CN108259090B - 一种基于数字逻辑运算的射频任意波形光生成方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于数字逻辑运算的射频任意波形光生成方法及系统，属于任意波形生成领域。该系统包括：n个光功率调制单元，波分复用器或光耦合器，光电探测器和滤波器；其中，每个光功率调制单元包括激光器、调制器、两个微波移相器和数字信号发生器。该方法根据目标射频模拟信号波形表达式及调制器所实现的逻辑运算关系生成n对数字信号，利用数字信号发生器对应生成非归零码微波数字信号，将每一对非归零码微波数字信号输入调制器对一路激光进行强度调制，得到n路光信号，然后耦合为一路光信号，转换为电信号，通过滤波器最终得到目标射频模拟信号波形。本发明可有效提高雷达、卫星探测等系统的距离分辨力，实现高精度的成像。

Description

一种基于数字逻辑运算的射频任意波形光生成方法及系统
技术领域
本发明涉及任意波形生成技术领域，特别涉及一种基于数字逻辑运算的射频任意波形光生成方法及系统。
背景技术
射频任意波形生成技术在成像雷达、通信、卫星遥感等领域有着重要作用，但受限于电子器件的瓶颈，传统的直接数字式频率合成、电数模转换等电的任意波形生成方法产生的信号带宽和频率已经无法满足需求。借助于光的抗电磁干扰、高频(THz量级)特性，基于光的射频任意波形生成方法在近几年受到科研人员的广泛关注。其中主要有频域任意波形光生成方法和时域任意波形光生成方法。其中频域任意波形光生成方法生成的信号虽然具有高频宽带特性，但其时间窗口却是受限的，无法在雷达、卫星探测等领域使用。时域任意波形光生成方法生成的信号时间窗口较大，但频率和带宽仍然存在一定的限制。
对于时域任意波形光生成方法，光子数模转换(PDAC)是其中较常用的一种技术。现有的基于PDAC的任意波形光生成方法主要有两种。一种是基于串联式PDAC的任意波形光生成方法，它的核心思想是在时域上将代表不同比特位的光脉冲通过色散等方法合成一个脉冲，形成一个采样脉冲。它的转换速率和转换精度是相互制约的，当比特位较高时，转换速率较低。另外一种是基于串联式PDAC的任意波形光生成方法，流程如图1所示，m路非归零码微波数字信号D1,D2...Dm作为输入，分别通过m个马赫-曾德尔调制器对m路由激光器生成的单频光源进行强度调制，m路光源的功率分别为P，2P…2m-1P，将经过调制器调制后的不同功率的m路光信号通过耦合器/波分复用器耦合为一路，该路光信号经过光电探测器转化为电信号，再经过低通滤波器滤波得到目标波形。图1中虚线框部分即为PDAC部分。该方法的转换速率和转换精度不会相互制约，但生成的信号带宽和频率受限于数字信号的码率。根据奈奎斯特采样定理，该方法生成的信号带宽最大为数字信号码率的一半。而对于电子器件而言，生成高码率的数字信号存在较大困难。打破该方法生成信号的带宽受限于数字码率这一限制，进而提高生成信号的带宽具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种基于数字逻辑运算的射频任意波形光生成方法及系统。该方法可以生成射频任意波形，且生成的任意波形具有较大的时间带宽积，它的带宽可以远大于数字信号码率值的一半，最大可等于数字信号码率值，将本发明应用到雷达、卫星探测等领域，可以有效提高雷达、卫星探测系统的距离分辨力，实现高精度的成像。
本发明提出的一种基于数字逻辑运算的射频任意波形光生成系统，包括：n个光功率调制单元，波分复用器或光耦合器，光电探测器和滤波器；所述n个光功率调制单元分别连接波分复用器或光耦合器的输入端，波分复用器或光耦合器的输出端连接光电探测器的输入端，光电探测器的输出端连接滤波器的输入端；其特征在于，每个光功率调制单元包括一个激光器、一个调制器、两个微波移相器和一个数字信号发生器，所述数字信号发生器通过两个输出通道分别与两个微波移相器的输入端连接，每个微波移相器的输出端分别与调制器的射频输入口相连，激光器与调制器的光输入口相连；所述数字信号发生器输出的两路数字信号的码率是调制器最终生成信号的码率的一半，调制器实现两路数字信号的异或逻辑运算，记为
Figure GDA0002433791580000021
其中，Si代表码率为fs的第i路数字信号，i＝1,2,3...n，Si1,Si2分别代表Si对应的两路码率为fs/2的数字信号，k代表第k个码。
本发明提出的一种基于如上述系统的基于数字逻辑运算的射频任意波形光生成方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据需要得到的目标射频模拟信号波形表达式，通过数字信号处理的方式对该射频波形以采样率fs进行采样并以n比特位进行量化获得码率为fs的n路数字信号记为S1,S2...Sn，n为任意正整数；
2)根据调制器所能实现的逻辑运算关系计算每一路码率为fs的数字信号Si，i＝1,2,3...n，对应的两路码率为fs/2的数字信号分别记为Si1,Si2，总共得到2n路码率为fs/2的数字信号S11,S12,S21,S22...Sn1,Sn2；其中，调制器所能实现的逻辑运算关系为
Figure GDA0002433791580000022
3)将每对数字信号Si1,Si2通过对应的数字信号发生器分别生成非归零码微波数字信号记为Di1和Di2，则n对数字信号S11,S12,S21,S22...Sn1,Sn2通过n个数字信号发生器生成对应的n对非归零码微波数字信号记为D11,D12,D21,D22...Dn1,Dn2，其中，数字信号Si1对应生成非归零码微波数字信号Di1，数字信号Si2对应生成非归零码微波数字信号Di2；
4)将步骤3)得到的每对非归零码微波数字信号Di1和Di2通过对应的微波移相器进行延时控制，共有n个微波移相器，使得D11,D12,D21,D22...Dn1,Dn2中的n路非归零码微波数字信号D11,D21...Dn1同步到达各自对应的调制器，另外的n路非归零码微波数字信号D12,D22...Dn2延时半个码片周期到达各自对应的调制器，共有n个调制器；
5)每一对非归零码微波数字信号Di1,Di2输入到同一个调制器对对应激光器生成的一路激光进行强度调制，n对非归零码微波数字信号通过n个对应的调制器对n个激光器生成波长分别为λ1,λ2,λ3...λn的激光进行强度调制，实现非归零码微波数字信号在光域的数字逻辑运算，在光域实现被倍码率数字信号强度调制的n路光信号；其中n路激光的光功率分别为P，2P…2n-1P；
6)将步骤5)得到的n路光信号通过波分复用器或耦合器耦合到一个光路中，得到一路光信号；
7)将步骤6)得到的光信号通过光电探测器转换为电信号；
8)将步骤7)得到的电信号通过滤波器，最终获得步骤1)设定的目标射频模拟信号波形。
本发明的特点及有益效果在于：
本发明用数字信号发生器产生2n路非归零码微波数字信号D11,D12,D21,D22...Dn1,Dn2，用2n个微波移相器对这2n路的非归零码微波数字信号进行延时控制，使得其中的n路非归零码微波数字信号D11,D21...Dn1同步到达调制器，另外的n路非归零码微波数字信号D12,D22...Dn2延时半个码片周期到达调制器。其中每两路非归零码微波数字信号Dq1,Dq2输入到同一个调制器对一路光源进行强度调制，共n个调制器，n路光源，其中n路光源的功率依次为P，2P…2n-1P。将调制后不同功率的光信号通过波分复用器/耦合器耦合为一路，再将该路光信号通过光电探测器转化为电信号，该电信号再经过低通滤波器滤波得到目标模拟波形。两路延时相差半个周期的输入到一个调制器对光源进行强度调制，可以实现两路非归零码微波数字信号在光域的异或操作，进而实现光强度的调制速率为非归零码微波数字信号码率的两倍。这样整个PDAC的等效采样率为数字信号码率的两倍，可生成带宽高达数字信号码率值的任意射频波形。相比于传统的基于PDAC的射频任意波形光生成方法，本发明在相同码率数字信号输入的情况下，本发明的射频任意波形光生成方法生成的信号最大带宽是传统的基于PDAC的射频任意波形光生成方法生成的信号最大带宽的两倍。将本发明应用到雷达、卫星探测等领域，可以有效提高雷达、卫星探测系统的距离分辨力，实现高精度的成像。
附图说明
图1为传统的基于串联式PDAC的任意波形光生成方法流程框图。
图2为本发明的一种基于数字逻辑运算的射频任意波形光生成系统结构框图。
图3为本发明的一种改进的基于数字逻辑运算的射频任意波形光生成系统结构框图。
图4为本发明实施例提供的双驱动调制器实现数字逻辑运算结果图。
图5为本发明实施例生成的10GHz的正弦波的时域波形图。
图6是本发明实施例生成的10GHz的正弦波的频谱图。
具体实施方式
本发明提出一种基于数字逻辑运算的射频任意波形光生成方法及系统，下面结合附图和具体实施例进一步详细说明如下。
本发明提出一种基于数字逻辑运算的射频任意波形光生成系统，结构如图2所示，包括：n个光功率调制单元，n为任意正整数，波分复用器或光耦合器，光电探测器和低通滤波器；所述n个光功率调制单元分别连接波分复用器或光耦合器的输入端，波分复用器或光耦合器的输出端连接光电探测器的输入端，光电探测器的输出端连接低通滤波器的输入端；其中，每个光功率调制单元包括一个激光器、一个调制器、两个微波移相器和一个数字信号发生器，所述数字信号发生器通过两个输出通道分别与两个微波移相器的输入端连接，每个微波移相器的输出端分别与调制器的射频输入口相连，激光器与调制器的光输入口相连。
本发明系统各部件实现如下：
所述波分复用器和光耦合器(或级联的光耦合器)均需要有2n个输入通道，且波分复用器各个通道对应的光波长分别为激光器的光波长；
所述光电探测器的响应速率大于目标模拟信号的最高频率；
所述低通滤波器的截止频率约为目标模拟信号的最高频率；
所述激光器采用常规激光器，各激光器的激光频率间隔大于目标模拟信号的最大频率；
所述调制器的调制速率大于数字信号码率；
所述微波移相器的工作频段要覆盖目标波形最高频率。
在本发明的实施例中，令n＝2，激光器型号无特殊要求，两个激光器输出光的功率分别为10dbm,7dBm,波长分别为1554.985nm、1557.404nm；数字信号发生器为AnritsuMP1758；微波移相器的使用频段为DC-26.5GHz，50:50的光耦合器，20GHz的光电探测器，截止频率为10GHz的低通滤波器。
本发明提出的一种基于上述系统的基于数字逻辑运算的射频任意波形光生成方法，包括以下步骤：
1)根据需要得到的目标射频模拟信号波形表达式(该射频波形可为任意波形)，通过数字信号处理的方式对该射频波形以采样率fs(fs要大于目标模拟信号基带波形的最高频率)进行采样并以n比特位进行量化获得码率为fs的n路数字信号记为S1,S2...Sn，n为任意正整数；
2)根据调制器所能实现的逻辑运算关系计算每一路码率为fs的数字信号Si(i＝1,2,3...n)对应的两路码率为fs/2的数字信号分别记为Si1,Si2，总共得到2n路码率为fs/2的数字信号S11,S12,S21,S22...Sn1,Sn2；
3)将每对数字信号Si1,Si2通过对应的数字信号发生器分别生成非归零码微波数字信号记为Di1和Di2，则n对数字信号S11,S12,S21,S22...Sn1,Sn2通过n个数字信号发生器生成对应的n对非归零码微波数字信号记为D11,D12,D21,D22...Dn1,Dn2，其中，数字信号Si1对应生成非归零码微波数字信号Di1，数字信号Si2对应生成非归零码微波数字信号Di2；
在本实施例中，所使用的调制器为双驱动马赫增德尔调制器，实现的逻辑运算为异或运算,对于每一路码率为fs的数字信号Si，根据异或关系
Figure GDA0002433791580000051
可以计算出码率为fs/2的数字信号Si1,Si2，其中k代表第k个码。
4)将步骤3)得到的每对非归零码微波数字信号Di1和Di2通过对应的微波移相器进行延时控制，共有n个微波移相器，使得D11,D12,D21,D22...Dn1,Dn2中的n路非归零码微波数字信号D11,D21...Dn1同步到达各自对应的调制器(共有n个调制器)，另外的n路非归零码微波数字信号D12,D22...Dn2延时半个码片周期到达各自对应的调制器。
5)每一对非归零码微波数字信号Di1,Di2输入到同一个调制器对由对应激光器生成的一路激光进行强度调制，n对非归零码微波数字信号通过n个对应的调制器对n个激光器分别生成的波长为λ1,λ2,λ3...λn的激光进行强度调制，实现非归零码微波数字信号在光域的数字逻辑运算，在光域实现被倍码率数字信号强度调制的n路光信号。其中n路激光的光功率分别为P，2P…2n-1P(P代表功率大小)，这n路激光产生的光为非相干光，相邻两路激光的频率间隔大于目标模拟信号最高频率。
6)将步骤5)得到的n路光信号通过波分复用器或耦合器耦合到一个光路中，得到一路光信号。
7)将步骤6)得到的光信号通过光电探测器转换为电信号。
8)将步骤7)得到的电信号通过低通滤波器，最终获得步骤1)设定的目标射频模拟信号波形。
本发明为了提升可生成信号的频率，提出一种改进的基于数字逻辑运算的射频任意波形光生成系统，结构如图3所示，包括：n个光功率调制单元，波分复用器或光耦合器，微波信号发生器，第n+1个调制器，光电探测器和带通滤波器；所述n个光功率调制单元分别连接波分复用器或光耦合器的输入端，波分复用器或光耦合器的输出端连接第n+1个调制器的光输入口，微波信号发生器连接第n+1个调制器的射频输入口，第n+1个调制器的输出端连接光电探测器的输入端，光电探测器的输出端连接带通滤波器的输入端；其中，每个光功率调制单元包括一个激光器、一个调制器、两个微波移相器和一个数字信号发生器，所述数字信号发生器通过两个输出通道分别与两个微波移相器的输入端连接，每个微波移相器的输出端分别与调制器的射频输入口相连，激光器与调制器的光输入口相连。
该改进系统中，微波信号发生器采用常规器件即可(能够产生所需要的单频微波信号波形)，第n+1个调制器的调制速率要大于单频微波信号的频率；其余部件与本发明系统的各部件要求一致。
本发明提出的一种基于上述改进系统的基于数字逻辑运算的射频任意波形光生成方法，包括以下步骤：
1)根据需要得到的目标射频模拟信号的基带波形表达式(该射频波形可为任意波形)，通过数字信号处理的方式对该射频波形以采样率fs(fs要大于目标模拟信号基带波形的最高频率)进行采样并以n比特位进行量化获得码率为fs的n路数字信号记为S1,S2...Sn，n为任意正整数；
2)根据调制器所能实现的逻辑运算关系计算每一路码率为fs的数字信号Si(i＝1,2,3...n)对应的两路码率为fs/2的数字信号分别记为Si1,Si2，总共得到2n路码率为fs/2的数字信号S11,S12,S21,S22...Sn1,Sn2；
3)将每对数字信号Si1,Si2通过对应的数字信号发生器分别生成非归零码微波数字信号记为Di1和Di2，则n对数字信号S11,S12,S21,S22...Sn1,Sn2通过n个数字信号发生器生成对应的n对非归零码微波数字信号记为D11,D12,D21,D22...Dn1,Dn2，其中，数字信号Si1对应生成非归零码微波数字信号Di1，数字信号Si2对应生成非归零码微波数字信号Di2；
在本实施例中，所使用的调制器为双驱动马赫增德尔调制器，实现的逻辑运算为异或运算,对于每一路码率为fs的数字信号Si，根据异或关系
Figure GDA0002433791580000061
可以计算出码率为fs/2的数字信号Si1,Si2，其中k代表第k个码。
4)将步骤3)得到的每对非归零码微波数字信号Di1和Di2通过对应的微波移相器进行延时控制，共有n个微波移相器，使得D11,D12,D21,D22...Dn1,Dn2中的n路非归零码微波数字信号D11,D21...Dn1同步到达各自对应的调制器(共有n个调制器)，另外的n路非归零码微波数字信号D12,D22...Dn2延时半个码片周期到达各自对应的调制器。
5)每一对非归零码微波数字信号Di1,Di2输入到同一个调制器对由对应激光器生成的一路激光进行强度调制，n对非归零码微波数字信号通过n个对应的调制器对n个激光器分别生成的波长为λ1,λ2,λ3...λn的激光进行强度调制，实现非归零码微波数字信号在光域的数字逻辑运算，在光域实现被倍码率数字信号强度调制的n路光信号。其中n路激光的光功率分别为P，2P…2n-1P(，这n路激光产生的光为非相干光，相邻两路激光的频率间隔大于目标模拟信号最高频率。
6)将步骤5)得到的n路光信号通过波分复用器或耦合器耦合到一个光路中，得到一路光信号。利用微波信号发生器生成一个单频微波信号，该信号频率大小取决于目标射频信号的中心频率和目标射频信号基带波形的中心频率，将该微波信号通过调制器所述光信号进行调制，得到调制后的光信号，从而在光域实现微波信号的上变频。
7)将步骤6)得到的光信号通过光电探测器转换为电信号。
8)将步骤7)得到的电信号通过带通滤波器，最终获得步骤1)设定的目标模拟信号波形。
实施例：
本实施例以PDAC系统比特数n＝2为例，对本发明方案进行了实验测试，实验中设定两激光器的波长分别为1554.985nm、1557.404nm，功率比为1:2。目标生成的信号是10GHz的正弦波，对该信号以24Gb/s的采样率进行采样和2比特量化，对每一个比特的数据由异或逻辑关系推导出所需要的12Gb/s的数字信号。由微波数字信号发生器生成的两对(四路)12Gb/s的非归零码微波数字信号，这两对非归零码微波数字信号经过移相器后被送入到两个双驱动马赫增德尔调制器的射频输入口去分别调制两路光信号。将这两个已调制的光信号通过50:50的光耦合器耦合到一个光路，并送入光电探测器完成光电转换，将探测器输出的电信号再通过截止频率为11GHz的低通滤波器即可获得目标模拟波形。图4(a)和图4(b)为高比特位的两驱动数字信号的一部分时域图，图4(c)为高比特位的光路单独通过光电探测器后获得的信号时域图，这三个信号已经归一化，从中可见双驱动调制器实现了两数字信号的异或逻辑运算，生成了更高码率的数字信号。图5是获得的10GHz的正弦波的时域波形。图6是获得的10GHz的正弦波时域信号做傅里叶变换获得的频谱图。

Claims (6)

1.一种基于数字逻辑运算的射频任意波形光生成系统，包括：n个光功率调制单元，波分复用器或光耦合器，光电探测器和滤波器；所述n个光功率调制单元分别连接波分复用器或光耦合器的输入端，波分复用器或光耦合器的输出端连接光电探测器的输入端，光电探测器的输出端连接滤波器的输入端；其特征在于，每个光功率调制单元包括一个激光器、一个调制器、两个微波移相器和一个数字信号发生器，所述数字信号发生器通过两个输出通道分别与两个微波移相器的输入端连接，每个微波移相器的输出端分别与调制器的射频输入口相连，激光器与调制器的光输入口相连；所述数字信号发生器输出的两路数字信号的码率是调制器最终生成信号的码率的一半，调制器实现两路数字信号的异或逻辑运算，记为
Figure FDA0002433791570000011
其中，Si代表码率为fs的第i路数字信号，i＝1,2,3...n，Si1,Si2分别代表Si对应的两路码率为fs/2的数字信号，k代表第k个码。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述滤波器为低通滤波器。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：微波信号发生器和第n+1个调制器；波分复用器或光耦合器的输出端连接第n+1个调制器的光输入口，微波信号发生器连接第n+1个调制器的射频输入口，第n+1个调制器的输出端连接光电探测器的输入端。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述滤波器为带通滤波器。
5.一种基于如权利要求1所述系统的基于数字逻辑运算的射频任意波形光生成方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据需要得到的目标射频模拟信号波形表达式，通过数字信号处理的方式对该射频波形以采样率fs进行采样并以n比特位进行量化获得码率为fs的n路数字信号记为S1,S2...Sn，n为任意正整数；
2)根据调制器所能实现的逻辑运算关系计算每一路码率为fs的数字信号Si，i＝1,2,3...n，对应的两路码率为fs/2的数字信号分别记为Si1,Si2，总共得到2n路码率为fs/2的数字信号S11,S12,S21,S22...Sn1,Sn2；其中，调制器所能实现的逻辑运算关系为
Figure FDA0002433791570000012
3)将每对数字信号Si1,Si2通过对应的数字信号发生器分别生成非归零码微波数字信号记为Di1和Di2，则n对数字信号S11,S12,S21,S22...Sn1,Sn2通过n个数字信号发生器生成对应的n对非归零码微波数字信号记为D11,D12,D21,D22...Dn1,Dn2，其中，数字信号Si1对应生成非归零码微波数字信号Di1，数字信号Si2对应生成非归零码微波数字信号Di2；
4)将步骤3)得到的每对非归零码微波数字信号Di1和Di2通过对应的微波移相器进行延时控制，共有n个微波移相器，使得D11,D12,D21,D22...Dn1,Dn2中的n路非归零码微波数字信号D11,D21...Dn1同步到达各自对应的调制器，另外的n路非归零码微波数字信号D12,D22...Dn2延时半个码片周期到达各自对应的调制器，共有n个调制器；
5)每一对非归零码微波数字信号Di1,Di2输入到同一个调制器对对应激光器生成的一路激光进行强度调制，n对非归零码微波数字信号通过n个对应的调制器对n个激光器生成波长分别为λ1,λ2,λ3...λn的激光进行强度调制，实现非归零码微波数字信号在光域的数字逻辑运算，在光域实现被倍码率数字信号强度调制的n路光信号；其中n路激光的光功率分别为P，2P…2n-1P；
6)将步骤5)得到的n路光信号通过波分复用器或耦合器耦合到一个光路中，得到一路光信号；
7)将步骤6)得到的光信号通过光电探测器转换为电信号；
8)将步骤7)得到的电信号通过滤波器，最终获得步骤1)设定的目标射频模拟信号波形。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤6)还包括：利用微波信号发生器生成一个单频微波信号，将该微波信号通过调制器对所述光信号进行调制，得到调制后的光信号。
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