CN109842451A - 利用双偏振正交相移键控调制器实现微波信号光子学变频和多通道移相的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用双偏振正交相移键控(DP‑QPSK)调制器实现微波信号光子学变频和多通道移相的方法，该发明涉及微波技术领域以及光通信技术领域，主要可应用于信号的波束形成，IQ解调等。所述方案如附图所示，包括光源、本振源、掺铒光纤放大器、光分路器、偏振控制器、起偏器以及光电探测器。该方案利用DP‑QPSK调制器对射频信号和微波本振进行调制和偏振复用，光放大后功分多路，每路利用偏振控制器和起偏器控制输出信号的幅度和相位，最终通过光电探测器得到相位改变的中频信号。本发明可同时实现信号上下变频和移相功能，免受功率周期性衰落带来的影响，且系统增益较大，具有结构简单，调谐灵活，带宽大，多功能等特点。
Description
技术领域
本发明涉及光通信技术领域和微波技术领域，主要通过光子学技术实现微波信号的变频和多通道移相。
技术背景
随着人们对通信速率的要求越来越高，现在电子通信系统正朝着高频段、大带宽方向发展。传统基于电子学的信号处理技术，电子器件存在速率瓶颈，定时抖动较大，电磁干扰严重。光子学信号处理技术具有简单轻便，带宽大，抗电磁干扰等一系列优点而备受关注。
信号的变频和移相技术广泛应用于波束形成等领域。目前电域波束形成的发送端需要将射频信号进行一级或二级变频，通过带通滤波得到上变频的中频信号后，再利用多个电域移相器对中频信号进行不同的移相处理，最终加权得到需要的波束指向。接收端同样需要对接收到的信号进行多级变频，通过带通滤波器得到下变频中频信号，进行数模转换后在数字域对信号进行不同的幅度和相位补偿，形成不同形式的波束。但这种结构有以下缺点：(1)当需要发送的射频信号或接收的射频信号频率较高时，由于电子器件的速率瓶颈，往往需要两级本振变频，每级变频需要使用带通滤波器滤出上变频或下变频的中频信号进行后期处理，结构复杂，外部干扰因素较多。(2)电域移相器的频率范围限制了系统的工作频段，而且其频率相关性限制了系统的工作带宽。(3)当信号带宽非常大时，要求模数转换器具有较高的采样率和工作频率，目前的模数转换技术很难满足。
目前光通信及光信号处理技术发展迅猛，利用光子学实现微波信号的变频和移相等方面都做了大量工作，其优势也显而易见。但是现有的方案也存在以下问题：(1)对于波束形成所需要的多通道变频和移相技术，现有的许多技术方案系统复杂度将随着通道数成比例增加。(2)现有的大多数变频和移相技术仅实现了信号的下变频，因此方案仅适用于信号的接收处理。(3)在少数可实现上下变频和移相的方案中，由于光纤传输对信号所造成的功率周期性衰落问题还未被解决。
发明内容
为了解决背景技术中所存在的问题，本发明提出了一种利用双偏振正交相移键控调制器(DP-QPSK)实现微波信号光子学变频和多通道移相的方法。本方法能够将基带信号一次性上变频至所需频段或将高频微波信号一次性下变频至基带信号，随后对信号进行多路频率无关的光域移相处理。该方案无需使用技术相对不成熟的光域滤波器，扩大了系统的频率可调谐范围，且多路移相共用一个电光调制器，结构简单，同时具有光子学技术特有的大带宽，抗电磁干扰，轻便灵活等一系列优点。
本发明所采用的技术方案是：所述方法包括激光器、DP-QPSK调制器、本振源、掺铒光纤放大器(EDFA)、光分路器、偏振控制器、起偏器、光电探测器。激光器的输出口连接DP-QPSK调制器的光信号输入端；该调制器的输出端与光分路器相连；光分路器将光信号等分为多路，每路分别连接偏振控制器、起偏器和光电探测器。
所述DP-QPSK调制器由一个Y型光分路器，两个平行的双平行马赫-曾德尔调制器(X-DPMZM、Y-DPMZM)，一个偏振合束器构成。
本发明在工作时包括以下步骤：
(1)从激光器发出波长为λ的连续光载波注入到DP-QPSK调制器中；
(2)将射频信号输入到DP-QPSK调制器的上路双平行马赫曾德尔子调制器 (X-DPMZM)的一个射频口(另一个射频口空载)，将本振信号输入到另外一个子调制器(Y-DPMZM)的两个射频口，其中一个射频口输入本振信号相移90 度的信号。X-DPMZM的子调制器和主调制器均工作在最小点，Y-DPMZM的子调制器工作在最小点，主调制器工作在正交点。分别产生射频的抑制载波双边带调制信号和本振的抑制载波单边带调制信号。
(3)DP-QPSK内部的偏振合束器将上下两路调制后的光信号复合为偏振复用光，输出调制器。
(4)偏振复用光信号进入EDFA进行功率放大。
(5)放大后的光信号进入光分路器功分多路，每路分别进入偏振控制器，通过调节偏振控制器使调制器主轴与起偏器主轴有45度夹角，同时可以调整每个偏振复用光信号中两个偏振态的相位差，起偏器的输出端连接光电检测器，使得光信号中射频的上下边带与本振的单边带相互拍频，得到相位改变的上下变频信号。
本发明提出了一种利用双偏振正交相移键控调制器(DP-QPSK)实现微波信号光子学变频和多通道移相的方法，该方案采用DP-QPSK调制器将射频和本振信号调制后进行偏振复用，并通过偏振控制器对两个正交偏振态的光引入相位差，以此来实现对变频信号相位的改变。
由于射频信号抑制载波双边带以及本振信号抑制载波单边带的调制方式，本方案射频的上下边带分别与本振单边带相互作用，产生上下变频信号，频谱纯净，消除了功率周期性衰落的影响，并且可引入光放大器增大系统增益。
该方案多路移相共用一个电光调制器，各支路利用偏振控制器和和起偏器对输出中频信号进行独立的移相，设备简单，调节方便灵活，系统的可扩展性很高。
该方案由于同时实现了多通道上下变频和移相，在雷达系统中，可以应用于发送端和接收端实现波束形成，结构简单，带宽极大。在通信领域，还能应用于矢量信号的IQ解调，对于信号带宽、IQ均衡度等重要技术指标均有良好的改善。
附图说明
图1为本发明微波信号光子学变频和多通道移相的原理图以及频谱示意图；图2为本发明中DP-QPSK调制器的输出光谱示意图；
图3为本发明输出中频信号的相位示意图；
图4为本发明输出中频信号功率随本振信号频率改变(小三角)以及传统方案(实线)的对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例：
如图1所示，本实施例中，方法包括：激光器，两个射频信号源、DP-QPSK调制器、EDFA、光分路器、N个偏振控制器、N个起偏器和N个光电探测器。激光器的输出口与DP-QPSK调制器的光输入口相连，两个射频信号源加载到上下子调制器的射频输入端，调制器后接EDFA和光分路器，然后每个光路分别依次连接偏振控制器、起偏器和光电探测器。
本实施例中，方法的具体实施步骤是：
步骤一：激光器产生工作波长为1550nm、功率为15dBm的连续光波，注入到DP-QPSK调制器中。一个射频源输出频率为16.1GHz，功率为0dBm的单频信号，用于驱动DP-QPSK调制器的X-DPMZM，并使X-DPMZM的两个子调制器和主调制器均工作在最小点。产生射频的抑制载波双边带调制信号。本振信号源输出频率为16GHz的单频信号，功分两路后，一路直接驱动Y-DPMZM的一个射频口，一路相移90度后驱动Y-DPMZM的另一个射频口，Y-DPMZM的子调制器工作在最小点，主调制器工作在正交点，产生本振的抑制载波单边带调制信号。随后通过DP-QPSK调制器后端的偏振合束器将信号偏振复用后输出。
步骤二：调节本振信号功率，发现当本振信号功率为9dBm时，输出中频功率最大。然后，调制器输出信号进入EDFA补偿功率损耗，经过1：4光分路器将光信号功分到4条支路。
步骤三：分别调节每一路的PC，可在360度范围内使得各路输出中频信号获得不同的输出相位改变，其中上变频信号和下变频信号输出相位等大反向。
步骤四：加入25Km光纤传输，保持输入射频信号16.1GHz功率0dBm，保持输入本振信号功率9dBm，改变输入本振信号的频率，观察输出电谱，随着输入本振信号频率的改变，输出中频信号频率也随之改变，但输出中频信号功率基本保持在-20dBm。即本方案消除了对色散引入的功率周期性衰落的影响。
综上，本发明由于利用了DP-QPSK调制器实现了信号的偏振复用，并利用偏振控制器对两个偏振态引入相位差，由于PC可以灵活的控制，该方案在实际中具有很强的操作性。而且由于共用一个电光调制器，系统简单易行，且扩展性也相对较强。
总之，以上所述实施方案仅为本发明的较佳实施例而已，并非仅用于限定本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明公开的内容上，还可以做出若干等同变形和替换。射频信号不限于16.1GHz，本振信号也不限于16GHz，等同变形和替换以及频率范围的调整也应视为本发明保护的范围。
Claims (3)
1.一种利用双偏振正交相移键控调制器(DP-QPSK)实现微波信号光子学变频和多通道移相的方法，包括光源、本振信号源、双偏振正交相移键控调制器(DP-QPSK)、掺铒光纤放大器(EDFA)、光分路器、偏振控制器、起偏器以及光电探测器，其特征在于，射频信号以抑制载波双边带的调制方式调制到DP-QPSK的上路子调制器上，本振信号以抑制载波的单边带调制方式调制到DP-QPSK调制器的下路子调制器上，并在调制器末端进行偏振复用，其输出端通过光分路器功分多路，各支路依次连接一个偏振控制器与起偏器，偏振控制器既可以保证一定的输出偏振态，同时还能调节射频光信号和本振光信号之间的相位差，经过起偏器后接光电探测器进行光电转换，可同时实现射频信号的上变频和下变频并灵活调节中频信号相移。
所述DP-QPSK调制器由一个Y型光分路器，两个平行的双平行马赫-曾德尔调制器(X-DPMZM、Y-DPMZM)，一个偏振合束器构成，其中Y型光分路器将输入光信号功分两路，上路输入X-DPMZM中，并将接收的射频信号调制在光载波上，下路输入Y-DPMZM中，并将本振信号调制在光载波上，随后两个调制器输出的信号在偏振合束器处合成一路具有两个偏振态的光信号(其中一个偏振态调制有射频信号，另一个偏振态调制有本振信号)，从DP-QPSK调制器输出。
所述DP-QPSK调制器输出端连接有EDFA对光信号进行放大，随后连接有光分路器，将光信号等功率分配到多路，各支路连接有偏振控制器和起偏器，通过调节偏振控制器，可以改变正交偏振光两个偏振态的相位差，随后在起偏器处将两个偏振态合成了一个方向的线偏振光，因此实现了对输出信号幅度和相位的控制，各个支路的偏振控制器和起偏器独立调谐，因此在仅使用一个调制器的基础上可以独立实现多路信号的混频和移相。
2.根据权利要求1所述的微波信号光子学变频及多通道移相装置，其特征在于，所述多路移相共用一个电光调制器(DP-QPSK)，路数灵活可调，各支路相移度数灵活可调，且调谐相互独立。
3.根据权利要求1所述的微波信号光子学变频及多通道移相装置，其特征在于，所述装置可同时实现上下变频以及移相，同时可免受功率周期性衰落带来的影响，且系统增益较大，可在雷达、通信等领域同时应用于收发模块。
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