CN110716092B - 基于激光鉴频和互相关处理的相位噪声测量装置和测量方法 - Google Patents

基于激光鉴频和互相关处理的相位噪声测量装置和测量方法 Download PDF

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Abstract

基于激光鉴频和互相关处理的相位噪声测量装置和测量方法。一种激光锁相互相关处理相位噪声测量，包含两条相同的独立测量链路，每一条都包括激光源模块、延迟线模块、光电混频模块、光电转换模块，另外待测信号模块和数据采集及互相关算法处理模块是两条链路共有的。本发明可以降低测量链路的底噪，提高噪声灵敏度，提高链路测量精度。

Description

基于激光鉴频和互相关处理的相位噪声测量装置和测量方法
技术领域
本发明涉及光信息处理技术，特别是一种基于激光鉴频和互相关处理的相位噪声测量装置和测量方法，实现对高频段信号在大测量带宽内的高精度相位噪声测量。
背景技术
相位噪声对目前的射频微波处理、雷达探测系统和通讯系统起着越来越重要的影响，其影响着系统的各种指标，在系统结构的研发设计中也有着重要的指导意义，因此准确的相位噪声测量可以有效地提高系统的性能。相位噪声的测量方法主要分为鉴相法、鉴频法和直接频谱测量法，其中鉴相法通过将参考信号与待测信号通过混频并用滤波器滤除高频分量的方法提取出噪声信号，这种方法需要一个优良的参考信号，其噪底决定了测量链路的噪底。一般参考信号的相位噪声需要低于待测信号相位噪声20dBm才可以准确的进行测量，同时再进行混频时参考信号与待测信号之间的相对抖动对测量结果也有着重要的影响，所以通常会搭建锁相环链路来降低抖动，提高测量性能；而鉴频法中需要将待测信号与待测信号延时一段时间后的信号进行混频来完成测量，这种方法可以通过提高延迟线的长度来获得更好的测量性能。
随着雷达探测分辨率的需求提高和信息处理系统的数据速率越来越高，对高频段信号进行大频率带宽相位噪声测量愈加重要。这对电路系统提出了更高的要求，需要电子器件能够对高频段的信号进行测量，当前基于射频器件在低频信号的相位噪声测量中可以获得准确的测量结果，而且可以保持很高的噪声灵敏度。但是随着频率的增加，射频器件的带宽难以满足测量条件，在高频处的相位噪声增大，不管是作为噪声测量时的参考源还是后续测量链路中的有源器件，都会引入较高额外的噪声。而对于鉴频法，基于射频器件的延迟线的可调范围低，这意味着频率偏移范围也会低。所以受限于本身的带宽限制和噪声性能，射频器件在高频段信号的测量不能达到测量需求
基于鉴频法的相位噪声测量都需要在混频器中提取出相位噪声，混频所需要的信号由待测信号和待测信号的延迟信号组成，这一延迟信号可以由光子技术产生的信号替代，所需要的延迟可由光延迟线引入，光延迟线的损耗低，可以提高链路延迟，提高测量精度。而光子技术产生的很窄的脉冲可以让信号达到很高的频段，光信号噪声很低的特性也可以提高系统的测量精度。随着微波光子技术的日渐成熟，处理微波信号器件的带宽也越来越大，可以达到很高的测量频段和可调范围，提高偏移频率的范围。所以微波光子链路以其大带宽低抖动的优点，可以进行高频段信号的相位噪声测量。
在后端的数据处理部分，由于任何测量链路都会因为有源器件的存在带来额外的噪声，限制了测量方案的噪声灵敏度，可以通过互相关算法将这部分噪声抑制，采用的互相关次数越多，额外噪声可以被抑制的越明显，测量的结果也越准确。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种相位噪声测量方法。该方法基于光电混频的原理，利用激光器产生低相噪光信号，利用光电混频器提取出相位噪声。通过两条独立的测量链路，在后端数据处理部分采用互相关算法对链路额外噪声进行抑制，从而提高了测量链路的噪声灵敏度。
本发明的技术解决方案如下：
一种激光锁相互相关处理相位噪声测量，包含两条相同的独立测量链路，每一条都包括激光源模块、延迟线模块、光电混频模块、光电转换模块，另外待测信号模块和数据采集及互相关算法处理模块是两条链路共有的，具体的连接关系如下：
所述的待测信号模块的输出端一分为四，其中两路与两条测量链路中所述的光电混频模块的第一输入端相连，另外两路与两条测量链路中所述激光源模块的输入端相连，所述的激光源模块的输出端与所述的延迟线模块的输入端相连，所述的延迟线模块的输出端与所述的光电混频模块的第二输入端相连，所述的光电混频模块的输入端与所述的光电转换模块的输入端相连，所述的光电转换模块的输出端与所述的数据采集及互相关算法处理模块的第一输入端相连，所述的数据采集及互相关算法处理模块的参考时钟端分别与所述的待测信号源模块的参考时钟端相连。。
所述的激光源为调制频率梳或主动锁模激光器。
所述的延迟线模块为单模光纤、保偏光纤或色散平坦光纤。
所述的待测信号源为压控振荡器、频综源。
所述的光电混频模块为铌酸锂电光调制器、聚合物电光调制器、硅基集成电光调制器、空间光调制器。
所述的光电探测模块为PIN管或APD管。
基于以上技术特点，本发明具有以下优点：
1、采用激光器可以产生相位噪声很低的光信号，可以降低测量链路的底噪，提高噪声灵敏度。
2、光延迟线可以引入很大的延迟的同时保持链路的低损耗，提高了测量精度。
3、光电混频的过程中光参考源信号脉冲很窄，带宽大，可调节范围大，提高了测量链路的偏移频率范围。
4、使用两路不相干的测量链路，测量过程的独立性使得两路中引入的额外噪声是不相关的，数据处理部分采用了互相关法抑制了额外噪声，提高了链路测量精度。
附图说明
图1为本发明激光锁相互相关法测量噪声的一个实施例的框图
图2为本发明的光域信号的延时过程和光电混频过程图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本实施例中如图1所示，基于激光鉴频和互相关处理的相位噪声测量装置包括待测信号源1、激光源模块2、激光源模块3、延迟线模块4、延迟线模块5、光电混频模块6、光电混频模块7、光电转换模块8、光电转换模块9、数据采集及互相关算法处理模块10：
所述的待测信号源1的输出端一分为四，其中两路与所述的第一测量链路中所述的光电混频源模块6和第二测量链路中所述的光电混频源模块7的第一输入端相连相连，另外两路与所述的第一测量链路中所述的激光源模块2和第二测量链路中所述的激光源模块3的输入端相连相连，所述的激光源2的输出端与所述的延迟线模块4的输入端相连，所述的激光源3的输出端与所述的延迟线模块5的输入端相连，所述的延迟线模块4的输出端与所述的第一测量链路中所述的光电混频模块6的第二输入端相连相连，所述的延迟线模块5的输出端与所述的第二测量链路中所述的光电混频模块7的第二输入端相连相连，所述的第一测量链路中所述的光电混频模块6的输出端与所述的第一测量链路中所述的光电转换模块8的输入端相连，所述的第二测量链路中所述的光电混频模块7的输出端与所述的第二测量链路中所述的光电转换模块9的输入端相连，所述的第一测量链路中所述的光电转换模块8的输出端与所述的数据采集及互相关算法处理模块10的第一输入端相连，所述的第二测量链路中所述的光电转换模块9的输出端与所述的数据采集及互相关算法处理模块10的第二输入端相连，所述的数据采集及互相关算法处理模块10是具有labview、MATLAB数据处理软件的计算机，该计算机的参考时钟端与所述的待测信号源1的参考时钟端相连。；
上述过程中激光源提供了噪声很低的光信号，降低了光电混频时引入的相位噪声，同时该方法采用了两条相同但独立的测量链路，待测信号的相位噪声来自同一信号，两条测量链路上引入的额外噪声是不相关的，所以在数据处理后端，运用了互相关算法的处理，抑制了额外噪声，提高了测量灵敏度。
如图所示图2为光域信号的延迟过程和延迟后的光域信号和待测信号在光电混频模块完成混频的过程，其中虚线为延迟前的光域信号，实线为延迟后的光域信号。

Claims (7)

1.一种基于激光鉴频和互相关处理的相位噪声测量装置，其特征在于，包括：待测信号模块(1)、第一激光源(2)、第二激光源(3)、第一延迟线模块(4)、第二延迟线模块(5)、第一光电混频模块(6)、第二光电混频模块(7)、第一光电探测模块(8)、第二光电探测模块(9)、数据采集及互相关算法处理模块(10)，连接关系如下：
所述的待测信号模块(1)的输出端一分为四：分别与所述的第一光电混频模块(6)的第一输入端、所述的第二光电混频源模块(7)的第一输入端、所述的第一激光源(2)的输入端和所述的第二激光源(3)的输入端相连，所述的第一激光源(2)的输出端与所述的第一延迟线模块(4)的输入端相连，所述的第二激光源(3)的输出端与所述的第二延迟线模块(5)的输入端相连，所述的第一延迟线模块(4)的输出端与所述的第一光电混频模块(6)的第二输入端相连，所述的第二延迟线模块(5)的输出端与所述的第二光电混频模块(7)的第二输入端相连，所述的第一光电混频模块(6)的输出端与所述的第一光电探测模块(8)的输入端相连，所述的第二光电混频模块(7)的输出端与所述的第二光电探测模块(9)的输入端相连，所述的第一光电探测模块(8)的输出端与所述的数据采集及互相关算法处理模块(10)的第一输入端相连，所述的第二光电探测模块(9)的输出端与所述的数据采集及互相关算法处理模块(10)的第二输入端相连，所述的数据采集及互相关算法处理模块(10)是具有labview、MATLAB数据处理软件的计算机。
2.根据权利要求1所述的基于激光鉴频和互相关处理的相位噪声测量装置，其特征在于，所述的待测信号模块(1)为压控振荡器或频综源。
3.根据权利要求1所述的基于激光鉴频和互相关处理的相位噪声测量装置，其特征在于，所述的第一激光源模块(2)和第二激光源模块(3)为主动锁模激光器或调制频率梳。
4.根据权利要求1所述的基于激光鉴频和互相关处理的相位噪声测量装置，其特征在于，所述的第一延迟线模块(4)和第二延迟线模块(5)为单模光纤、保偏光纤或色散平坦光纤。
5.根据权利要求1所述的基于激光鉴频和互相关处理的相位噪声测量装置，其特征在于，所述的第一光电混频模块(6)和第二光电混频模块(7)为铌酸锂电光调制器、聚合物电光调制器、硅基集成电光调制器或空间光调制器。
6.根据权利要求1所述的基于激光鉴频和互相关处理的相位噪声测量装置，其特征在于，所述的第一光电探测模块(8)和第二光电探测模块(9)为PIN管或APD管。
7.利用权利要求1至6任一项所述的基于激光鉴频和互相关处理的相位噪声测量装置进行测量的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
1)将待测信号模块(1)的输出端分别与所述的第一激光源模块(2)、第二激光源模块(3)、第一光电混频模块(6)和第二光电混频模块(7)的输入端相连；
2)所述的第一激光源模块(2)、第二激光源模块(3)输出的光域信号通过第一延迟线模块(4)和第二延迟线模块(5)引入延时，获得延迟后的光域信号分别输入所述的第一光电混频模块(6)和第二光电混频模块(7)；
3)延迟后的光域信号与待测信号在所述的第一光电混频模块(6)和第二光电混频模块(7)完成混频处理；
4)混频后的信号进入第一光电探测模块(8)和第二光电探测模块(9)，通过选择低带宽的第一光电探测模块(8)和第二光电探测模块(9)可以使得高频信号被滤除，获得噪声信号并完成光域信号到电信号的转换；
5)通过分别依次设置所述的数据采集及互相关算法处理模块(10)的采集带宽为200Hz、2000Hz、20KHz、200KHz、2MHz，对所述的第一光电探测模块(8)和第二光电探测模块(9)输出的电信号进行采集，分别对应获得包含10～100Hz、100～1000Hz、1000Hz～10KHz、10KHz～100KHz、100KHz～1MHz频偏范围的噪声信号；
6)所述的计算机利用现有的labview、MATLAB数据处理软件对所述的噪声信号进行互相关处理获得相位噪声。
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