CN110932787A - 一种基于直调激光器的跳频通信系统和跳频信号生成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于直调激光器的跳频通信系统和跳频信号生成方法，以光外差的形式，一路利用幅度跳变的电信号驱动直调激光器和级联的光强度调制器获得频率跳变的光载波；另一路利用电光调制器将基带电信号调制到光波，将两路光信号合路并在光电探测器处进行拍频，得到宽带、高速频率跳变的射频电信号。本发明的方案简单高效，支持超大带宽和超高跳变速度，广泛应用于超宽带高速跳频通信系统中，具有较强的工程实用性。

Description

一种基于直调激光器的跳频通信系统和跳频信号生成方法
技术领域
本发明属于光载无线通信技术领域，具体涉及一种基于直调激光器的跳频通信系统和跳频信号生成方法。
背景技术
跳频通信具有良好的抗干扰和抗截获能力，故广泛应用于各种通信场景，尤其是军事电子对抗领域。跳频通信系统中的一个重要模块是频率合成器，用于生成频率跳变的射频源，目前常用的频率合成技术包括锁相式频率合成、直接数字频率合成以及它们的组合。锁相式频率合成通过锁相环完成频率的合成，该方法结构简化,且频谱纯度高；但由于反馈回路的固有时延,其跳变速度受到限制。直接数字频率合成是一种基于数字信号处理的频率合成技术，该方法直接对参考正弦时钟进行抽样和数字化,然后通过数字计算技术进行频率合成；由于其采用线性的工作方式来输出需要的频率，具有极快的跳频速度，但受数模转换器的分辨率限制，在对参考信号数字化时会产生幅度量化误差，从而影响输出频谱，带来一定的杂散信号。有一些技术将上述两种方法组合来弥补各自的不足，但现有技术都受到电子器件带宽的限制，难以产生超宽带的射频源。为满足未来通信系统越来越高的带宽要求，需要寻找新的跳变频率合成方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于直调激光器的跳频通信系统和跳频信号生成方法，用于生成宽带、快速跳变的射频源。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于直调激光器的跳频通信系统，包括驱动信号源、直调激光器、光强度调制器、连续光源、电光调制器和光电探测器；直调激光器的光输出端与光强度调制器的光输入端连接，驱动信号源的信号输出端分别与直调激光器和强度调制器的信号输入端连接，连续光源的光输出端与电光调制器的光输入端连接，光强度调制器和电光调制器的光输出端分别与光电探测器的光输入端连接；驱动信号源用于分别生成驱动直调激光器的幅度跳变的驱动电信号1和驱动光强度调制器的驱动电信号2；直调激光器用于根据驱动电信号1生成频率跳变的光载波；光强度调制器用于根据驱动电信号2对直调激光器输出的光信号进行外调制以控制光功率；连续光源用于生成连续光波；电光调制器用于将基带电信号调制到连续光波；光电探测器用于将光强度调制器和电光调制器输出的两路光信号拍频并转换为频率跳变的射频电信号。
按上述方案，还包括光耦合器，光强度调制器和电光调制器的光输出端通过光耦合器合并后与光电探测器的光输入端连接。
进一步的，还包括高通滤波器，光电探测器的信号输出端与高通滤波器的信号输入端连接，高通滤波器用于滤除谐波。
一种基于直调激光器的跳频信号生成方法，包括以下步骤：
S1：通过幅度跳变的驱动电信号1控制直调激光器输出的光波长，用直调激光器的啁啾效应产生频率跳变的光载波；
S2：根据直调激光器的驱动电信号1设置光强度调制器的驱动电信号2，对直调激光器输出的光信号进行外调制，控制光功率以减少光信号功率的抖动；
S3：连续光源生成连续光波，电光调制器将基带电信号调制到连续光波；
S4：通过光外差法将将步骤S2和S3得到的两路光信号合并送入光电探测器处拍频，产生频率为两光波频率差的频率跳变的射频电信号。
进一步的，所述的步骤S2中，具体步骤为：设直调激光器的量子效率即线性区的工作曲线斜率为GL，直调激光器的阈值电流为Ith，则直调激光器输出的光功率Pout与驱动电流I的关系为：
Pout＝GL(I-Ith)。
进一步的，所述的步骤S4中，具体步骤为：
S41：设基带信号为x(t)，各频率分量为ωn，该频率分量对应的时间序列为tn，则频率跳变的射频电信号s(t)为：
s(t)＝x(t)·(cosω1t1+cosω2t2+…+cosωntn)；
S42：通过高通滤波器滤除s(t)中的谐波，得到频率为两光波频率差的频率跳变的射频电信号。
本发明的有益效果为：
1.本发明的一种基于直调激光器的跳频通信系统和跳频信号生成方法通过幅度跳变的电信号驱动直调激光器得到频率跳变的光载波，实现了生成宽带、快速跳变的射频源的功能，能够应用于对带宽和频率跳变速度有较高要求的跳频通信系统中。
2.本发明的方案简单高效，具有复杂度低、性能上限好、信噪比高的特点，工程实用性强。
附图说明
图1是本发明实施例的基于直调激光器的超宽带跳频通信系统的原理框图。
图2是本发明实施例的跳变频信号的生成方法流程图。
图3是本发明实施例的直调激光器工作曲线图。
图4是本发明实施例的双幅度驱动波形图。
图5是本发明实施例的双幅度驱动波形的对应光谱图。
图6是本发明实施例的三幅度驱动波形图。
图7是本发明实施例的三幅度驱动波形的对应光谱图。
图8是本发明实施例的三幅度驱动的包络与原始信号的均方根误差曲线图。
图9是本发明实施例的原始基带信号波形图。
图10是本发明实施例的无强度调制器时包络检波后信号波形图。
图11是本发明实施例的有强度调制器时包络检波后信号波形图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1，本发明的一种基于直调激光器的跳频通信系统包括驱动信号源、直调激光器、光强度调制器、连续光源、电光调制器、光耦合器、光电探测器和高通滤波器；直调激光器的光输出端与光强度调制器的光输入端连接，驱动信号源的信号输出端分别与直调激光器和强度调制器的信号输入端连接，连续光源的光输出端与电光调制器的光输入端连接，光强度调制器和电光调制器的光输出端通过光耦合器合并后与光电探测器的光输入端连接，光电探测器的信号输出端与高通滤波器的信号输入端连接，高通滤波器依次连接平方器和低通滤波器；驱动信号源用于分别生成驱动直调激光器的幅度跳变的驱动电信号1和驱动光强度调制器的驱动电信号2；直调激光器用于根据驱动电信号1生成频率跳变的光载波；光强度调制器用于根据驱动电信号2对直调激光器输出的光信号进行外调制以控制光功率；连续光源用于生成连续光波；电光调制器用于将基带电信号调制到连续光波；光电探测器用于将光强度调制器和电光调制器输出的两路光信号拍频并转换为频率跳变的射频电信号，高通滤波器用于滤除谐波。
参见图2，一种基于直调激光器的跳频信号生成方法，包括以下步骤：
S1：通过幅度跳变的驱动电信号1控制直调激光器输出的光波长，用直调激光器的啁啾效应产生频率跳变的光载波信号。
S2：根据直调激光器的驱动电信号1设置光强度调制器的驱动电信号2，对直调激光器输出的光信号进行外调制，控制光功率以减少光信号功率的抖动；当驱动电流大于直调激光器的阈值电流时，激光器处于线性工作区，设直调激光器的量子效率即线性区的工作曲线斜率为GL，直调激光器的阈值电流为Ith，则直调激光器输出的光功率Pout与驱动电流I的关系为：
Pout＝GL(I-Ith)。
S3：连续光源生成连续光波，电光调制器将基带电信号调制到连续光波；
S4：通过光外差法将步骤S2和S3得到的两路光信号合并送入光电探测器处拍频，产生频率为两路光波频率差的频率跳变的射频电信号；
S41：设基带信号为x(t)，各频率分量为ωn，该频率分量对应的时间序列为tn，则频率跳变的射频电信号s(t)为：
s(t)＝x(t)·(cosω1t1+cosω2t2+…+cosωntn)；
S42：通过高通滤波器滤除s(t)中的谐波。
参见图3为典型的直调激光器工作曲线图,由电信号直接驱动激光器改变激光器输出光功率的大小，同时完成发光和波长控制。
参见图4、图5所示的双幅度跳变的驱动波形图与对应生成的频率跳变的光载波光谱图，和图6、图7所示的三幅度跳变的驱动波形图与对应生成的频率跳变的光载波光谱图，不同的驱动幅度对应生成不同频率的光载波，本发明得到的跳变频率源带宽最高达到10GHz量级，相较于传统电域方法的带宽有了很大程度的提升，并且跳变速度快，达到微秒量级。
参见图8所示的三幅度驱动情况下光强度调制器的电驱动信号2取不同峰峰值时对应的射频信号包络与原始信号的均方根误差曲线图，当峰峰值为0.3V时对应的误差最小，信号波形最接近。射频信号包络检测可通过平方律探测和低通滤波实现。
参见图9所示的原始基带信号波形图与图10所示的无光强度调制器时包络检波后信号波形图、图11所示的峰峰值为0.3V的三幅度驱动电信号驱动光强度调制器时包络检波后信号波形图的对比，通过光强度调制器对直调激光器输出的光功率进行控制，降低了跳变光波长的功率的抖动，有效改善了包络的跳变程度。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于直调激光器的跳频通信系统，其特征在于：包括驱动信号源、直调激光器、光强度调制器、连续光源、电光调制器和光电探测器；
直调激光器的光输出端与光强度调制器的光输入端连接，驱动信号源的信号输出端分别与直调激光器和强度调制器的信号输入端连接，连续光源的光输出端与电光调制器的光输入端连接，光强度调制器和电光调制器的光输出端分别与光电探测器的光输入端连接；
驱动信号源用于分别生成驱动直调激光器的幅度跳变的驱动电信号1和驱动光强度调制器的驱动电信号2；
直调激光器用于根据驱动电信号1生成频率跳变的光载波；
光强度调制器用于根据驱动电信号2对直调激光器输出的光信号进行外调制以控制光功率；
连续光源用于生成连续光波；
电光调制器用于将基带电信号调制到连续光波；
光电探测器用于将光强度调制器和电光调制器输出的两路光信号拍频并转换为频率跳变的射频电信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于直调激光器的跳频通信系统，其特征在于：还包括光耦合器，光强度调制器和电光调制器的光输出端通过光耦合器合并后与光电探测器的光输入端连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于直调激光器的跳频通信系统，其特征在于：还包括高通滤波器，光电探测器的信号输出端与高通滤波器的信号输入端连接，高通滤波器用于滤除谐波。
4.基于权利要求1到3中任意一项所述的一种基于直调激光器的跳频通信系统的跳频信号生成方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：通过幅度跳变的驱动电信号1控制直调激光器输出的光波长，用直调激光器的啁啾效应产生频率跳变的光载波；
S2：根据直调激光器的驱动电信号1设置光强度调制器的驱动电信号2，对直调激光器输出的光信号进行外调制，控制光功率以减少光信号功率的抖动；
S3：连续光源生成连续光波，电光调制器将基带电信号调制到连续光波；
S4：通过光外差法将将步骤S2和S3得到的两路光信号合并送入光电探测器处拍频，产生频率为两光波频率差的频率跳变的射频电信号。
5.根据权利要求4所述的一种基于直调激光器的跳频通信系统和跳频信号生成方法，其特征在于：所述的步骤S2中，具体步骤为：设直调激光器的量子效率即线性区的工作曲线斜率为GL，直调激光器的阈值电流为Ith，则直调激光器输出的光功率Pout与驱动电流I的关系为：
Pout＝GL(I-Ith)。
6.根据权利要求5所述的一种基于直调激光器的跳频通信系统和跳频信号生成方法，其特征在于：所述的步骤S4中，具体步骤为：
S41：设基带信号为x(t)，各频率分量为ωn，该频率分量对应的时间序列为tn，则频率跳变的射频电信号s(t)为：
s(t)＝x(t)·(cosω1t1+cosω2t2+…+cosωntn)；
S42：通过高通滤波器滤除s(t)中的谐波，得到频率为两光波频率差的频率跳变的射频电信号。
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