CN107340666B - 一种基于光电振荡器的矢量信号上变频装置 - Google Patents

一种基于光电振荡器的矢量信号上变频装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光电振荡器的矢量信号上变频装置，包括激光器、第一电光调制器、第一光纤耦合器、第一光纤、第一滤波器、第一光电探测器、第二滤波器、光交叉波分复用器、第二电光调制器、第二光纤耦合器、第二光纤、第二光电探测器；与传统微波光子上变频系统相比，不需要调制基带信号到微波信号上，而是直接在光载波上对基带信号进行变频调制，更加方便；同时采用同一路光信号的正负一阶边带拍频可以实现两倍本振频率的上变频，同时抵消大部分噪声干扰，提高信噪比。

Description

一种基于光电振荡器的矢量信号上变频装置
技术领域
本发明涉及微波光子变频领域，具体涉及一种基于光电振荡器的矢量信号上变频装置。
背景技术
微波技术目前在无线通讯、电子对抗、雷达探测、卫星通讯以及导航等领域取得了众多应用。实际上，低频段的频带资源几乎消耗殆尽，为了获得更大的工作带宽，研究者都将注意力转向更高的频段，尤其是30-300GHz的毫米波波段。传统的电学混频器的多态转换限制了变频的动态范围，同时调制范围和带宽有限，而微波光子变频技术具有低损耗，高带宽，抗电磁干扰、简单轻便等优点，所以通过微波光子学的方法来获得稳定度高、纯度高、经济的微波信号具有较大的吸引力。近年来，微波光子变频在过去20年里受到了广泛而深入的研究，许多关键技术得到较大发展。
较为常见的微波光子变频方案是采用马赫-增德尔调制器、相位调制器等器件利用边带实现变频。Hongchen Yu等人发表的“A full-band RF photonic receiver basedon the integrated ultra-high Q bandpass filter”(Optical Fiber CommunicationsConference and Exhibition 2015年1-3页)一文中提出了采用两个马赫-增德尔调制器级联实现下变频的设想，该方案中采用一个马赫-增德尔调制器将本振信号调制到光载波上，利用光交叉波分复用器将已调光信号的正负一阶边带分开，利用一个相位调制器将待处理的射频信号调制到正一阶边带光信号上，再利用光电探测器将其与负一阶边带拍频，得到下变频电信号，保证了较大的无杂散动态范围，然而需要先将基带信号调制到射频信号上再进行变频，同时当需要较大范围变频时仍需要高成本的射频信号源作为本振。
发明内容
本发明提供了一种基于光电振荡器的矢量信号上变频装置，能够实现矢量信号的大范围直接上变频。
一种基于光电振荡器的矢量信号上变频装置，包括激光器、第一电光调制器、第一光纤耦合器、第一光纤、第一滤波器、第一光电探测器、第二滤波器、光交叉波分复用器、第二电光调制器、第二光纤耦合器、第二光纤、第二光电探测器；
激光器输出的光信号输入第一电光调制器进行微波信号的调制；第一电光调制器的输出信号利用第一光纤耦合器分成第一调制光信号与第二调制光信号；第一调制光信号依次经过第一光纤、第一滤波器、第一光电探测器、第二滤波器，输出的电信号作为本振信号输入第一电光调制器，实现光电振荡回路；第二调制光信号由光交叉波分复用器分为第三调制光信号和第四调制光信号；第四调制光信号输入第二电光调制器进行强度调制，待处理的基带信号经串并转换后分两路输入第二电光调制器，将待处理基带信号调制到第四调制光信号上，得到第五调制光信号；第五调制光信号与经光纤延时的第三调制光信号输入第二光纤耦合器合为一路信号；第二光纤耦合器输出的信号经第二光纤输入第二光电探测器进行拍频，转换为上变频的电信号后输出；
所述的第一电光调制器偏置在最小传输点；
所述的第二电光调制器中的两个子调制器偏置在线性传输点，主调制器偏置在正交传输点；
所述的光交叉波分复用器中心频率分别为激光源频率与光电振荡器振荡频率之和、激光源频率与光电振荡器频率之差。
所述的激光器采用分布反馈激光器，用于作为电光调制器的载波信号，具有体积小、噪声低的优点。
进一步地，所述的激光器采用大功率激光器，功率范围在13-20dBm；增大激光器输出功率可增加系统增益。
所述的第一电光调制器为铌酸锂马赫-增德尔调制器，用于对光电振荡器产生的射频信号进行强度调制，产生光载波信号。
所述的第一电光调制器偏置在最小传输点上，实现载波抑制调制。
所述的第一光纤和第二光纤采用单模光纤，用于光信号的延时和传输。
所述的第一光纤耦合器用于将光载波信号分为第一调制光信号和第二调制光信号两路。
所述的第一滤波器为光带通滤波器，中心频率为激光源频率与光电振荡器的振荡频率之和，带宽小于光电振荡器振荡频率的一半，用于保留第一调制光信号的正一阶边带部分，抑制第一调制光信号的下边带。
所述的第一光电探测器和第二光电探测器均用于实现光信号到电信号的转换，实现变频。
所述的第二滤波器采用微波窄带带通滤波器，其中心频率为光电振荡器振荡频率，带宽小于光电振荡器环路的模式间隔。
所述的光交叉波分复用器用于滤波分频，将第二调制光信号的正负一阶边带分为两路信号，其中心频率分别为激光源频率与光电振荡器振荡频率之和、激光源频率与光电振荡器频率之差。
所述的第二电光调制器采用双平行马赫-增德尔调制器，用于正交调制待处理的基带信号，将其直接调制到光载波上。
所述的第二电光调制器的两个子调制器偏置在线性传输点，主调制器偏置在正交传输点，实现对基带信号的正交调制。
所述的第二光纤耦合器用于将第三调制光信号和第五调制光信号合并输出。
进一步地，所述的第一光纤耦合器和第二光纤耦合器采用分光比为50:50的光纤耦合器，保证信号有最大的信噪比和功率。
基于光电振荡器的矢量上变频装置实现矢量信号上变频的过程如下：
激光器输出的光信号作为光载波输入到第一电光调制器；第一电光调制器的输出信号利用第一光纤耦合器分成第一调制光信号与第二调制光信号；第一调制光信号依次经过第一光纤、第一滤波器、第一光电探测器、第二滤波器，输出的电信号作为本振信号输入第一电光调制器，构成光电振荡环路；第二调制光信号由光交叉波分复用器分为第三调制光信号和第四调制光信号；第四调制光信号作为光载波输入第二电光调制器，待处理基带信号经过串并转换后分成两路，两路信号分别输入第二电光调制器的两个子调制器进行强度调制，第二电光调制器的主调制器偏置在正交传输点，实现基带信号对光载波的矢量调制，第二电光调制器输出的第五调制光信号即为携带了基带信号信息的矢量信号；第五调制光信号与经光纤延时的第三调制光信号共同输入第二光纤耦合器；第二光纤耦合器输出的信号经第二光纤输入第二光电探测器，经过拍频转换为上变频的电信号后输出。
本发明的装置实现矢量信号上变频的工作原理如下：
假设激光器输出的光信号E0(t)为
式中P0为激光器光功率，ω0是激光器的光信号频率。激光源的光信号入射到第一电光调制器中进行强度调制，光电振荡环路产生的调制信号E1(t)为：
E1(t)＝E1cos(ω1t) (2)
式中E1和ω1分别为本振信号即光电振荡器产生的微波信号的幅值和频率。通过调节第一电光调制器的偏置点，使其工作在载波抑制状态，则调制后的第一调制光信号和第二调制光信号EMZM1可表示为：
EMZM1(t)＝E0(t)sin(βcos(ω1t)) (3)
式中是调制器的调制指数，Vπ是调制器半波电压。
通过光交叉波分复用器分为两路后的第三调制光信号E01(t)和第四调制光信号E02(t)分别为：
式中，J1是第一类1阶贝塞尔函数。
上述式中的t是时间。
第四调制光信号作为光载波输入第二电光调制器进行调制，待处理的基带信号s(t)经串并转换后分两路输入第二电光调制器的两个子调制器，实现将基带信号直接调制到光载波上；第二电光调制器的子调制器1和子调制器2偏置在线性传输点，主调制器偏置在正交传输点，两路信号有90度相位差从而实现正交调制得到第五调制光信号。经过第二光纤耦合器后，第五调制光信号与第三调制光信号合并为一路信号；最后该路信号经第二光纤传输进入第二光电探测器，正负一阶边带拍频得到载波频率为2ω1的电信号。
本发明采用光电振荡器产生本振信号，可以避免使用高成本的高频射频信号源，同时具有更低的相位噪声，避免对基带信号的干扰；采用光波分复用器分出正负一阶边带进行后续的拍频，可以实现两倍本振频率的上变频，实现最高的信噪比；采用双平行马赫-增德尔调制器调制基带信号，简化了将基带信号调制到射频信号的步骤。本发明装置与传统微波光子上变频系统相比，不需要调制基带信号到微波信号上，而是直接在光载波上对基带信号进行变频调制，更加方便；同时采用同一路光信号的正负一阶边带拍频可以实现两倍本振频率的上变频，同时抵消大部分噪声干扰，提高信噪比。
附图说明
图1为本发明基于光电振荡器的矢量信号上变频装置的结构示意图；
图2为本发明的装置中第二电光调制器的结构示意图；
图3(a)为本发明实施例中光电振荡器产生的本振信号经第一电光调制器调制得到的第一和第二调制光信号；
图3(b)为本发明实施例中第一调制光信号经第一滤波器滤波后的光信号；
图4(a)为本发明实施例中第二调制光信号经光交叉波分复用器分频得到的第三调制光信号；
图4(b)为本发明实施例中第二调制光信号经光交叉波分复用器分频得到的第四调制光信号；
图5(a)为本发明实施例中第四调制光信号经第二电光调制器调制得到的第五调制光信号；
图5(b)为本发明实施例中第三调制光信号和第五调制光信号经第二光纤耦合器合为一路后的光信号。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，基于光电振荡器的矢量信号上变频装置包括激光器1、第一电光调制器2、第一光纤耦合器3、第一光纤4、第一滤波器5、第一光电探测器6、第二滤波器7、光交叉波分复用器8、第二电光调制器9、待处理基带信号10、第二光纤耦合器11、第二光纤12、第二光电探测器13。
激光器1是具有大功率输出的分布反馈滤波器，保证系统的增益。
第一电光调制器2为铌酸锂马赫-增德尔调制器，用于对光电振荡器产生的射频信号进行强度调制，产生光载波信号。
第一电光调制器2偏置在最小传输点上，实现载波抑制调制。
第一光纤耦合器3和第二光纤耦合器11均为分光比为50:50的光纤耦合器。
光交叉波分复用器8用于滤波分频，将第二调制光信号的正负一阶边带分为两路信号，其中心频率分别为激光源频率与光电振荡器振荡频率之和、激光源频率与光电振荡器频率之差。
第二电光调制器9采用双平行马赫-增德尔调制器，用于正交调制待处理的基带信号，将其直接调制到光载波上。
第二电光调制器9的两个子调制器偏置在线性传输点，主调制器偏置在正交传输点，实现对基带信号的正交调制。
激光器1输出的光信号作为光载波输入到第一电光调制器2，第一电光调制器2的输出信号利用第一光纤耦合器3分成第一调制光信号与第二调制光信号；第一调制光信号依次经过第一光纤4、第一滤波器5、第一光电探测器6、第二滤波器7，输出的电信号作为本振信号输回第一电光调制器2，构成频率稳定的光电振荡回路；第二调制光信号由光交叉波分复用器8分为第三调制光信号和第四调制光信号；第四调制光信号作为光载波输入第二电光调制器9，将待处理基带信号10经过串并转换后分成两路，两路信号分别输入第二电光调制器9的两个子调制器进行强度调制，第二电光调制器9的主调制器偏置在正交传输点，实现待处理基带信号10对光载波的矢量调制，第二电光调制器9输出的第五调制光信号即为携带了待处理基带信号信息的矢量信号；第五调制光信号与经光纤延时的第三调制光信号输入第二光纤耦合器11，第二光纤耦合器11输出的光信号经第二光纤12输入第二光电探测器13，经过拍频转换为载波频率为两倍本振信号频率的电信号后输出。
图2是本发明的装置中第二电光调制器9的结构示意图。第二电光调制器9由三个调制器组成，相当于把子调制器1和子调制器2嵌入到主调制器的两个臂上，两个子调制器呈平行或并联结构。
调整子调制器1的偏置电压1和子调制器2的偏置电压2，使子调制器1和子调制器2偏置在线性点，将待处理基带信号10经过串并转换后分成两路，两路信号分别输入第二电光调制器9的两个子调制器，进行强度调制；调整主调制器的偏置电压3使主调制器工作在正交点，实现待处理基带信号10对光载波的矢量调制。
图3(a)是第一电光调制器2将光电振荡器环路产生的频率为ω1的微波信号调制到光载波上得到的信号，即第一调制光信号和第二调制光信号；图3(b)是光电振荡器环路中第一调制光信号经过第一滤波器5滤波后得到的光信号，其中信号的下边带全部被抑制，只保留正一阶边带部分。
图4(a)和图4(b)是第二调制光信号通过光交叉波分复用器8将正负一阶边带分别提取出来得到的信号，即第三调制光信号和第四调制光信号。
图5(a)是将待处理基带信号10直接调制到第四调制光信号上所得到的第五调制光信号；图5(b)是第五调制光信号和第三调制光信号通过第二光纤耦合器11合并到一起所得到的光信号，两路信号频率相差2ω1。
上述的对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于光电振荡器的矢量信号上变频装置，其特征在于，包括激光器、第一电光调制器、第一光纤耦合器、第一光纤、第一滤波器、第一光电探测器、第二滤波器、光交叉波分复用器、第二电光调制器、第二光纤耦合器、第二光纤、第二光电探测器；
激光器输出的光信号输入第一电光调制器进行微波信号的调制；第一电光调制器的输出信号利用第一光纤耦合器分成第一调制光信号与第二调制光信号；第一调制光信号依次经过第一光纤、第一滤波器、第一光电探测器、第二滤波器，输出的电信号作为本振信号输入第一电光调制器，形成光电振荡回路；第二调制光信号由光交叉波分复用器分为第三调制光信号和第四调制光信号；第四调制光信号输入第二电光调制器进行强度调制，待处理的基带信号经串并转换后分两路输入第二电光调制器，将待处理基带信号调制到第四调制光信号上，得到第五调制光信号；第五调制光信号与经光纤延时的第三调制光信号输入第二光纤耦合器合为一路信号；第二光纤耦合器输出的信号经第二光纤输入第二光电探测器进行拍频，转换为上变频的电信号后输出；
所述的第一电光调制器偏置在最小传输点；
所述的第二电光调制器中的两个子调制器偏置在线性传输点，主调制器偏置在正交传输点；
所述的光交叉波分复用器中心频率分别为激光源频率与光电振荡器振荡频率之和、激光源频率与光电振荡器频率之差。
2.根据权利要求1所述的基于光电振荡器的矢量信号上变频装置，其特征在于，所述的激光器为分布反馈滤波器。
3.根据权利要求1所述的基于光电振荡器的矢量信号上变频装置，其特征在于，所述的第一电光调制器为铌酸锂马赫-增德尔调制器。
4.根据权利要求1所述的基于光电振荡器的矢量信号上变频装置，其特征在于，所述的第二电光调制器为双平行马赫-增德尔调制器。
5.根据权利要求1所述的基于光电振荡器的矢量信号上变频装置，其特征在于，所述的第一光纤耦合器或第二光纤耦合器为分光比为50:50的光纤耦合器。
6.根据权利要求1所述的基于光电振荡器的矢量信号上变频装置，其特征在于，所述的第一光纤或第二光纤为单模光纤。
7.根据权利要求1所述的基于光电振荡器的矢量信号上变频装置，其特征在于，所述的第一滤波器为光带通滤波器。
8.根据权利要求1所述的基于光电振荡器的矢量信号上变频装置，其特征在于，所述的第二滤波器为微波窄带带通滤波器。
9.根据权利要求1所述的基于光电振荡器的矢量信号上变频装置，其特征在于，将待处理基带信号经过串并转换后分成两路，两路信号分别输入第二电光调制器的两个子调制器进行强度调制，第二电光调制器的主调制器偏置在正交传输点，实现基带信号对光载波的矢量调制，第二电光调制器的输出的第五调制光信号为携带了基带信号信息的矢量信号。
10.根据权利要求7所述的基于光电振荡器的矢量信号上变频装置，其特征在于，所述的光带通滤波器中心频率为激光源频率与光电振荡器的振荡频率之和，带宽小于光电振荡器振荡频率的一半。
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