CN109743110A - 一种用于光子时间拉伸系统的频率啁啾修正方法 - Google Patents

一种用于光子时间拉伸系统的频率啁啾修正方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于光子时间拉伸系统的频率啁啾修正方法，其通过获取拉伸信号，即获取时域拉伸后的时域数据，首先将拉伸信号的时域数据进行傅立叶变换得到频谱分布，进而将频谱分布与第一个频域修正因子做卷积，然后与第二个频域修正因子相乘，得到修正后的频谱，最后对修正后的频谱做傅立叶逆变换，得到修正频率啁啾后的时域信号。本发明用于实现宽带微波信号无频率啁啾的时域恢复，提高系统频率检测的准确性及提高通信信号的质量，能够使经过光子时间拉伸系统变频后的信号频率不再随时间变化，实现信号的精确探测，同时也提高了系统的输出信噪比，有利于后续的信号解调。

Description

一种用于光子时间拉伸系统的频率啁啾修正方法
技术领域
本发明属于光电技术领域，具体涉及一种用于光子时间拉伸系统的频率啁啾修正方法。
背景技术
高速模数转换器在宽带通信、雷达、电子对抗等领域拥有广阔的应用前景，处理信号带宽的不断提高，对模数转换器的性能也有了更高的要求。但由于在高频段，电子器件时间抖动与比较器不确定性的限制，电子模数转换器(ADC)的采样率很难提高到20GS/s以上，以至于在一定程度上成为了超宽带技术发展的瓶颈。为了克服电子制约对模数转换器性能的限制，许多光子ADC技术被提出，比起传统电子ADC，光子ADC具有更高的采样速率同时具有抗电磁干扰和辐射的性能。在众多光子ADC方案中，光子时间拉伸ADC受到广泛关注，光子时间拉伸技术利用色散链路中的群速度色散效应展宽经过调制的脉冲光信号，从而降低了调制在光脉冲上的射频信号频率，从而降低所需ADC的采样速率。
光子时间拉伸系统的结构如图1所示，系统的工作过程为模式锁定激光器1产生超短脉冲激光通过光滤波器2滤出合适的波段，然后经过第一段光纤3，由于色散效应得到啁啾的光脉冲，啁啾光脉冲通过M-Z电光调制器5，以单臂双边带调制的方式将微波信号4调制在啁啾光脉冲的包络上，输出光载微波信号,光载微波信号经过第二段光纤6，由于色散效应在时域上进一步被拉伸，拉伸后的光载微波信号再经过光电探测器7和模数转换器8完成光电转换和采样量化，得到数字化的拉伸信号。已有的光子时间拉伸系统理论模型都大多是基于光纤线性群速度色散来分析建立的，线性的色散会给光子时间拉伸系统带来功率周期性衰落的问题。光纤的非线性群速度色散与传输波长相关，光子时间拉伸系统使用光源波长范围较宽，因此在实际的系统应用中，同一脉冲周期内的不同时间片段可能会由于非线性色散而拉伸不同的倍数，以至于出现输出信号频率啁啾的问题。
光子时间拉伸系统的输出信号频率啁啾会使基于光子时间拉伸系统辅助的ADC的有效比特位数减小、产生载波检测误差以及影响对光子时间拉伸系统输出宽带通信信号的精确解调；已有的光子时间拉伸系统模型并没有对非线性色散引起的输出信号频率啁啾进行分析，同时也缺乏对这一问题的修正方法。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种用于光子时间拉伸系统的频率啁啾修正方法，以解决现有技术中非线性色散引起的输出信号频率啁啾的问题。
一种用于光子时间拉伸系统的频率啁啾修正方法，包括如下步骤：
(1)获取光子时间拉伸系统输出的光电流信号；
(2)通过傅里叶变换将所述光电流信号从时域转变为频域表示，得到对应的频谱信号；
(3)利用两个频域修正因子H1(ω)和H2(ω)对所述频谱信号进行修正；
(4)对修正后的频谱信号进行傅立叶逆变换，得到频率啁啾修正后时域表示的光电流信号。
进一步地，所述步骤(1)中光电流信号的表达式如下：
其中：A和ωRF分别为系统输入微波信号的幅值和角频率，j为虚数单位，I(t)为光电流信号，t表示时刻，M(t)为与时间相关的系统时域拉伸倍数。
进一步地，所述步骤(3)中对频谱信号进行修正的过程为：首先将频谱信号与频域修正因子H1(ω)进行卷积运算，然后将卷积运算结果与频域修正因子H2(ω)相乘即得到修正后的频谱信号。
进一步地，所述步骤(4)中修正后光电流信号的表达式如下：
其中：A和ωRF分别为系统输入微波信号的幅值和角频率，t表示时刻，M为系统只考虑线性色散时的时域拉伸倍数，I'(t)为频率啁啾修正后时域表示的光电流信号。
进一步地，所述频域修正因子H1(ω)的表达式如下：
其中：ω表示角频率，ωd为系统中光滤波器滤出的频率宽度，L1为系统中第一段光纤的长度，τ1(ω)为角频率ω下第一段光纤对应的单位长度群延时，L2为系统中第二段光纤的长度，τ2(ω)为角频率ω下第二段光纤对应的单位长度群延时。
进一步地，所述频域修正因子H2(ω)的表达式如下：
H2(ω)＝(M-1)·τ1(ω)L1-τ2(ω)L2
其中：ω表示角频率，M为系统只考虑线性色散时的时域拉伸倍数，L1为系统中第一段光纤的长度，τ1(ω)为角频率ω下第一段光纤对应的单位长度群延时，L2为系统中第二段光纤的长度，τ2(ω)为角频率ω下第二段光纤对应的单位长度群延时。
进一步地，所述时域拉伸倍数M的表达式如下：
其中：β1为系统中第一段光纤的二阶色散系数，β2为系统中第二段光纤的二阶色散系数，L1为系统中第一段光纤的长度，L2为系统中第二段光纤的长度。
本发明的有益技术效果在于能使经过光子时间拉伸系统变频后的信号频率不再随时间变化，实现信号的精确探测，同时也提高了系统的输出信噪比，有利于后续的信号解调。
附图说明
图1为光子时间拉伸系统及本发明修正系统的结构框图。
图2为光子时间拉伸系统输出信号的时域波形图。
图3为光子时间拉伸系统输出信号频率随时间变化的曲线图。
图4为采用本发明频率啁啾修正后输出信号的时域波形图。
图5为采用本发明频率啁啾修正后输出信号频率随时间变化的曲线图。
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。
本发明用于光子时间拉伸系统的频率啁啾修正方法，包括如下步骤：
(1)获取光子时间拉伸系统输出的时域电信号；其中光子时间拉伸系统输出时域电信号的具体过程如下：
1.1如图1所示，模式锁定激光器1产生超短脉冲激光通过光滤波器2滤出合适的波段，然后经过第一段光纤3，由于色散效应，得到啁啾的光脉冲，脉冲展宽宽度为：
Δt1(ω)＝L1·τ1(ω)
其中：ω表示角频率，L1是第一段光纤L1的长度，τ1(ω)是角频率ω下第一段光纤对应的单位长度群延时，△t1(ω)是角频率ω下经过第一段光纤后脉冲展宽宽度。
1.2啁啾光脉冲通过M-Z电光调制器5，以单臂双边带调制的方式将微波信号4调制在啁啾光脉冲的包络上，输出光载微波信号。
1.3光载微波信号经过第二段光纤6，由于色散效应在时域上进一步被拉伸，脉冲展宽宽度为：
Δt2(ω)＝L1·τ1(ω)+L2·τ2(ω)
其中，ω表示角频率，L1是第一段光纤L1的长度，τ1(ω)是角频率ω下第一段光纤对应的单位长度群延时，L2是第二段光纤L2的长度，τ2(ω)是角频率ω下第二段光纤对应的单位长度群延时，△t2(ω)是角频率ω下经过两段光纤后脉冲展宽宽度。
系统拉伸的倍数为：
其中：t为时间，△t1(ω)是角频率ω下经过第一段光纤后脉冲展宽宽度，△t2(ω)是角频率ω下经过两段光纤后脉冲展宽宽度，Φ＝β1L1+β2L2是两段光纤总的二阶色散量，β1是第一段光纤的二阶色散系数，β2是第二段光纤的二阶色散系数，ω表示角频率，L1是第一段光纤L1的长度，L2是第二段光纤L2的长度，M(t)为与时间相关的时域拉伸倍数。
如果只考虑线性色散时，系统拉伸的倍数为常数：
其中：β1是第一段光纤的二阶色散系数，β2是第二段光纤的二阶色散系数，L1是第一段光纤L1的长度，L2是第二段光纤L2的长度，M为只考虑线性色散时的常数时域拉伸倍数。
1.4拉伸后的光载微波信号再经过光电探测器7和模数转换器8完成光电转换和采样量化，得到数字化的拉伸信号。系统输入单音信号时，在小信号近似情况下(m<<1)，输出电流时域信号为：
其中：ienv(t)表示拉伸后微波信号的脉冲包络，Jn(x)是n阶第一类贝塞尔函数，是色散引入的相位复常量，ωRF是输入微波信号的角频率，t为时间，M(t)为与时间相关的时域拉伸倍数，A为微波信号的幅度，j为虚数单位，I(t)为探测器输出光电流。
可见，光子时间拉伸系统使得微波信号的频率变为原来的1/M(t)，微波信号出现频率啁啾的问题。
(2)通过傅立叶变换(FFT)9将时域信号变到频域表示为：
其中，ω表示角频率，A和ωRF分别为微波信号的幅度与角频率，δ[]为狄拉克delta函数，t为时间，M(t)为与时间相关的时域拉伸倍数，Φ＝β1L1+β2L2是两段光纤总的二阶色散量，β1是第一段光纤的二阶色散系数，β2是第二段光纤的二阶色散系数，ω表示角频率，L1是第一段光纤L1的长度，L2是第二段光纤L2的长度，I(ω)为数字化的信号的频域表达式。
(3)将频谱与第一个频域修正因子做卷积，然后与第二个频域修正因子H2(ω)＝(M-1)·τ1(ω)L1-τ2(ω)L2相乘10，得到修正后的频谱为：
其中：ω表示角频率，H1(ω)是第一个频域修正因子，H2(ω)是第二个频域修正因子，A和ωRF分别为微波信号的幅度与角频率，δ[]为狄拉克delta函数，M为只考虑线性色散时的常数时域拉伸倍数，I′(ω)为修正后的频谱公式。
(4)对修正后的频谱做傅立叶逆变换(IFFT)11，得到修正频率啁啾后的时域信号为：
其中：A和ωRF分别为微波信号的幅度与角频率，t为时间，M为只考虑线性色散时的常数时域拉伸倍数，j为虚数单位，I′(t)为无频率啁啾的时域信号。
由此可见，经过频率啁啾修正的输出信号，频率不再随时间变化，实现了稳定的M倍降频。
以下我们通过仿真结果进一步验证本发明技术方案的有效性，具体地：超短脉冲光中心频率为193.41THz，用光滤波器滤出192.17THz到194.67THz的频段；脉冲光经过长度为3km的第一段光纤被展宽，第一段光纤的二阶色散系数为16.44ps/nm/km，角频率ω下第一段光纤对应的单位长度群延时为微波信号通过马赫增德尔调制器，用双边带强度调制的方式调制到展宽的脉冲光上，调制脉冲光再经过长度为9km的第二段光纤实现光学时间拉伸，第二段光纤的二阶色散系数为16.44ps/nm/km，角频率ω下第二段光纤对应的单位长度群延时为然后经过光电探测器和模数转换器，得到数字化的时域电信号，时域电信号进行傅立叶变换得到频域表示；接着，将频谱与第一个频域修正因子做卷积，卷积结果与第二个频域修正因子相乘，得到修正后的频谱；最后，对修正后的频谱做傅立叶逆变换，得到修正频率啁啾后的时域信号。
仿真例输入的微波信号为频率20GHz的正弦波信号，调制系数为0.1。图2和图3分别为光子时间拉伸系统输出信号的时域波形和输出信号的频率随时间变化的曲线；由图2可知，系统输出信号不是频率稳定的正弦波信号，图3更直观的显示出输出信号的频率跟随时间从4.4GHz左右变化到5.5GHz左右。图4和图5分别为采用本发明频率啁啾修正后输出信号的时域波形和输出信号的频率随时间变化的曲线，由图4和图5可知，输入20GHz正弦信号，系统输出信号频率稳定为5GHz，拉伸比为固定的4而不再随时间变化。与图2和图3比较可以说明本发明方法有效地修正了光子时间拉伸系统输出信号的频率啁啾问题。
上述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 (7)

1.一种用于光子时间拉伸系统的频率啁啾修正方法，包括如下步骤：
(1)获取光子时间拉伸系统输出的光电流信号；
(2)通过傅里叶变换将所述光电流信号从时域转变为频域表示，得到对应的频谱信号；
(3)利用两个频域修正因子H1(ω)和H2(ω)对所述频谱信号进行修正；
(4)对修正后的频谱信号进行傅立叶逆变换，得到频率啁啾修正后时域表示的光电流信号。
2.根据权利要求1所述的频率啁啾修正方法，其特征在于：所述步骤(1)中光电流信号的表达式如下：
其中：A和ωRF分别为系统输入微波信号的幅值和角频率，j为虚数单位，I(t)为光电流信号，t表示时刻，M(t)为与时间相关的系统时域拉伸倍数。
3.根据权利要求1所述的频率啁啾修正方法，其特征在于：所述步骤(3)中对频谱信号进行修正的过程为：首先将频谱信号与频域修正因子H1(ω)进行卷积运算，然后将卷积运算结果与频域修正因子H2(ω)相乘即得到修正后的频谱信号。
4.根据权利要求1所述的频率啁啾修正方法，其特征在于：所述步骤(4)中修正后光电流信号的表达式如下：
其中：A和ωRF分别为系统输入微波信号的幅值和角频率，t表示时刻，M为系统只考虑线性色散时的时域拉伸倍数，I'(t)为频率啁啾修正后时域表示的光电流信号。
5.根据权利要求1所述的频率啁啾修正方法，其特征在于：所述频域修正因子H1(ω)的表达式如下：
其中：ω表示角频率，ωd为系统中光滤波器滤出的频率宽度，L1为系统中第一段光纤的长度，τ1(ω)为角频率ω下第一段光纤对应的单位长度群延时，L2为系统中第二段光纤的长度，τ2(ω)为角频率ω下第二段光纤对应的单位长度群延时。
6.根据权利要求1所述的频率啁啾修正方法，其特征在于：所述频域修正因子H2(ω)的表达式如下：
H2(ω)＝(M-1)·τ1(ω)L1-τ2(ω)L2
其中：ω表示角频率，M为系统只考虑线性色散时的时域拉伸倍数，L1为系统中第一段光纤的长度，τ1(ω)为角频率ω下第一段光纤对应的单位长度群延时，L2为系统中第二段光纤的长度，τ2(ω)为角频率ω下第二段光纤对应的单位长度群延时。
7.根据权利要求4或6所述的频率啁啾修正方法，其特征在于：所述时域拉伸倍数M的表达式如下：
其中：β1为系统中第一段光纤的二阶色散系数，β2为系统中第二段光纤的二阶色散系数，L1为系统中第一段光纤的长度，L2为系统中第二段光纤的长度。
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