CN106452592B - 可调谐单通带微波光子希尔伯特变换滤波系统 - Google Patents

可调谐单通带微波光子希尔伯特变换滤波系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于宽谱光源偏振处理结合光谱陷波相移和色散积分效应产生的可调谐单通带微波光子希尔伯特变换滤波系统，包括：放大自发辐射宽谱光源和与之相连的光纤布拉格光栅、第一偏振起偏器、第一偏振控制器、偏振分束器、可调光延迟线、可调光衰减器、相移光纤光栅、偏振合束器、第二偏振控制器、偏振调制器、第三偏振控制器、第二偏振起偏器、色散补偿模块、高速光电探测器。本发明可在宽谱微波频段内通过调谐光延时实现带通希尔伯特变换的频谱位置的任意调谐，实现带通微波信号的希尔伯特变换，同时系统输出还具有无基频响应、无周期性频谱响应的特性，保证了通道选择的单一性和抗扰性。

Description

可调谐单通带微波光子希尔伯特变换滤波系统
技术领域
本发明涉及微波光子学(Microwave Photonics)技术领域，更具体的说是利用相移光栅与光纤色散技术结合偏振复用调制的可调谐单通带微波光子希尔伯特变换滤波系统。
背景技术
在现代卫星、无线通信、雷达侦测中经常需要对多频段高频微波/毫米波进行信号处理，从而获得电磁信号传递过程中的幅度、相位特征，实现对捕获信息的瞬时频率的测量。
傅立叶变换法是常用的频率测量方法，但这种方法给出的是信号在某个时间段内的平均变化，无法反映频率随时间的变化关系。目前，完成信号的包络、瞬时相位和瞬时频率分析最有效的手段就是希尔伯特(Hilbert)变换。然而，由于受到电子器件的带宽限制以及电磁干扰问题的制约，传统电子高频器件在高信道隔离度、可灵活重构、宽谱调谐等方面随着频率的升高性能下降愈发明显。而采用光载微波技术(RoF)在光波频段对微波信号处理，利用光信号本身无电磁串扰，结合光纤信号传输系统高带宽、低损耗的优势，通过宽带电光调制技术将微波信号加载至光波频段后，在光谱上进行信号分析处理再下变频至微波频段，恰好可以克服传统微波信号处理系统遇到的系统结构复杂、串扰严重、功能单一等问题。同时，还能大幅提高系统工作带宽，增加信道间的隔离度，使信号处理系统具有优越的可重构性能。
因此，利用微波光子技术对高频信号进行宽带可调谐Hilbert变换分析从而完成瞬时频率的测量具有重要意义。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明针对上述情况，提供了一种基于宽谱光源移相陷波并通过偏振处理结合色散积分效应产生的可调谐单通带微波光子Hilbert变换滤波系统，利用该系统可在DC～20GHz微波频段范围内实现对任意通带微波信号的带通Hilbert变换，从而能够解决目前基于高频微波电子器件的带通Hilbert变换系统所面临的结构复杂、串扰严重、可重构性差等问题。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种可调谐单通带微波光子希尔伯特变换滤波系统，该系统包括：
光源模块、第一偏振控制器、偏振分束器、相移光纤光栅、可调光延迟线、可调光衰减器、偏振合束器、第二偏振控制器、偏振调制器、第三偏振控制器、第二偏振起偏器、色散补偿模块和光电探测器；
所述光源模块用于提供矩形宽谱线偏振光源，所述偏振分束器将所述光源均分为两束，一束光经所述相移光纤光栅进行光谱相移滤波，另一束光经所述可调光延迟线，调节两束偏振光分量之间的相对时间延迟量，其输出端连接所述可调光衰减器，用于调节该光路的光强度，两束光经所述偏振合束器进行正交合束，所述偏振调制器用于实现对光载波的偏振调制，所述色散补偿模块对光信号产生色散积分作用，其输出端连接光电检测器。
上述方案中，所述光源模块包括放大自发辐射宽谱光源、光纤布拉格光栅和第一偏振起偏器。
上述方案中，所述第一偏振控制器、第二偏振控制器、第三偏振控制器用于控制信号光的偏振态。所述第一偏振控制器输入端连接光源模块，输出端连接偏振分束器，其输出为线偏振宽谱连续光，且偏振方向与偏振分束器输入端面的主轴成45°。所述第二偏振控制器输入端连接偏振合束器，输出端连接偏振调制器，其输出的合束光的正交分量与偏振调制器输入端面内的X-轴成±45°。所述第三偏振控制器输入端连接偏振调制器，输出端连接第二偏振起偏器，用于将第二偏振起偏器的起偏方向调整为与偏振调制器的X-轴成45°或-45°。
上述方案中，所述相移光纤光栅对输入的线偏振连续光进行光谱相移滤波，在光谱中心通过陷波滤波方式，引入π相移跳变。
上述方案中，所述相移光纤光栅透射光谱宽度大于等于光纤布拉格光栅透射光谱宽度，且矩形宽谱光源光谱关于相移陷波滤波点中心对称。
上述方案中，改变可调光延迟线提供的延时时间在不同通带内对输入的微波信号进行希尔伯特变换。
上述方案中，所述色散补偿模块将光谱中引入的π相移跳变转换至微波频域内，经光电探测器转换后的同轴端口输出信号即为完成带通希尔伯特变换的高频微波信号。
(三)有益效果
该基于宽谱光源移相陷波并通过偏振处理结合色散积分效应产生的可调谐单通带微波光子Hilbert变换滤波系统可在宽谱微波频段内实现对任意通带微波信号的带通希尔伯特变换，且具有无系统基频响应、无周期性频谱响应的优势，保证了通道选择的单一性与系统宽带可调谐的频谱覆盖范围。
附图说明
图1是该可调谐单通带微波光子Hilbert变换系统的结构示意图；
图2是宽谱光源光谱图及相移光栅滤波光谱图；
图3是光载微波信号的相位演变示意图；
图4是该单通带Hilbert变换系统的冲击响应频谱图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明涉及一种可调谐单通带微波光子希尔伯特变换滤波系统，该系统包括：
一放大自发辐射宽谱光源(ASE光源)a，用于提供通信波段宽谱连续信号光；
一光纤布拉格光栅(FBG光栅)b，其输入端与ASE光源a输出端连接，用于对宽谱光源进行矩形光谱滤波，在其透射输出端产生具有矩形光谱频响特性的连续信号光；
一第一偏振起偏器c，其输入端与FBG光栅b透射输出端连接，用于对输入光信号进行线偏振起偏；
一第一偏振控制器d，其一端与第一偏振起偏器的输出端连接，用于控制信号光的偏振态；
一偏振分束器e，其端口1与偏振控制器的另一端连接，用于实现对信号光的偏振分束复用，第一偏振控制器d控制连续光偏振态时，其调整为线偏振光输出，且偏振方向与偏振分束器e端口1内的X-轴成45°，以满足X-轴和Y-轴方向的等功率分配，使端口2和端口3输出光谱相同的等功率线偏振信号光；
一相移光纤光栅f，其一端与偏振分束器e的端口2连接，对输入的线偏振连续光进行光谱相移滤波，在光谱中心通过陷波滤波方式，引入π相移跳变；
一可调光延迟线g，其输入端与偏振分束器e的端口3连接，用于调节偏振分束器2端口输出的X-轴偏振光分量与端口3输出的Y-轴偏振分量之间的相对时间延迟量；
一可调光衰减器h，其输入端与可调光延迟线的输出端连接，用于调节该光路的光强度；
一偏振合束器i，其端口1与相移光栅的另一端连接，端口2与可调光衰减器的输出端连接，用于将经过相移光栅滤波和延时衰减处理后的两个偏振方向的光束进行正交合束；
一第二偏振控制器j，其输入端与偏振合束器i的端口3连接，用于控制合束后的正交光信号的偏振态；
一偏振调制器k，其端口1与第二偏振控制器j的输出端连接，当微波信号由偏振调制器k电端口3输入时，用于实现对光载波的偏振调制，第二偏振控制器j在控制连续光偏振态时，其输出的连续光为偏振合束器i的正交合束光，通过调整偏振调制器j，使该合束光波的正交分量同时与偏振调制器k输入端面内的X-轴成±45°，以符合本系统对该正交合束光信号的偏振调制要求，将矩形光谱中的π相位跳变映射成为微波带通π相位跳变；
一第三偏振控制器1，其输入端与偏振调制器k的端口2连接，用于调节偏振调制器k输出的信号光的偏振态；
一第二偏振起偏器m，其输入端与第三偏振控制器1的输出端连接，第三偏振控制器1在控制偏振态时，将第二起偏器的起偏方向与偏振调制器k的X-轴成45°或-45°，使经过调制的正交合束的光波中的一个偏振分量完全投射到起偏器m的起偏方向，另外一个分量则与起偏器m的起偏方向正交垂直；
一色散补偿模块n，其输入端与第二偏振起偏器m的输出端连接，对输入的光信号产生色散积分作用；
一光电探测器o，其光端口1与色散补偿模块的输出端连接，电端口2输出的即为经过带通Hilbert变换后的高频微波信号。
在上述可调谐单通带微波光子希尔伯特变换滤波系统中，ASE光源a、FBG光栅b以及偏振起偏器c共同构成了一个具有矩形光谱输出特性的宽谱线偏振光源，其光谱效果图如图2a所示。该光谱经过偏振调制器调整偏振方向后，被偏振分束器e均分为两路。偏振分束器e、相移光纤光栅f、可调光延迟线g、可调光衰减器h以及偏振合束器i组成了基于偏振复用的移相延时单元。在该单元中，经过相移光栅f进行移相滤波后的线偏振光谱图如图2b所示；携带延时调节量的光信号通过可调衰减器h调整功率使其与相移光栅f输出的光信号功率光功率相等，经偏振合束器i形成合束正交光信号，通过调节偏振控制器j以与偏振调制器k输入端面内的X-轴成±45°角的方式入射，经过偏振调制器进行微波信号调制后，在偏振起偏器m的输出端则形成图3所示载波光谱。其中光载波与对应光边带的相位差Δθ正比于可调光延时量τ与频率差ΔΩ的乘积，满足如下关系：Δθ∝τ·ΔΩ，且在中心相移陷波频率Ω左右两侧对光边带分量引入π相位跳变。通过色散积补偿模块后对光谱引入色散积分效应，通过高速光电探测器进行光电探测转换后，该效应等效于产生了光谱到微波频域的傅里叶变换，使该系统最终产生如图4的带通响应。图中，通带中心频率ω正比于Δθ，因此，该变延时量τ即可改变通带中心频率，实现通带中心频率连续调谐。同时，在通带两侧引入了π相移跳变，当带通信号的中心频率与该系统通带中心频率重合时，即可通过该系统实现微波信号的带通Hilbert变换。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可调谐单通带微波光子希尔伯特变换滤波系统，包括：
光源模块、第一偏振控制器、偏振分束器、相移光纤光栅、可调光延迟线、可调光衰减器、偏振合束器、第二偏振控制器、偏振调制器、第三偏振控制器、第二偏振起偏器、色散补偿模块和光电探测器；
所述光源模块用于提供矩形宽谱线偏振光源，所述偏振分束器将所述光源均分为两束，一束光经所述相移光纤光栅进行光谱相移滤波，另一束光经所述可调光延迟线被调节，使两束光的偏振光分量之间具有相对时间延迟量，所述可调光延迟线的输出端连接所述可调光衰减器，所述可调光衰减器用于调节该另一束光的光强度，分别经所述相移光纤光栅和所述可调光衰减器的两束光经所述偏振合束器进行正交合束，所述偏振调制器用于实现对光载波的偏振调制；
所述色散补偿模块对光信号产生色散积分作用，其输入端与第二偏振起偏器的输出端连接，其输出端连接光电探测器。
2.如权利要求1所述的可调谐单通带微波光子希尔伯特变换滤波系统，其特征在于，所述光源模块包括放大自发辐射宽谱光源、光纤布拉格光栅和第一偏振起偏器。
3.如权利要求1所述的可调谐单通带微波光子希尔伯特变换滤波系统，其特征在于，所述第一偏振控制器、第二偏振控制器、第三偏振控制器用于控制信号光的偏振态。
4.如权利要求1所述的可调谐单通带微波光子希尔伯特变换滤波系统，其特征在于，所述第一偏振控制器输入端连接光源模块，输出端连接偏振分束器，其输出为线偏振宽谱连续光，且偏振方向与偏振分束器输入端面的主轴成45°。
5.如权利要求1所述的可调谐单通带微波光子希尔伯特变换滤波系统，其特征在于，所述第二偏振控制器输入端连接偏振合束器，输出端连接偏振调制器，其输出的合束光的正交分量与偏振调制器输入端面内的X-轴成±45°。
6.如权利要求1所述的可调谐单通带微波光子希尔伯特变换滤波系统，其特征在于，所述第三偏振控制器输入端连接偏振调制器，输出端连接第二偏振起偏器，用于将第二偏振起偏器的起偏方向调整为与偏振调制器的X-轴成45°或-45°。
7.如权利要求1所述的可调谐单通带微波光子希尔伯特变换滤波系统，其特征在于，所述相移光纤光栅对输入的线偏振连续光进行光谱相移滤波，在光谱中心通过陷波滤波方式，引入π相移跳变。
8.如权利要求2所述的可调谐单通带微波光子希尔伯特变换滤波系统，其特征在于，所述相移光纤光栅透射光谱宽度大于等于光纤布拉格光栅透射光谱宽度，且矩形宽谱光源光谱关于相移陷波滤波点中心对称。
9.如权利要求1所述的可调谐单通带微波光子希尔伯特变换滤波系统，其特征在于，改变可调光延迟线提供的延时时间在不同通带内对输入的微波信号进行希尔伯特变换。
10.如权利要求1所述的可调谐单通带微波光子希尔伯特变换滤波系统，其特征在于，所述色散补偿模块将光谱中引入的π相移跳变转换至微波频域内，经光电探测器转换后的同轴端口输出信号即为完成带通希尔伯特变换的高频微波信号。
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