CN109951224B - 基于双偏振调制器和偏振调制器实现相位编码信号生成的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于偏振复用调制器和偏振调制器实现相位编码信号生成的方法。该发明涉及微波技术领域和光通信技术领域。所述方法如附图所示，包括光源(LD)、双偏振调制器(DPol‑MZM)、偏振控制器(PC)、偏振调制器(PolM)、偏振分束器(PBS)以及光电平衡检测器(BPD)。该方法基于DPol‑MZM得到一个光载波和抑制载波双边带的正交偏振复用信号，通过PolM对两个偏振态上的光载波进行相位编码，经BPD拍频可得到相位编码微波信号。本发明在光域实现了微波相位编码信号的生成，克服了传统电域生成技术在带宽和装置上的瓶颈。具有载波频率调谐范围宽、操作灵活、可直接生成光脉冲等优点。

Description

基于双偏振调制器和偏振调制器实现相位编码信号生成的 方法

技术领域

本发明涉及光通信技术领域和微波技术领域，尤其涉及通过光子技术实现相位编码。

背景技术

现代雷达技术已经不仅应用于军事领域，同时也普遍的应用于民用领域(如交通运输、气象预报和资源探测等)和科学研究(如航天、大气物理、电离层结构和天体研究等)等其他各领域。随着科技的发展，各种飞行器或空中武器的飞行速度越来越快，抗侦查能力也越来越强。因此，人们希望提高雷达的侦查距离和距离分辨能力以应对这种变化。雷达的作用距离由发射信号的功率决定。由于受到发射机器件和发射信号平均功率的限制，仅仅依靠提高发射功率来増加雷达侦查距离是不够的，因此人们想到利用増加发射信号的时宽T来扩展雷达作用距离，于是脉冲压缩雷达技术便应运而生。相位编码(PCM)信号是一种典型的脉冲压缩信号，传统电域的相位编码信号生成中，电子器件存在速率瓶颈，带宽小，定时抖动较大，电磁干扰等问题。

微波光子技术结合了微波和光子两大技术的优势，成为近年来的研究热点。该技术具备瞬时带宽大、体积小、功耗少、抗电磁干扰等优点，为相位编码信号生成提供了一个新的解决方案。

在已经提出的微波光子学相位编码信号生成的方案中有两种思路：一种是可以根据波长到时间的映射来生成，但光纤到空间和空间到光纤的连接使系统变得笨重而复杂；另外一种是基于外差混频或者边带调制技术来生成，通过射频信号驱动一个电光调制器(EOM)产生不同波长的相干光载波，然后控制两个相干光载波之间的相位差，在PD处进行拍频外差来实现信号相位编码。

发明内容

为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提出了一种基于双偏振调制器和偏振调制器实现信号相位编码的方法。该发明通过任意波形生成器AWG来产生编码信号对偏振调制器中两正交偏振的载波分别进行相位编码，通过示波器来观察相位编码信号的相位跳变，运用MATLAB对示波器接收到的时域波形进行数据处理得到相位信息。该方法具有载频调谐范围宽、可直接产生脉冲信号、抗电磁干扰等优点。

本发明解决其技术问题所采用的方法是：所述装置包括激光二极管(LD)、双偏振马增调制器(DPol-MZM)、射频信号源(RF)、偏振控制器(PC)、偏振调制器(PolM)、任意波形生成器(AWG)、偏振分束器(PBS)和光电平衡检测器(BPD)；LD的输出端口与DPol-MZM的输入端相连，DPol-MZM的输出端与PC1相连，PC1另一端和PolM的输入端相连，PolM的输出端经PC2和PBS的输入端相连，PBS输出端的两个分支分别和BPD的两输入端相连。BPD的两输出端可分别连接电频谱仪和示波器进行测试。

上述的DPol-MZM由一个光分束器、上下两个并行的MZM1、MZM2以及偏振复用器(PBC)集成，MZM1两个射频端口为port1和port2，直流偏置V_DC1，MZM2的两个射频端口为port3和port4，直流偏置V_DC2，MZM1和MZM2具有相同的结构和性能。

上述的偏振调制器(PolM)两正交偏振态上的信号被相位相反调制。

本发明在工作时包括以下步骤：

1)LD发出的连续光载波进入DPol-MZM，在DPol-MZM内经光分束器将光载波等分为两部分，分别输入到MZM1和MZM2中；

2)频率为f1的射频信号输入到MZM1的一个射频端口，其他射频端口无信号。设置V_DC1的大小使MZM1偏置在最小传输点，进行抑制载波的双边带调制。设置V_DC2的大小使MZM2偏置在最大点，光信号不被调制，直接输出。

3)MZM1和MZM2输出的两路信号输入到偏振合束器实现偏振态复用，在双偏振调制器的输出端得到一个光载波和抑制载波双边带的正交偏振复用信号；

4)双偏振调制器的输出信号通过PC1进入到偏振调制器中，通过任意波形生成器(AWG)产生的编码信号驱动偏振调制器分别对两个偏振态的光载波进行相位编码；

5)编码后的正交偏振信号经PC2送入PBS，调节PC2使偏振调制器的主轴和PBS的主轴成45°夹角。

6)PBS输出的两路信号分别和BPD两输入口相连，两输出口分别连接电频谱分析仪和示波器，进行测试。

7)改变射频源频率和编码信号类型，重复步骤2,3,4,5,6；。

本发明提出了一种基于双偏振调制器和偏振调制器实现相位编码信号生成的方法，该方法利用DPol-MZM产生正交偏振的抑制载波双边带信号和光载波信号，结合偏振调制器可以同时对两个正交偏振态方向的信号分别进行相位编码，该方法载波频率调谐范围宽、可直接产生脉冲信号、抗电磁干扰、实际可操作性强等优点。

该方法中，未用到任何电移相器、电功分器、滤波器等带宽有限的器件，可以实现频率的宽调谐范围。

本发明还可直接产生脉冲信号，可直接运用于雷达脉冲系统而不需要额外添加调制器进行幅度调制。

附图说明

图1为本发明基于DpolMZM和PolM实现相位编码信号生成的原理图；

图2(a)和(b)分别为射频频率为6GHz和11GHz时，DpolMZM上子调制器MZM1输出的抑制载波双边带信号的光谱图；

图3是加载码元信号为“+1-1+1-1”码，RF信号为6GHz时，生成的码元信号、相位编码信号和相位信息的波形：

(a)输入的“+1-1+1-1”码元波形图；

(b)生成的相位编码信号波形图；

(c)生成的相位编码信号相位信息波形图

图4是码元信号为16位伪随机码，RF信号为6GHZ时，生成的相位编码信号自相关图；

图5是加载信号为“+1-1+1-1”码，RF信号为11GHz时，生成的码元信号、相位编码信号和相位信息的波形：

(a)输入的“+1-1+1-1”码元波形图；

(b)生成的相位编码信号波形图；

(c)生成的相位编码信号相位信息波形图

图6是码元信号为16位伪随机码，RF信号为11GHZ时，生成的相位编码信号脉冲压缩图；

图7是码元信号为“0、1”幅值跳变的码，RF信号为11GHZ时，生成的脉冲信号图；

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，本实施例中包括：LD、射频信号源、DPol-MZM、PC、PolM、PBS和BPD。LD与DPol-MZM的输入端相连，射频信号源产生的信号输入到的MZM1的一个射频端口，其他射频端口无信号，偏置在最大点。MZM2偏置在最大点，光信号不被调制，直接输出。DPol-MZM的输出口与PC1相连，PC1的另一端和PolM相连。PolM的输出端经PC2和PBS相连，PBS输出端的两个分支分别和BPD两输入口相连。BPD的两输出端分别和电频谱仪和示波器相连分别观察生成的电信号以及信号的相位跳变。

本实例中，方法的具体实施步骤是：

步骤一：LD产生工作波长在1552nm附近、光功率为10dBm的连续光载波，将光载波的工作角频率记为ω_c，幅度记为E₀。连续光载波输入到DPol-MZM。

步骤二：射频信号源产生的频率为6GHz，功率为10dBm的射频信号，角频率记为ω_R，幅度记为V_R。将射频信号输入到MZM1的一个射频端口，MZM1偏置在最小传输点，进行抑制载波的双边带调制。MZM2偏置在最大点，光信号不被调制，直接输出。调制指数较小时，输出只包含载波与正负一阶光边带。两个子调制器输出可以分别表示为下式：

其中，ω_R＝2πf_R，

是射频信号的调制指数，J_n(·)为第一类n阶贝塞尔函数，MZM1和MZM2输出的光信号进入PBC实现偏振态正交，DPol-MZM输出的偏振复用的光信号可表示为：

步骤三：DPol-MZM输出的偏振复用光信号经过PC进入PolM，应用AWG产生500Mbps的“+1-1+1-1”码驱动PolM，对两个正交偏振态上的载波和正负一阶边带分别进行编码信号调制，可以表示为：

其中β为PolM的相位调制指数，S(t)为编码信号。

步骤四：PolM的输出端经PC2和PBS相连，通过调节PC2使PolM主轴与PBS主轴成45°夹角，PBS输出端的两个偏振光可分别表示为：

PBS两输出分支分别和BPD两输入口相连，拍频产生相位编码信号，BPD输出电信号为：

其中R为PD的响应度，输出的电信号接入到示波器中观察波形并进行希尔伯特变换。从图3(c)可以看到，相邻码元的相位跳变接近于180度。

步骤五：改变码元类型为16位的伪随机序列，将获得的相位编码信号进行脉冲压缩。从图4可以看出，脉冲压缩比为14.3，接近于理论值16，峰值旁边比为7.3dB。

步骤六：射频信号源产生信号的频率换为11GHz，功率不变，重复上述三、四、五。从图5(b)可以看到，相邻码元的相位跳变接近于180度。从图6可以看到，脉冲压缩比为14.5，接近于理论值14.5，峰值旁瓣比为7.2dB。

步骤七：改变码元类型为500Mbps速率，“01”幅值跳变的编码，将获得脉冲信号，可以表示为：

从图7可以看到产生的脉冲信号，每隔2ns产生一个脉冲。

综上，本发明基于偏振复用调制器和偏振调制器实现了宽带的相位编码信号生成。利用示波器得到相位编码信号波形，进行处理后获得相位跳变信息和脉冲压缩的性能。该发明未用到任何电移相器、电功分器、滤波器等带宽有限的器件，可以实现频率的宽调谐范围，采用相应的码型还可直接产生脉冲信号，使该发明直接应用于脉冲雷达系统。

总之，以上所述实施方案仅为本发明的一个实施例而已，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，改变载频的大小、信噪比的光功率、频率偏移量的改变等参数的调整也应视为本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种基于双偏振调制器和偏振调制器实现相位编码信号生成的方法，包括光源LD、双偏振调制器DPol-MZM、偏振控制器PC、偏振调制器PolM、偏振分束器PBS以及光电平衡检测器BPD，其特征在于：激光器LD的输出端口连接双偏振调制器DPol-MZM的输入端，DPol-MZM的输出端与偏振控制器PC1相连，PC1的输出端和PolM相连，PolM的输出端经偏振控制器PC2和偏振分束器PBS相连，PBS输出端的两个分支分别和光电平衡检测器BPD相连，BPD两输出端连接电频谱仪和示波器进行测试；

所述DPol-MZM由上下两个并行的MZM1、MZM2以及偏振复用器PBC集成，MZM1相应的两个射频端口为port1和port2，偏置端口V_DC1，MZM2的两个射频端口为port3和port4，偏置端口V_DC2，频率为f1的射频信号输入到的MZM1的一个射频端口，其他射频端口无信号，设置V_DC1的大小使MZM1偏置在最小传输点，进行抑制载波的双边带调制，设置V_DC2的大小使MZM2偏置在最大点，光信号不被调制直接输出，PBC将MZM1和MZM2输出的两路信号实现偏振态正交，在DPol-MZM的输出端得到一个偏振复用信号；

所述双偏振调制器后经PC1连接一个偏振调制器，通过任意波形生成器AWG产生的编码信号驱动偏振调制器PolM分别对两个偏振态的光载波进行相位编码；

所述PolM输出的正交偏振信号经PC2送入PBS，调节PC2使偏振调制器的主轴和PBS的主轴成45°夹角，PBS输出的两路信号分别和BPD两输入口相连，经过BPD拍频后可以得到相位编码信号。

2.根据权利要求1所述的基于双偏振调制器和偏振调制器实现相位编码信号生成的方法，其特征在于：未用到任何电移相器、电功分器、滤波器带宽有限的器件，可以实现频率的宽调谐范围。

3.根据权利要求1所述的基于双偏振调制器和偏振调制器实现相位编码信号生成的方法，其特征在于：采用相应的“0、1”幅值跳变的码型还可直接产生脉冲信号，使该基于双偏振调制器和偏振调制器实现相位编码信号生成的方法可直接应用于脉冲雷达系统。

Images