CN108768537A - 基于多频光本振的多波段可重构信号产生方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多频光本振的多波段可重构信号产生方法。生成两路光本振信号,其中至少有一路是多频光本振信号;以其中一路光本振信号作为光载波,将低频参考信号电光调制于其上,生成载波抑制单边带信号;将所述载波抑制单边带信号与另外一路光本振信号耦合混频,并将其中的每个频率分量作为独立的通道分割出来;对各通道信号分别进行光电转换和延时处理,从而产生不同时刻不同波段的多个射频子波段信号;对所述射频子波段信号进行拼接组合,得到带宽、时宽、中心频率任意可调的可重构信号。本发明还公开了一种基于多频光本振的多波段可重构信号产生装置。本发明的信号带宽、时宽、中心频率灵活多变,还能进一步扩展信号的带宽以及时宽。
Description
技术领域
本发明涉及一种微波信号产生方法,尤其涉及一种多波段可重构信号产生方法,属于微波光子技术领域。
背景技术
多波段可重构信号产生作为多功能一体化射频系统必不可少的关键模块,一直被广泛应用于航电、雷达、卫星等射频综合系统中。例如,在电子战系统中,可重构信号的切换速度将直接决定战机侦查、干扰、识别的反应能力,从而影响战机的存活率;雷达系统则要求发射信号既具有大时宽,又具有大带宽,从而使其看得远且看得清;在卫星系统中,为了同时实现通信、导航、气象预报等功能,往往要求我们的射频综合系统能同时产生多个不同波段、不同带宽、不同格式的信号。为此,大量研究致力于多波段可重构信号的产生。
传统的电子产生方法主要分为模拟域产生法和数字域产生法。模拟域主要通过压控振荡器(VCO)以及声表面波(SAW)滤波器来实现,受限于电子器件的模拟带宽以及固定响应,所产生的信号无法灵活调节,并且信号带宽有限(最多几个GHz)。数字域主要是通过数字直接合成法(DDS)和波形存储直接法来产生可重构信号,虽然产生的信号格式灵活多变,但受限于数字系统的时钟限制,所产生的信号带宽和中心频率都较低,并且参数调节范围有限。虽然可以通过多倍频来进一步扩大带宽,但信号质量会随着倍频数的增大而急剧恶化。
为了突破传统电子技术所面临的带宽瓶颈,基于光子技术的可重构信号产生被逐步提出。利用光子技术丰富的频谱资源,可以使得所产生的信号具有高频宽带、灵活可重构的优点。基于光子技术的产生方法主要有两类,一类是映射法,另一类是外差法。映射主要是空时映射(STM)(A.Vega,D.E.Leaird,and A.M.Weiner,“High-speed direct space-to-time pulse shaping with 1ns reconfiguration,”Opt.Lett.35(10),1554–1556,2010.)和频时映射(FTM)(F.Zhang,X.Ge,and S.Pan,“Background-free pulsed microwavesignal generation based on spectral shaping and frequency-to-time mapping,”Photon.Res.2(4),B5–B10,2014.),这类映射方法都需要一个整形器,来实现空间整形或频谱整形,通过改变整形器的响应,就可以实现信号波形的可重构。其典型的方案图如图1所示,利用的是一个基于阵列光栅波导的脉冲整形器,来实现空间整形,但是受限于时间孔径,所产生的信号时宽通常只有几个纳秒到几十纳秒之间。而基于光子技术的外差法时宽和中心频率均可较为灵活的改变。其中较为典型的一类方案如图2所示(W.Li,F.Kong,andJ.P.Yao,“Arbitrary microwave waveform generation based on a tunableoptoelectronic oscillator,”J.Lightw.Technol.,31(23),3780–3786,Dec.2013.),主要思想是利用两个不同的相位调制产生一对相干光波长,然后送入到光电探测器中进行光外差探测,通过控制两个波长的距离来改变产生信号的中心频率,改变相位调制器的驱动信号来改变产生的信号波。类似的,如图3所示基于一个振荡周期半导体激光器的可重构信号产生方法也被提出(P.Zhou,F.Z.Zhang,Q.S.Guo,S.M.Li,and S.L.Pan,"ReconfigurableRadar Waveform Generation based on an Optically Injected SemiconductorLaser,"Journal of Selected Topics in Quantum Electronics,23(6),1801109,2017.),依然是利用两个不同光波长进行外差探测,其可以实现中心频率可调的微波跳频、线性调频等信号的产生。然而前面这些方法仅仅只实现了单波段信号的可重构产生,目前鲜有多波段信号产生技术的报道。最近,虽然报道了一种基于偏分复用的双波段信号产生(Q.S.Guo,F.Z.Zhang,P.Zhou,and S.L.Pan,"Dual-band LFM signal generation byfrequency quadrupling and polarization multiplexing,"IEEE PhotonicsTechnology Letters,29(16),1320-1323,2017.),但所产生的波段数目受到偏振态的制约,无法进一步增加。
综上可知,目前尚无一种方案能实现多波段信号同时产生,并且保证所产生信号中心频率的大范围、精细可调节,带宽、时宽的快速可重构。这严重制约了一体化雷达、卫星等射频综合系统的多功能化、可重构化以及产品化,影响了系统的快速反应能力。以上问题亟待解决。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足,提供一种基于多频光本振的多波段可重构信号产生方法及装置,在实现信号带宽、时宽、中心频率灵活多变基础上,还能根据实际系统需要,对多个子波段进行任意组合,从而进一步扩展所产生信号的带宽以及时宽。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题:
基于多频光本振的多波段可重构信号产生方法,生成两路光本振信号,其中至少有一路是包含至少两个频率分量的多频光本振信号;以其中一路光本振信号作为光载波,将低频参考信号电光调制于其上,生成载波抑制单边带信号;将所述载波抑制单边带信号与另外一路光本振信号耦合混频,并将耦合混频信号中的每个频率分量作为独立的通道分割出来;对各通道信号分别进行光电转换和延时处理,从而产生不同时刻不同波段的多个射频子波段信号;对所述射频子波段信号进行拼接组合,得到带宽、时宽、中心频率任意可调的可重构信号。
根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案:
基于多频光本振的多波段可重构信号产生装置,包括:
多频光源模块,用于生成两路光本振信号,其中至少有一路是包含至少两个频率分量的多频光本振信号;
电光调制模块,用于以其中一路光本振信号作为光载波,将低频参考信号电光调制于其上,生成载波抑制单边带信号;
可编程光处理器,用于将所述载波抑制单边带信号与另外一路光本振信号耦合混频,并将耦合混频信号中的每个频率分量作为独立的通道分割出来;
光电转换和时延模块,用于对各通道信号分别进行光电转换和延时处理,从而产生不同时刻不同波段的多个射频子波段信号;
可编程电耦合器,用于对所述射频子波段信号进行拼接组合,得到带宽、时宽、中心频率任意可调的可重构信号。
优选地,所述光电转换和时延模块包括光电探测器阵列,以及设置于光电探测器阵列之前的光延时模块或者设置于光电探测器阵列之后的电延时模块。
优选地,所述多频光源模块由一组锁模激光器和/或一组单频激光器组合构成。
优选地,所述多频光源模块所生成的两路光本振信号均为多频光本振信号。
进一步优选地,所述多频光源模块所生成的两路多频光本振信号中至少有一路是光频梳信号。
优选地,所述光频梳信号通过电光调制方式实现。
进一步优选地,所述多频光源模块包括:
激光器,用于产生一个单频光信号;
光分束器,用于将所述单频光信号分为两路;
第一电光调制器,用于将一个频率为f1的单频信号调制于其中一路单频光信号上,以产生频率间隔为f1的光频梳;
移频器,用于将另一路光信号移频;
第二电光调制器,用于将一个频率为f2的单频信号调制于移频后的单频光信号上,以产生频率间隔为f2的光频梳。
优选地,所述可编程光处理器为基于微环的可编程光处理器,或者为可编程光滤波器。
优选地,所述电光调制模块为双平行马赫曾德尔调制器,或者为电光调制器与光滤波器的组合。
相比现有技术,本发明技术方案具有以下有益效果:
1、本发明利用微波光子技术首次实现了多波段信号的同时产生,解决了信号灵活切换,系统快速反应的问题。
2、本发明通过多路子波段信号的任意延时拼接,可以产生时宽、带宽可重构的大时间带宽积信号产生,克服了现有产生信号难以同时实现大时间带宽积、以及中心频率大范围精细可控的局限性,使得所产生的信号能满足多功能雷达在不同应用下的需求。
附图说明
图1为基于空时映射的可重构信号产生装置结构原理示意图;
图2为基于两个相位调制的光外差法可重构信号产生装置结构原理图;
图3为基于一个振荡周期的半导体激光器可重构信号产生装置结构原理图;
图4为本发明多波段可重构信号产生装置的结构原理示意图
图5为本发明多波段可重构信号产生装置实施例一的结构示意图;
图6为本发明多波段可重构信号产生装置实施例二的结构示意图;
图7为本发明多波段可重构信号产生装置实施例三的结构示意图;
图8给出了实施例三情况下,输入带宽B=1GHz,时宽τ=1us,中心频率f0=3.5GHz微波线性调频信号以载波抑制单边带调制格式加载到第一电光调制器所产生的频率间隔f1=30GHz的光频梳一上的光谱图(实线所示),以及第二电光调制器产生的频率间隔f2=31GHz光频梳二的光谱图(虚线所示)。
图9给出了实施例三情况下,分割后的通道1经过光电探测后输出的带宽B=1GHz,时宽τ=1us,中心频率f0=12.5GHz的线性调频信号的频谱、波形以及时频曲线。
图10给出了实施例三情况下,分割后的通道2经过光电探测后输出的带宽B=1GHz,时宽τ=1us,中心频率f0=13.5GHz的线性调频信号的频谱、波形以及时频曲线。
图11给出了实施例三情况下,分割后的通道1和通道2加入200m光纤长度差后实现1us延时经过光电探测后被耦合到一起,输出的带宽B=2GHz,时宽τ=2us,中心频率f0=13GHz的线性调频信号的频谱、波形以及时频曲线。
具体实施方式
本发明基于多频光本振的多波段可重构信号产生装置,其基本结构原理如图1所示,包括:多频光源模块、电光调制模块、可编程光处理器、光电转换和时延模块、可编程电耦合器;其中,多频光源模块用于生成两路光本振信号,其中至少有一路是包含至少两个频率分量的多频光本振信号;电光调制模块用于以其中一路光本振信号作为光载波,将低频参考信号电光调制于其上,生成载波抑制单边带信号;可编程光处理器用于将所述载波抑制单边带信号与另外一路光本振信号耦合混频,并将耦合混频信号中的每个频率分量作为独立的通道分割出来;光电转换和时延模块用于对各通道信号分别进行光电转换和延时处理,从而产生不同时刻不同波段的多个射频子波段信号;可编程电耦合器用于对所述射频子波段信号进行拼接组合,得到带宽、时宽、中心频率任意可调的可重构信号。
为便于公众理解,首先对本发明的实现原理进行说明如下:
多频光源模块所产生的第一部分是频率分量分别为f11、f12…f1N的光本振一,第二部分是频率分量分别为f21、f22…f2N的光本振二。当f1i=0(i=2,3…N),表明光本振一产生的光源为单频光本振,否则为多频光本振;当f2i=0(i=2,3…N),表明光本振二产生的光源为单频光本振,否则为多频光本振。这里光本振一与光本振二中至少有一个为多频光本振。此时这两路光本振信号的光场可以表示为:
其中an,bn(n=1,2…N)为各个频率分量的幅度。
以输入参考信号为线性调频信号为例,当输入一个时宽为τ、带宽为B、中心频率为f0的线性调频信号,其通过电光调制的载波抑制单边带调制格式复制到光本振一的一侧,产生的光载调制信号的光场可表示为
其中cn(n=1,2…N)为各调制边带的幅度。其中±(f0-B/2+Bt/τ)中的“+”表示的是载波抑制的单边带调制留下的是正一阶边带,而“-”表示的是载波抑制的单边带调制留下的是负一阶边带。
将上式(1)、(2)中的E2(t)和Esig(t)分别注入到可编程光处理器中进行N通道的分割。分割后每个通道光场输出为:
这N路光信号分别经过T1、T2、···TN的时间延迟,并且光电转换后,输出的N路电信号为:
此时,N个不同波段、不同时刻的射频子波段信号被同时产生。第N个波段的射频子波段信号是时宽为τ、带宽为B、中心频率为(f1N-f2N)±f0的线性调频信号。由此就实现一个低频参考信号到多个不同载频信号的变换,这N个载频信号被当做子波段,随后通过可编程电耦合器耦合在一起。其输出可为:
其中可编程电耦合器通过控制每一路的通断,即cnbn是否为零,来实现多个子波段的任意组合,来得到带宽、时宽更大的多组捷变频信号。另外,所产生信号的形式可以通过输入的参考信号来改变,例如线性调频信号、相位编码信号等;所产生信号的中心频率,带宽、时宽等参数可以通过N、f0、B、τ等参数来实现大范围精细调节。
上述分析表明,该多波段可重构信号产生装置不仅具有同时产生多波段信号的能力,更具有大时间带宽积的信号产生能力,而且还具有中心频率、时宽、带宽大范围精细调节的优点。
上述装置的具体构建形式多种多样,例如,所述多频光源模块既可由一组锁模激光器和/或一组单频激光器组合构成,也可利用两个光频梳生成装置来实现,或者利用一个光频梳生成装置与锁模激光器或单频激光器来实现。所述电光调制模块可利用双平行马赫曾德尔调制器或者电光调制器加光滤波器等方式实现。所述可编程光处理器可采用基于微环的可编程光处理器或者可编程光滤波器。所述光电转换和时延模块可以由光电探测器阵列与设置于光电探测器阵列之前的光延时模块组成,或者由光电探测器阵列与设置于光电探测器阵列之后的电延时模块组成。
为了公众更好的理解,下面以三个具体实施例来进一步说明本发明的技术方案。
实施例一:
如图5所示,本实施例中的装置包括:激光源一、激光源二…激光源N+1,电光调制器,光滤波器,基于微环的可编程光处理器、光电探测器阵列、多通道电延时器、可编程电耦合器。
首先激光源一产生一个频率为fc的光载波,作为单频光源去调制参考信号。激光源二至N+1产生的多频光源频率分别为:f1、f2…fN,其被当做多频光本振。那么这两部分光源所产生的光场可以表示为:
其中a1,bn(n=1,2…N)为各个频率分量的幅度。
当激光源一输出的光载波通过电光调制器去调制一个时宽为τ、带宽为B、中心频率为f0的线性调频参考信号(仅以线性调频信号为例),然后通过光滤波器滤除光载波和其中一个光边带,只留下另外一个边带。不妨设所留下的边带为正一阶边带,此时,光滤波器输出的光场可表示为:
将上式(6)、(7)中的E2(t)和Esig(t)分别注入到基于微环的可编程光处理器中进行N通道的分割。分割后每个通道光场输出为:
当这N路光信号分别经过电光转换后,然后经由多通道电耦合器对每路电信号进行T1、T2、···TN的时间延迟,可以得到输出的N路电信号为:
此时,N个不同中心频率、不同时刻的电信号被同时产生。第N个波段的信号是时宽为τ、带宽为B、中心频率为(fc-fN)-f0的线性调频信号。由此就实现一个低频参考信号到多个不同载频信号的变换,当N个载频信号被当做子波段,随后通过可编程电耦合器耦合在一起。其输出为:
同样,通过可编程电耦合器控制每一路的通断,即c1bn是否为零,来实现多个子波段的任意组合,即可得到带宽、时宽更大的多组捷变频信号。
实施例二:
如图6所示,本实施例中的装置包括:锁模激光器、激光器,双平行马赫曾德尔调制器,可编程光滤波器、光开关型延时器、光电探测阵列、可编程电耦合器。
首先锁模激光器产生一个初始频率为fc1,频率间隔为f1的光频梳,作为多频光本振。激光器产生一个频率fc2的单频光本振。这两部分光源所产生的光场可以表示为:
其中an,b1(n=1,2…N)为各个频率分量的幅度。
然后将一个参考信号通过双平行马赫曾德尔调制器的载波抑制单边带调制至光频梳的一侧。以参考信号为线性调频信号为例,当输入一个时宽为τ、带宽为B、中心频率为f0的线性调频参考信号后,载波抑制的单边带调制信号的光场可表示为(以留下的边带为正边带为例):
其中cn(n=1,2…N)为光频梳调制信号的幅度。将上式(11)、(12)中的E2(t)和Esig(t)分别注入到可编程光滤波器中进行多通道的分割。分割后每个通道光场输出为:
每个通道经过光开关型延时器对每个通道的光信号,进行T1、T2、···TN的时间延迟,可以得到输出的这N路信号的光场变为:
当这N路光信号分别经过电光转换后,可以得到输出的N路电信号为:
由此,便产生了N个不同中心频率、不同时刻的电信号。当这N个载频信号被当做子波段,随后通过可编程电耦合器耦合在一起。输出的组合信号可表示为
当通过可编程电耦合器控制每一路的通断,即cnb1是否为零,来实现多个子波段的任意组合,即可得到带宽、时宽更大的多组捷变频信号。
实施例三:
如图7所示,本实施例中的装置包括:激光源、分束器、第一电光调制器、移频器、第二电光调制器、双平行马赫曾德尔调制器、可编程光滤波器、基于单模光纤的光可调延时器、光电探测阵列以及可编程电耦合器。
首先激光源产生一个频率为fc的光载波,通过光分束器分为上下两部分。上部分通过第一电光调制器调制一个频率为f1的单频信号,以产生频率间隔为f1的光频梳一,作为多频光载波;下部分首先通过一个移频器将光载波频率移频fs,不妨设移频方向为正方向,即光载波fc移频后的频率为fc+fs,然后这个移频后的频率通过第二电光调制器去调制一个频率为f2的单频信号,以产生频率间隔为f2的光频梳二,作为多频光本振。所产生的这两个多频光源(光频梳)的光场表达式为:
其中an,bn(n=-N,-(N-1)…N)为各个频率分量的幅度。
以输入参考信号为线性调频信号为例(这里仅以线性调频信号为例,输入不限于线性调频信号),当输入一个时宽为τ、带宽为B、中心频率为f0的线性调频信号,其通过双平行马赫曾德尔的载波抑制单边带调制格式复制到光频梳一的一侧,不妨设该侧部分为光频梳的负边带部分,产生的光载调制信号的光场可表示为
其中cn(n=-N,-(N-1)…N)为光频梳调制信号的幅度。将上式(17)、(18)中的E2(t)和Esig(t)分别注入到可编程光滤波器中进行多通道的分割。分割后每个通道光场输出为:
每个通道经过不同长度的单模光纤,以实现T-N、T-(N-1)、···TN的时间延迟,可以得到输出的这2N+1路信号的光场变为:
当这2N+1路光信号分别经过电光转换后,可以得到输出的2N+1路电信号为:
此时,利用2N+1个的多频光本振,便产生了2N+1路多波段信号,且每个信号的中心频率以及出现时刻均不相同,且可以任意调节。同样利用可编程电耦合器控制每一路的断通,就可以实现一个多路的任意组合,组合后的输出可以表示为:
由此便可得到带宽、时宽更大的多组捷变频信号。特别地,若|f1-f2|=B,且T-N、T-(N-1)、···TN以时间间隔τ等差排列,那么出来的组合信号为一个时宽为(2N+1)τ,带宽(2N+1)B的大时间带宽积线性调频信号;若|f1-f2|=B,T-N、T-(N-1)、···TN以大于时间间隔τ等差排列,那么出来的组合信号为一个子脉冲带宽为B,数目为2N+1的线性调频步进频信号。
图8给出了激光器输出一个频率为fc=193.4THz(1550.1nm),功率为17dBm的光载波时,上路通过第一电光调制器调制一个频率为f1=30GHz,功率为25dBm的单频微波信号产生梳齿间隔为30GHz的光频梳一,然后通过双平行马赫增德尔调制器将输入的带宽B=1GHz,时宽τ=1us,中心频率f0=3.5GHz的微波线性调频参考信号复制到光频梳一左侧的光谱图(图中实线所示);以及下路通过移频fs=16GHz后,经由第二电光调制器产生一个梳齿间隔为31GHz(f2=31GHz)的光频梳二的光谱图(图中虚线所示)。
图9给出了图8中所标识的通道一在未经延时处理情况下,所输出的信号的频谱、波形以及时频曲线(从左到右)。可以看到一个频率范围为12-13GHz,时宽为1us的线性调频信号成功产生。
图10给出了图8中所标识的通道二在未经延时处理情况下,所输出的信号的频谱、波形以及时频曲线(从左到右)。可以看到一个频率范围为13-14GHz,时宽为1us的线性调频信号成功产生。
图11给出了图10的通道二结果经过200米单模光纤(等效延时1us)后与图9中的通道一结果拼接在一起的组合信号,所输出的频谱、波形以及时频曲线(从左到右)。可以看到一个频率范围为12-14GHz,时宽为2us的线性调频信号成功产生。上述结果表明通过两个子通道的延时拼接,可以实现一个带宽2倍、时宽2倍更大的时间带宽积信号产生。
综上,本发明提供的多波段可重构信号产生装置,能同时实现多波段信号产生,并且通过多波段信号的任意组合,来实现带宽、时宽均可重构的大时间带宽积信号。并且所产生信号的中心频率大范围精细可调节。本发明技术方案对于雷达、卫星等多功能一体化综合射频系统的灵活切换、快速反应具有重要意义。
Claims (10)
1.基于多频光本振的多波段可重构信号产生方法,其特征在于,生成两路光本振信号,其中至少有一路是包含至少两个频率分量的多频光本振信号;以其中一路光本振信号作为光载波,将低频参考信号电光调制于其上,生成载波抑制单边带信号;将所述载波抑制单边带信号与另外一路光本振信号耦合混频,并将耦合混频信号中的每个频率分量作为独立的通道分割出来;对各通道信号分别进行光电转换和延时处理,从而产生不同时刻不同波段的多个射频子波段信号;对所述射频子波段信号进行拼接组合,得到带宽、时宽、中心频率任意可调的可重构信号。
2.基于多频光本振的多波段可重构信号产生装置,其特征在于,包括:
多频光源模块,用于生成两路光本振信号,其中至少有一路是包含至少两个频率分量的多频光本振信号;
电光调制模块,用于以其中一路光本振信号作为光载波,将低频参考信号电光调制于其上,生成载波抑制单边带信号;
可编程光处理器,用于将所述载波抑制单边带信号与另外一路光本振信号耦合混频,并将耦合混频信号中的每个频率分量作为独立的通道分割出来;
光电转换和时延模块,用于对各通道信号分别进行光电转换和延时处理,从而产生不同时刻不同波段的多个射频子波段信号;
可编程电耦合器,用于对所述射频子波段信号进行拼接组合,得到带宽、时宽、中心频率任意可调的可重构信号。
3.如权利要求2所述装置,其特征在于,所述光电转换和时延模块包括光电探测器阵列,以及设置于光电探测器阵列之前的光延时模块或者设置于光电探测器阵列之后的电延时模块。
4.如权利要求2所述装置,其特征在于,所述多频光源模块由一组锁模激光器和/或一组单频激光器组合构成。
5.如权利要求2所述装置,其特征在于,所述多频光源模块所生成的两路光本振信号均为多频光本振信号。
6.如权利要求5所述装置,其特征在于,所述多频光源模块所生成的两路多频光本振信号中至少有一路是光频梳信号。
7.如权利要求6所述装置,其特征在于,所述光频梳信号通过电光调制方式实现。
8.如权利要求7所述装置,其特征在于,所述多频光源模块包括:
激光器,用于产生一个单频光信号;
光分束器,用于将所述单频光信号分为两路;
第一电光调制器,用于将一个频率为f 1的单频信号调制于其中一路单频光信号上,以产生频率间隔为f 1的光频梳;
移频器,用于将另一路光信号移频;
第二电光调制器,用于将一个频率为f 2的单频信号调制于移频后的单频光信号上,以产生频率间隔为f 2的光频梳。
9.如权利要求2所述装置,其特征在于,所述可编程光处理器为基于微环的可编程光处理器,或者为可编程光滤波器。
10.如权利要求2所述装置,其特征在于,所述电光调制模块为双平行马赫曾德尔调制器,或者为电光调制器与光滤波器的组合。
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