样的相干长度近似为0，所以对于最小延迟时间和最大FSR没有限制。但如果延迟是使用色散器件实现的，每一路采样的载波都是宽谱光源，延迟的实际时间不仅受到色散介质的一阶色散的影响，还会受到二阶色散的影响，从而导致滤波器的传输函数上出现低通包络，影响滤波器的性能。(d)图中，也使用的是宽带光谱，和(C)不同的是，此宽带光源进行了光谱分割的处理。所以每一个抽头实际是被分割的宽谱光源一个部分，相当于多个子光源产生的微波光子滤波器。如果宽谱光源光谱足够宽，系统对于FSR也没有限制.2.2.1.单光源微波光子滤波器单光源光子滤波器是使用一个光源形成的微波光子滤波器。根据采样数的不同，单光源光子滤波器又可以分为有限冲激响应的单光源微波光子滤波器(FIR-SSMPF)和无限冲激响应的单光源微波光子滤波器(IIR-SSMPF)，如图2.4所示。光源输出的光场强度为:，其中，代表光强，代表光源的相位抖动，为光源的中心频率。光载波被射频输入信号调制后，可以经过不同的延迟及加权处理。图2.4 (a)FIR SSMPF基本结构 (b)IIR SSMPF基本结构如图2.4（a）是有限冲激响应的单光源微波光子滤波器，带有射频信号的光载波被祸合器分成了N路，每一路进行加权和延迟的处理，例如耦合器的第j路输出经过加权系数为的衰减/放大器以及(j-1)T长的延迟线后，然后N路信号又通过另一个对称的耦合器叠加干涉成一路，用光电探测器接收后恢复出经过不同延时和叠加处理后的射频信号。如图2.4(b)为无限冲激响应的单光源微波光子滤波器。如图2.4(b)的结构是基于单个光纤环延迟线形成的微波光子滤波器，把耦合器的一个输出端和输入端相连即构成了光纤环延迟线。光信号每经过一次环形器就产生T的延迟，理论上说，光信号会无限次经过光纤环形器，所以采样数接近无限。上述两种结构中，输出光强都可以表示为公式2.9 2.9所以光电探测器的电流可以表示为: 2.10表示光源的相干性，我们假设光源的各个形态过程中都存在相位抖动现象，那么 2.11其中是光源的相干时间，它和连续光源的线宽v成反比。由公式2.10可以看出，输出电流由两部分组成:非相干部分和相干部分非相干部分中，输出的电流是和输入的射频信号成线性关系的，而相干部分中，这种线性关系取决于光源的相干性。如果光源的相干时间远远小于滤波器的延迟时间，即<<T，那么将近似于0，输入、输出的射频信号之间则存在线性关系: 2.12这种滤波器叫做非相干滤波器。非相干滤波器有很多优势，任何的光相位的变化不会影响滤波器的脉冲响应，如公式2.12所示。无论是在温度改变或是外界机械(压力)影响下，滤波器响应都能保持稳定性。但是它也有一个明显的缺点:滤波器的系数总是为正。早在20世纪80年代，Goodman、Moslehi等人研究证明，由于正系数的滤波器在基带处总是存在响应，使其频率选择性受到了限制。但是，随着技术的发展，这种局限性已经被突破，研究人员已经研究出非相干的条件负系数的滤波器。另一方面，如果光源的相干时间大于滤波器的基本延迟时间，即>T，那么公式2.11可表示为: 2.13所以2.10可以写成: 2.14可以从公式上看出，输出的射频信号是由被调制后的射频信号经过加权、延时、相加后得到的，合并项很容易受到光源相位变化的影响。虽然相干滤波器最终可以得到负的总加权系数，但是滤波器的性能将大大受到环境的影响，这个致命的缺点导致其实用性不强。2.2.2.多光源微波光子滤波器对于多光源微波光子滤波器来说，连续激光阵列耦合后同时被射频输入信号调制。光源阵列可以是独立激光器阵列、低成本的法布里珀罗激光器、或者是宽带光源被周期滤波器分割后的梳状阵列等。无论使用哪种类型的多光源光信号在被射频信号调制之前的光强度为: 2.15其中，为光强。为光源的中心频率，为第r个光源的相位抖动。每个光源都完成对滤波器的采样，通过色散延迟线，如色散光纤、线性啁啾布拉格光纤光栅等形成采样，使得光源阵列的相邻波长的延迟时间为T。多种技术可以实现采样窗口。如果光源是独立的激光阵列，那么可以通过调节每个激光器的功率来调节采样窗口;如果光源是基于宽带光谱分割的，那么就比较复杂，可以对光谱进行波长解复用，然后再对每路光进行单独的衰减、放大后合路。图2.5说明了两类不同的多光源微波光子滤波器。图2.5 (a)基于激光阵列的MSMPF;(b)基于宽带光源光谱分割的MSMPF多路信号经过加权、相加后的输出电场为: 2.16假设光电探测器的响应度为r，则其输出电流可以表示为 2.17由于不同光源之间通常是非相关的，其相位抖动也可视为非相关的，所以公式2.17的第二项可以看为0。在这种情况下，输入射频信号和输出射频信号之间呈线性关系。3微波光子滤波器在ROF系统中的应用2007年，浙江大学进行了光纤环滤波器的研究性能的研究，设计了抑制比近20dB的非对称耦合环滤波器、自由谱范围达到700MH的滤波器、可调谐滤波器、并研究了级联滤波器。2009年，北京交通大学对基于微波光子滤波器的ROF技术进行了研究，实验结果表明微波光子滤波器能够改善ROF系统中的噪声，从而提高了系统的性能。2009年，浙江大学研究了一种基于单响应微波光子滤波器的全光副载波解复用技术方案实验结构图如3.1所示 图3.1 基于单响应可调谐微波光子滤波器的全光副载波解复用实验结构图实验结果表明，在ROF系统中，通过利用单响应微波光子滤波器可以在光域实现副载波解复用。由于微波光子滤波器的连续可调谐性，可以实现任意副载波信号的光域滤波解复用。值得一提的是，由于该单响应滤波器的通带3dB带宽仅为80MHz，这意味着，对于频率间隔大于80MHz以上的副载波复用系统，都可以用该微波光子滤波器实现全光副载波解复用，具有重要的应用价值。 在ROF系统中利用这种单响应、高Q值且可调谐的微波光子滤波器可以完全在光域中处理副载波的解复用，提高了解复用的效率，可以方便的通过调节电控制的光纤可调延迟线来改变马赫曾德干涉仪两臂的光程差，从而线性的改变滤波器的通带中心，从而滤除一定范围内的有用信号;并且可以通过改变光纤长度以及宽带光谱的带宽、光纤色散斜率等因素来调节滤波器通带的带宽，以适应需要滤出信号的带宽要求，具有较大的灵活性。应用这个滤波器进行解复用，还能够减小系统的成本，具有很大的应用前景。