CN103812809B - 基于光子学产生射频频移键控信号的方法 - Google Patents

Abstract

一种信息通信领域的单个强度调制器的光子学产生射频频移键控信号的方法，将脉冲信号源产生的振幅键控信号与射频源产生的时钟信号进行混频，再与振幅键控信号进行叠加，得到包含两个幅度不同正弦信号的方波信号，将该方波信号放大后输出至马赫曾德尔调制器的射频输入端，并在马赫曾德尔调制器的控制端上施加偏置电压，使得马赫曾德尔调制器输出射频频移键控信号，实现电信号与光信号的转换。本发明通过光子学的技术可以将射频信号的频率增加到二倍频，用简单的一个马赫曾德尔调制器强度调制器来实现复杂的CMOS芯片工艺的同样功能，大大降低了系统的复杂度。

Description

基于光子学产生射频频移键控信号的方法

技术领域

本发明涉及的是一种信息通信领域的方法，具体是一种采用单个强度调制器的基于光子学产生射频频移键控信号（Frequency shifting key,FSK）的方法。

背景技术

在无线通信领域，信息与通信技术给人类社会带来了翻天覆地的变化，随着各种大数据，视频和网络会议等大流量数据对于系统的影响，接入网系统所需要的带宽急剧增加，因此需要新的技术来提升无线网络系统的容量。传统的无线网络包括很多调制码型，包括：开关键控信号（On-off key，OOK），相位调制信号（Phase-shifting-key，PSK），正交幅度调制（Quadratureamplitude modulation，QAM），频移键控信号（Frequency shifting key,FSK）等调制码型。频率调制信号FSK有自身特有的优势，它可以有效的提升无线系统的容量，然而受限于射频信号的频率产生的FSK信号所能携带的数据率不能过高，要得到Gb/s的传输数据率才能提升系统传输数据的潜力。

FSK信号（Frequency-shifting keying）是通信中传输中常用的一种调制码型,抗噪声与抗衰减的性能较好，并且容易实现。在常见的FSK调制系统中两个不同的射频频率承载二进制1和0的信号。在数字通信系统中，很多通信就是通过FSK调制信号进行传输的。传输时把二进制数据转换成FSK信号传输，同时在接收端再将接收到的其解调成二进制数据，在二进制频移键控中，幅度恒定不变的信号通过不同的射频信号传递二进制的1和0。常用产生FSK信号的方案是根据输入的数据比特是0还是1，在不同的射频振荡器之间切换。采用这种方法产生的波形在切换的时刻相位是不连续的，因此这种FSK信号称为不连续FSK信号。由于要传递高速的数据信号，因此载波的频率需求逐渐增加，因此只有通过高频的射频振荡器才能满足需求，这样大大的增加了产生高速FSK信号的成本和相应的复杂度。因此通过光子学的技术来产生高速的FSK信号成为一个很重要的产生方案，可以有效降级复杂度和成本。

经过对于现有技术的检索发现，2010年的VLSI Circuits(VLSIC)会议论文：HuaideWang;Meng-Hsiung Hung;Yu-Ching Yeh和Jri Lee,“A60-GHz FSK transceiver withautomatically-calibrated demodulator in90-nm CMOS,”由Huaide Wang提出用CMOS90nm工艺水平生产的射频芯片产生60GHz的FSK信号但是受限于射频信号调制速率的限制，其数据率只能达到500Mb/s，同时产生的芯片相对复杂，这样大大增加产生FSK调制信号所需的成本。

进一步检索发现，2013年Optics Express第21卷1期的论文：Peng Xiang,XiaopingZheng,Hanyi Zhang,Yuquan Li和Yinfang Chen，“A novel approach to photonic generation of RFbinary digital modulation signals,”清华大学的Peng Xiang人提出，将重复率为GHz的皮秒（ps）信号，通过进行偏振调制（Polarization modulation）然后在两个偏振态上分别进行不同的时间延时自相干处理，因此在每个偏振态上可以产生不同的调制信号，产生不同的射频频率同时两路数据相反，因此实现了高频高速的FSK信号的产生，然而方案中需要昂贵的ps激光器，外相位调制，偏振控制和多次的次延迟相干处理，因此十分复杂。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种单个强度调制器的光子学产生射频频移键控信号的方法，实现了频移键控信号产生的简便性和可调节性。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明将脉冲信号源产生的振幅键控信号与射频源产生的时钟信号进行混频，再与振幅键控信号进行叠加，得到包含两个幅度不同正弦信号的方波信号，将该方波信号放大后输出至马赫曾德尔调制器的射频输入端，并在马赫曾德尔调制器的控制端上施加偏置电压，使得马赫曾德尔调制器输出射频频移键控信号，实现电信号与光信号的转换。

所述的方波信号表示为 $E_{\mathrm{in}}=\stackrel{\‾}{\mathrm{Data}\left(t\right)}{V}_{\mathrm{RF}0}\cos \left(w_{f}t\right)+\mathrm{Data}\left(t\right)V_{\mathrm{RF}1}\cos \left(w_{f}t\right),$ 其中：V_RF0和V_RF1分别为正弦信号的幅度，Data(t)为振幅键控信号，w_f为时钟信号的角频率，通过控制各个方波信号的幅度和偏置电压的幅度，使得当方波信号比特为1的时候信号幅度V_RF0和V_RF1等于两倍的马赫曾德尔调制器的半波电压V_pi，当方波信号比特为0的时候信号幅度V_RF0和V_RF1等于马赫曾德尔调制器的半波电压V_pi。

所述的时钟信号的频率为10GHz或20GHz。

所述的混频是指针对时钟信号和ASK信号的频率的乘法运算，叠加是指混频的信号与振幅键控信号的频率进行加法运算。

所述的马赫曾德尔调制器的光模式为横电模式（TE），其调制曲线的特性参数满足：当时钟信号偏置在调制曲线的最低点时产生载波抑制信号，偏置在调制曲线的最高点时斜边上产生类线性调制的效果。

所述的控制马赫曾德尔调制器的偏置电压具体实现方式为：当信号比特为1时偏置在调制曲线的最低点，信号比特为0时偏置在调制曲线的线性点。

本发明涉及一种实现上述方法的装置，包括：激光器、偏振控制器、马赫曾德尔调制器、光电探测的接收机、射频源、脉冲信号源、混频器、加法器、放大器和偏置控制器，其中：激光器产生的光载波经过偏振控制器传输至马赫曾德尔调制器，脉冲信号源产生不同数据率的振幅键控信号和射频源产生的时钟信号传输至混频器进行混频，混频器的输出端与振幅键控信号进行叠加从而得到相应的正弦信号，该正弦信号经过射频放大器的放大后输入至马赫曾德尔调制器，偏置控制器与马赫曾德尔调制器相连控制正弦信号的偏置从而得到的射频频移键控信号，射频频移键控信号由接收机接收。

本发明通过将高速的数据信号和高频的射频信号进行混频再和同步的数据信号进行叠加，通过马赫曾德尔调制器自身的传输曲线，可以将电信号转换为光信号。当电信号分别在两个不同的比特周期时，电信号分别偏置在调制曲线的最高点和正交点，从而分别产生同频率和两倍频的射频信号，由于信号的位置相反幅度相同，数据相反，从而得到射频频移键控信号。

技术效果

与现有技术相比，本发明通过光子学的技术可以将射频信号的频率增加到二倍频，用简单的一个马赫曾德尔调制器强度调制器来实现复杂的CMOS芯片工艺的同样功能，大大降低了系统的复杂度。

附图说明

图1为本发明原理示意图；

图2为数据信号和射频信号混频，然后和同样的数据信号进行叠加，叠加得到要加载在马赫曾德尔调制器上的电信号；

图3为电信号在加载到光域上后在两个不同的偏置点被不同幅度的射频信号调制从而得到射频频移键控信号的过程；

图4为实施例1效果示意图；

图中：左侧为加载的电信号，右侧为光信号输出，其中：中射频信号为10GHz，数据信号为625Mb/s的电域波形和产生的时域波形，时域分辨率分别为1000ps/div(即皮秒/格)和500ps/div；

图5为实施例2效果示意图；

图中：左侧为加载的电信号，右侧为光信号输出，其中：中射频信号为10GHz，数据信号为1.25Gb/s的电域波形和产生的时域波形，时域分辨率分别为1000ps/div和500ps/div；

图6为实施例3效果示意图；

图中：左侧为加载的电信号，右侧为光信号输出，其中：中射频信号为10GHz，数据信号为2.5Gb/s的电域波形和产生的时域波形，时域分辨率分别为1000ps/div和500ps/div。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例包括：激光器1、偏振控制器2、马赫曾德尔调制器3、光电探测的接收机4、射频源5、脉冲信号源6、混频器7、加法器8、放大器9、偏置控制器10。

本实施例通过将脉冲信号源产生的振幅键控信号与射频源产生的时钟信号进行混频，再与振幅键控信号进行叠加，得到包含两个幅度不同正弦信号的方波信号，将该方波信号放大后输出至马赫曾德尔调制器的射频输入端，并在马赫曾德尔调制器的控制端上施加偏置电压，使得马赫曾德尔调制器输出射频频移键控信号，实现电信号与光信号的转换。

所述的方波信号表示为 $E_{\mathrm{in}}=\stackrel{\‾}{\mathrm{Data}\left(t\right)}{V}_{\mathrm{RF}0}\cos \left(w_{f}t\right)+\mathrm{Data}\left(t\right)V_{\mathrm{RF}1}\cos \left(w_{f}t\right),$ 其中：V_RF0和V_RF1分别为正弦信号的幅度，Data(t)为振幅键控信号，w_f为时钟信号的角频率，通过控制各个信号的幅度和相对位置因素，通过调节信号本身的幅度和偏置电压并控制使得当方波信号比特为1的时候信号幅度V_RF0和V_RF1等于两倍的马赫曾德尔调制器的半波电压V_pi，当方波信号比特为0的时候信号幅度V_RF0和V_RF1等于马赫曾德尔调制器的半波电压V_pi。

所述的时钟信号的频率为10GHz。

所述的马赫曾德尔调制器的光模式为横电模式，其调制曲线的特性参数满足：类似正弦信号的传递特性，当时钟信号偏置在调制曲线的最低点时产生载波抑制信号，偏置在调制曲线的最高点时斜边上产生类线性调制的效果。

所述的控制两个正弦信号的大小具体是指：比特1和0信号幅度分别为2V_pi和V_pi，V_pi表示调制器的半波电压。

所述的控制马赫曾德尔调制器的偏置电压具体实现方式为：比特1和0信号分别2V_pi和V_pi.

所述的激光器1是一种能产生窄线宽的光载波的激光器1，可以用于将电信号转移到光上面。

所述的偏振控制器2是一种控制输入马赫曾德尔调制器3偏振模式的器件，只允许横电模式进入调制器，得到最大的输出功率。

所述的马赫曾德尔调制器3是一种有电光效应的调制器，主要用于将电上面的信号调制到光域中进行传输，本实施例中的偏置针对两个信号分别在正交点和最高点，从而实现电光转换，进而最终得到射频频移键控信号。

所述电混频器7主要是将一个时钟信号和电的数据信号进行混频的过程，主要起到乘法器的作用。

所述的电加法器8是将两路不同的电信号进行叠加，从而组合输出最终的电信号主要起到加法器8的作用。

如图1所示，激光器1的1550nm的光输入单驱动的调制器，在此之前光载波通过偏振控制器2，使进入马赫曾德尔调制器3的光的模式调整为横电模式，使输出光功率最大。同时由脉冲信号源6产生数据率的可变强度键控信和高频的射频信号进行混频，同时数据信号和混频后的信号进行叠加，然后经过射频信号放大器9放大到合适的幅度。将放大后的电信号加载到马赫曾德尔调制器3的射频调制端口，然后合理的控制信号的幅度和偏置电压的幅度，就可以分别在两个不同的比特时，电信号分别偏置在调制曲线的最高点和正交点，从而分别产生同频率和两倍频的射频信号，由于信号的位置相反幅度相同，进过光电探测器可以得到射频频移键控信号。

如图2所示，最后加载到光调制器上的电信号，将单极性的数据偏置到强度分别为2，1和0的强度键控信号，通过电的混频器7将包含数据的电信号和射频信号混频输出，相当于进行了乘法运算，得到输出的波形。接着混频后的信号和包含数据的同样的电信号进行加法，从而得到最后需要的电信号。

如图3所示，叠加后电信号对于马赫曾德尔调制器3调制曲线的相应位置，其中高电平的信号在偏置的作用下作用于马赫曾德尔调制器3的最高点，同时其本身有较高的幅度，从而可以得到载波抑制调制的光信号，经过光电探测应了双倍2f₀的射频信号频率。对于低电平的信号，信号将被偏置在马赫曾德尔调制曲线的正交点，从而在较小的正弦驱动电信号下得到相应的同频率f₀的正弦信号。两者综合因此输出的电信号为射频频移键控信号调制的射频信号，通过合理控制各个信号的幅度和加载在马赫曾德尔调制器3上的偏置电压信号，可以得到幅度平坦的射频频移键控信号。

如图4所示，当脉冲信号源6的输出数据率为625Mb/s，电的射频信号为10GHz的射频信号，当两个信号经过射频混频和同样的数据信号叠加，可以得到如左边图中给出的相应的电信号，其中时间轴的分辨率分别为1000ps/div和500ps。当将信号加载到马赫曾德尔调制器3的射频输入端，合理的调节各个信号的幅度和偏置就能得到频率为同频率/两倍频的射频频移键控信号。右边的图片相应给出了时间轴的分辨率分别为1000ps/div和500ps的最终输出的电信号。

实施例2

如图5所示，当脉冲信号源6的输出数据率为1.25Gb/s，电的射频信号为10GHz的射频信号，合理调节各个参数可以得到射频频移键控信号，左边图中给出的相应的电信号，其中时间轴的分辨率分别为1000ps/div和500ps。右边的图片相应给出了时间轴的分辨率分别为1000ps/div和500ps的最终输出的电信号。

实施例3

如图6所示，当脉冲信号源6的输出数据率为2.5Gb/s，电的射频信号为10GHz的射频信号，合理调节各个参数可以产生射频频移键控信号，左边图中给出的相应的电信号，其中时间轴的分辨率分别为1000ps/div和500ps/div。右边的图片相应给出了时间轴的分辨率分别为1000ps/div和500ps/div的最终输出的电信号。

Claims (5)

1.一种单个强度调制器的光子学产生射频频移键控信号的方法，其特征在于，将脉冲信号源产生的振幅键控信号与射频源产生的时钟信号进行混频，再与振幅键控信号进行叠加，得到包含两个幅度不同正弦信号的方波信号，将该方波信号放大后输出至马赫曾德尔调制器的射频输入端，并在马赫曾德尔调制器的控制端上施加偏置电压，使得马赫曾德尔调制器输出射频频移键控信号，实现电信号与光信号的转换；

所述的方波信号表示为其中：V_RF0和V_RF1分别为正弦信号的幅度，Data(t)为振幅键控信号，w_f为时钟信号的角频率，通过控制各个方波信号的幅度和偏置电压的幅度，使得当方波信号比特为1的时候信号幅度V_RF0和V_RF1等于两倍的马赫曾德尔调制器的半波电压V_pi，当方波信号比特为0的时候信号幅度V_RF0和V_RF1等于马赫曾德尔调制器的半波电压V_pi。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的马赫曾德尔调制器的光模式为横电模式，其调制曲线的特性参数满足：当时钟信号偏置在调制曲线的最低点时产生载波抑制信号，偏置在调制曲线的最高点时斜边上产生类线性调制的效果。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的控制马赫曾德尔调制器的偏置电压具体实现方式为：当信号比特为1时偏置在调制曲线的最低点，信号比特为0时偏置在调制曲线的线性点。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的时钟信号的频率为10GHz或20GHz。

5.一种基于上述任一项权利要求所述方法的装置，包括：激光器、偏振控制器、马赫曾德尔调制器、光电探测的接收机、射频源、脉冲信号源、混频器、加法器、放大器和偏置控制器，其中：激光器产生的光载波经过偏振控制器传输至马赫曾德尔调制器，脉冲信号源产生不同数据率的振幅键控信号和射频源产生的时钟信号传输至混频器进行混频，混频器的输出端与振幅键控信号进行叠加从而得到相应的正弦信号，该正弦信号经过射频放大器的放大后输入至马赫曾德尔调制器，偏置控制器与马赫曾德尔调制器相连控制正弦信号的偏置从而得到的射频频移键控信号，射频频移键控信号由接收机接收。