Multifunctional microwave photonic processor with multichannel self-interference cancellation
本文提出并实验验证了一种基于双极化双并行马赫-曾德尔调制器的光辅助多功能微波处理器，该处理器能够同时实现带内全双工系统的多通道自干扰抵消、频率下变频以及镜像抑制。
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在无线通信领域，效率是终极目标。几十年来，系统一直依赖于通过划分时间或频率来发送和接收消息，就像对讲机迫使用户轮流发言一样。这种方式虽然可行，但浪费了电波一半的潜在容量。一种被称为“带内全双工”（in-band full-duplex）的更具雄心的方案，旨在让设备在完全相同的频率上同时进行发送和接收。这可能会使数据传输速度翻倍，并更有效地利用拥挤的无线电频谱。然而，这一雄心面临着一个巨大的物理障碍：自干扰。当一个设备广播强信号时，该信号会直接泄露到其自身的敏感接收器中，淹没掉它试图听到的微弱消息。与背景噪声不同，这种干扰过于强烈且距离过近，无法通过标准的电子元件进行过滤。为了实现全双工，工程师必须找到一种方法，能够即时且精确地抵消这种自干扰，同时还要处理将高频信号转换为可处理的低频信号这一复杂任务。
南京邮电大学的一个研究小组开发了一种新系统，利用光同时解决了这些挑战。他们没有仅仅依赖于在全双工操作中难以应对速度和复杂性的电子电路，而是构建了一个利用光波来操纵无线电信号的处理器。他们的设备是一个多功能处理器，能够同时执行三项关键任务：抵消自干扰、进行信号频率转换，以及抑制经常使接收器产生混淆的镜像干扰信号。该发明的核心是一个被称为“双偏振双并行马赫-曾德尔调制器”（dual-polarization dual-parallel Mach-Zehnder modulator）的专用光学组件。你可以将这个设备想象成一个精密的激光交通控制器，能够将一束激光分成两条独立的路径，然后通过精确的调整将它们重新组合。通过将无线电信号送入这个设备，研究人员可以操纵光波，从而创造出一个与原始干扰信号完全相反的版本。当这两个版本相遇时，它们会相互抵消，留下清晰的期望消息。
研究人员证明，这种光学方法效果显著。在实验中，他们使用单频信号测试了该系统，发现它能将自干扰抑制高达 49.1 分贝。为了让你理解，这种水平的抵消足以将一声大喊降低到耳语的程度，使接收器能够在不被淹没的情况下听到感兴趣的微弱信号。该系统还成功处理了将这些信号转换为较低频率的任务（这是数字处理的必要步骤），同时有效过滤掉了通常会导致错误的镜像信号。当他们使用单频信号测试该系统时，实现了 30.4 分贝的镜像抑制比，这意味着不需要的镜像信号被有效地消除了。
然而，衡量此类系统能力的真正考验在于其处理现实世界条件下信号的能力，即信号不再仅仅是单音，而是宽带数据。研究人员将测试扩展到了包含 150 兆赫带宽的宽带信号。即使在如此宽的频率范围内，该系统在整个频带内仍保持了 18.8 分贝的自干扰抵消深度。这是一个重大的成就，因为在宽范围内保持抵消是非常困难的；通常，随着信号带宽的增加，抵消的精度会下降。此外，在进行此类宽带抵消的同时，该系统在 6.4 吉赫兹的信号上实现了 21 分贝的镜像抑制比。这证明了该设备可以在不丧失清理信号能力的情况下，处理现代通信标准的复杂性。
这项工作的一个关键创新在于研究人员如何处理光在光纤中传播的物理限制。当光信号在长距离传输时，往往会受到一种称为“色散”现象的影响，导致信号强度减弱并发生畸变。研究人员设计了一种特定的光学信号，使其对这种衰减具有免疫力。通过使用一种称为“布拉格光纤光栅”（fiber Bragg grating）的专用滤波器，仔细选择保留和舍弃哪些部分的光谱，他们确保了无论信号传输多远，都能保持强劲且清晰。这种集成了自干扰抵消、频率转换和镜像抑制于一体的紧凑型光学器件，代表了向前迈出的重要一步。它表明，未来的无线网络可以用更简单、更高效的硬件来构建，而无需为了避免干扰而牺牲速度或清晰度。研究人员指出，虽然他们目前的设置展示了两个通道的抵消，但该设计是可扩展的。通过添加更多此类光学组件，系统可以扩展到同时处理多个通道，使其成为下一代多天线无线系统的有力竞争者。
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