引言
在无线通信技术迅猛发展的今天，无线频率干扰成为了交通、医疗和国防等关键领域的一大挑战。当多个无线设备的信号发生重叠，就可能导致信息传输出错或中断。设备的移动性质加剧了这一问题，使得干扰状况不断变化。传统的数字信号处理方法因为处理速度的限制，难以实时应对这种干扰。然而，基于硅基光电子技术的集成光子处理器以其光域内的直接模拟处理，开启了实时消除干扰的新可能。
本文概述了Zhang等人的最新研究成果，他们开发的全集成光子处理器能够实时自适应地消除干扰 [1]。其创新之处主要包括：
利用集成光子处理器进行模拟信号处理，实现了小于 15 皮秒的超低延迟，远远超过传统数字处理速度。
结合了一个后端现场可编程门阵列 (FPGA) ，以 305 Hz 的频率进行快速的统计分析和设备调控，以适应动态变化的干扰条件。
通过实验验证了该处理器在移动环境下有效消除了雷达高度计与蜂窝信号之间以及 2.4 GHz 频段内的干扰。
基于硅基光电子技术的全集成光子信号处理路径
该处理器的核心是一条集成的光子信号路径。通过微环调制器，能将两个 RF 信号混合并分配到不同的波长。这些光信号经过一系列加权微环后，由平衡光电二极管接收。这个过程仅需光在 1.6 毫米长的路径中传播的时间，延迟不足 15 皮秒。相比之下，即使是优化的数字处理器处理相同运算也需要约 240 纳秒，延迟高出数个数量级。集成光子处理器避免了模拟-数字转换及其引入的延迟。
利用微环加权银行，可以通过调节共振频率来编程调整光信号的强度，实现了精确的控制和低至 18 mW 的功耗，远低于传统数字处理器。此外，该处理器的带宽超过 5 GHz，充分满足了新兴无线频段的处理需求。
图 1：包含调制和加权阶段的集成光子处理器 [1]。
FPGA 后端实现的实时适应性
虽然光子处理器能快速消除干扰，但动态变化的无线环境要求实时调整处理策略。研究团队通过集成一个 FPGA 系统芯片，实现了对处理权重的实时更新。
该系统首先通过模拟至数字转换器采样光子处理器的输出，然后通过可编程逻辑门计算信号的高阶统计量，如峰度，以评估信号质量。基于这些统计数据，片上 ARM 处理器运行优化算法，快速更新光子权重。这种高效的芯片内数据交换使得控制循环频率达到了 305 Hz，实现了在不断变化的无线环境中，对干扰消除策略的实时自适应调整。
实验验证
研究团队通过在移动环境下抑制雷达高度计与蜂窝信号的干扰，以及处理拥挤的 2.4 GHz 信号，验证了该光子处理器的效果。实验结果显示，只有这款处理器能在飞机移动的情况下，持续准确地测量高度，误差控制在 1 米以内。
此外，该处理器还成功分别恢复了两个独立的 2.4 GHz 信号，即使在无线通道不断变化的情况下，也能保持较低的比特错误率，显示出其强大的实时适应能力。
图 2：雷达测高演示验证了在飞机移动下通过取消蜂窝干扰准确测量高度 [1]。
图 3：基于硅基光电子技术的光子处理器同时恢复两个复杂调制的 2.4 GHz 信号，随着无线通道随时间变化 [1]。
结论
这项先进的研究为硅基光电子技术领域设置了新的标准，实现了小于 15 皮秒的处理延迟和 305 Hz 的快速响应能力，有效地在动态无线环境中消除干扰。这种将模拟光子处理与数字后端电路相结合的技术，为未来的实时应用场景开启新的道路。我们有理由相信，无论是复杂调制格式、大规模 MIMO 系统，还是即将推出的 6G 频段，都将因硅基光电子技术而受益。
参考文献：
[1] Zhang, W., Lederman, J.C., Ferreira de Lima, T. et al. A system-on-chip microwave photonic processor solves dynamic RF interference in real time with picosecond latency. Light Sci Appl 13, 14 (2024). https://doi.org/10.1038/s41377-023-01362-5
微信公众号 
bilibili 
微信视频号