CN102353525A - 一种电光强度调制器谐波失真测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电光强度调制器谐波失真测量方法，它通过测量传输曲线并利用多项式拟合构建传输函数，由传输函数系数和输入信号参数直接计算输出信号的各次谐波失真。它具有计算简单、结果准确、硬件实现容易的特点。本发明为快速、准确表征和优化电光强度调制谐波失真提供了途径，在光纤通信系统、电光信号处理、光载无线技术方面具有广泛应用前景。

Description

一种电光强度调制器谐波失真测量方法

技术领域

本发明属于光电技术领域，涉及光电信号处理技术，具体涉及一种用于分析电光强度调制器的非线性谐波失真的方法。

背景技术

电光强度调制器作为典型的电光外调制器，是现代光通信系统中最基本和最关键的光电子器件之一。常用的电光强度调制主要有马赫曾德尔(M-Z，Mach-Zahnder)调制器和电吸收调制器两种，其分别利用电光效应和Franz-Keldysh吸收边红移效应工作。如图1所示，在电光强度调制器的端口1输入直流光信号，同时将电信号通过端口2加载在电光强度调制器上，在端口3可获得按照电信号变化的光强输出。相对于激光器的直接调制，电光调制在激光器外部，比直接调制的调制速率高，调制带宽也要宽的多。

实际的调制过程中，由于电光强度调制器的不完全线性，即输出光的强度跟调制电压不是理想的线性关系，使得输出信号会产生谐波失真。虽然，谐波失真的大小是衡量电光强度调制器线性度好坏的重要标准，典型的测量方法是对输出信号进行频谱测量，据文献报道，Shim J，Liu B，Piprek J等人已经提出利用快速傅立叶变换方法分析不同电注入功率下电吸收调制器输出光信号的谐波分量，实现了对电光模拟调制的谐波失真分析(见文献ShimJ，Liu B，Piprek J and Bowers J E.Nonlinear properties of traveling-wave electroabsorptionmodulator.IEEE Photonics Technology Letters，2004，16(4)：1035-1037.)。这种方法对信号失真分辨率较高，且已被广泛用于信号分析，但是测量或者计算过程非常繁琐，且仪器成本较高。M.S.Islam等人提出将M-Z强度调制器的传输曲线视作理想余弦函数，采用贝塞尔级数展开分析其调制谐波特性，(见文献M.Shahidul Islam and M.Saiful Islam，AnalyticalTechnique to Mitigate the Effects of Composite Second Order and Composite Triple Beat inMach-Zehnder Modulator，International Conference on Computers and Devices forCommunication，2009.)。这一方法只适用于M-Z调制器，且实际上由于制作工艺的非对称性使得调制器传输曲线并非严格的余弦函数，造成测量误差。

发明内容

本发明的目的是提供一种电光强度调制器谐波失真的测量方法，利用多项式函数表征电光强度调制传输曲线，计算单频电调制信号下输出信号的谐波分量，实现非线性失真分析。

本发明提出了一种电光强度调制器谐波失真的测量方法，其特征包含以下步骤：

步骤1测量传输曲线

设定电光强度调制器的输入直流光强P_d和驱动电信号x(t)＝V_b+V_mcosω_et的角频率ω_e、平均电压V_b和电压幅度V_m，将电压信号依次从V_b-V_m变化到V_b+V_m，记录输出光强P_i(i＝1，2，...，n)，从而测量得到电光强度调制传输曲线P_i＝h(x_i)(i＝1，2，...，n)；

步骤2构建传输函数

将步骤1中得到的传输曲线用多项式函数进行最小二乘拟合，多项式函数的阶次m与拟求最高谐波次数相同，如此，构建得到传输函数

x∈[V_b-V_m，V_b+V_m]；

步骤3失真计算

步骤3a：将输入参量x(t)＝V_b+V_mcosω_et代入步骤2中得到的传输函数

步骤3c：利用系数p_k计算电光强度调制的k次谐波失真结果d_k＝|p_k/p₁|，k＝2，3，...，m。

本发明的实质该方法在测得传输曲线的基础上，利用传输函数直接计算任意单频输入信号的电光强度调制输出谐波失真，实现失真分析。

本发明的优点或积极的效果：

本发明提出的电光强度调制谐波失真表征方法，避免了对输入、输出信号进行傅里叶谐波分析，可直接计算单一频率电信号调制下的电光强度调制的各次谐波分量，快速运算得到谐波失真，具有计算过程简单，结果准确的优点。

附图说明

图1是电光强度调制原理示意图。

其中1是直流光信号输入端口，2是电压信号输入端口，3是光信号输出端口。

图2是本发明的工作流程图。

图3是电光强度调制传输函数结果示意图。

具体实施方式

通过对如图1所示的电光强度调制的一个实例验证本发明提出的谐波失真快速表征方法，所有步骤、结论都在Matlab 6.5上验证正确。

步骤1测量传输曲线

设定电光强度调制器的输入直流光强P_d＝12mW，驱动电信号x(t)为角频率ω_e＝2π×100rad/s的余弦信号x(t)＝V_b+V_mcosω_et，V_b＝-3.5V，V_m＝3.5V，将直流光输入电光强度调制器，将电压信号依次从-7V变化到0V，记录此电压下对应的输出光强，测量得到电光强度调制传输曲线y_i＝h(x_i)(i＝1，2，...，36)，如图3所示；

步骤2构建传输函数

拟分析最高4次谐波失真，故取多项式阶次m＝4，将传输曲线进行最小二乘多项式拟合，得到传输函数h(x)＝a₀+a₁x+a₂x²+a₃x³+a₄x⁴，式中a₀＝9.979，a₁＝0.5802，a₂＝-0.4108，a₃＝-0.05103，a₄＝-0.0008545；

步骤3失真计算

将输入参量代入传输函数可得到输出信号表达式并简化得到

p₄＝-0.0167，该过程产生的2、3、4次谐波失真为d₂＝|p₂/p₁|＝0.0724，d₃＝|p₃/p₁|＝0.0896，d₄＝|p₄/p₁|＝0.0035。

经过以上步骤就实现了对电光强度调制谐波失真的表征。为了说明本发明方法的准确性，我们利用傅立叶变换对本实施例也进行了分析，两计算结果对比如表1所示。

表1本发明结果与傅立叶分析结果对比

	d2	d3	d4
				本发明计算结果	0.0724	0.0896	0.0035
傅立叶分析结果	0.0702	0.0910	0.0042

从具体实施例可知，本发明的计算过程简单，整个计算过程很容易采用数字信号处理DSP硬件实现，对电光强度调制器的谐波失真进行动态分析与评价，为优化电光强度调制器工作参数和快速选择电光强度调制工作范围提供准确、简单的方法。

Claims (1)

1.一种电光强度调制器谐波失真的测量方法，其特征是它包含以下步骤：

步骤1测量传输曲线

设定电光强度调制器的输入直流光强P_d和驱动电信号x(t)＝V_b+V_mcosω_et的角频率ω_e、平均电压V_b和调制幅度V_m，将电压信号依次从V_b-V_m变化到V_b+V_m，记录输出光强P_i(i＝1，2，...，n)，从而测量得到电光强度调制传输曲线P_i＝h(x_i)(i＝1，2，...，n)；

步骤2构建传输函数

将步骤1中得到的传输曲线用多项式函数进行最小二乘拟合，多项式函数的次数m与拟求最高谐波次数相同，如此，构建得到传输函数

x∈[V_b-V_m，V_b+V_m]；

步骤3失真计算

步骤3a：将输入参量x(t)＝V_b+V_mcosω_et代入步骤2中得到的拟合函数

中，可得到输出信号 $y\left(t\right)=\underset{k=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k{(V_b+V_m\cos {\mathrm{\ω}}_{e}t)}^k;$

步骤3b：运用二项式法则和三角函数降幂公式化简y(t)，得

式中 $p_k=\underset{l=0}{\overset{[m/2-1]}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=k+2l}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{a_j}{2^{k+2l-1}}{C}_{k+2l}^l{C}_j^{k+2l}{V}_b^{j-k-2l}{V}_m^{k+2l},$ C为组合数计算式，[]为取整函数；

步骤3c：利用系数p_k计算电光强度调制的k次谐波失真结果d_k＝|p_k/p₁|，k＝2，3，...，m。

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