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微波光子学利用光子技术实现微波信号的产生、传输、处理和控制,具有宽带、高速、低损耗、抗电磁干扰、频率响应平坦和并行处理能力强等方面的优点,因此近年来受到了广泛的关注与研究。而微波光子信号频谱调控是指对微波光子系统输出的信号实现频谱相关的处理功能,其所涉及的频谱滤波、频率变换、频域失真补偿、信号产生和相位控制等关键技术是保障现代通信、电子战、雷达、遥感探测等微波应用系统有效运行的基础关键。随着5G/B5G/6G移动通信系统和军用一体化电子系统等新一代微波系统不断地朝着高频段、大带宽、多制式、多频段和可动态重构方向快速演进,满足动态场景需求的宽带微波光子信号频谱调控技术成为了微波光子学领域的研究热点和难点。本文重点围绕频谱滤波、频率变换以及频域失真补偿这三类微波光子信号频谱调控关键技术,以动态场景应用需求为导向,基于理论分析和实验验证展开了如下研究:首先从可调谐微波光子滤波器（MPF）的性能参数优化和功能拓展两个方面进行了动态可重构微波光子频谱滤波的研究;其次,针对变频转换效率低和带内镜像干扰等关键问题,进行了宽带级联型微波光子混频结构的性能优化研究;然后,针对频谱失真这一微波光子系统普遍存在的共性问题,着力于典型的宽带多频段微波光子系统“子载波复用（SCM）光载无线（Ro F）系统”,重点研究了光纤色散效应导致的频率选择性功率衰落（简称为“色散衰落”）和三阶交调失真（IMD3）这两种微波光子信号频谱失真的动态补偿问题;最后,进行了高性能可重构微波光子射频前端研究,探索了所研究的三类调控技术的综合应用。在动态可重构微波光子频谱滤波的研究中,针对可调谐MPF的性能参数优化,论文基于偏振调制到强度调制转换的原理,结合两级受激布里渊散射（SBS）结构,实现了高带外抑制比性能的可调谐MPF;基于高速电控光波长切换及多相移光纤光栅提出了一种快速调谐的平顶单带通MPF的实现方案。针对MPF的功能拓展,采用多次切割宽带光源的方法实现了双频带独立可调谐的MPF;通过对微波调制边带在两个正交偏振维度上的幅度和相位调控,实现了具有同步带通和带阻滤波功能的多功能可调谐MPF。在级联型微波光子混频器系统的性能优化研究中,论文应用偏振调制技术,通过抑制光载波和光子学方法产生的相位正交I/Q中频信号,实现了变频转换效率的提升和镜像干扰的抑制。在SCM Ro F系统的信号频谱失真动态补偿研究中,论文引入了光独立边带调制技术以实现与系统传输距离和带宽无关的色散衰落补偿;提出了一种非迭代数字盲线性化算法进行IMD3的自适应动态补偿。最后,论文基于频谱切割宽带光源（BOS）、双驱马赫曾德尔调制器（DDMZM）、色散介质和数字后处理方法,构建了高性能可重构微波光子射频前端系统。论文的主要研究成果如下:第一、实现了一种高带外抑制比性能的可调谐MPF。经实验验证,该MPF具有超高的处理精度（7.7 MHz）和高达80 d B的带外抑制比。而且,通过泵浦光的频率控制,在保证高带外抑制比性能的同时,可实现中心频率的连续调谐,调谐范围为2.1 GHz到6.1 GHz。此外,实验展示了一种具备单带通平顶滤波响应的任意多通道快速调谐MPF。在实验中,该MPF的滤波响应矩形系数为2.27,且中心频率的调谐速度可达1.73ns。该MPF还具备高达41 d B的带外抑制比和在12 GHz工作范围内任意多个通道之间快速切换的功能。（第三章）第二、通过差分群时延干涉仪和马赫曾德尔干涉仪进行BOS的多次频谱切割,实现了一种面向双工器应用的双频带独立可调谐MPF。两个独立信道的中心频率可在0到6 GHz以及0到17 GHz之间独立调谐,信道间的隔离度超过44 d B。基于偏振复用MZM（PDM-MZM）和光纤SBS效应,实现了可同时提供频域通道选择（带通滤波）、带外干扰抑制（带阻滤波）和互补滤波输出（同步的带通和带阻滤波）等功能的多功能可调谐MPF。在实验中,该MPF具有高频率处理精度（～20 MHz）、高噪声信号抑制比（带通滤波:>35 d B;带阻滤波>51 d B）以及宽带可调谐（3到15 GHz）等特性。（第三章）第三、级联两个偏振调制器,在不需要光滤波的情况下实现了光载波的有效抑制,解决了低频段射频信号受限的问题,实现了宽谱覆盖的高转换效率微波光子混频系统。在2到15 GHz的输入信号频率测量范围内,该系统的变频转换效率相较于级联MZM结构提高了20 d B。级联相位调制器和偏振调制器,利用偏振调制器、单边带调制和两路光检偏器的组合,产生了两路相位正交的I/Q中频信号,借助于实时模拟电处理和离线数字处理分别实现了45 d B和60 d B的镜像抑制比。（第四章）第四、基于光独立边带调制,结合提出的无频谱保护间隔SCM信道频率分配方案,实验成功地验证了一个具有45个500 MHz带宽4QAM-OFDM SCM信道的Ro F系统,在15 GHz左右的电器件带宽条件下,实现了总带宽为22.5 GHz的SCM信号在50 km标准单模光纤（SSMF）链路中的传输。基于非迭代盲线性化算法和单端口驱动的双驱MZM的调制啁啾控制,实现了SCM Ro F系统的色散衰落和IMD3的灵活、自适应补偿,最终通过实验成功地验证了不同数目的500 MHz带宽64-QAM OFDM SCM信道（1、5、9、12）在不同长度SSMF（20 km、50 km和100 km）中的传输可行性。（第五章）第五、实现了一种具备信号频谱失真补偿功能的高性能可重构微波光子射频前端。实验结果表明,该系统具有可重构带通滤波、宽带微波光子混频和中频带通滤波等功能。DDMZM的偏压控制可实现色散衰落的补偿,获得0到15 GHz的滤波和中频响应调谐范围。该系统借助数字非迭代盲线性化算法有效地抑制了IMD3干扰,在滤波和混频两种功能模式下,系统的无杂散动态范围可分别由87.6 d B·Hz2/3和81 d B·Hz2/3改善为112 d B·Hz4/5和103.7 d B·Hz4/5。（第六章）综上所述,本论文针对动态场景下的微波光子信号频谱调控这一问题,围绕频谱滤波、频率变换和频域失真补偿这三类关键技术展开了研究。论文针对动态可重构微波光子频谱滤波,提出了多种MPF方案,进行了可调谐MPF的性能优化和功能拓展;设计了两种微波光子混频结构,有效地提升和抑制了宽带级联型微波光子混频系统的变频转换效率和镜像干扰;引入了独立边带调制,在解决色散衰落问题地同时,提升了SCM Ro F系统的带宽效率;提出了一种非迭代盲线性化算法,满足了动态场景下的IMD3自适应补偿需求并节省了系统开销和降低了处理时延;进行了上述三类调控技术的综合应用探索,设计了一种高性能可重构微波光子射频前端。