CN108957123B - 基于频率—相位斜率映射的微波频率测量方法及装置 - Google Patents

基于频率—相位斜率映射的微波频率测量方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于频率—相位斜率映射的微波频率测量方法，将待测微波信号分为两路并在这两路微波信号间引入匀速变化的延时差；然后测出引入延时差后的两路微波信号间的相位差随时间变化的斜率；最后根据所述斜率与待测微波信号频率之间的单调线性映射关系，得到待测微波信号频率。本发明还公开了一种基于频率—相位斜率映射的微波频率测量装置。相比现有技术，本发明可有效避免频率测量中的模糊问题，提高频率测量精度，同时系统结构简单，实现成本低廉。

Description

基于频率—相位斜率映射的微波频率测量方法及装置
技术领域
本发明涉及一种微波频率测量方法、装置。
背景技术
频率是微波信号的重要参数，对微波频率的测量是现代电子系统至关重要的组成部分，如雷达、通信与电子战系统。随着电子系统的发展，它们的带宽越来越大，对频率测量系统所能测量的频率范围也提出了越来越高的要求。然而，传统的基于电器件实现的测频系统由于受电器件带宽的限制，已经无法满足电子应用系统对测频带宽的需求。
随着现代微波光子技术的发展，研究人员提出许多基于微波光子技术实现的微波测频系统，它们借助微波光子技术的的大带宽、低损耗和抗电磁干扰等优势，实现对较宽频率范围的微波信号的精确频率测量。根据原理的不同，这些微波光子测频系统可以分为三类：频率-时间映射，频率-空间映射，频率-功率映射。频率-时间映射是借助色散模块将不同的频率映射为不同的时延差，然而该方法可测的最低频率和灵敏度受限于光开关的速度和实时示波器的采样率【L.V.T.Nguyen,“Microwave photonic technique for frequencymeasurement of simultaneous signals,”IEEE Photon.Technol.Lett.,vol.21,no.10,pp.642–644,May 2009.】；频率-空间映射又称信道化，它一般采用上变频-分束的结构，即先将微波调制到光载波上，然后借助光信道化将已调制信号分为多个含有光滤波效应的支路，最终根据每个支路的光谱就可推断出微波信号所包含的频率分量。然而，该方案的频率分辨率受限于光信道的宽度，一般较差。另外，如果想到达到较大的频率测量范围，需要较多的光电探测器，增加了系统的成本与复杂度【X.Zou,W.Li,W.Pan,L.Yan,and J.Yao,“Photonic-assisted microwave channelizer with improved channelcharacteristics based on spectrum controlled stimulated Brillouinscattering,”IEEE Trans.Microw.Theory Techn.,vol.61,no.9,pp.3470–3478,Sep.2013.】；频率-功率方案有多种实现方式，有基于色散引入的衰落效应的，该类方案最终转化的功率为微波功率；有基于光滤波器和微波光子滤波器的，该类方案最终转化的功率可以是光功率，也可以是微波功率；还有基于非线性混频效应的，它们将频率映射为直流电压。无论上面哪种方式，都存在映射函数非单调引入的模糊问题，限制测量频率范围【S.L.Pan and J.P.Yao,“Photonics-based broadband microwave measurement,”J.Light.Technol.,vol.35,no.16,pp.3498-3513,Aug.2016.】。
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，提供一种基于频率—相位斜率映射的微波频率测量方法，可有效避免频率测量中的模糊问题，提高频率测量精度，同时系统结构简单，实现成本低廉。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
基于频率—相位斜率映射的微波频率测量方法，将待测微波信号分为两路并在这两路微波信号间引入匀速变化的延时差；然后测出引入延时差后的两路微波信号间的相位差随时间变化的斜率；最后根据所述斜率与待测微波信号频率之间的单调线性映射关系，得到待测微波信号频率。
为了尽可能简化系统结构，优选地，所述在这两路微波信号间引入匀速变化的延时差，以及所述测出引入延时差后的两路微波信号间的相位差随时间变化的斜率，均在微波域实现。
进一步优选地，使用以下方法测出引入延时差后的两路微波信号间的相位差随时间变化的斜率：通过对引入延时差后的两路微波信号进行微波域I/Q解调的方式，获得这两路微波信号间的相位差，进而获得这两路微波信号间的相位差随时间变化的斜率。
为了进一步拓展测量带宽并避免电磁干扰影响，优选地，所述在这两路微波信号间引入匀速变化的延时差，以及所述测出引入延时差后的两路微波信号间的相位差随时间变化的斜率，均通过微波光子方法在光域实现。
进一步优选地，所述在这两路微波信号间引入匀速变化的延时差，具体通过以下微波光子方法在光域实现：将一连续光载波信号分为两路；对于其中一路光载波信号，先为其引入匀速变化的延时，再将其中一路所述微波信号电光调制到该延时后的光载波信号上，得到先延时后调制的第一调制光信号；对于另一路光载波信号，先将另一路所述微波信号电光调制到该光载波信号上，再为调制后的调制光信号引入与另一路相同的匀速变化的延时，得到先调制后延时的第二调制光信号；
所述测出引入延时差后的两路微波信号间的相位差随时间变化的斜率，具体通过以下微波光子方法在光域实现：分别从第一调制光信号和第二调制光信号中取出同一侧的1阶边带信号；然后将这两路1阶边带信号输入光90°耦合器，并对光90°耦合器的输出信号进行平衡光电探测，得到I/Q中频信号；对所述I/Q中频信号进行信号处理，得到引入延时差后的两路微波信号间的相位差随时间变化的斜率。
根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案：
基于频率—相位斜率映射的微波频率测量装置，包括：
可调延时模块，用于将待测微波信号分为两路并在这两路微波信号间引入匀速变化的延时差；
相位差斜率测量模块，用于测出引入延时差后的两路微波信号间的相位差随时间变化的斜率；
数据采集与处理模块，用于根据所述斜率与待测微波信号频率之间的单调线性映射关系，得到待测微波信号频率。
为了尽可能简化系统结构，优选地，所述可调延时模块和相位差斜率测量模块均在微波域实现。
进一步优选地，所述相位差斜率测量模块通过对引入延时差后的两路微波信号进行微波域I/Q解调的方式，获得这两路微波信号间的相位差，进而获得这两路微波信号间的相位差随时间变化的斜率。
为了进一步拓展测量带宽并避免电磁干扰影响，优选地，所述可调延时模块和相位差斜率测量模块均通过微波光子方法在光域实现。
进一步优选地，所述可调延时模块具体通过以下微波光子方法在光域实现在这两路微波信号间引入匀速变化的延时差：将一连续光载波信号分为两路；对于其中一路光载波信号，先为其引入匀速变化的延时，再将其中一路所述微波信号电光调制到该延时后的光载波信号上，得到先延时后调制的第一调制光信号；对于另一路光载波信号，先将另一路所述微波信号电光调制到该光载波信号上，再为调制后的调制光信号引入与另一路相同的匀速变化的延时，得到先调制后延时的第二调制光信号；
所述相位差斜率测量模块具体通过以下微波光子方法在光域实现测出引入延时差后的两路微波信号间的相位差随时间变化的斜率：分别从第一调制光信号和第二调制光信号中取出同一侧的1阶边带信号；然后将这两路1阶边带信号输入光90°耦合器，并对光90°耦合器的输出信号进行平衡光电探测，得到I/Q中频信号；对所述I/Q中频信号进行信号处理，得到引入延时差后的两路微波信号间的相位差随时间变化的斜率。
相比现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明提出了一种全新的基于频率到相位斜率映射的微波频率测量方法，在该方法中，频率到相位差斜率的映射是单调线性映射，有效避免了频率测量中的模糊问题，可大幅提高测量精度，有效增加可测频率范围，同时系统结构简单，实现成本低；
本发明进一步提出利用微波光子技术实现匀速变化延时差引入及相位差测量，具有频率测量带宽大，抗电磁干扰，动态范围大，可调节性强等优点。
附图说明
图1为本发明微波频率测量装置在微波域实现的一个具体实施例的结构原理示意图；
图2为本发明微波频率测量装置在光域实现的一个具体实施例的结构原理示意图；
图3为不同频率待测信号输入时，使用本发明频率测量装置得到的频率测量结果；
图4为不同频率待测信号输入时，使用本发明频率测量装置得到的频率测量结果误差。
具体实施方式
为了解决现有微波频率测量技术无法兼顾测量准确性和系统结构复杂度的问题，本发明的基本思路是：将待测频率映射为相位差斜率，频率到相位差斜率的映射是单调线性映射，可以有效解决测量模糊的问题，从而大幅提高测量准确性，同时系统结构简单，实现成本低。
本发明基于频率—相位斜率映射的微波频率测量方法具体如下：将待测微波信号分为两路并在这两路微波信号间引入匀速变化的延时差；然后测出引入延时差后的两路微波信号间的相位差随时间变化的斜率；最后根据所述斜率与待测微波信号频率之间的单调线性映射关系，得到待测微波信号频率。
本发明基于频率—相位斜率映射的微波频率测量装置，包括：
可调延时模块，用于将待测微波信号分为两路并在这两路微波信号间引入匀速变化的延时差；
相位差斜率测量模块，用于测出引入延时差后的两路微波信号间的相位差随时间变化的斜率；
数据采集与处理模块，用于根据所述斜率与待测微波信号频率之间的单调线性映射关系，得到待测微波信号频率。
本发明技术方案中的可调延时模块和相位差斜率测量模块既可利用传统的微波技术在微波域实现，也可以基于微波光子技术在光域实现；下面对这两类实现方式分别用一个具体实施例来进行进一步详细说明。
图1显示了本发明第一个实施例的基本结构，该实施例中的可调延时模块和相位差斜率测量模块均在微波域实现。如图1所示，该频率测量装置包括：第一功分器、可调延时线、第一混频器、第二混频器、90°耦合器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、ADC、计算机。第一功分器将待测微波信号分为两路，一路发送至可调延时线，另一路发送至90°耦合器，分为相互正交的两路，分别进入第一混频器和第二混频器的本振输入端口；通过可调延时线对所接收到的待测微波信号引入匀速变化的延时，并将延时后的信号送入第二功分器，第二功分器的输出分为两路，分别进入第一混频器和第二混频器的射频输入端口；第一混频器和第二混频器的中频输出分别经过第一低通滤波器和第二低通滤波器做低通滤波；第一低通滤波器和第二低通滤波器进行低通滤波后输出的电压信号通过ADC进行模数转换并输入计算机做数字信号处理，通过计算获得待测信号的频率。
设待测微波信号为
vs(t)＝V0cos(2πfst) (1)
其中，V0和fs分别为待测信号的幅度和频率。该信号经第一功分器分为两路，其中一路经可调光延时线引入匀速变化的延时，延时后的信号为
其中，v为可调延时线所引入延时的变化速度。第一功分器输出的另一路信号为
两路信号输入到由第二功分器、第一混频器、第二混频器、90°耦合器、第一低通滤波器、第二低通滤波器组成的I/Q解调单元，进行微波域的I/Q解调。I/Q解调单元输出的两路中频信号可以表示为：
该中频信号经ADC转换为数字信号后，送入计算机做数字信号处理，具体如下：
其中，为两路微波信号间相位差相对于时间t的斜率。从式(5)可以看出，待测微波信号的频率fs被单调映射为相位差相对于时间t的斜率，没有频率测量模糊的问题。
本实施例中采用微波域I/Q解调的方式，获得这两路微波信号间的相位差，进而获得这两路微波信号间的相位差随时间变化的斜率。其优点是结构简单，不需要移相器使鉴相器工作在线性区域，且免于复杂的校准。当然，也可以采用其它方式测量两路微波信号间的相位差，例如正交乘积鉴相、门电路鉴相。正交乘积鉴相需要移相器保证两路信号相互正交，结构较为复杂，且需要复杂的校准来去除信号功率对鉴相系数的影响。门电路鉴相对输入信号的功率有较为严格的要求，需要输入信号的功率较大才能正常工作。
图1所示频率测量装置利用传统的微波技术来实现匀速变化的延时差引入以及相位差测量功能，虽然具有结构简单的优点，但存在测量带宽不足以及易受电磁干扰的问题，为了提高测量带宽并避免电磁干扰影响，本发明进一步提出了利用微波光子技术在光域实现可调延时模块和相位差斜率测量模块。
作为其中一个优选方案，所述可调延时模块具体通过以下微波光子方法在光域实现在这两路微波信号间引入匀速变化的延时差：将一连续光载波信号分为两路；对于其中一路光载波信号，先为其引入匀速变化的延时，再将其中一路所述微波信号电光调制到该延时后的光载波信号上，得到先延时后调制的第一调制光信号；对于另一路光载波信号，先将另一路所述微波信号电光调制到该光载波信号上，再为调制后的调制光信号引入与另一路相同的匀速变化的延时，得到先调制后延时的第二调制光信号。所述相位差斜率测量模块具体通过以下微波光子方法在光域实现测出引入延时差后的两路微波信号间的相位差随时间变化的斜率：分别从第一调制光信号和第二调制光信号中取出同一侧的1阶边带信号；然后将这两路1阶边带信号输入光90°耦合器，并对光90°耦合器的输出信号进行平衡光电探测，得到I/Q中频信号；对所述I/Q中频信号进行信号处理，得到引入延时差后的两路微波信号间的相位差随时间变化的斜率。
采用该优选方案的测量装置具体结构如图2所示，其中的可调延时模块采用微波光子技术实现，其具体包括：激光器、光分束器、第一光环行器、可调光延时线、第一电光调制器、第二电光调制器、第二光环行器；激光器的输出端连接光分束器的输入端；光分束器的两个输出端分别连接第一光环行器和第二光环行器的1号端口；输入到第一光环行器1号端口的光信号沿着顺时针方向(如图2实线所示路径)依次通过由第一光环行器2号端口、可调光延时线、第一电光调制器、第二电光调制器、第二光环行器2号端口组成的光纤环路，最终从第二光环行器3号端口输出。其中，第一电光调制器的输出端口与第二电光调制器的输出端口相连；输入到第二光环行器1号端口的光信号沿着逆时针方向(如图2虚线所示路径)通过该光纤环路，通过顺序依次是第二光环行器2号端口、第二电光调制器、第一电光调制器、可调光延时线、第一光环行器2号端口，最终从第一光环行器3号端口输出；上述第一电光调制器和第二电光调制器的射频驱动信号输入端用于连接功分器的两个输出端口。图2中的相位差斜率测量模块也采用微波光子技术实现，其具体包括：第一光带通滤波器、第二光带通滤波器、光90度耦合器、第一光电平衡探测器、第二光电平衡探测器。上述可调延时单元的第一光环行器的3号端口和第二光环行器的3号端口分别连接第一光带通滤波器和第二光带通滤波器的输入端；第一光带通滤波器和第二光带通滤波器的输出端分别连接光90度耦合器的1号和2号输入端口；光90度耦合器的3号和4号输出端口分别连接第一光电平衡探测器的1号和2号输入端口；光90度耦合器的5号和6号输出端口分别连接第二光电平衡探测器的1号和2号输入端口。
激光器输出的光载波为
其中，E0，fc和分别为光载波的幅度，频率和相位噪声。该光载波经光分束器分为两路，这两路信号分别以顺时针和逆时针方向通过由第一光环行器、可调光延时线、第一电光调制器、第二电光调制器、第二光环行器组成的环路。其中，第一电光调制器和第二电光调制器尾尾相连，即第一电光调制器的输出端连接第二电光调制器的输出端。值得注意的是当电光调制器反向使用时，其上加载的射频信号对光波的调制作用可以忽略。如图2所示，当光载波以逆时针方向通过光纤环路时，第二电光调制器正向使用，而第一电光调制器反向使用，第一电光调制器的调制作用可以忽略，光载波先经过第二电光调制器调制上待测微波信号，然后通过可调光延时线引入匀速变化的延时，最终从第一光环行器的3号口输出。以相位调制器为例，第一光环行器的3号口输出的信号(先调制后延时信号)为：
其中，β2为第二电光调制器(相位调制器)的调制系数。
同理，当光载波以顺时针方向通过光纤环路时，第一电光调制器正向使用，而第二电光调制器反向使用，第二电光调制器的调制作用可以忽略，光载波先经过可调光延时线引入匀速变化的延时，然后通过第二电光调制器调制上待测微波信号，最终从第二光环行器的3号口输出。同样相位调制器为例，第二光环行器的3号口输出的信号(先延时后调制信号)为：
其中，β1为第一电光调制器(相位调制器)的调制系数。
上述先调制后延时和先延时后调制光信号分别经第一光带通滤波器和第二光带通滤波器选择出+1或-1阶边带，以-1阶边带为例，第一和第二光带通滤波器的输出分别为
第一和第二光带通滤波器的输出发送到光90°耦合器混合，接着经过平衡光电探测器进行光电转换，得到两路相互正交的中频电压电压信号，分别为
其中，R与ZL分别为平衡光电探测器的响应度和输入阻抗。两路中频信号再通过ADC进行模数转换，接着输入到计算机进行数字信号处理，如式(5)所示。最终，即可得到待测微波信号的频率。
为了验证本发明技术方案的有效性，按照图2搭建了实验系统对本发明频率测量方法进行了验证。各主要器件的参数如下：激光器(TeraXion,PS-NLL-1550.52-080-000-A1)的中心波长为1550.52nm，输出功率为19dBm；可调光延时线(General Photonics,VDL-001-15-600-SM-FC/APC)的延时调节范围为0-330ps，调节速度从0.01ps/s到256ps/s分为10档，可以通过计算机控制调节速度；第一电光调制器和第二电光调制器均选用相位调制器(EOSPACE,AZ-AV5-40-PFU-SFU)，它们的3-dB带宽均为40GHz；第一光带通滤波器和第二光带通滤波器(Yenista,XTM-50/S)的中心波长可调范围均为1450-1650nm，带宽调节范围为50-950pm；光90度耦合器(Kylia,COH28)的I/Q通道相位差为85-95°；平衡光电探测器(Thorlabs,PDB450C)的响应度为0.53A/W；ADC(National Instruments,PCI-4462)的采样率可调，最大为204.8kSa/s；
在实验中我们选择微波源(Agilent,E8257D-option 567)输出的信号作为待测信号，ADC的采样率设为20.48kSa/s，可调光延时线的延时变化速度为128ps/s。调节微波源使它的输出信号频率按照1GHz的步长从5GHz增加到67GHz。图3为不同频率待测信号输入时，使用本发明频率测量装置得到的频率测量结果。从图中可以看出两者基本吻合，说明了本发明的有效性。图4为不同频率待测信号输入时，使用本发明频率测量装置得到的频率测量误差。从图中可以看出本发明频率测量装置可以在5-67GHz的超宽频率范围内保持频率测量误差小于500MHz。

Claims (2)

1.基于频率—相位斜率映射的微波频率测量方法，其特征在于，将待测微波信号分为两路并在这两路微波信号间引入匀速变化的延时差；然后测出引入延时差后的两路微波信号间的相位差随时间变化的斜率；最后根据所述斜率与待测微波信号频率之间的单调线性映射关系，得到待测微波信号频率；所述在这两路微波信号间引入匀速变化的延时差，以及所述测出引入延时差后的两路微波信号间的相位差随时间变化的斜率，均通过微波光子方法在光域实现；所述在这两路微波信号间引入匀速变化的延时差，具体通过以下微波光子方法在光域实现：将一连续光载波信号分为两路；对于其中一路光载波信号，先为其引入匀速变化的延时，再将其中一路所述微波信号电光调制到该延时后的光载波信号上，得到先延时后调制的第一调制光信号；对于另一路光载波信号，先将另一路所述微波信号电光调制到该光载波信号上，再为调制后的调制光信号引入与另一路相同的匀速变化的延时，得到先调制后延时的第二调制光信号；
所述测出引入延时差后的两路微波信号间的相位差随时间变化的斜率，具体通过以下微波光子方法在光域实现：分别从第一调制光信号和第二调制光信号中取出同一侧的1阶边带信号；然后将这两路1阶边带信号输入光90º耦合器，并对光90º耦合器的输出信号进行平衡光电探测，得到I/Q中频信号；对所述I/Q中频信号进行信号处理，得到引入延时差后的两路微波信号间的相位差随时间变化的斜率。
2.基于频率—相位斜率映射的微波频率测量装置，其特征在于，包括：
可调延时模块，用于将待测微波信号分为两路并在这两路微波信号间引入匀速变化的延时差；
相位差斜率测量模块，用于测出引入延时差后的两路微波信号间的相位差随时间变化的斜率；
数据采集与处理模块，用于根据所述斜率与待测微波信号频率之间的单调线性映射关系，得到待测微波信号频率；
所述可调延时模块和相位差斜率测量模块均通过微波光子方法在光域实现；所述可调延时模块具体通过以下微波光子方法在光域实现在这两路微波信号间引入匀速变化的延时差：将一连续光载波信号分为两路；对于其中一路光载波信号，先为其引入匀速变化的延时，再将其中一路所述微波信号电光调制到该延时后的光载波信号上，得到先延时后调制的第一调制光信号；对于另一路光载波信号，先将另一路所述微波信号电光调制到该光载波信号上，再为调制后的调制光信号引入与另一路相同的匀速变化的延时，得到先调制后延时的第二调制光信号；
所述相位差斜率测量模块具体通过以下微波光子方法在光域实现测出引入延时差后的两路微波信号间的相位差随时间变化的斜率：分别从第一调制光信号和第二调制光信号中取出同一侧的1阶边带信号；然后将这两路1阶边带信号输入光90º耦合器，并对光90º耦合器的输出信号进行平衡光电探测，得到I/Q中频信号；对所述I/Q中频信号进行信号处理，得到引入延时差后的两路微波信号间的相位差随时间变化的斜率。
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