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1、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
2、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 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
4、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
5、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
6、)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
7、。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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
