CN102263596B - 一种具有高效数字编码输出的光子型微波测频方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有高效数字编码输出的光子型微波测频方法和装置。待测微波信号经载波抑制型单边带调制模块加载到连续激光光源上，生成单个光边带；所述光边带经光耦合器分光后输入梳状滤波器模块中；该滤波模块包含n个并行的梳状滤波器，它们滤波响应的自由频谱区和相对相移量构成循环二进制编码组合；对n个梳状滤波器及参考臂的输出光功率进行检测、对比和判决后，获得n比特循环二进制编码的数字测频输出。本发明在实现具有数字输出的光子型微波频率测量的基础上，大为改善了数字编码的效率，具有错误最小、测频分辨率高等优点。

Description

一种具有高效数字编码输出的光子型微波测频方法和装置

技术领域

本发明涉及微波检测、微波光子学、光子滤波领域，尤其是光子技术型数字微波频率检测技术。

背景技术

针对微波信号和微波系统进行有效的量值测定与分析的检测技术是器件、系统和设备研究、生产、维护中不可缺少的检测手段和工具，应用十分广泛；并且，当前微波技术的迅速发展给检测技术带来了巨大冲击。以微波信号为例，检测内容延伸到包括频率、幅度、信号类型、调制制式、到达方向等在内的多维参量，检测范围、检测精度与响应时间上的性能要求也在不断提高。其中，频率参数作为反映信号时变特性的参量首当其冲地受到广泛关注，尤其是面对各种微波技术及应用中采用频段的节节攀升，微波频率测量面临着严峻的挑战。随着微波光子学的兴起，光子技术型微波频率测量在解决宽带瞬时、低损耗、抗电磁干扰方面有着明显的优势。

目前，已报道的光子技术型微波测频方案主要包括扫描型、频率—时域映射、频率—功率(强度)映射、频率—空间映射等几种类型，诸如：1).H.Chi,X.Zou,and J.Yao,“An approach to the measurementof microwave frequency based on optical power monitoring,”[J]IEEEPhotonics Technology Letters,vol.20,no.14,pp.1249-1251,2008；2).S.T.Winnall,A.C.Lindsay,M.W.Austin,J.Canning,and A.Mitchell,“Amicrowave channelizer and spectroscope based on an integrated opticalBragg-grating Fabry-Perot and integrated hybrid Fresnel lens system,”[J]IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,vol.54,no.2,868-892,2006.)。需要指出的是：上述诸多方案的测频输出结果是模拟信号；而当前数字化测频输出更为人们所期待：数字测频输出易于与日益普遍的数字信号处理/分析软件和数字仪表设备兼容，便于进一步分析和处理，同时也便于长期存储。这方面的探索还较为少见，比如最近的报道(X.Zou,W.Pan,B.Luo,and L.Yan,“Instantaneousfrequency measurement with digital outputs based on an optical filterarray,”[C]OFC/NFOEC2011,Paper:JWA047,USA,Mar.2011)给出了移相型梳状滤波器的数字测量结果；但是其中的数字输出结果为circular code编码形式(R.van de Plassche,CMOS integratedanalog-to-digital and digital-to-analog converters(2nd ed)[M].Boston,MA:Kluwer,2003,pp.114–115)，比如4-比特输出的实际有效编码个数为8个(即2×4)；因而编码效率较低，未能有效利用4-比特输出的所以编码个数(32，即2⁴)。

为提高具光子技术型方案的数字输出的编码效率，本发明公布了一种新颖的测频方法和装置。

发明内容

鉴于以上陈述的已有方案在数字编码输出上不足，本发明旨在提供一种具有高效编码输出的光子型微波测频方法和装置，使其充分发挥光子型、数字输出型的优点。

本发明的目的通过如下手段来实现。

一种具有高效数字编码输出的光子型微波测频装置，由连续激光光源10，载波抑制型单边带调制模块20，光耦合器30，梳状滤波器模块40，参考臂50，光探测模块60，判决模块70构成；所述梳状滤波器模块40由n个梳状滤波器并联构成，形成频域上的循环编码组合，并满足：1)第1个梳状滤波器与第2个梳状滤波器的滤波响应具有相同的自由频谱区，第2个梳状滤波器以后第i个滤波器的自由频谱区分别是第i-1个滤波器的自由频谱区的一半，即FSR₁＝FSR₂＝2FSR₃＝2²FSR₄＝…＝2^n-2FSR_n；2)以连续激光光源(10)的输出频率为初始相位参考点，第1个滤波器的滤波响应与第2个滤波器的滤波响应的初始相位之间存在一个π/2的相对相移，其它滤波器的滤波响应的初始相位与第2个滤波器的初始相位相同。

在上述装置的基础上，本发明也提供了一种具有高效数字编码输出的光子型微波测频方法，采用如下的步骤获得数字编码输出的微波频率表示：待测微波信号经载波抑制型单边带调制模块20加载到连续激光光源10上生成单个一阶光边带，再并行输入到梳状滤波器模块40和参考臂50中，然后经光探测模块60、判决模块70后获得循环二进制编码的n比特数字测频结果，有效码字个数为2ⁿ。

梳状滤波器模块40由n个梳状滤波器构成，它们的梳状滤波响应构成频域上的循环二进制编码(又可称之为格雷码,Gray code)组合：第1个梳状滤波器的滤波响应与第2个梳状滤波器的滤波响应具有相同的自由频谱区，但存在π/2的相对相移量；第3个梳状滤波器的滤波响应的自由频谱区为第2个梳状滤波器的滤波响应的自由频谱区的1/2，但相对相位一致；第4个梳状滤波器的滤波响应的自由频谱区为第3个梳状滤波器的滤波响应的自由频谱区的1/2，但相对相位一致，以此类推下去。待测微波信号经载波抑制型单边带调制模块加载到连续光源上生成单个一阶光边带，再输入到梳状滤波模块和和参考臂中，然后经光探测模块、判决模块获得数字化测频结果：数字输出结果为n比特的循环二进制编码或格雷码，有效编码个数为2ⁿ个；相比于先前报道的circular code，有效编码个数为2n个(X.Zou,W.Pan,B.Luo,and L.Yan,“Instantaneous frequency measurement withdigital outputs based on an optical filter array,”[C]OFC/NFOEC2011,Paper:JWA047,USA,Mar.2011)，极大地提高了编码效率。

执行过程为：如图1所示，待测微波信号经载波抑制型单边带调制模块对激光光源的输出光信号进行外调制，生成单个一阶光边带；这个光边带并行耦合进入梳状滤波器模块中多个梳状滤波器、以及一个参考臂中。本发明方法的核心是采用能够在频域上构成循环二进制编码(或格雷编码)方式的梳状滤波器模块，它由n个并行的梳状滤波器构成，它们的滤波响应表示如下。第1个梳状滤波器与第2个梳状滤波器的滤波响应具有相同的自由频谱区，然后后一个滤波器的滤波相移依次是前一个梳状滤波器滤波响应的一半；同时，以连续激光光源的输出频率为初始相位参考点，第1个梳状滤波器的滤波响应与其它梳状滤波器滤波响应之间存在一个π/2的相对相移。这里分别采用方波滤波包络的梳状滤波器和正弦函数包络的梳状滤波器来加以描述。

当滤波包络为方波时：以n＝4为例(可以拓展到其他较大的正整数)，此时构成频域上循环编码的梳状滤波响应的组合如图2所示，第i个(1≤i≤n)梳状滤波器的滤波响应对应的自由频谱区FSR_i满足(1)式：

FSR₁＝FSR₂＝2FSR₃＝2²FSR₄＝…＝2^n-2FSR_n   (1)

其中第1个滤波器的滤波响应与第2个滤波器的滤波响应的初始相位之间存在一个π/2的相对相移，其它滤波器的滤波响应的初始相位与第2个滤波器的初始相位相同。

当滤波包络为正弦函数时(比如采用单级时延干涉仪)，第i个(1≤i≤n)梳状滤波器的滤波响应可表述为：

$F_1\left(f\right)=0.5\×[1-\sin \left(\frac{2\mathrm{\πf}}{{\mathrm{FSR}}_1}\right)]---(2.a)$

$F_2\left(f\right)=0.5\×[1-\sin (\frac{2\mathrm{\πf}}{{\mathrm{FSR}}_2}+\mathrm{\π}/2)]---(2.b)$

$F_3\left(f\right)=0.5\×[1-\sin (\frac{2\mathrm{\πf}}{{\mathrm{FSR}}_3}+\mathrm{\π}/2)]---(2.c)$

$F_n\left(f\right)=0.5\×[1-\sin (\frac{2\mathrm{\πf}}{{\mathrm{FSR}}_n}+\mathrm{\π}/2)---(2.d)$

其中f为光频率(单位为Hz)，FSR_i分别为第i个(1≤i≤n)梳状滤波器响应的自由频谱区，满足图4及表达式(3)：

FSR₁＝FSR₂＝2FSR₃＝2²FSR₄＝…＝2^n-2FSR_n   (3)

单个光边带经梳状滤波器模块滤波后，微波频率信息转换成光功率信息；在光探测模块中，采用并联的光探测器检测参考臂和各梳状滤波器的输出光功率，然后在判决模块中进行对比，得到对应于第i(1≤i≤N)个梳状滤波响应的光功率比值函数R_i(f_m)。对于方波滤波包络滤波响应，其光功率比值函数如图4所示；对于正弦函数包络滤波响应，其光功率比值函数R_i(f_m)可表述为

$R_1\left(f\right)=0.5\×[1-\sin \left(\frac{2{\mathrm{\πf}}_m}{{\mathrm{FSR}}_1}\right)]---(4.a)$

$R_2\left(f\right)=0.5\×[1-\sin (\frac{2{\mathrm{\πf}}_m}{{\mathrm{FSR}}_2}+\mathrm{\π}/2)](4.b)$

$R_3\left(f\right)=0.5\×[1-\sin (\frac{2{\mathrm{\πf}}_m}{{\mathrm{FSR}}_3}+\mathrm{\π}/2)]---(4.c)$

$R_n\left(f\right)=0.5\×[1-\sin (\frac{2{\mathrm{\πf}}_m}{{\mathrm{FSR}}_n}+\mathrm{\π}/2)]---(4.d)$

其中f_m为待测微波频率(单位为Hz)。在判决模块中，对(4.a)～(4.d)式n个光功率比值函数进行判决，从而获得数字编码的测频结果：测频的数字输出结果为循环二进制编码。

经过上述设计后，本发明具有如下优点：采用频域上构成循环二进制码或格雷码组合的梳状滤波器模块，获得了具有数字输出的测频结果，可以直接与数字信号处理软件和模块兼容，并便于长期存储；更为重要的是，数字输出为循环二进制编码(而非circular code)，极大地提高了编码效率，实现了错误最小化，以及在相同比特长度的输出下，提高了测频分辨率。

附图说明：

图1.本发明方法的系统框图。

图2.方波滤波包络时梳状滤波器模块的滤波响应(n＝4)。

图3.正弦滤波包络时梳状滤波器模块的滤波响应(n＝4)。

图4.方波滤波包络时获得的光功率比值分布。

图5.正弦滤波包络时获得的光功率比值分布。

图6.方波滤波包络时获得的循环二进制编码数字输出(n＝4)。

图7.正弦函数滤波包络时获得的循环二进制编码数字输出(n＝4)。

图8.方波滤波包络时获得的循环二进制编码数字输出(n＝5)。

图9.正弦函数滤波包络时获得的循环二进制编码数字输出(n＝5)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施作进一步的描述。

如图1所示，实现本发明方案的装置由连续激光光源10，载波抑制型单边带调制模块20，光耦合器30，梳状滤波器模块40，参考臂50，光探测模块60、判决模块70构成。

从激光光源10出发，其输出光进入载波抑制型单边带调制模块20，其功能是：将待测微波信号(频率为f_m)以外调制方式加载到连续光源上，仅得到单个一阶光边带。该模块由载波抑制型光外调制器件(抑制光载波)、具有阶越响应的带通或带阻光滤波器(从两个光边带中滤除一个边带)组成。此单个光边带经过耦合器30同时注入到梳状滤波器模块40和参考臂50(可以一段光纤或一个可调谐光衰器)中。

梳状滤波器模块40由n(n为正整数)个梳状滤波器并联构成，形成频域上的循环编码组合，满足如下特征：1)第1个梳状滤波器与第2个梳状滤波器的滤波响应具有相同的自由频谱区，第2个梳状滤波器以后第i个滤波器的自由频谱区分别是第i-1个滤波器的自由频谱区的一半，即FSR₁＝FSR₂＝2FSR₃＝2²FSR₄＝…＝2^n-2FSR_n；2)以连续激光光源(10)的输出频率为初始相位参考点，第1个滤波器的滤波响应与第2个滤波器的滤波响应的初始相位之间存在一个π/2的相对相移，其它滤波器的滤波响应的初始相位与第2个滤波器的初始相位相同。当梳状滤波通带为方波包络时，以n＝4为例，梳状滤波器模块的滤波响应如图3所示。当梳状滤波通带为正弦波包络时，也以n＝4为例，梳状滤波器模块的滤波响应如图4和(2.a)～(2.d)表达式所示。

当连续激光光源10的输出频率λ₀按照图3、图4的位置对准各个梳状滤波器的滤波相位位置时，经梳状滤波器模块40滤波处理、光探测模块60(由一系列光探测器组成)检测、判决模块70(由一系列除法器和判决器组成)的比较后，分别获得第i(1≤i≤n)个滤波器对应的与频率相关的光功率比值函数。以n＝4为例，当梳状滤波通带为方波包络时，光功率比值如图5所示；当梳状滤波通带为正弦波包络时，梳状滤波器模块的滤波响应如图6和(4.a)～(4.d)表达式所示。

基于图5、图6或公式(4.a)～(4.d)描述的光功率比值函数，在判决模块70中利用判决器(以0.5为判决阈值)进行数字编码。其过程如下：基于阈值进行判决；光功率比值小于0.5判决为数字“0”，光功率比值大于0.5判决为数字“1”；最终n个梳状滤波器形成n比特数字二进制循环编码。

首先，以n＝4为例对二进制循环编码的数字输出加以说明。在方波包络下数字判决编码的过程如图7所述，在正弦函数包络下数字判决编码的过程如图8所述；它们的共性为：整个无模糊测量范围为FSR₁或FSR₂，这个测量范围划分为2⁴个频率区间，每个频率区间对应的测频输出为4比特的循环编码(分别为“0000、0001、0011、0010、0110、0110、0111、0101、0100、1100、1101、1111、1110、1010、1011、1001、1000”)，对应的测频分辨率为FSR₁/2⁴或者FSR₂/2⁴，测量范围为0～FSR₁。此时，4比特的循环编码对应的2⁴个编码都得到了利用(不存在空闲或无效的码字)，因而数字输出具有高效的编码特性，并且测频分辨率与“circular code”相比得到了明显的提高。与此同时二进制循环编码的数字输出，相邻的两个码字之间只有1个比特发生变化，因而在测频编码过程中还具有错误最小化的特点。

这里需指出的是：n的取值并不局限于4，还可以选取其它正整数；n的值越大，获得频率测量分辨率越好。下面再以n＝5为例加以说明。在方波包络滤波响应和正弦函数包络滤波响应下，频率测量的数字编码输出分别见图8和图9，都得到了5比特的二进制循环编码(分别为“00000、00001、00011、00010、00110、00110、00111、00101、00100、01100、01101、01111、01110、01010、01011、01001、01000、11000、11001、11011、11010、11110、11111、11101、11100、10100、10101、10111、10110、10011、10001、10000”)，码字的个数为2⁵，此时的测频分辨率提高为FSR₁/2⁵或者FSR₂/2⁵，测量范围为0～FSR₁。

综合以上陈述，本发明具有如下特征。1).采用具有频域上二进制循环编码组合的梳状滤波器实施光子技术型微波测频，测频结果直接为数字输出，而且是二进制循环编码的数字输出；2).本发明方法及装置实现了二进制循环编码数字输出，在编码效率、错误最小化、提高测频分辨率方面优势明显。

以上所陈述的仅仅是本发明的优选实施方式，应当指出，在不脱离本发明方案的前提下，在实际实施中可以做出若干更改和润色也应包含在本发明的保护范围以内。

Claims (1)

1.一种具有高效数字编码输出的光子型微波测频方法，采用如下的具有高效数字编码输出的光子型微波测频装置：所述装置由连续激光光源(10)、载波抑制型单边带调制模块(20)、光耦合器(30)、梳状滤波器模块(40)、参考臂(50)、光探测模块(60)、判决模块(70)构成；所述梳状滤波器模块(40)由n个梳状滤波器并联构成，形成频域上的循环二进制编码组合，并满足：1)第1梳状滤波器与第2梳状滤波器的滤波响应具有相同的自由频谱区，第2梳状滤波器以后第i个梳状滤波器的自由频谱区分别是第i-1个梳状滤波器的自由频谱区的一半，即FSR₁＝FSR₂＝2FSR₃＝2²FSR₄＝…＝2^n-2FSR_n；2)以连续激光光源(10)的输出频率为初始相位参考点，第1梳状滤波器的滤波响应与第2梳状滤波器的滤波响应的初始相位之间存在一个π/2的相对相移，其它梳状滤波器的滤波响应的初始相位与第2梳状滤波器的初始相位相同；其特征在于，在上述的装置的基础上采用如下的步骤获得数字编码输出的微波频率表示：待测微波信号经载波抑制型单边带调制模块(20)，以外调制方式加载到连续激光光源(10)上，仅得到单个一阶光边带；此单个光边带经过耦合器(30)同时注入到梳状滤波器模块(40)和参考臂(50)中，然后经光探测模块(60)、判决模块(70)后获得循环二进制编码的n比特数字测频结果，有效码字个数为2ⁿ。