CN108918967B - 基于微波光子倍频与混频的频谱实时监测方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于微波光子倍频与混频的频谱实时监测方法。将待测微波信号和本振线性调频信号电光调制于同一光载波上，生成仅保留同一侧的本振线性调频信号n阶边带和待测微波信号一阶边带的调制光信号，n为正整数；对所述调制光信号进行光电探测，然后利用一窄通带中频带通滤波器对所得电信号进行滤波，并提取滤波后信号的包络；根据所述滤波后信号的包络进行时频对应，得到待测微波信号的频谱。本发明还公开了一种基于微波光子倍频与混频的频谱实时监测装置。相比现有技术，本发明的工作频率更高，带宽更大，扫描速度更快。

Description

基于微波光子倍频与混频的频谱实时监测方法及装置
技术领域
本发明涉及一种频谱监测方法，尤其涉及一种基于微波光子技术的频谱监测方法。
背景技术
频谱监测主要用于无线通信资源的管理。随着无线通信技术的快速发展，频谱监测技术也需要相应地进步。
当下，人们对通信速率的需求越来越高，而现有的频谱资源已经相当拥挤。为此，5G通信系统将采用更高的频率，更大的工作带宽。因此，未来的无线频谱监测系统也应具有实时监测高频、大带宽微波信号的能力。基于电器件实现的频谱监测技术主要有两种：一种是扫描调谐超外差技术，这种技术的工作频率和带宽受限于电混频器，而且具有扫描速度慢的缺点；另一种是基于快速傅里叶变换(FFT)的技术，这种技术具有测量速度快的优势，但是它的工作频率和带宽受限于模数转换器。
相比于电的频谱监测技术，微波光子频谱监测技术具有大带宽和免电磁干扰等优势。现有的微波光子频谱监测技术可以分为三大类。一是功率监测法，它是将微波信号的频率映射为功率，根据功率得到信号的频率，但是这种方法仅能测量单频微波信号，且所能测量的频率范围有限；二是光信道化法，这种方法能够提供大的工作带宽，但它的分辨率低；三是时域光信号处理法，包括时域拉伸法，压缩感知法、和全光FFT法。时域拉伸法的优点便于用低速ADC采集信号，但是会恶化时宽带宽积，不会提升分辨率；压缩感知法能够进一步降低所需的采样速率，但是它不能够用来观测高速啁啾的频率分量，复杂的重建算法也会限制其应用；全光FFT法借助色散光纤实现频时映射，观测带宽受限于光电转换器件和实时示波器，分辨率受限于光脉冲的脉宽和光纤色散系数。
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，提供一种基于微波光子倍频与混频的频谱实时监测方法，其工作频率更高，带宽更大，扫描速度更快。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
基于微波光子倍频与混频的频谱实时监测方法，将待测微波信号和本振线性调频信号电光调制于同一光载波上，生成仅保留同一侧的本振线性调频信号n阶边带和待测微波信号一阶边带的调制光信号，n为正整数；对所述调制光信号进行光电探测，然后利用一窄通带中频带通滤波器对所得电信号进行滤波，并提取滤波后信号的包络；根据所述滤波后信号的包络进行时频对应，得到待测微波信号的频谱。
优选地，使用马赫曾德尔调制器级联光带通滤波器的方式将待测微波信号和本振线性调频信号电光调制于同一光载波上，生成所述仅保留同一侧的本振线性调频信号n阶边带和待测微波信号一阶边带的调制光信号。
优选地，所述时频对应的公式具体如下：
其中，t为时间，t1、t2分别为所述本振线性调频信号的起始频率f1和终止频率f2的对应时刻，fI为所述窄通带中频带通滤波器的通带中心频率，fR为待测微波信号中的频率分量。
优选地，n的取值为3。
根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案：
基于微波光子倍频与混频的频谱实时监测装置，包括：
微波光子倍频单元，用于将待测微波信号和本振线性调频信号电光调制于同一光载波上，生成仅保留同一侧的本振线性调频信号n阶边带和待测微波信号一阶边带的调制光信号，n为正整数；
光电探测器，用于对所述调制光信号进行光电探测；
窄通带中频带通滤波器，用于对光电探测器输出电信号进行滤波；
检波单元，用于提取滤波后信号的包络；
信号采集与处理单元，用于根据所述滤波后信号的包络进行时频对应，得到待测微波信号的频谱。
所述微波光子倍频单元使用马赫曾德尔调制器级联光带通滤波器的方式将待测微波信号和本振线性调频信号电光调制于同一光载波上，生成所述仅保留同一侧的本振线性调频信号n阶边带和待测微波信号一阶边带的调制光信号。
优选地，所述时频对应的公式具体如下：
其中，t为时间，t1、t2分别为所述本振线性调频信号的起始频率f1和终止频率f2的对应时刻，fI为所述窄通带中频带通滤波器的通带中心频率，fR为待测微波信号中的频率分量。
优选地，n的取值为3。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
本发明在光域将本振线性调频信号n倍频，将扫描带宽的起始频率和宽度均扩大为原来的n倍，单位带宽内的扫描速度也扩大了n倍，提高了频谱监测的频率、工作带宽和扫描速度；本发明在光域实现混频，突破了电混频器对带宽和频率的限制，从另一方面有效提高了频谱监测的频率和工作带宽。
附图说明
图1为本发明频谱实时监测装置的结构框图；
图2为本发明频谱实时监测装置的一个优选实施例的结构及原理示意图。
具体实施方式
针对现有微波频谱监测技术的不足，本发明的基本思路是：利用微波光子倍频，提高本振扫描起止频率、扫描带宽、单位带宽扫描速度；利用微波光子混频，突破电混频器对频谱监测系统工作频率和带宽的限制；结合微波光子倍频与混频，实现高频、大带宽、实时的频谱监测。
具体而言，本发明基于微波光子倍频与混频的频谱实时监测方法，将待测微波信号和本振线性调频信号电光调制于同一光载波上，生成仅保留同一侧的本振线性调频信号n阶边带和待测微波信号一阶边带的调制光信号，n为正整数；对所述调制光信号进行光电探测，然后利用一窄通带中频带通滤波器对所得电信号进行滤波，并提取滤波后信号的包络；根据所述滤波后信号的包络进行时频对应，得到待测微波信号的频谱。
图1显示了本发明频谱实时监测装置的结构框图。如图1所示，该装置包括微波光子倍频单元、光电探测器、窄通带中频带通滤波器、检波单元、信号采集与处理单元。其中，微波光子倍频单元用于将待测微波信号和本振线性调频信号通过电光调制器调制于激光器输出的同一光载波上，并利用光带通滤波器抑制其中某些不需要的边带，以生成仅保留同一侧的本振线性调频信号n阶边带和待测微波信号一阶边带的调制光信号，n为正整数；光电探测器对所述调制光信号进行光电探测；窄通带中频带通滤波器对光电探测器输出电信号进行滤波；检波单元用于提取滤波后信号的包络；信号采集与处理单元根据所述滤波后信号的包络进行时频对应，得到待测微波信号的频谱。
为了便于公众理解，下面以一个优选实施例来对本发明技术方案进行进一步详细说明：
如图2所示，本实施例的频谱实时监测装置包括：激光器、马赫曾德尔调制器、线性调频信号发生器、光带通滤波器、光电探测器、带通滤波器、检波器、低通滤波器、模数转换器和个人计算机。激光器输出端连接马赫曾德尔调制器的光波输入端；马赫曾德尔调制器之后，光带通滤波器、光电探测器、带通滤波器、检波器、低通滤波器、模数转换器和个人计算机依次级联。
如图2所示，线性调频信号发生器所输出本振线性调频信号的频率随时间线性变化，其变化范围为[f1,f2]，其中，f1为其起始频率，对应时刻t1，f2为其终止频率，对应时刻t2。假设某时刻t(t1≤t≤t2)时的频率为ft，则
将频谱范围为[fR1,fR2]的待测微波信号和本振线性调频信号共同输入到马赫曾德尔调制器的射频输入端，马赫曾德尔调制器的光输入端输入的是频率为fc的连续光载波信号。则马赫曾德尔调制器的输出光谱包含待测信号和本振线性调频信号的多个边带，第+1阶待测信号边带频率范围为[fc+fR1,fc+fR2]，第+n阶本振线性调频信号边带频率范围为[fc+nf1,fc+nf2]。从本振线性调频信号边带频率范围可以看出，随着n的增大，其扫描频率范围(n(f2-f1))会扩大n倍，另外，单位带宽的扫描速度也会扩大n倍。但是n的增大也会使得+n阶本振线性调频信号边带频率范围与+(n+1)阶本振线性调频信号边带频率范围发生混叠的可能性增大。不发生混叠的条件为
上式表明扫描频率范围的最大值不超过f1。在本实施例中，我们选取n＝3，并适当选择本振线性调频信号的起始频率f1和终止频率f2，使其满足式(2)。一旦n选定，该频谱监测系统的工作带宽也确定了，即[fI+nf1,fI+nf2]，其中fI为中频滤波器的中心频率。因此，待测信号的频谱范围需要处在该范围内。
为了更好地选取本振线性调频信号的+3阶边带，并且最大限度的抑制其它边带，可以从两个方面着手：
一是调节马赫曾德尔调制器的直流偏置，使其工作在最小偏置点，抑制偶数阶边带。需要注意的是，偶数边带的抑制，减小了本振线性调频信号边带间发生混叠的可能性，这在一定程度上增加了扫描频率范围。此时，不发生混叠的条件为
上式表明扫描频率范围的最大值不超过2f1，将扫描频率的最大范围扩展为原来的两倍。
二是调节马赫曾德尔调制器后面的光带通滤波器，使其同时包含本振线性调频信号的+3阶边带和待测信号的+1阶边带。
接着，将光带通滤波器输出的本振线性调频信号的+3阶边带和待测微波信号的+1阶边带同时输入到光电探测器进行平方率检波，光电探测器的输出包含本振线性调频信号的+3阶边带的平方项、待测信号的+1阶边带的平方项、以及两者的相乘项。其中，两者的相乘等效于对本振线性调频信号的+3阶边带和待测信号的+1阶边带进行混频。该混频信号的频率等于待测微波信号的频率减去线性调频信号的三倍频信号的频率。由于线性调频信号的三倍频信号的频率是线性时变的，所以混频信号的频率也是线性时变的。假设fR为待测信号的某一频率分量，在时刻t,混频后该频率为：
借助光电探测器进行混频后，一窄通带的中频滤波器用来选择特定频率的混频信号，该特定频率即为中频滤波器的中心频率fI。所以，在时刻t,只有满足“fIt＝fI”条件的信号才能通过中频滤波器，即
如式(5)所示，经过中频滤波器，就能够建立待测信号频率fR与时间t的一一对应关系。
接着，为了得到每个频率分量的功率，只需要得到每个时刻的信号功率。为此，使用检波器检测出滤波后中频信号的包络，即为每个时刻的信号功率，本实施例中还进一步用低通滤波器滤除高频噪声以获得更好的监测结果；最后，将低通滤波器输出的模拟信号通过模数转换器转变为数字信号，输入到个人计算机按(5)式进行时频对应即可得到待测微波信号频谱。

Claims (6)

1.基于微波光子倍频与混频的频谱实时监测方法，其特征在于，将待测微波信号和本振线性调频信号电光调制于同一光载波上，生成仅保留同一侧的本振线性调频信号n阶边带和待测微波信号一阶边带的调制光信号，n为正整数；对所述调制光信号进行光电探测，然后利用一窄通带中频带通滤波器对所得电信号进行滤波，并提取滤波后信号的包络；根据所述滤波后信号的包络进行时频对应，得到待测微波信号的频谱，所述时频对应的公式具体如下：
其中，t为时间，t1、t2分别为所述本振线性调频信号的起始频率f1和终止频率f2的对应时刻，fI为所述窄通带中频带通滤波器的通带中心频率，fR为待测微波信号中的频率分量。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，使用马赫曾德尔调制器级联光带通滤波器的方式将待测微波信号和本振线性调频信号电光调制于同一光载波上，生成所述仅保留同一侧的本振线性调频信号n阶边带和待测微波信号一阶边带的调制光信号。
3.如权利要求1所述方法，其特征在于，n的取值为3。
4.基于微波光子倍频与混频的频谱实时监测装置，其特征在于，包括：
微波光子倍频单元，用于将待测微波信号和本振线性调频信号电光调制于同一光载波上，生成仅保留同一侧的本振线性调频信号n阶边带和待测微波信号一阶边带的调制光信号，n为正整数；
光电探测器，用于对所述调制光信号进行光电探测；
窄通带中频带通滤波器，用于对光电探测器输出电信号进行滤波；
检波单元，用于提取滤波后信号的包络；
信号采集与处理单元，用于根据所述滤波后信号的包络进行时频对应，得到待测微波信号的频谱，所述时频对应的公式具体如下：
其中，t为时间，t1、t2分别为所述本振线性调频信号的起始频率f1和终止频率f2的对应时刻，fI为所述窄通带中频带通滤波器的通带中心频率，fR为待测微波信号中的频率分量。
5.如权利要求4所述装置，其特征在于，所述微波光子倍频单元使用马赫曾德尔调制器级联光带通滤波器的方式将待测微波信号和本振线性调频信号电光调制于同一光载波上，生成所述仅保留同一侧的本振线性调频信号n阶边带和待测微波信号一阶边带的调制光信号。
6.如权利要求4所述装置，其特征在于，n的取值为3。
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