CN104793356B - 具有任意中心频率的射频任意波形光生成方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种具有任意中心频率的射频任意波形光生成方法及装置，该方法包括以下步骤：提供N路单频信号，并将N路单频信号耦合生成一路基带信号，其中，N大于0；通过脉冲信号对基带信号进行分割；将分割后的信号转换为相应的电信号；对电信号进行带通滤波处理后，得到射频信号。本发明的方法能够产生中心频率为任意频率的射频任意波形，并且具有波形还原度高、时延‑带宽积大、可编程性强、刷新响应速率高等优点。

Description

具有任意中心频率的射频任意波形光生成方法及装置
技术领域
本发明涉及任意波形产生技术领域，特别涉及一种具有任意中心频率的射频任意波形光生成方法及装置。
背景技术
光的任意波形产生是近年来受到科研工作者们密切关注的热点领域。随着信息传输速率增大，信号频率和带宽的增加，传统的电器件和方法的带宽和频率已经不能满足需求。光的任意波形产生方法则大大突破了传统电方法中的带宽和频率限制，目前主要的两种实现方式为频域合成和时域合成。频域合成方法是利用激光器和电光调制器产生光频梳，经过光栅进行空间傅里叶变换，将光束中不同频率分量的谱线在空间上分离开，利用液晶空间光调制器对其进行幅度和相位的控制，再经过空间傅里叶逆变换和长光纤色散得到时域波形。频域方法需要已知目标波形的频谱，也是通过控制激光脉冲的频谱从而得到目标波形，该方法的特点是产生信号的频率高，但是空间光调制器的响应速率慢导致产生波形刷新时间长，光谱分辨率受限使得时间窗口调节困难，时延-带宽积受到限制，不能实现任意波形信号的产生。
而对于时域合成方案，基于PDAC(光子数模转换)的任意波形产生系统基本结构如图1所示。n路非归零码微波数字信号作为输入，分别通过n个马赫-曾德尔调制器(MZM)105～108对n路单频光源101～104进行强度调制，n路光源的功率分别为2n-1P，调制后不同功率的信号耦合为一路，经过光电探测器110转化为电信号，再经过低通滤波器111滤波得到目标波形。虚线框部分109即为PDAC部分。该方案通过控制并行输入的数字信号，在时域上逐点产生与目标波形逼近的模拟值，与频域方案相比，时间窗口不受限制，拥有更大的时延-带宽积，优良的波形质量，同时具有非常好的可编程性和刷新速率。
但是对于目前已有的关于PDAC的研究相关报道，所有方案产生信号的最高频率都受限于奈奎斯特采样率限制。基于电DAC的电任意波形产生器也同样受到这样的限制。针对高频大带宽信号产生，需要利用电混频器对传统的电任意波形进行上变频，但是该方法不仅仅需要额外的高频本振信号，而且受限于电混频器在带宽和非线性方面的性能，最终得到的射频信号波形还原精度低，频率和带宽受限。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种具有任意中心频率的射频任意波形光生成方法，该方法能够产生中心频率为任意频率的射频任意波形，并且具有波形还原度高、时延-带宽积大、可编程性强、刷新响应速率高等优点。
本发明的第二个目的在于提供一种具有任意中心频率的射频任意波形光生成装置。
为了实现上述目的，本发明第一方面的实施例提出了一种具有任意中心频率的射频任意波形光生成方法，包括以下步骤：提供N路单频信号，并将所述N路单频信号耦合生成一路基带信号，其中，N大于0；通过脉冲信号对所述基带信号进行分割；将分割后的信号转换为相应的电信号；对所述电信号进行带通滤波处理后，得到射频信号。
根据本发明实施例的具有任意中心频率的射频任意波形光生成方法，将多路单频信号耦合成一路基带信号，然后利用脉冲信号对该基带信号进行分割，将分割后的信号转换为相应的电信号，并对电信号进行带通滤波，最终得到射频信号。相比于传统的方法，本发明的方法能够产生中心频率为任意频率的射频任意波形，并且具有波形还原度高、时延-带宽积大、可编程性强、刷新响应速率高等优点。
另外，根据本发明上述实施例的具有任意中心频率的射频任意波形光生成方法还可以具有如下附加的技术特征：
在一些示例中，所述将N路单频信号耦合生成一路基带信号，进一步包括：向N个马赫-曾德尔调制器一一对应地输入N路非归零码微波数字信号，以分别对所述N路单频信号进行强度调制，并将调制后不同功率的单频信号耦合为一路基带信号。
在一些示例中，所述N路单频信号分别对应不同比特位，所述N路单频信号的功率分别为2N-1P。
本发明第二方面的实施例还提供了一种具有任意中心频率的射频任意波形光生成装置，包括：N个单频信号源，所述N个单频信号源用于产生N路单频信号，其中，N大于0；光子数模转换模块，用于将所述N路单频信号耦合生成一路基带信号；脉冲切割模块，所述脉冲切割模块与所述光子数模转换模块相连，用于接收所述基带信号，并通过脉冲信号对所述基带信号进行分割；光电探测器，所述光电探测器与所述脉冲切割模块相连，用于将分割后的信号转换为相应的电信号；带通滤波器，所述带通滤波器与所述光电探测器相连，用于对所述电信号进行带通滤波处理后，得到射频信号。
根据本发明实施例的具有任意中心频率的射频任意波形光生成装置，将多路单频信号耦合成一路基带信号，然后利用脉冲信号对该基带信号进行分割，将分割后的信号转换为相应的电信号，并对电信号进行带通滤波，最终得到射频信号。相比于传统的系统，本发明的装置能够产生中心频率为任意频率的射频任意波形，并且具有波形还原度高、时延-带宽积大、可编程性强、刷新响应速率高等优点。
另外，根据本发明上述实施例的具有任意中心频率的射频任意波形光生成装置还可以具有如下附加的技术特征：
在一些示例中，所述光子数模转换模块包括N个马赫-曾德尔调制器，所述光子数模转换模块通过向所述N个马赫-曾德尔调制器一一对应地输入N路非归零码微波数字信号，以分别对所述N路单频信号进行强度调制，并将调制后不同功率的单频信号耦合为一路基带信号。
在一些示例中，所述N路单频信号的功率分别为2N-1P。
在一些示例中，所述脉冲切割模块的结构包括：一级强度调制结构、一级相位调制结构、一级强度与相位联合调制结构、多级强度与相位联合调制结构。
在一些示例中，所述单频信号源为激光器。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是现有的基于PDAC的任意波形产生系统的结构示意图；
图2是根据本发明一个实施例的具有任意中心频率的射频任意波形光生成方法的流程图；
图3是根据本发明一个实施例的具有任意中心频率的射频任意波形光生成装置的结构框图；
图4是根据本发明另一个实施例的具有任意中心频率的射频任意波形光生成装置的结构示意图；
图5是根据本发明一个实施例的脉冲切割模块的一级强度调制结构以及一级强度与相位联合调制结构的示意图；
图6是根据本发明一个实施例的一种基于一级强度调制结构的脉冲切割方案的示意图；
图7是根据本发明一个实施例的一种基于一级强度调制与相位联合调制结构的脉冲压缩方案的示意图；
图8是根据本发明一个实施例的基带信号与数字源比特位的对应关系示意图；
图9是根据本发明一个实施例的脉冲切割产生的10GHz、20GHz射频锯齿波信号波形示意图；以及
图10是根据本发明一个实施例的脉冲压缩产生的30GHz射频锯齿波信号的波形示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
以下结合附图描述根据本发明实施例的具有任意中心频率的射频任意波形光生成方法及装置。
图2是根据本发明一个实施例的具有任意中心频率的射频任意波形光生成方法的流程图。如图2所示，该方法包括以下步骤：
步骤S101：提供N路单频信号，并将该N路单频信号耦合生成一路基带信号，其中，N大于0。具体地，在本发明的一个实施例中，该步骤具体包括：向N个马赫-曾德尔调制器一一对应地输入N路非归零微波码数字信号，以分别对N路单频信号进行强度调制，并将调制后不同功率的单频信号耦合为一路基带信号。其中，在该示例中，N路单频信号的功率例如分别为2N-1P。
步骤S102：通过脉冲信号对上述得到的基带信号进行分割。具体地说，基带信号在时域上被脉冲切割，在频域上表现为基带频谱以脉冲信号的频率(例如记作fc)的频率重复。
步骤S103：将分割后的信号转换为相应的电信号。
步骤S104：对得到的电信号进行带通滤波处理后，得到射频信号。
综上，根据本发明实施例的具有任意中心频率的射频任意波形光生成方法，将多路单频信号耦合成一路基带信号，然后利用脉冲信号对该基带信号进行分割，将分割后的信号转换为相应的电信号，并对电信号进行带通滤波，最终得到射频信号。相比于传统的方法，本发明的方法能够产生中心频率为任意频率的射频任意波形，并且具有波形还原度高、时延-带宽积大、可编程性强、刷新响应速率高等优点。
本发明的进一步实施例还提供了一种具有任意中心频率的射频任意波形光生成装置。
图3是根据本发明一个实施例的具有任意中心频率的射频任意波形光生成装置的结构框图，图4是根据本发明另一个实施例的具有任意中心频率的射频任意波形光生成装置的结构示意图。结合图3和图4所示，该装置100包括：N个单频信号源110、光子数模转换模块120、脉冲切割模块130、光电探测器140和带通滤波器150。
具体地说，N个单频信号源110用于产生N路单频信号，其中，N大于0。在本发明的一个实施例中，单频信号源110例如为激光器。结合图4所示，N个单频信号源110例如为图4中的201～204。
光子数模转换(PDAC)模块120用于将N路单频信号耦合生成一路基带信号。在本发明的一个实施例中，光子数模转换模块120包括N个马赫-曾德尔调制器(即图4中的D1～Dn)，光子数模转换模块120通过向N个马赫-曾德尔调制器一一对应地输入N路非归零码微波数字信号，以分别对N路单频信号进行强度调制，并将调制后不同功率的单频信号耦合为一路基带信号。其中，在该示例中，N路单频信号的功率例如分别为2N-1P，例如图4所示。
脉冲切割模块130(即图4中的210)与光子数模转换模块120相连，用于接收基带信号，并通过脉冲信号对基带信号进行分割。具体地说，基带信号在时域上被脉冲信号分割，在频域上表现为基带频谱以脉冲切割模块130内的脉冲频率fc的频率重复。
光电探测器140(即图4中的211)与脉冲切割模块130相连，用于将分割后的信号转换为相应的电信号。
带通滤波器150(即图4中的212)与光电探测器140相连，用于对电信号进行带通滤波处理后，得到射频信号。
在本发明的一个实施例中，脉冲切割模块130的结构例如包括：一级强度调制结构、一级相位调制结构、一级强度与相位联合调制结构、多级强度与相位联合调制结构。作为具体地例子，此处通过图5来描述一级强度调制结构和一级强度与相位联合调制结构。
一级强度调制结构和一级强度与相位联合调制结构分别如图5(a)和图5(b)所示。具体地说，图5(a)为一级强度调制结构，频率为fc的单频信号源301经过放大器302之后加到MZM303上，对注入303的激光信号进行强度调制，时域上表现为信号被频率为fc的脉冲切割，频域上表现为光信号被搬移到中心频率为fc的位置，实现上变频。图5(b)所示方案为一级强度与相位联合调制，频率为fc的单频信号源309产生的单频信号一部分经过放大器307进入相位调制器(PM)308，另一部分经过移相器306之后经过放大器304进入MZM305。输入脉冲切割模块的光信号依次被PM和MZM调制后再经过色散310输出，时域上表现为第一级强度调制对光信号进行脉冲切割，第二级相位调制结合色散对切割脉冲进行压缩，频域上表现为第一级强度调制使得光信号被搬移到中心频率为fc的位置，第二级相位调制结合色散使得光信号可以被搬移到中心频率fc的高次谐波位置。通过合适的电滤波器，可以实现任意中心频率宽带任意波形产生。
作为具体地示例，图6展示了一种一级强度调制结构的脉冲切割方案。如图6所示，激光器402产生4路单频直流光，设置其光功率从最低位(LSB)到最高位(MSB)依次为P,2P,4P,8P，频率均为λ，数字信号源401产生4路独立的数字信号，比特率为10Gs/s，分别进入4路马赫-曾德尔调制器403～406，经过4合1耦合器407后进入MZM410，其上加有fc＝10GHz的单频微波源408经过放大器409后的微波信号。脉冲切割后的信号经过掺铒光纤放大器(EDFA)411后，经过光电转换器412转化为电信号，再经过带通滤波器413，输出即为射频波形，接入采样示波器414进行观测。
图7展示了一种一级强度与相位联合调制结构的脉冲压缩方案。如图7所示，PDAC输出的光信号经过一级强度与相位联合调制，然后经过色散原件514，信号被切割为一系列的窄脉冲，脉冲的重复频率为微波源频率fc，脉冲幅度反映目标波形的幅度，脉冲的宽度τ与带宽成反比，由于脉冲压缩将信号的基带频谱以周期为1/fc重复，因此可以设置带通滤波器517的通带在N*fc的附近，滤出对应频段的射频信号。
在具体地示例中，以PDAC的比特数为n＝4、产生的基带目标信号625MHz锯齿波为例，对本发明的装置进行具体地实验测试。假设激光器输出的4路激光波长均为1550nm，控制其偏振方向相同。设定数字信号源产生的非归零码数字信号速率为10Gs/s，连接调制器与耦合器的4条光纤长度相同，连接数字信号源与调制器的4条微波线长度相差不超过1个码元周期(100ps)，则最终产生的基带信号与数字源比特位的对应关系如图8所示。
作为具体地示例，假设在图6所示的脉冲切割方案中，若设置微波源408输出的频率fc＝10GHz，调制器输出信号包含了基带目标信号频谱被搬移到10GHz处的分量和20GHz谐波处的分量，通过移相分别调节到以10GHz和20GHz的脉冲对原信号进行切割时，经过光电探测器412之后的输出波形如图9(a)和图9(e)所示，分别经过中心频率为10GHz、20GHz的带通滤波器之后的射频信号如图9(b)和图9(f)所示，其中幅度均已归一化。
进一步地，假设在图7所示的脉冲切割方案中，同样设置微波源513输出频率fc＝10GHz，经过脉冲压缩后脉冲宽度更窄，经过光电探测器516之后的输出波形和经过中心频率为30GHz的带通滤波器之后的射频信号如图10所示，幅度均已归一化。
那么从图9和图10中可以看出，10GHz、20GHz和30GHz射频中心频率的锯齿波形具有优良的波形质量。可见，基于PDAC和脉冲切割上变频的射频任意波形产生系统方案可以得到波形质量高、载波频率高、时延-带宽积较大的波形。
综上，根据本发明实施例的具有任意中心频率的射频任意波形光生成方法，将多路单频信号耦合成一路基带信号，然后利用脉冲信号对该基带信号进行分割，将分割后的信号转换为相应的电信号，并对电信号进行带通滤波，最终得到射频信号。相比于传统的方法，本发明的方法能够产生中心频率为任意频率的射频任意波形，并且具有波形还原度高、时延-带宽积大、可编程性强、刷新响应速率高等优点。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种具有任意中心频率的射频任意波形光生成方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供N路单频信号，并将所述N路单频信号耦合生成一路基带信号，其中，N大于0；
具有一级强度调制结构或一级相位调制结构或一级强度与相位联合调制结构或多级强度与相位联合调制结构的脉冲切割模块通过脉冲信号对所述基带信号进行分割；
将分割后的信号转换为相应的电信号；
对所述电信号进行带通滤波处理后，得到射频信号。
2.根据权利要求1所述的具有任意中心频率的射频任意波形光生成方法，其特征在于，将所述N路单频信号耦合生成一路基带信号，进一步包括：
向N个马赫-曾德尔调制器一一对应地输入N路非归零码微波数字信号，以分别对所述N路单频信号进行强度调制，并将调制后不同功率的单频信号耦合为一路基带信号。
3.根据权利要求2所述的具有任意中心频率的射频任意波形光生成方法，其特征在于，所述N路单频信号的功率分别为2N-1P。
4.一种具有任意中心频率的射频任意波形光生成装置，其特征在于，包括：
N个单频信号源，所述N个单频信号源用于产生N路单频信号，其中，N大于0；
光子数模转换模块，用于将所述N路单频信号耦合生成一路基带信号；
脉冲切割模块，所述脉冲切割模块与所述光子数模转换模块相连，用于接收所述基带信号，并通过脉冲信号对所述基带信号进行分割，其中，所述脉冲切割模块的结构包括：一级强度调制结构或一级相位调制结构或一级强度与相位联合调制结构或多级强度与相位联合调制结构；
光电探测器，所述光电探测器与所述脉冲切割模块相连，用于将分割后的信号转换为相应的电信号；
带通滤波器，所述带通滤波器与所述光电探测器相连，用于对所述电信号进行带通滤波处理后，得到射频信号。
5.根据权利要求4所述的具有任意中心频率的射频任意波形光生成装置，其特征在于，所述光子数模转换模块包括N个马赫-曾德尔调制器，所述光子数模转换模块通过向所述N个马赫-曾德尔调制器一一对应地输入N路非归零码微波数字信号，以分别对所述N路单频信号进行强度调制，并将调制后不同功率的单频信号耦合为一路基带信号。
6.根据权利要求5所述的具有任意中心频率的射频任意波形光生成装置，其特征在于，所述N路单频信号的功率分别为2N-1P。
7.根据权利要求4所述的具有任意中心频率的射频任意波形光生成装置，其特征在于，所述单频信号源为激光器。
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