CN102435843A

CN102435843A - 多射频频率测量装置及方法

Info

Publication number: CN102435843A
Application number: CN2011102890837A
Authority: CN
Inventors: 戴一堂; 谢小军; 徐坤; 伍剑; 李岩; 洪小斌; 郭宏翔; 左勇; 林金桐
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2011-09-26
Filing date: 2011-09-26
Publication date: 2012-05-02

Abstract

本发明公开了一种多射频频率测量装置及方法，涉及射频检测技术领域，所述装置包括：顺次连接的光频率梳源、马赫曾德尔调制器、法布里伯罗滤波器、波分复用器和光电探测阵列，以及与所述马赫曾德尔调制器连接的射频天线，其中，马赫曾德尔调制器，用于对待测射频信号进行调制、将其加载到所述光频率梳的多个载波上；法布里伯罗滤波器，用于对光频率梳的不同载波上加载的多频点射频微波信号进行梳状滤波；所述波分复用器，用于将梳状滤波后的光频率梳在空间上划分为多个信道；所述光电探测阵列，用于探测所述多个信道的功率。本发明具有高灵敏度和低放大噪声的优点，有较大的动态频率测量范围和带宽，能够实时、并行、宽带地实现多频点射频信号测量。

Description

多射频频率测量装置及方法

技术领域

本发明涉及射频检测技术领域，尤其涉及一种多射频频率测量装置及方法。

背景技术

传统的射频频率测量系统是基于传统微波器件实现的。根据实现原理，传统的射频频率测量系统可以归纳为两大类：

1.数字瞬时测频：将待测信号进行采样，量化编码变成数字信息，然后再通过对数字信号的处理、运算获得待测射频信号的频率信息。其关键是采样量化电路和测频算法。

2.模拟瞬时测频：把频率信息转化为幅度信息，或者先将频率信息转化为相位信息，然后再转化为幅度信息，最后通过测量幅度信息来获得频率信息。如图1给出的模拟瞬时频率测量系统的框架图。

由于频率截获概率和频率分辨力的矛盾，为了满足现代射频系统对高频率分辨率的要求，传统数字测频方法必须增加采样路数，这导致设备的SWAP(Size，Weight and Power)的增加。又由于传统微波数字测频系统以比特而非信息为测量目标，造成了过度的“信息冗余”和功能浪费。此外，传统模拟微波频率测量的高频损耗很大，从而在根本上限制测频系统的测量带宽。

目前常用的测频装置还有多信道测频装置和基于光子技术的射频频率测量系统。

多信道法测频就是使用频分器(信道化滤波器)将待测射频信号的频率划分为多个信道，某个频率范围的信号仅落入对应信道，从而用该信道的频率表示待测射频信号的频率。这种机制下，关键器件是频分器，它有一个输入端，多个输出端，每个输出端口对应了一定的频率范围，这个频率范围限制了多信道瞬时测频系统的频率分辨率，而滤波器对高频频率特性则限制了频率测量范围。多信道瞬时测频的原理框图如图2所示。

但频分器对高频信号的插损很大，因此对高频信号进行分路的频分器，宽频带的高频放大器是必需的，而大量高频放大器的使用，必然产生电路复杂，成本增加以及信号畸变等问题。

基于光子技术的射频频率测量系统通过测量模拟输出信号的特征推测射频输入的频率。典型的光子辅助射频频率测量系统结构如图3所示。

目前由光子辅助的射频频率测量方案根据原理大概可以分为三类：1.将待测射频信号的频率信息转化为强度信息。2.将待测射频信号的频率信息转化为时延信息。3.将待测射频信号的频率信息转化为功率的空间分布。

现有的光子辅助微波频率测量系统研究大都集中在单频点微波频率测量，难以满足现代射频频率测量的要求。多频点射频信号的频率测量也有研究，但是无源器件造成的插损使系统的测量灵敏度受到限制，如果使用放大器又会引入放大噪声，造成频率测量误差。既使解决了源器件造成的插损问题，其设备复杂且不稳定，也无法使用。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：提供一种多射频频率测量装置及方法，其具有高灵敏度和低放大噪声的优点，有较大的动态频率测量范围和带宽，能够实时、并行、宽带地实现多频点射频信号测量。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明提供了一种多射频频率测量装置，包括：顺次连接的光频率梳源、马赫曾德尔调制器、法布里伯罗滤波器、波分复用器和光电探测阵列，以及与所述马赫曾德尔调制器连接的射频天线，其中，

所述光频率梳源，用于产生光频率梳；

所述射频天线，用于接收待测射频信号；

所述马赫曾德尔调制器，用于对所述待测射频信号进行调制，并将其加载到所述光频率梳的多个载波上，实现对待测射频信号的多路广播；

所述法布里伯罗滤波器，用于对所述光频率梳的不同载波上加载的多频点射频微波信号进行梳状滤波；

所述波分复用器，用于将梳状滤波后的光频率梳在空间上划分为多个信道；

所述光电探测阵列，用于探测所述多个信道的功率。

优选地，所述光频率梳源包括：级联的相位调制器和幅度调制器。

优选地，所述光频率梳源、马赫曾德尔调制器、法布里伯罗滤波器、波分复用器和光电探测阵列通过光纤连接。

优选地，还包括：光纤放大器，设于所述光频率梳源与所述马赫曾德尔调制器之间，用于增加光频率梳的功率，提高光频率梳的消光比。

一种利用前述装置进行多射频频率测量的方法，包括以下步骤：

A：所述马赫曾德尔调制器对光频率梳进行调制、将待测射频信号加载到所述光频率梳的多个载波上，实现对待测射频信号的多路广播，然后将加载有射频信号的光频率梳传输至法布里伯罗滤波器；

B：所述法布里伯罗滤波器对所述光频率梳的不同载波上加载的多频点射频微波信号进行梳状滤波；

C：经梳状滤波后的光频率梳通过波分复用器在空间上被划分为多个信道；

D：光电探测阵列探测所述多个信道的功率；

E：根据所述功率推测射频信号的频率信息。

优选地，方法还包括：所述光频率梳源产生光频率梳并传输至所述马赫曾德尔调制器，同时待测射频信号经所述射频天线进入所述马赫曾德尔调制器的步骤。

优选地，光频率梳源产生光频率梳包括：通过调节相位调制器和幅度调制器的偏置电压以及移相器，产生光频率梳。

优选地，方法还包括：增加所产生的光频率梳的功率，同时提高所述光频率梳的消光比的步骤。

(三)有益效果

本发明采用光频率梳，因此在测量射频信号频率时可有效实现射频信号多播，具有高灵敏度和低放大噪声的优点，同时本发明由于利用了微波光子技术，因而具有大的动态频率测量范围和带宽。本发明还能够实时、并行、宽带地实现多频点射频信号测量。另外，本发明还具有实验设备简单、成本低的特点。

附图说明

图1为本发明背景技术中所述模拟瞬时频率测量系统的框架图；

图2为本发明背景技术中所述多信道瞬时测频的原理框图；

图3为本发明背景技术中所述光子辅助射频频率测量系统结构图；

图4为本发明实施方式中所述多射频频率测量装置的结构图；

图5为本发明实施方式中所述进行多射频频率测量的方法流程图；

图6为本发明实施方式中所述射频信号调制的原理图；

图7为本发明实施方式中所述实例的装置结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图4所示，本发明所述的多射频频率测量装置，包括：顺次连接的光频率梳源、马赫曾德尔调制器、法布里伯罗滤波器、波分复用器和光电探测阵列，以及与所述马赫曾德尔调制器连接的射频天线，其中，

所述光频率梳源，用于产生光频率梳；

所述射频天线，用于接收待测射频信号；

所述光电探测阵列，用于探测所述多个信道的功率。

通过级联相位调制器和幅度调制器而产生的光频率梳可以简单地由下面公式表示：

E_{combs} = Σ_{n = 0}^{m} A_{n} \exp [j 2 π (f_{0} + nΔf) t]

其中，f₀表示光频率梳的种子光源频率，而Δf代表着光频率梳的频率间隔，n代表产生的光频率梳的根数。而A_n则代表光频率梳中每根频率梳的幅度。

优选地，所述装置还包括：光纤放大器，例如：掺铒光纤放大器(图中未示出)，设于所述光频率梳源与所述马赫曾德尔调制器之间，用于增加光频率梳的功率，提高光频率梳的消光比。

如图5所示，本发明所述利用前述装置进行多射频频率测量的方法，包括以下步骤：

假设待测的射频微波信号为：

v(t)＝Vcos(2πf_RFt)

如图6(a)所示。其中V表示的是射频微波信号的振幅，而

表示多频点射频微波信号的频率。在小信号和载波抑制条件下，包含有多个频点信息的射频微波信号被调制加载到光频率梳的每个载波上。经过马赫曾德尔调制器调制以后的光频率梳可以由下面公式表示：

E_{MZM} \approx E_{combs} J_{1} (βπ) [e^{j 2 π (f_{0} + f_{RF}) t} + e^{j 2 π (f_{0} - f_{RF}) t}]

= Σ_{n = 0}^{m} A_{n} J_{1} (βπ) [e^{j 2 π (f_{0} + nΔf + f_{RF}) t} + e^{j 2 π (f_{0} + nΔf - f_{RF}) t}]

如图6(b)，其中β＝V/V_π是调制深度，决定着调制以后每根频率梳的幅度，V_π是马赫曾德尔调制器的半波调制电压。可以看到在载波抑制小信号条件下，光频率梳通过调制器后，在光频率梳各个载波两侧产生一阶边带。这样待测射频信号加载到光频率梳上，从而实现待测射频信号的多路广播。

法布里伯罗滤波器具有梳状透射谱，可周期性的对特定频率进行滤波。其自由光谱范围与光频率梳的自由光谱范围相差ΔF。由于两个自由光谱范围的不同，光频率梳的第N个载波频率与法布里伯罗滤波器的第N个透射峰处频率相差NΔF。

通过梳状滤波后，光频率梳可由下面公式进行描述：

I = E_{2} E_{2}^{*} = \frac{E_{1} E_{1}^{*} {(1 - R)}^{2}}{{(1 - R)}^{2} + 4 R \sin^{2} (\frac{2 πnhf}{c})} = \frac{| E_{1} | {(1 - R)}^{2}}{{(1 - R)}^{2} + 4 R \sin^{2} (\frac{2 πnhf}{c})}

其中，R是法布里伯罗滤波器的腔面反射率，n是腔体介质折射率，d是腔体长度，c是真空中光速。

D：光电探测阵列探测所述多个信道的功率；

E：根据所述功率推测射频信号的频率信息。

下面如图7所示的装置为实例，来说明本发明的工作过程。

采用窄线宽，低相噪的激光源作为光频率梳的种子光源，40GHz的微波源通过相位调制器和幅度调制器对种子光源进行调制。通过调节幅度调制器的偏置电压以及移相器，可以产生40GHz的高平整度的光频率梳。然后光频率梳通过掺铒光纤放大器，增加光频率梳功率，同时提高光频率梳的消光比。经过放大后的光频率梳通过马赫曾德尔调制器，被调制加载上待测的射频信号，从而实现高质量的稳定的射频信号多播。然后法布里伯罗滤波器再对频率梳进行梳状滤波，由于光频率梳和法布里伯罗滤波器的自由光谱范围的差异，在通过波分复用器后，不同频点出的射频信号被划分进行不同信道。最后，通过光电探测阵列，对各信道进行功率检测，从而实现对宽带射频信号的并行多频点测量。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims

1.一种多射频频率测量装置，其特征在于，包括：顺次连接的光频率梳源、马赫曾德尔调制器、法布里伯罗滤波器、波分复用器和光电探测阵列，以及与所述马赫曾德尔调制器连接的射频天线，其中，

所述光频率梳源，用于产生光频率梳；

所述射频天线，用于接收待测射频信号；

所述光电探测阵列，用于探测所述多个信道的功率。

2.如权利要求1所述的多射频频率测量装置，其特征在于，所述光频率梳源包括：级联的相位调制器和幅度调制器。

3.如权利要求1所述的多射频频率测量装置，其特征在于，所述光频率梳源、马赫曾德尔调制器、法布里伯罗滤波器、波分复用器和光电探测阵列通过光纤连接。

4.如权利要求1所述的多射频频率测量装置，其特征在于，还包括：光纤放大器，设于所述光频率梳源与所述马赫曾德尔调制器之间，用于增加光频率梳的功率，提高光频率梳的消光比。

5.一种利用权利要求1-4中任一项所述装置进行多射频频率测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

D：光电探测阵列探测所述多个信道的功率；

E：根据所述功率推测射频信号的频率信息。

6.如权利要求5所述的进行多射频频率测量的方法，其特征在于，还包括：所述光频率梳源产生光频率梳并传输至所述马赫曾德尔调制器，同时待测射频信号经所述射频天线进入所述马赫曾德尔调制器的步骤。

7.如权利要求6所述的进行多射频频率测量的方法，其特征在于，光频率梳源产生光频率梳包括：通过调节相位调制器和幅度调制器的偏置电压以及移相器，产生光频率梳。

8.如权利要求6所述的进行多射频频率测量的方法，其特征在于，还包括：增加所产生的光频率梳的功率，同时提高所述光频率梳的消光比的步骤。