CN110350981B - 一种基于光子学的宽带调频微波信号生成方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光子学的宽带调频微波信号生成方法，分别用微波本振信号、基带/低频电调频信号对同源的两路单频光载波进行光M阶、光二阶单边带调制；通过将光M阶与光二阶单边带调制信号叠加实现其中光载波分量的对消；将叠加后的光信号转换为电信号，得到带宽为基带/低频电信号调频范围的2倍，中心频率为微波本振信号频率M倍的宽带微波信号。本发明还公开了一种基于光子学的宽带微波信号生成装置。本发明利用光子技术实现了基带/低频电信号的倍频与上变频，可在较低的数模转换速率下完成高频段、大带宽、波形可重构的调频微波信号产生。
Description
技术领域
本发明涉及一种宽带微波信号生成方法，尤其涉及一种基于光子学的宽带调频微波信号生成方法及装置。
背景技术
随着各种军民用需求的不算增长，宽带信号在雷达、电子战等系统中正发挥着越来越重要的作用。由于距离测量的均方根误差与最小可分辨距离都与信号带宽成反比，对目标距离的高精度和高分辨测量需要雷达发射大带宽的信号。同时，因为宽带信号的能量分散于较大带宽中，当信号带宽增大时，保持一定作用距离或覆盖范围所需的发射信号功率谱密度可成比例缩小，这有助于降低信号被敌方截获的概率，并可避免对其他电磁频段的干扰。因此，提升信号带宽是先进微波前端的主要发展方向之一。
作为提升信号带宽的首要任务，大带宽微波信号，特别是线性调频、非线性调频、跳频编码等调频类大带宽微波信号的产生已获得较多关注，多种不同的技术途径也已被提出并验证。为实现任意波形的产生与重构，理想情况下，大带宽微波信号应通过波形存储直读技术，经数模转换器直接将数字域设定的波形转换为微波输出。然而，对于通常为带通型频谱的微波信号而言，这种方法中数模转换器的带宽与采样率没有充分利用于对信号带宽的拓展，且由于微波信号具有很高的中心频率，这种方法对数模转换器的带宽与采样率提出了极高的要求。为充分利用数模转换器的性能，并降低对数模转换器带宽与采样率等的指标要求，波形存储直读技术需和上变频技术与倍频技术结合使用。近年来，随着微波光子技术的发展，多种基于光子技术的电信号混频器和倍频器已得到较为充分的研究。与基于纯电子技术的方案相比，基于光子技术的电混频器和电倍频器具有宽带响应平坦、杂散抑制比高、抗电磁干扰等诸多优势，是产生大带宽微波信号的理想功能单元。但是，直接级联使用这类基于光子技术的混频器和倍频器会导致重复的电光、光电转换，进而严重影响系统性能。
因此，有必要在现有微波光子功能单元的基础上进行重新设计，通过对电光调制边带幅度和相位的灵活操控，在尽量少的电光、光电转换情况下同时实现信号倍频与上变频，从而以低速率数模转换产生高质量大带宽调频微波信号。
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，提供一种基于光子学的宽带微波信号生成方法，可在较低的数模转换速率下实现高频段、大带宽、波形可重构的调频微波信号产生。
本发明所提出的技术方案具体如下：
一种基于光子学的宽带调频微波信号生成方法，分别用微波本振信号、基带/低频电调频信号对同源的两路单频光载波进行光M阶单边带调制、光二阶单边带调制，分别生成低阶边带和M阶一侧边带被抑制而光载波和M阶另一侧边带被保留的光M阶单边带调制信号以及低阶边带和二阶一侧边带被抑制而光载波和二阶另一侧边带被保留的光二阶单边带调制信号，M为≥1的整数；通过将光M阶单边带调制信号与光二阶单边带调制信号叠加实现其中光载波分量的对消；将叠加后的光信号转换为电信号，得到带宽为所述基带/低频电调频信号调频范围的2倍，中心频率为所述微波本振信号频率M倍的宽带调频微波信号。
优选地，所述光二阶单边带调制的具体方法如下：将所述基带/低频电调频信号分为两路存在(π/4+kπ/2)相位差的电信号，分别送入双平行马赫曾德尔调制器的两个调制端口，所述双平行马赫曾德尔调制器的两个子调制器都偏置于最大传输点，两个子调制器的合成臂偏置于正交点，则该双平行马赫曾德尔调制器输出所述光二阶单边带调制信号；所述k为整数。
优选地，在同一双偏振电光调制器的两个输出偏振态上分别进行所述光M阶单边带调制、光二阶单边带调制，分别生成所述光M阶单边带调制信号和光二阶单边带调制信号，然后使用检偏器实现两者的叠加。
根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案：
一种基于光子学的宽带调频微波信号生成装置，包括：
光M阶单边带调制模块，用于用微波本振信号对同源的两路单频光载波中的一路进行光M阶单边带调制，生成低阶边带和M阶一侧边带被抑制而光载波和M阶另一侧边带被保留的光M阶单边带调制信号，M为≥1的整数；
光二阶单边带调制模块，用于用基带/低频电调频信号对所述同源的两路单频光载波中的另一路进行光二阶单边带调制，生成低阶边带和二阶一侧边带被抑制而光载波和二阶另一侧边带被保留的光二阶单边带调制信号；
光域信号叠加模块，用于通过将光M阶单边带调制信号与光二阶单边带调制信号叠加实现其中光载波分量的对消；
光电转换模块，用于将叠加后的光信号转换为电信号，得到带宽为所述基带/低频电调频信号调频范围的2倍，中心频率为所述微波本振信号频率M倍的宽带调频微波信号。
优选地，所述光二阶单边带调制模块包括：
调制信号分路与移相模块，用于将所述基带/低频电调频信号分为两路存在(π/4+kπ/2)相位差的电信号，所述k为整数；
电光调制模块，其为两个子调制器分别由调制信号分路与移相模块所输出的两路电信号驱动的双平行马赫曾德尔调制器，所述两个子调制器都偏置于最大传输点，两个子调制器的合成臂偏置于正交点。
优选地，所述光M阶单边带调制模块和光M阶单边带调制分别为同一双偏振电光调制器的两个输出不同偏振态的子调制器，所述光域信号叠加模块为检偏器。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
1、相对于现有的基于光子倍频的宽带微波信号产生方案，本发明可实现基带/低频电调频信号的上变频，使基带/低频电调频信号源的带宽无需覆盖中频载波，降低了对基带/低频电调频信号源的需求。
2、相对于现有的基于光子上变频的宽带微波信号产生方案，本发明可实现对基带/低频电调频信号的倍频，基带/低频电调频信号源的带宽只需覆盖所需微波信号带宽的一半，再度降低了对基带/低频电调频信号源的需求。
3、本发明所提出的优选方案在实现光二阶单边带调制时无需使用光滤波器，这有助于减小系统的体积重量功耗，并可提升可集成度。
4、与完全在电域实现信号倍频与上变频的方案相比，本发明在光域完成了信号的倍频与上变频，具有抗电磁干扰能力强、宽带响应平坦、宽带杂散分量抑制比高等优势。
附图说明
图1为本发明宽带调频微波信号生成装置的基本结构原理示意图；
图2为本发明所提出的光二阶单边带调制模块的原理示意图；
图3为M＝2时一个优选实施例的基本结构示意图；
图4a～图4c分别为M＝2时优选实施例中光M阶单边带调制模块输出信号、光二阶单边带调制模块输出信号以及光电探测器输入信号的光谱示意图；
图5为M＝1时一个优选实施例的基本结构示意图；
图6a～图6c分别为M＝1时优选实施例中光M阶单边带调制模块输出信号、光二阶单边带调制模块输出信号以及光电探测器输入信号的光谱示意图。
具体实施方式
针对现有技术不足，本发明的目的是利用光子辅助用简单的系统结构同时实现基带/低频电调频信号的倍频与上变频，本发明的具体思路是利用电光调制的高阶边带实现信号倍频，利用相参光谱分量的差拍实现信号的上变频，利用光域的杂散边带对消实现倍频与上变频过程中的杂散抑制。其中，光域的杂散边带对消通过对调制器偏置点的控制、对调制器驱动信号相位差的设计、及已调信号在光域的相参叠加等多种方式联合实现。
具体而言，本发明所提出的基于光子学的宽带调频微波信号生成方法，分别用微波本振信号、基带/低频电调频信号对同源的两路单频光载波进行光M阶单边带调制、光二阶单边带调制，分别生成低阶边带和M阶一侧边带被抑制而光载波和M阶另一侧边带被保留的光M阶单边带调制信号以及低阶边带和二阶一侧边带被抑制而光载波和二阶另一侧边带被保留的光二阶单边带调制信号，M为≥1的整数；通过将光M阶单边带调制信号与光二阶单边带调制信号叠加实现其中光载波分量的对消；将叠加后的光信号转换为电信号，得到带宽为所述基带/低频电调频信号带宽的2倍，中心频率为所述微波本振信号频率M倍的宽带调频微波信号。
所述基带/低频电调频信号可以是复数信号，也可以是实数信号。
图1显示了本发明宽带调频微波信号生成装置的基本结构。如图1所示，由激光器输出的单频激光载波被等分成两路，分别送入光M阶单边带调制模块和光二阶单边带调制模块中；两个单边带调制模块分别由倍频前的微波本振信号和待倍频和上变频的基带/低频电调频信号驱动，对两路光载波分别进行光M阶单边带调制、光二阶单边带调制，分别生成低阶边带和M阶一侧边带被抑制而光载波和M阶另一侧边带被保留的光M阶单边带调制信号以及低阶边带和二阶一侧边带被抑制而光载波和二阶另一侧边带被保留的光二阶单边带调制信号，M为≥1的整数。由于基带信号的一阶调制边带与高阶调制边带存在频谱上的重叠，对一阶调制边带的抑制需通过光域的对消实现，而不能利用光滤波器完成。类似地，因为复数基带信号的同相与正交分量的频谱相互重叠，为抑制复数基带信号调制过程中的镜像频率，电光调制模块应具有对消单侧边带的能力。因此，光高阶单边带调制模块的作用是在完成电光调制的同时，抑制一阶调制边带和单侧的高阶边带，以实现信号的低杂散倍频。两个调制模块的输出信号被同时送入光域信号叠加模块中，以实现光载波和其他不需要的光谱分量的对消。最后，将光域信号叠加模块的输出信号接入光电探测器中，即可通过微波本振高阶边带和基带/低频电调频信号高阶边带之间的差拍，实现基带/低频电信号的倍频与上变频，产生带宽为所述基带/低频电调频信号带宽的2倍，中心频率为所述微波本振信号频率M倍的宽带调频微波信号。
M阶单边带调制模块和光二阶单边带调制模块可采用现有各种方案实现，例如简单调制器和陡峭沿光滤波器组合使用的方案，和利用具有特定相位差的多路电信号驱动复杂调制器的方案等。图2显示了光二阶单边带调制模块的一个优选方案，其主要包括1个45度电移相模块和1个双平行马赫曾德尔调制器(正交调制器)。假设用于驱动调制器的电信号为
s0(t)＝A(t)ejφ(t) (1)
其中A(t)和φ(t)分别为表示幅度和相位的实数函数。将这一电信号分成等幅同相的两路，并将其中一路移相45度，另一路不移相。这样，即得到了两路幅度相同，但有45度相位差的信号。这两路信号可分别表示为
其中Re{·}表示取实部，这与实际调制器需由实数信号驱动相适应。将这两路信号分别送入正交调制器中两个子调制器的调制端口，并将正交调制器的两个子调制器都偏置于最大传输点，两个子调制器的合成臂偏置于正交点，则正交调制器输出光信号的预包络可表示为
其中fc表示光载波的频率，β表示调制指数。在小信号调制下，利用近似公式
可得
可见，输出光谱主要由光载波分量和与2倍频对应的负二阶边带分量构成，而不含有正负一阶边带分量和正二阶边带分量，即实现了光二阶单边带调制。
为了便于公众理解，下面通过两个具体实施例来对本发明技术方案进行进一步详细说明：
第一个实施例的宽带调频微波信号生成装置可将基带/低频电调频信号2倍频，并将其上变频至本振信号的2倍频处，即光M阶单边带调制模块中取M＝2。其基本结构如图3所示，包括1个激光器、1个双偏振双平行马赫曾德尔调制器、1个微波本振源、1个45°微波混合耦合器、1个基带/低频电调频信号发生器、1个偏振控制器、一个检偏器和一个光电探测器。首先，激光器产生的光载波被送入双偏振双平行马赫曾德尔调制器接受电信号的调制。微波本振源的输出信号经45°微波混合耦合器生成两路幅度相同、相位差为45°的信号，用于驱动双偏振调制器在X偏振态上的双平行马赫曾德尔调制器，生成与微波本振信号对应的光M阶单边带调制信号，此时取M等于2。相应的光谱示意图如图4a所示。可见，正负一阶调制边带和正二阶调制边带被抑制，而光载波与负二阶调制边带被保留。待倍频与上变频处理的基带/低频电信号由基带/低频电调频信号发生器产生，该信号发生器可同时输出两路幅度相同、相位差为45°的电信号，用于驱动双偏振调制器在Y偏振态上的双平行马赫曾德尔调制器，生成与待处理基带/低频电信号对应的光二阶单边带调制信号，其光谱示意图如图4b所示。双偏振调制器输出的偏振复用信号被送入检偏器中，以将X和Y偏振态上的信号叠加在同一个偏振态，同时完成对光载波分量的对消。检偏器之前的偏振控制器用于调节偏振复用信号的偏振态和相位差，可实现信号叠加过程中叠加系数的调整，有利于提升载波对消比。图4c显示了光载波分量被对消后，即光电探测器输入信号的光谱示意图。检偏器的输出光信号随后被送入高速光电探测器中。这样，光信号中微波本振的倍频边带与基带/低频信号的倍频边带即可通过差拍作用产生倍频与上变频后的宽带微波信号。所产生的微波信号的带宽为基带/低频电调频信号调频范围的2倍，中心频率为微波本振信号频率的2倍。
第二个实施例的宽带调频微波信号生成装置可将基带/低频电调频信号2倍频，并将其上变频至本振信号处，即光M阶单边带调制模块中取M＝1。如图5所示，其包括1个激光器、1个双平行马赫曾德尔调制器、1个双驱动马赫曾德尔调制器、1个微波本振源、1个120°微波混合耦合器、1个基带/低频电调频信号发生器、2个1:1光耦合器、一个可调光延时线、一个可调光衰减器和一个光电探测器。首先，激光器产生的光载波被光耦合器1分成两路，分别送入双驱动马赫曾德尔调制器和双平行马赫曾德尔调制器中作为光载波，接受电信号的调制。微波本振源的输出信号经120°微波混合耦合器生成两路幅度相同、相位差为120°的信号。这两路信号可用作双驱动马赫曾德尔调制器的驱动信号，以生成与微波本振信号对应的光M阶单边带调制信号，此时取M等于1(其具体原理可参考文献M.Xue,S.L.Pan,andY.J.Zhao,"Optical single-sideband modulation based on a dual-drive MZM and a120-degree hybrid coupler,"IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology,vol.32,no.19,pp.3317-3323,Oct.2014.)。相应的光谱示意图如图6a所示。可见，正一阶调制边带被抑制，而光载波与负一阶调制边带被保留。待倍频与上变频处理的基带/低频电信号由基带/低频电调频信号发生器产生。该信号发生器可同时输出两路幅度相同、相位差为45°的电信号，用于驱动双平行马赫曾德尔调制器，生成与待处理基带/低频电信号对应的光二阶单边带调制信号，其光谱示意图如图6b所示。两个调制器的输出经延时与强度调节后，在光耦合器2中实现叠加，同时完成对光载波分量的对消。图6c显示了光载波分量被对消后，即光电探测器输入信号的光谱示意图。光耦合器2的输出光信号随后被送入高速光电探测器中。这样，光信号中微波本振的调制边带与基带/低频信号的倍频边带即可通过差拍作用产生倍频与上变频后的宽带微波信号。所产生的微波信号的带宽为基带/低频电调频信号调频范围的2倍，中心频率为微波本振信号频率。
Claims (6)
1.一种基于光子学的宽带调频微波信号生成方法，其特征在于，分别用微波本振信号、基带/低频电调频信号对同源的两路单频光载波进行光M阶单边带调制、光二阶单边带调制，分别生成低阶边带和M阶一侧边带被抑制而光载波和M阶另一侧边带被保留的光M阶单边带调制信号以及低阶边带和二阶一侧边带被抑制而光载波和二阶另一侧边带被保留的光二阶单边带调制信号，M为≥1的整数；通过将光M阶单边带调制信号与光二阶单边带调制信号叠加实现其中光载波分量的对消；将叠加后的光信号转换为电信号，得到带宽为所述基带/低频电调频信号调频范围的2倍，中心频率为所述微波本振信号频率M倍的宽带调频微波信号。
2.如权利要求1所述宽带调频微波信号生成方法，其特征在于，所述光二阶单边带调制的具体方法如下：将所述基带/低频电调频信号分为两路存在(π/4+kπ/2)相位差的电信号，分别送入双平行马赫曾德尔调制器的两个调制端口，所述双平行马赫曾德尔调制器的两个子调制器都偏置于最大传输点，两个子调制器的合成臂偏置于正交点，则该双平行马赫曾德尔调制器输出所述光二阶单边带调制信号；所述k为整数。
3.如权利要求1或2所述宽带调频微波信号生成方法，其特征在于，在同一双偏振电光调制器的两个输出偏振态上分别进行所述光M阶单边带调制、光二阶单边带调制，分别生成所述光M阶单边带调制信号和光二阶单边带调制信号，然后使用检偏器实现两者的叠加。
4.一种基于光子学的宽带调频微波信号生成装置，其特征在于，包括：
光M阶单边带调制模块，用于用微波本振信号对同源的两路单频光载波中的一路进行光M阶单边带调制，生成低阶边带和M阶一侧边带被抑制而光载波和M阶另一侧边带被保留的光M阶单边带调制信号，M为≥1的整数；
光二阶单边带调制模块，用于用基带/低频电调频信号对所述同源的两路单频光载波中的另一路进行光二阶单边带调制，生成低阶边带和二阶一侧边带被抑制而光载波和二阶另一侧边带被保留的光二阶单边带调制信号；
光域信号叠加模块，用于通过将光M阶单边带调制信号与光二阶单边带调制信号叠加实现其中光载波分量的对消；
光电转换模块，用于将叠加后的光信号转换为电信号，得到带宽为所述基带/低频电调频信号调频范围的2倍，中心频率为所述微波本振信号频率M倍的宽带调频微波信号。
5.如权利要求4所述宽带调频微波信号生成装置，其特征在于，所述光二阶单边带调制模块包括：
调制信号分路与移相模块，用于将所述基带/低频电调频信号分为两路存在(π/4+kπ/2)相位差的电信号，所述k为整数；
电光调制模块，其为两个子调制器分别由调制信号分路与移相模块所输出的两路电信号驱动的双平行马赫曾德尔调制器，所述两个子调制器都偏置于最大传输点，两个子调制器的合成臂偏置于正交点。
6.如权利要求4或5所述宽带调频微波信号生成装置，其特征在于，所述光M阶单边带调制模块和光二阶单边带调制模块分别为同一双偏振电光调制器的两个输出不同偏振态的子调制器，所述光域信号叠加模块为检偏器。
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