CN111323649B - 微波光子宽带频谱测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微波光子宽带频谱测量方法，用线性调频信号对光载波进行调制处理，生成仅保留线性调频信号正、负n阶边带的两路一级调制光信号；用待测微波信号对仅保留线性调频信号正/负n阶边带的一路一级调制光信号进行仅保留负/正一阶边带的调制，并将所生成的二级调制光信号与另一路一级调制光信号正交混频后进行平衡光电探测，对得到的两路电信号分别引入90°相位差并与原信号交错合并，得到互为镜频的两路电信号；然后分别进行中频带通滤波并提取滤波后信号的包络；进行时频对应，得到待测微波信号的频谱。本发明还公开了一种微波光子宽带频谱测量装置。相比现有技术，本发明工作频率更高，带宽更大，扫描速度更快，频谱测量范围更广。
Description
技术领域
本发明涉及一种频谱测量方法，尤其涉及一种微波光子宽带频谱测量方法。
背景技术
频率测量是对无线频谱资源、无线电台站、电磁环境进行管理的一个重要手段，在军民领域起着重要作用。
目前，人们对无线通信业务的要求日益提升，而无线频谱资源的稀少和匮乏是限制无线通信业务发展的主要问题。现有的频谱资源愈发拥挤，难以满足人们对通信速率提升的需求。因此，需要高效的频率测量技术对频谱进行有效管理。随着无线通信系统向着高频、宽带方向的快速演进，未来的无线频率测量系统也应针对相应方向发展。传统的频率测量技术主要基于电器件得以实现，受限于电子瓶颈，工作频率低、带宽小、测量范围有限且效率低。
相较于电的频率测量技术，微波光子频率测量技术可突破上述局限，它具有工作频率高、工作带宽大和抗电磁干扰能力强等优势。现有的微波光子频率测量技术可以分为三大类：功率测量法、光信道化法及时域拉伸法。这三类方法仍存在测量信号类型单一、测量范围有限及测量效率低下等问题。
为了提高微波光子频谱测量技术性能，潘时龙课题组在一篇中国发明专利CN108918967A中提出了“基于微波光子倍频与混频的频谱实时监测方法及装置”。该技术的思路是将待测微波信号和本振线性调频信号电光调制于同一光载波上，生成仅保留同一侧的本振线性调频信号n阶边带和待测微波信号一阶边带的调制光信号，n为正整数；对所述调制光信号进行光电探测，然后利用一窄通带中频带通滤波器对所得电信号进行滤波，并提取滤波后信号的包络；根据所述滤波后信号的包络进行时频对应，得到待测微波信号的频谱。该技术通过对本振线性调频信号进行倍频提升了工作带宽及频谱扫描速率，一定程度上改善了频谱监测系统性能，但其仅利用了同一侧的本振线性调频信号n阶边带和待测微波信号一阶边带，只有本振信号为扫频信号，测量范围只能提升n倍。
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，提供一种微波光子宽带频谱测量方法，其工作频率更高，带宽更大，扫描速度更快，频谱测量范围更广。
本发明技术方案具体如下：
一种微波光子宽带频谱测量方法，用线性调频信号对光载波进行调制处理，生成两路一级调制光信号，一路仅保留线性调频信号正n阶边带，另一路仅保留线性调频信号负n阶边带，n为正整数；用待测微波信号对其中仅保留线性调频信号正/负n阶边带的一路一级调制光信号进行仅保留负/正一阶边带的调制，并将所生成的二级调制光信号与另一路一级调制光信号正交混频后进行平衡光电探测，对得到的两路电信号分别引入90°相位差并与原信号交错合并，得到互为镜频的两路电信号；对所述互为镜频的两路电信号分别进行中频带通滤波并提取滤波后信号的包络；根据所述两路滤波后信号的包络进行时频对应，得到待测微波信号的频谱。
优选地，所述时频对应的公式具体如下：
其中，t为时间，t1、t2分别为所述线性调频信号的起始频率f1和终止频率f2的对应时刻，fI为所述中频带通滤波的通带中心频率，fR1、fR2为待测微波信号中互为镜频的频率分量。
优选地，使用马赫曾德尔调制器级联可编程光处理器的方式生成所述两路一级调制光信号。
优选地，使用载波抑制的单边带调制方法进行所述仅保留负/正一阶边带的调制。
优选地，利用一个2×2路90°微波电桥实现所述对得到的两路电信号分别引入90°相位差并与原信号交错合并。
基于相同的发明构思还可以得到以下技术方案：
一种微波光子宽带频谱测量装置，包括：
微波光子倍频单元，用于用线性调频信号对光载波进行调制处理，生成两路一级调制光信号，一路仅保留线性调频信号正n阶边带，另一路仅保留线性调频信号负n阶边带，n为正整数；
微波光子宽带正交混频单元，用于用待测微波信号对其中仅保留线性调频信号正/负n阶边带的一路一级调制光信号进行仅保留负/正一阶边带的调制，并将所生成的二级调制光信号与另一路一级调制光信号正交混频后进行平衡光电探测，对得到的两路电信号分别引入90°相位差并与原信号交错合并，得到互为镜频的两路电信号；
滤波及检波单元，用于对所述互为镜频的两路电信号分别进行中频带通滤波并提取滤波后信号的包络；
信号采集与处理单元，用于根据所述两路滤波后信号的包络进行时频对应，得到待测微波信号的频谱。
优选地，所述时频对应的公式具体如下：
其中，t为时间，t1、t2分别为所述线性调频信号的起始频率f1和终止频率f2的对应时刻，fI为所述中频带通滤波的通带中心频率，fR1、fR2为待测微波信号中互为镜频的频率分量。
优选地，所述微波光子倍频单元为马赫曾德尔调制器级联可编程光处理器。
优选地，使用载波抑制的单边带调制装置进行所述仅保留负/正一阶边带的调制。
优选地，利用一个2×2路90°微波电桥实现所述对得到的两路电信号分别引入90°相位差并与原信号交错合并。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
本发明在光域将线性调频信号n倍频，通过滤波得到分别包含两侧边带的两路一级调制光信号，将待测信号调制于其中一路之上，得到一路二级调制光信号；将另一路一级调制光信号与二级调制光信号进行正交混频并对其进行平衡探测。参与光电转换过程的两路调制光信号同时为扫频信号，充分利用了频谱资源，使得扫描带宽的起始频率和宽度均扩大为原来的2n倍，单位带宽内的扫描速度也扩大了2n倍，提高了频谱测量的频率、工作带宽和扫描速度；且本发明可同时获取互为镜频的频率信息，进一步扩大了频谱测量范围；本发明突破了电混频器对带宽和频率的限制，从另一方面有效提高了频谱测量的频率范围和工作带宽。
附图说明
图1为本发明一个具体实施例的结构原理示意图。
具体实施方式
针对现有微波频谱测量技术的不足，本发明的基本思路是：利用微波光子倍频，扩大信号扫描带宽的起始频率、扫描范围及单位带宽扫描速度；利用微波光子正交混频，同时获取互为镜频的频率信息，进一步扩大频谱测量范围；突破电混频器对频谱测量系统工作频率和带宽的限制；结合微波光子倍频与正交混频，实现高频、大带宽、实时的频谱测量。
然而，如果简单改进CN108918967A的技术方案，企图通过同时获取两侧的本振线性调频信号n阶边带和待测微波信号一阶边带来提高测量范围，则由于光电探测器为平方律检波器件，待测微波信号中关于2n倍本振线性调频信号频率互为镜频的频率分量在经过同一个光电探测器与2n倍本振信号拍频后将输出为一路同一频率的电信号，难以区分。导致该系统无法同时测量频率位于2n倍本振线性调频信号频谱两侧的微波信号，测量范围因此受限。
为此，本发明提出了以下技术方案：
一种微波光子宽带频谱测量方法，用线性调频信号对光载波进行调制处理，生成两路一级调制光信号，一路仅保留线性调频信号正n阶边带，另一路仅保留线性调频信号负n阶边带，n为正整数；用待测微波信号对其中仅保留线性调频信号正/负n阶边带的一路一级调制光信号进行仅保留负/正一阶边带的调制，并将所生成的二级调制光信号与另一路一级调制光信号正交混频后进行平衡光电探测，对得到的两路电信号分别引入90°相位差并与原信号交错合并，得到互为镜频的两路电信号；对所述互为镜频的两路电信号分别进行中频带通滤波并提取滤波后信号的包络；根据所述两路滤波后信号的包络进行时频对应，得到待测微波信号的频谱。
一种微波光子宽带频谱测量装置，包括：
微波光子倍频单元，用于用线性调频信号对光载波进行调制处理，生成两路一级调制光信号，一路仅保留线性调频信号正n阶边带，另一路仅保留线性调频信号负n阶边带，n为正整数；
微波光子宽带正交混频单元，用于用待测微波信号对其中仅保留线性调频信号正/负n阶边带的一路一级调制光信号进行仅保留负/正一阶边带的调制，并将所生成的二级调制光信号与另一路一级调制光信号正交混频后进行平衡光电探测，对得到的两路电信号分别引入90°相位差并与原信号交错合并，得到互为镜频的两路电信号；
滤波及检波单元，用于对所述互为镜频的两路电信号分别进行中频带通滤波并提取滤波后信号的包络；
信号采集与处理单元，用于根据所述两路滤波后信号的包络进行时频对应，得到待测微波信号的频谱。
其中，微波光子倍频单元可以通过将线性调频信号对光载波分别分成两路，然后分别利用调制器级联光滤波器的方式获得两路一级调制光信号；也可以直接使用马赫曾德尔调制器级联可编程光处理器的方式生成所述两路一级调制光信号；本发明优选后者。
微波光子宽带正交混频单元中所述仅保留负/正一阶边带的调制，可以采用双边带调制器级联光滤波器的方式或直接采用载波抑制的单边带调制方式。
n的取值可以是1、2、3……，本发明优选3。
为便于公众理解，下面通过一个具体实施例并结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：
如图1所示，本实施例的频谱测量装置包括：一个激光器、一个马赫曾德尔调制器、一个线性调频信号发生器、一个可编程光处理器、一个1×2路90°微波电桥、一个双驱动马赫曾德尔调制器、一个90°光混频器、两个平衡光电探测器、一个2×2路90°微波电桥、两个中频窄带滤波器、两个检波器、两个模数转换器和个人计算机。激光器输出端连接马赫曾德尔调制器的光波输入端；马赫曾德尔调制器的光波输出端连接可编程光处理器；可编程光处理器的输出端口2连接双驱动马赫曾德尔调制器，可编程光处理器的输出端口1与双驱动马赫曾德尔调制器的光波输出端分别接入90°光混频器的两个输入端口；90°光混频器的四个输出端口分别连接两个平衡光电探测器并输入至2×2路90°微波电桥，之后每一路分别级联中频窄带滤波器、检波器、模数转换器，最后送至个人计算机。
如图1所示，线性调频信号发生器所输出的线性调频信号的频率fLFM随时间线性变化，其变化范围为[f1,f2]，其中，f1为其起始频率，对应时刻t1，f2为其终止频率，对应时刻t2。假设某时刻t(t1≤t≤t2)时的频率为fLFM，则
将线性调频信号输入到马赫曾德尔调制器的射频输入端，马赫曾德尔调制器的光输入端输入的是频率为fc的连续光载波信号。则马赫曾德尔调制器的输出光谱包含线性调频信号的多个边带，第+n阶线性调频信号边带频率范围为[fc+nf1,fc+nf2]，第-n阶线性调频信号边带频率范围为[fc-n f2,fc-n f1]。通过可编程光处理器分别将第+n阶线性调频信号边带滤出并通过输出端口1输出，可表示为
将第-n阶线性调频信号边带滤出，并通过输出端口2输出至双驱动马赫曾德尔调制器光输入端。将包含有关于2nfLFM互为镜频的频率fR1、fR2(fR1＞fR2)的待测微波信号通过1×2路90°微波电桥输入到双驱动马赫曾德尔调制器射频输入端，则其输出光谱包含待测微波信号对第-n阶线性调频信号边带调制后所得的正一阶边带的二级调制光信号，该二级调制光信号可表示为
接着，将该二级调制光信号与端口1输出的一级调制光信号同时输入到90°光混频器中，得到的四路光信号分别为
将I1、I2及Q1、Q2两两分别输入至两个平衡光电探测器进行平衡光电探测，得到两路电信号
通过2×2路90°微波电桥，分别对iI和iQ引入90°相位差得到jiI和jiQ，并将iI与jiQ、jiI与iQ合并，则微波电桥输出两路电信号分别为
可以看出，待测微波信号中互为镜频的频率在物理层面被区分开，可分别获取两者信息。本实施例中采用一个2×2路90°微波电桥来实现所述对得到的两路电信号分别引入90°相位差并与原信号交错合并；实际上也可采用其它实现方式，例如通过两个1×2路90°微波电桥实现，为节省篇幅起见，此处不再赘述。
则在时刻t,微波电桥输出两路电信号频率分别为
在混频后，两个中频窄带滤波器用来选择特定频率的混频信号，该特定频率即为中频滤波器的中心频率fI。所以，在时刻t,只有满足“fIt1＝fI”“fIt2＝fI”条件的信号才能通过中频滤波器，即
如式(8)、(9)所示，经过中频滤波器，就能够建立待测信号频率fR1、fR2与时间t的一一对应关系。
从时频对应关系可以看出，随着n的增大，其扫描频率范围(2n(f2-f1))会扩大2n倍，另外，单位带宽的扫描速度也会扩大2n倍。但是n的增大也会使得+n阶线性调频信号边带频率范围与+(n+1)阶线性调频信号边带频率范围发生混叠的可能性增大。不发生混叠的条件为
上式表明扫描频率范围的最大值不超过2f1。在本实施例中，我们选取n＝3，并适当选择本振线性调频信号的起始频率f1和终止频率f2，使其满足式(10)。
一旦n选定，该频率测量系统的工作带宽也确定了，即[-fI+2nf1,-fI+2nf2]∪[fI+2nf1,fI+2nf2]。因此，待测信号的频率范围需要处在该范围内。
为了更好地选取线性调频信号的3阶边带，并且最大限度的抑制其它边带，可以从两个方面着手：
一是调节马赫曾德尔调制器的直流偏置，使其工作在最小偏置点，抑制偶数阶边带。需要注意的是，偶数边带的抑制，减小了线性调频信号边带间发生混叠的可能性，这在一定程度上增加了扫描频率范围。此时，不发生混叠的条件为
上式表明扫描频率范围的最大值不超过4f1，将扫描频率的最大范围扩展为原来的两倍。
二是调节马赫曾德尔调制器后面的可编程光处理器，使其分别将线性调频信号的+3阶边带和-3阶边带精确滤出。
同时，为了使两个待测频率范围[-fI+2nf1,-fI+2nf2]、[fI+2nf1,fI+2nf2]互相之间不重叠，需满足-fI+2nf2＜fI+2nf1，即2n(f2-f1)＜2fI。
最后，使用检波器检测出滤波后中频信号的包络，得到每个时刻信号的功率，即可得到每个频率分量的功率。接着，将得到的模拟信号通过模数转换器转变为数字信号，输入到个人计算机按(8)、(9)式进行时频对应即可得到待测微波信号频谱。
Claims (10)
1.一种微波光子宽带频谱测量方法，其特征在于，用线性调频信号对光载波进行调制处理，生成两路一级调制光信号，一路仅保留线性调频信号正n阶边带，另一路仅保留线性调频信号负n阶边带，n为正整数；用待测微波信号对其中仅保留线性调频信号正/负n阶边带的一路一级调制光信号进行仅保留负/正一阶边带的调制，并将所生成的二级调制光信号与另一路一级调制光信号正交混频后进行平衡光电探测，对得到的两路电信号分别引入90°相位差并与原信号交错合并，得到互为镜频的两路电信号；对所述互为镜频的两路电信号分别进行中频带通滤波并提取滤波后信号的包络；根据所述两路滤波后信号的包络进行时频对应，得到待测微波信号的频谱。
2.如权利要求1所述微波光子宽带频谱测量方法，其特征在于，所述时频对应的公式具体如下：
其中，t为时间，t1、t2分别为所述线性调频信号的起始频率f1和终止频率f2的对应时刻，fI为所述中频带通滤波的通带中心频率，fR1、fR2为待测微波信号中互为镜频的频率分量。
3.如权利要求1所述微波光子宽带频谱测量方法，其特征在于，使用马赫曾德尔调制器级联可编程光处理器的方式生成所述两路一级调制光信号。
4.如权利要求1所述微波光子宽带频谱测量方法，其特征在于，使用载波抑制的单边带调制方法进行所述仅保留负/正一阶边带的调制。
5.如权利要求1所述微波光子宽带频谱测量方法，其特征在于，利用一个2×2路90°微波电桥实现所述对得到的两路电信号分别引入90°相位差并与原信号交错合并。
6.一种微波光子宽带频谱测量装置，其特征在于，包括：
微波光子倍频单元，用于用线性调频信号对光载波进行调制处理，生成两路一级调制光信号，一路仅保留线性调频信号正n阶边带，另一路仅保留线性调频信号负n阶边带，n为正整数；
微波光子宽带正交混频单元，用于用待测微波信号对其中仅保留线性调频信号正/负n阶边带的一路一级调制光信号进行仅保留负/正一阶边带的调制，并将所生成的二级调制光信号与另一路一级调制光信号正交混频后进行平衡光电探测，对得到的两路电信号分别引入90°相位差并与原信号交错合并，得到互为镜频的两路电信号；
滤波及检波单元，用于对所述互为镜频的两路电信号分别进行中频带通滤波并提取滤波后信号的包络；
信号采集与处理单元，用于根据所述两路滤波后信号的包络进行时频对应，得到待测微波信号的频谱。
7.如权利要求6所述微波光子宽带频谱测量装置，其特征在于，所述时频对应的公式具体如下：
其中，t为时间，t1、t2分别为所述线性调频信号的起始频率f1和终止频率f2的对应时刻，fI为所述中频带通滤波的通带中心频率，fR1、fR2为待测微波信号中互为镜频的频率分量。
8.如权利要求6所述微波光子宽带频谱测量装置，其特征在于，所述微波光子倍频单元为马赫曾德尔调制器级联可编程光处理器。
9.如权利要求6所述微波光子宽带频谱测量装置，其特征在于，使用载波抑制的单边带调制装置进行所述仅保留负/正一阶边带的调制。
10.如权利要求6所述微波光子宽带频谱测量装置，其特征在于，利用一个2×2路90°微波电桥实现所述对得到的两路电信号分别引入90°相位差并与原信号交错合并。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Simplified microwave signal generation using carrier polarization‐suppressed double sideband modulation and no optical filtering;Wenjing Xu等;《2017 Wiley Periodicals, Inc》;20170226;840-843 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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