CN103560769A - 一种任意波形发生器及任意波形产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种任意波形发生器，包括：飞秒光频梳、频率锁定单元、脉冲激光器单元、光隔离器、光频梳齿提取单元、可调谐滤波单元、光放大单元、合波单元、偏振控制单元、光电探测单元、混频单元和计算机控制系统。本发明的任意波形发生器从根本上克服了目前基于直接数字频率合成技术的任意波形发生器中存在的采样率及存储容量、多通道同步、相位精密调节以及高速A／D和D／A转换速率的电子学瓶颈限制；能够提供更为灵活的系统设计，产生频带更宽、相位噪声更低的微波、毫米波信号，实现微波及毫米波高频波段的任意波形输出；具有光纤化，抗电磁干扰，高精度，高灵敏度以及稳定性好的优点。

Description

一种任意波形发生器及任意波形产生方法

技术领域

本发明涉及测试技术领域，特别涉及一种任意波形发生器，还涉及一种任意波形产生方法。

背景技术

信号发生技术是国民经济建设、国防建设和科学研究的重要技术基础，在高速光通信、计量科学以及基础研究等领域都有着重要的应用。作为信号发生技术的代表，任意波形发生器是近年来飞速发展起来的一类通用信号源，与传统信号源相比，任意波形发生器的最大优势是在于其产生信号的方式灵活，不仅能产生正弦波、方波等标准信号，同时具有输出频率稳定度和分辨率高，频率切换速度快，并且切换时波形相位连续等优点，可广泛应用于水下声纳、通信、雷达导航以及生物医学模拟等领域，具有广阔的市场前景。

目前任意波形发生技术主要有直接式频率合成技术、锁相环频率合成技术以及直接数字频率合成技术这三种。上述各技术方案具体情况如下：

直接频率合成技术：所谓直接频率合成技术，就是用倍频、分频和混频电路对一个或几个基准频率进行加、减、乘和除的运算，产生所需要的频率信号，并通过窄带滤波器选出后混频合成任意波形信号，这是最先出现的一种合成器类型的任意波形信号源。这种频率合成器原理简单，易于实现，但是寄生信号输出大，输出波形质量不高，需要大量的模拟元件，结构复杂，体积大，成本高，并且无法产生高频波段的任意波形信号。

锁相环频率合成技术：又称间接式频率合成技术，这种合成方法所使用的电路较直接式频率合成简单，它主要是将含有噪声的振荡器放在锁相环路内，使它的相位锁定在希望的信号上，从而使振荡器本身的噪声被抑制，使它的输出频谱大大提纯。锁相频率合成技术提供了一种单一参考频率获得大量稳定的输出频率的方法，电路结构简单，成本较低，但这种技术存在固有缺点，由于它采取闭环控制的，系统的输出频率改变后，重新达到稳定的时间也就比较长，因此无法同时得到较高的频率分辨率和转换率，同时也无法产生高频波段的任意波形信号。

直接数字频率合成技术：这是近年来出现的一种频率合成器的新方法，它与直接频率合成技术和锁相环频率合成技术等传统频率合成的方法不同，是通过控制输出波形信号的相位合成所需的波形。直接数字频率合成技术采用高速波形数据存储器、高速D／A转换器以及奇偶数据选择电路，并应用了全数字的大规模集成技术，具有体积小、价格低、频率分辨率高、快速换频，易于智能控制等优点，近年来发展较快，备受青睐，基于这种技术，目前已有可以产生输出最高800MHz的任意波形信号的报道，但这种技术受到了采样率、存储容量、相位精密调节以及高速A／D和D／A转换速率的限制，无法实现微波及毫米波高频波段的任意波形信号输出功能。

目前任意波形合成技术中的研究热点和关键技术集中在了提高采样率、改善输出波形质量、提高存储容量、多通道同步、相位精密调节等方面，这些关键技术由于受到电子学瓶颈的限制，极大地制约着高速任意波形合成技术以及相关测试仪器的发展和应用。此外任意波形发生技术中涉及到的数字信号处理生成方法，也会受到高速A／D和D／A转换速率的限制，能够生成的复杂波形信号其最高频率也只能达到百兆赫兹的量级，因此，基于现有技术的“任意波形发生器”并非真正意义上的任意波形发生器，还无法实现短波及毫米波高频波段的任意波形输出。

发明内容

本发明提出一种基于飞秒光频梳双光源结构的任意波形发生器及任意波形产生方法，解决了现有技术的任意波形发生器存在的带宽和载频电子瓶颈、无法实现短波及毫米波高频波段任意波形输出的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种任意波形发生器，包括：飞秒光频梳、频率锁定单元、脉冲激光器单元、光隔离器、光频梳齿提取单元、可调谐滤波单元、光放大单元、合波单元、偏振控制单元、光电探测单元、混频单元和计算机控制系统；

所述频率锁定单元连接飞秒光频梳和脉冲激光器单元，锁定飞秒光频梳和脉冲激光器单元的重复频率，使飞秒光频梳和脉冲激光器单元的飞秒激光脉冲在时域同步；

所述飞秒光频梳与第一光隔离器、光频梳齿提取单元和第一光放大单元通过单模光纤依次顺序连接，输出作为光学外差拍频方法产生微波毫米波信号中所需两路光信号中的参考光信号源，所述光频梳齿提取单元提取飞秒光频梳中特定频率梳齿；

所述脉冲激光器单元、第二光隔离器、可调谐滤波单元和第二光放大单元通过单模光纤依次顺序连接，输出作为光学外差拍频方法产生微波毫米波信号中所需两路光信号中光频率和光强度可调谐的信号光源；

所述合波单元、偏振控制单元、光电探测单元和混频单元依次顺序连接，合波单元接收所述参考光信号源和光频率和光强度可调谐的信号光源，混频单元输出任意波形；

所述计算机控制系统连接控制所述脉冲激光器单元、可调谐滤波单元和光放大单元。

本发明还提供了一种任意波形产生方法，包括以下步骤：

步骤(a)，通过计算机控制系统输入需要产生的波形信号，经傅里叶变换和分析后，计算给出合成该信号所需要的基波及各次谐波的频率和幅度信息；

步骤(b)，根据得到的基波及各次谐波的频率和幅度信息，计算机控制系统向脉冲激光器单元和可调谐滤波单元发出频率选择命令，输出光频率可调谐的信号光，同时计算机控制系统向光放大单元发出幅值控制指令，通过控制光放大单元中激光脉冲放大器的抽运功率调谐信号光光强；

步骤(c)，将产生的信号光与飞秒光频梳发出的参考光通过合波单元进行合波后在同一根光纤中进行传输；

步骤(d)，在合波单元和光电探测单元之间加入偏振控制单元，使参考光和调谐光相同偏振态输出；

步骤(e)，通过光外差拍频在光电探测单元中的光电探测器阵列上依次产生基波及各次谐波信号，并将信号在混频单元中进行混频，输出满足要求的波形信号。

本发明的有益效果是：

(1)从根本上克服了目前基于直接数字频率合成技术的任意波形发生器中存在的采样率及存储容量、多通道同步、相位精密调节以及高速A／D和D／A转换速率的电子学瓶颈限制；

(2)能够提供更为灵活的系统设计，产生频带更宽、相位噪声更低的微波、毫米波信号，实现微波及毫米波高频波段的任意波形输出；

(3)具有光纤化，抗电磁干扰，高精度，高灵敏度以及稳定性好的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明任意波形反生器的控制框图；

图2为本发明任意波形产生方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明任意波形发生器及产生方法，基于飞秒光频梳双光源结构，首先根据需要产生的波形信号对其进行编辑，利用计算机控制系统通过傅里叶变换等数学分析方法在频域得到构成该信号所需的各次谐波频率分量及相应的幅值信息，然后采用基于飞秒光频梳的微波毫米波可调谐光子发生系统在全光域中生成所需相应幅值下的基波及各次谐波信号，最后结合频率合成方法在混频器中实现符合要求的波形信号输出。

如图1所示，本发明的任意波形发生器包括：飞秒光频梳101、频率锁定单元102、脉冲激光器单元103、第一光隔离器104、第二光隔离器204、光频梳齿提取单元105、可调谐滤波单元106、第一光放大单元107、第二光放大单元207、合波单元108、偏振控制单元109、光电探测单元202、混频单元203和计算机控制系统201。

频率锁定单元102同时连接飞秒光频梳101和脉冲激光器单元103，用于锁定飞秒光频梳101和所述脉冲激光器单元103的重复频率，实现二者飞秒激光脉冲在时域的同步；飞秒光频梳101用以实现在频率域间隔完全相等、位置绝对固定的大量纵模组成的稳频激光输出，同时与第一光隔离器104、光频梳齿提取单元105和第一光放大单元107通过单模光纤依次顺序连接，用于作为光学外差拍频方法产生微波毫米波信号中所需两路光信号中的参考光信号源；光隔离器用以实现整个系统光路的单向运转，防止反射光对飞秒光频梳101和脉冲激光器单元103中谐振腔产生不利影响；光频梳齿提取单元105用以实现飞秒光频梳101中特定频率梳齿的提取；脉冲激光器单元103、第二光隔离器204、可调谐滤波单元106和第二光放大单元207通过单模光纤依次顺序连接，用于输出作为光学外差拍频方法产生微波毫米波信号中所需两路光信号中光频率和光强度可调谐的信号光；合波单元108、偏振控制单元109、光电探测单元202和混频单元203依次顺序连接，合波单元108接收参考光信号源和光频率和光强度可调谐的信号光源，混频单元203输出任意波形；计算机控制系统201同时连接控制脉冲激光器单元103、可调谐滤波单元106和光放大单元107。

上述任意波形发生器产生任意波形信号的过程为：首先通过计算机控制系统201输入需要产生的波形信号，经傅里叶变换和分析后，计算给出合成该信号所需要的基波及各次谐波的频率和幅度信息；然后，根据得到的基波及各次谐波的频率和幅度信息，计算机控制系统201向脉冲激光器单元103和可调谐滤波单元106发出频率选择命令，以实现满足设计需要的光频率可调谐的信号光输出，同时计算机控制系统201向光放大单元107发出幅值控制指令，通过控制光放大单元107中激光脉冲放大器的抽运功率实现信号光光强的可调谐功能；再然后，在调谐光频率和光强满足设计要求的情况下，将产生的信号光与飞秒光频梳101发出的参考光通过合波单元108进行合波后在同一根光纤中进行传输；接下来，为了使参考光与调谐光在光电探测单元202中的光电探测器上具有最佳的拍频效果，达到降低生成射频波信号相位噪声的目的，需要对参考光与调谐光的偏振态进行控制，因此需要在合波单元108和光电探测单元202之间加入偏振控制单元109，实现参考光和调谐光的相同偏振态输出；最后，通过光外差拍频在光电探测单元202中的光电探测器阵列上依次产生符合要求的基波及各次谐波信号，并将产生的这些微波毫米波信号在混频单元203中进行混频，进而输出满足要求的波形信号。

基于上述任意波形发生器，如图2所示，本发明还提供了一种任意波形产生方法，包括以下步骤：

步骤(a)，通过计算机控制系统201输入需要产生的波形信号，经傅里叶变换和分析后，计算给出合成该信号所需要的基波及各次谐波的频率和幅度信息。

步骤(b)，根据得到的基波及各次谐波的频率和幅度信息，计算机控制系统201向脉冲激光器单元103和可调谐滤波单元106发出频率选择命令，以实现满足设计需要的光频率可调谐的信号光输出，同时计算机控制系统201向光放大单元107发出幅值控制指令，通过控制光放大单元107中激光脉冲放大器的抽运功率实现信号光光强的可调谐功能。

步骤(c)，在调谐光频率和光强满足设计要求的情况下，将产生的信号光与飞秒光频梳101发出的参考光通过合波单元108进行合波后在同一根光纤中进行传输。

步骤(d)，为了使参考光与调谐光在光电探测单元202中的光电探测器上具有最佳的拍频效果，达到降低生成射频波信号相位噪声的目的，需要对参考光与调谐光的偏振态进行控制，因此，在合波单元108和光电探测单元202之间加入偏振控制单元109，以此实现参考光和调谐光的相同偏振态输出。

步骤(e)，通过光外差拍频在光电探测单元202中的光电探测器阵列上依次产生符合要求的基波及各次谐波信号，并将产生的这些微波毫米波信号在混频单元203中进行混频，进而输出满足要求的波形信号。

本发明的任意波形发生器及产生方法，从根本上克服了目前基于直接数字频率合成技术的任意波形发生器中存在的采样率及存储容量、多通道同步、相位精密调节以及高速A／D和D／A转换速率的电子学瓶颈限制；同时，将飞秒光频梳应用到双光源射频波光子发生系统中，相比于一般的单光源结构的射频波发生器，能够提供更为灵活的系统设计，产生频带更宽、相位噪声更低的微波、毫米波信号，解决了传统双光源结构中需要对两束非相关光相位进行控制的难题，进而利用光生射频波的方法实现微波及毫米波高频波段的任意波形输出；此外，具有光纤化，抗电磁干扰，高精度，高灵敏度以及稳定性好的优点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种任意波形发生器，其特征在于，包括：飞秒光频梳、频率锁定单元、脉冲激光器单元、光隔离器、光频梳齿提取单元、可调谐滤波单元、光放大单元、合波单元、偏振控制单元、光电探测单元、混频单元和计算机控制系统；

所述频率锁定单元连接飞秒光频梳和脉冲激光器单元，锁定飞秒光频梳和脉冲激光器单元的重复频率，使飞秒光频梳和脉冲激光器单元的飞秒激光脉冲在时域同步；

所述飞秒光频梳与第一光隔离器、光频梳齿提取单元和第一光放大单元通过单模光纤依次顺序连接，输出作为光学外差拍频方法产生微波毫米波信号中所需两路光信号中的参考光信号源，所述光频梳齿提取单元提取飞秒光频梳中特定频率梳齿；

所述脉冲激光器单元、第二光隔离器、可调谐滤波单元和第二光放大单元通过单模光纤依次顺序连接，输出作为光学外差拍频方法产生微波毫米波信号中所需两路光信号中光频率和光强度可调谐的信号光源；

所述合波单元、偏振控制单元、光电探测单元和混频单元依次顺序连接，合波单元接收所述参考光信号源和光频率和光强度可调谐的信号光源，混频单元输出任意波形；

所述计算机控制系统连接控制所述脉冲激光器单元、可调谐滤波单元和光放大单元。

2.一种任意波形产生方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(a)，通过计算机控制系统输入需要产生的波形信号，经傅里叶变换和分析后，计算给出合成该信号所需要的基波及各次谐波的频率和幅度信息；

步骤(b)，根据得到的基波及各次谐波的频率和幅度信息，计算机控制系统向脉冲激光器单元和可调谐滤波单元发出频率选择命令，输出光频率可调谐的信号光，同时计算机控制系统向光放大单元发出幅值控制指令，通过控制光放大单元中激光脉冲放大器的抽运功率调谐信号光光强；

步骤(c)，将产生的信号光与飞秒光频梳发出的参考光通过合波单元进行合波后在同一根光纤中进行传输；

步骤(d)，在合波单元和光电探测单元之间加入偏振控制单元，使参考光和调谐光相同偏振态输出；

步骤(e)，通过光外差拍频在光电探测单元中的光电探测器阵列上依次产生基波及各次谐波信号，并将信号在混频单元中进行混频，输出满足要求的波形信号。

Images