MPF微波光子学滤波器详解演示幻灯片

1,微波光子学滤波器(MPF)综述,2,第1章MPF的分类及其性能参数第2章高Q、负系数、高阶MPF典型方案分析,第3章基于SOA级联窄带滤波器的有源环实现IIR滤波器的方案分析,前言,3,微波光子学是研究微波和光信号相互作用的交叉领域，应用于宽带无线接入网、传感网络、雷达、卫星通信、测量仪表和战争系统。微波光子系统主要功能有利用光子技术产生、处理、控制、分配微波和毫米波信号。近年来主要的研究方向有微波和毫米波信号的光子发生，微波和毫米波信号光子处理，光控相位阵列天线，光载无线系统以及光子模数转换。本人主要研究高性能微波光子滤波器实现技术。,引言,4,为什么要用MPF取代传统射频滤波器呢？,对模数转换分辨率要求很高只能实现特定频段微波信号的滤波功能,直接在光域处理，再转换为电信号后下变频,5,MPFVS传统射频滤波器,在传统射频电路中，由射频信号源或天线接收得到射频信号，注入到信号处理的射频电路，即经下变频到基带信号后通过模数转换，由数字滤波器滤除杂波得到所需的射频信号。这个系统的主要的瓶颈是对模数转换分辨率要求很高。该方法所实现的滤波器的最大弊端在于所设计的信号处理电路只能实现特定频段微波信号的滤波功能,一旦微波信号的频率发生变化,就必须重新设计新的信号处理电路。同时,在电域内处理信号时,带宽和采样频率将会受限,且高频电路容易引起电磁干扰,增大损耗。而在光域上用光子滤波器实现起来较简单。射频信号调制到光信号上，利用基于光纤或集成光子器件的光子滤波器直接在光域处理，再转换为电信号后下变频。并将完成滤波后的微波信号输出,以实现特定微波频段内的信号滤波功能。,6,MPF的优势,与传统射频电路相比，在光域处理射频或微波信号具有许多独特的优点：尺寸小，质量轻，带宽宽（高时间带宽积），结构简单，损耗低(光延迟线的损耗非常低)，消除电子瓶颈，抗电磁干扰(EMI)，动态范围大，重构速度快，可调性好等。用传统的微带或波导射频技术很难获得可重构的带通滤波器。还可以可以使用WDM技术来实现空间和波长并行传输，因此微波光子学技术可以广泛的应用于光纤无线传输系统中。,7,第1章MPF的分类及其性能参数第2章高Q、负系数、高阶MPF典型方案分析,第3章基于SOA级联窄带滤波器的有源环实现IIR滤波器的方案分析,前言,8,微波光子滤波器（MPF,MicrowavePhotonicFilter),也称光子微波滤波器,是在全光域上实现微波信号处理的典型技术之一。它借助现有的微波光子技术及相应的光学器件搭建光学系统,允许特定频率微波信号通过的同时,抑制其它频率的微波信号,进而实现微波信号的滤波处理。,MPF的概念,9,MPF的分类,按滤波器抽头系数的多少,采用的光源的个数,按滤波器的抽头系数,负抽头,有限脉冲响应(FIR)滤波器,无限脉冲响应(IIR)滤波器,正抽头,复抽头,单光源微波光子滤波器,多光源微波光子滤波器,10,主要提升微波光子学滤波器的什么性能参数呢？,微波光子滤波器研究重点是实现不同传输响应函数，例如带通、陷波、横向周期等。还注重可调谐、可重构、Q值等特性，以及单源、多源等结构的研究。其主要目标是得到较大自由谱范围(FSR)和主旁瓣比(MSSR)，窄半峰全宽(FWHM)或3-dB带宽，高Q值。如图，横向滤波器的时延单元T的频率表示1/T即为FSR，不相邻信道的滤波抑制特性用MSSR表示，滤波谐振的谱选择性由FWHM或3-dB带宽给出，滤波器的选择特性由Q值表示，Q=FSR/FWHM。Q值取决于抽样数，即抽头数N。若N10，则QN，对于窗函数滤波器，修正为Q0.5时，零点在负实轴上，当k0.5，零点在正实轴上。分别取k0.5和k0.5的情况进行模拟比较。,图零点对滤波特性的影响,可以看出，当k0.5时，k的变化对于滤波器的特性影响很小，只在-20dB以下的波谷处有细微变化，而对波峰基本无影响，即此时零点对Q值的影响可以忽略。,当极点趋近于单位圆时，在波峰处零点的作用不明显。,43,根据上述分析可知，极点的位置对滤波波形起决定性作用，它主要决定了滤波器的波峰是否尖锐，而零点的位置对滤波波形起辅助作用，当极点趋近于单位圆时，在波峰处零点的作用不明显。,总结,44,输入条件对MPF的影响,图入环功率对极点位置的影响,图入环功率对滤波器Q值的影响,入环功率越小时，极点位置越趋近于1，也就是说，更小的入环功率有利于SOA在自增益饱和中稳定在更理想的增益G上。,45,电流I增大对于极点的趋近程度有饱和的趋势，但是由于在无限趋近于1的时候，Q值对极点位置的变化极为敏感，因此，反映在Q值上，有着Q值随SOA电流I的增加成近似线性增加的趋势。,图SOA电流对极点位置的影响,图SOA电流对滤波器Q值的影响,46,减小Pin会导致在探测器端信噪比的劣化，使探测器探测到的有效路数变小，而使滤波器的Q值变小。因此无限制的减小Pin并不能使得滤波器的Q值得到无限制的提升，存在一个入环的最佳功率。同样，在不断增大SOA电流的过程中，会导致SOA的增益G的增大，在一定临界条件下，G的增大对噪声的提升幅度要大于对信号的提升，一样会存在一个最佳的注入电流，使得滤波器的有效分路数最大，滤波器的Q值最高。,图考虑噪声后入环功率对有效路数的影响,图考虑噪声后SOA电流对有效路数的影响,47,可以看出，当随着入环功率的减小以及SOA注入电流的增加，在开始阶段对滤波器的性能有所改善，但是当这种变化到达一定程度后，继续的减小入环功率以及增大SOA电流，反而会使滤波器的有效分路数降低。也就是说，存在着一个最佳的入环功率以及SOA电流，使得滤波器的有效分路数最大，Q值最高。,总结,48,负系数滤波器的模拟,在实现高Q的MPF时，窄带滤波器的中心波长是对准信号光载波波长的，而在负系数的实现中，使得滤波器有一定的失谐量。这样，对于ASE来说，在滤波器中心波长上的衰减不变，依然为1，而对于信号光载波来说，滤波器的失谐导致信号光载波功率有了更大的衰减，设为3。,49,图滤波器不失谐实现的正系数微波光子学滤波器,图滤波器失谐实现的负系数微波光子学滤波器,50,图不同失谐条件下的滤波波形(a)3=0.11(b)3=0.011,51,滤波器阶数的提高不仅仅对其3dB带宽产生影响，对整个滤波的波形都有改善。,图滤波器阶数对Q值的影响,图滤波器阶数对滤波波形的影响,高阶滤波器的模拟,52,结束语,通过之前一个多月对MPF的学习