CN111614402A - 基于二进制驱动单调制器的太赫兹pam-4信号发生系统及方法 - Google Patents

基于二进制驱动单调制器的太赫兹pam-4信号发生系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于光纤‑无线通信系统技术领域，提供了一种基于二进制驱动单调制器的太赫兹PAM‑4信号发生系统即方法，使用激光器生成两路不同中心频率的光载波；使用保偏光合路器合并两路不同中心频率的光载波得到合并光载波；使用偏振光分束器从合并光载波中分离出两路正交的偏振光；使用两个数据源产生两路二进制电信号用于驱动相应的光强度调制器；使用驱动光强度调制器分别调制两路正交的偏振光；使用偏振光合束器得到具有两个频带的偏振复用光信号；使用光电探测器对偏振复用光信号进行拍频，得到太赫兹PAM‑4信号。本发明无需借助数模转换器，成功实现PAM‑4信号生成，具有具有其低成本，低功耗和系统配置简单等优越性。

Description

基于二进制驱动单调制器的太赫兹PAM-4信号发生系统及 方法
技术领域
本发明属于光纤-无线(Radio-over-Fiber，ROF)通信系统技术领域，具体涉及一种基于二进制驱动单调制器的太赫兹PAM-4信号发生系统即方法。
背景技术
近年来，为了解决通信网络中频谱资源稀缺和容量限制等问题，太赫兹波段系统引起了人们的广泛的关注。太赫兹系统具有充足的带宽，能够满足高容量传输的需求。同时，由于基于光子技术的无线信号发生系统具备超高频率，超宽带宽，超高速率，低损耗以及极低的相位噪声等优越性，因此基于光子辅助的太赫兹信号产生方法被高度重视。采用光子辅助的方案不但可以克服电子器件的带宽限制和电磁干扰，而且其对于实现光纤和无线网络的无缝融合也是必不可少的。光子辅助太赫兹波系统可以应用于许多研究领域，例如宽带无线移动通信，卫星和太空通信以及军事通信。同时，为了提高系统的频谱效率，矢量太赫兹信号的产生和检测是一项关键技术，对矢量太赫兹信号产生的一些新原理和系统结构的研究显得非常重要。传统方法使用数模转换器产生PAM-4的电信号驱动光强度调制器调制激光，系统结构较为复杂，成本较高。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于二进制驱动单调制器的太赫兹PAM-4信号发生系统及方法，无需借助数模转换器，就可以在这种二进制方案中成功实现四个等间隔幅度的PAM-4生成信号。
本发明提供了一种基于二进制驱动单调制器的太赫兹PAM-4信号发生系统，具有这样的特征，包括：激光器单元，用于产生中心频率为f1的连续波激光即第一路光载波及中心频率为f2的连续波激光即第二路光载波；保偏光合路器，用于将第一路光载波及第二路光载波合并，得到合并光载波；偏振复用调制器单元，用于调制合并光载波，得到偏振复用光信号；以及光电探测器，用于对光信号进行拍频产生太赫兹信号，其中，偏振复用调制器单元包括：偏振光分束器，用于从合并光载波中分解出两路正交的偏振光，即X路偏振光及Y路偏振光；第一数据源，用于产生具有第一驱动电压的二进制数据流A；第二数据源，用于产生具有第二驱动电压的二进制数据流B；第一光强度调节器，用于在二进制数据流A的驱动下，对X路偏振光调制得到第一光信号；第二光强度调节器，用于在二进制数据流B的驱动下，对Y路偏振光调制得到第二光信号；偏振光束合器，将第一光信号与第二光信号合并得到偏振复用光信号。
在本发明提供的基于二进制驱动单调制器的太赫兹PAM-4信号发生系统中，还可以具有这样的特征：其中，第二驱动电压的电信号电压幅度小于第一驱动电压的电信号电压幅度。
在本发明提供的基于二进制驱动单调制器的太赫兹PAM-4信号发生系统中，还可以具有这样的特征：其中，合并光载波的信号表示为：Ein(t)＝E1exp(j2πf1t)+E2exp(j2πf2t)，式中，E1为第一路光载波的光场幅度，j为虚部，t为时间，E2为第二路光载波的光场幅度，f1为第一路光载波的中心频率，f2为第二路光载波的中心频率。
在本发明提供的基于二进制驱动单调制器的太赫兹PAM-4信号发生系统中，还可以具有这样的特征：其中，X路偏振光的信号表示为：
Figure BDA0002462911240000031
式中，t为时间，E1为第一路光载波的光场幅度，j为虚部，E2为第二路光载波的光场幅度，f1为第一路光载波的中心频率，f2为第二路光载波的中心频率，a1(t)为二进制数据流A的二进制基带信号。
在本发明提供的基于二进制驱动单调制器的太赫兹PAM-4信号发生系统中，还可以具有这样的特征：其中，Y路偏振光的信号表示为：
Figure BDA0002462911240000032
式中，t为时间，E1为第一路光载波的光场幅度，j为虚部，E2为第二路光载波的光场幅度，f1为第一路光载波的中心频率，f2为第二路光载波的中心频率，a2(t)为二进制数据流B的二进制基带信号。
在本发明提供的基于二进制驱动单调制器的太赫兹PAM-4信号发生系统中，还可以具有这样的特征：其中，太赫兹信号表示为：
Figure BDA0002462911240000033
式中，η是光电探测器的响应度，E1为第一路光载波的光场幅度，E2为第二路光载波的光场幅度，f1为第一路光载波的中心频率，f2为第二路光载波的中心频率，a1(t)为二进制数据流A的二进制基带信号，a2(t)为二进制数据流B的二进制基带信号，t为时间。
在本发明提供的基于二进制驱动单调制器的太赫兹PAM-4信号发生系统中，还可以具有这样的特征：其中，太赫兹信号的中心频率为f2-f1。
在本发明提供的基于二进制驱动单调制器的太赫兹PAM-4信号发生系统中，还可以具有这样的特征：其中，激光器单元包括：第一激光器，用于产生第一路光载波；第二激光器，用于产生第二路光载波。
在本发明提供的基于二进制驱动单调制器的太赫兹PAM-4信号发生系统中，还可以具有这样的特征：其中，Y路正交偏振光的驱动电压的幅度与X路偏振光的驱动电压的幅度的比值为
Figure BDA0002462911240000041
本发明还提供了一种基于二进制单调制器的太赫兹PAM-4信号发生方法，具有这样的特征，包括以下步骤：使用激光器生成两路不同中心频率的光载波；使用保偏光合路器合并两路不同中心频率的光载波得到合并光载波；使用偏振光分束器从合并光载波中分离出两路正交的偏振光；使用数据源产生两路二进制电信号用于驱动光强度调制器；使用驱动光强度调制器分别调制两路正交的偏振光，得到第一光信号及第二光信号；使用偏振光合束器合并第一光信号与第二光信号，得到具有两个频率的偏振复用光信号；使用光电探测器对偏振复用光信号进行拍频，得到太赫兹PAM-4信号。
发明的作用与效果
根据本发明所提供的基于二进制驱动单调制器的太赫兹PAM-4信号发生系统及方法，使用两个激光器生成两路不同中心频率的光载波；使用保偏光合路器合并两路不同中心频率的光载波得到合并光载波；使用偏振光分束器从合并光载波中分离出两路正交的偏振光；使用两个数据源产生两路二进制电信号用于驱动相应的光强度调制器；使用驱动光强度调制器分别调制两路正交的偏振光，得到第一光信号及第二光信号；使用偏振光合束器合并第一光信号与第二光信号，得到具有两个频带的偏振复用光信号；使用光电探测器对偏振复用光信号进行拍频，得到太赫兹PAM-4信号。
本发明通过利用具有不同驱动电压的二进制数据驱动单个偏振复用调制器的方案来产生太赫兹PAM-4信号。该系统无需借助数模转换器，就可以在这种二进制方案中成功实现四个等间隔幅度的PAM-4生成信号。在本发明的无线太赫兹波系统中，采用光子辅助的方案来生成太赫兹信号，而发射机中没有任何高速光电设备。本发明所提出这种太赫兹PAM-4信号的生成方案能取得很好的成本效益，具有具有其低成本，低功耗和系统配置简单等优越性。
附图说明
图1是本发明的实施例中的太赫兹PAM-4信号发生系统的连接关系示意图；
图2是本发明的实施例中的使用保偏光合路器和偏振复用调制器单元实现光载波合并和调制过程中的光谱图；
图3是本发明的实施例中的使用偏振复用调制器单元实现光调制的过程中产生的光谱图及时域眼图；以及
图4是本发明的实施例中的太赫兹信号的频谱图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明一种基于二进制驱动单调制器的太赫兹PAM-4信号发生系统及方法作具体阐述。
<实施例>
本实施例对基于二进制驱动单调制器的太赫兹PAM-4信号发生系统及方法做具体阐述。
图1是本发明的实施例中的太赫兹PAM-4信号发生系统的连接关系示意图。
如图1所示，太赫兹PAM-4信号发生系统包括第一激光器1、第二激光器11、保偏光合路器2、偏振复用调制器单元及光电探测器7。其中偏振复用调制器单元包括偏振光分束器3、第一信号源4、第二信号源44、第一光强度调节器5、第二光强度调节器55及偏振光合束器6。
第一激光器1及第二激光器11的输出端分别与保偏光合路器2的光输入端用光纤连接，保偏光合路器2的输出端与偏振光分束器3的光输入端用光纤连接。
偏振光分束器3的输出端与第一光强度调制器5和第二光强度调制器55的输入端分别用光纤相连。第一信号源4的输出端与第一光强度调制器5的输入点用电缆相连，第二信号源44的输出端与光强度调制器55的输入点用电缆相连。第一光强度调制器5和第二光强度调制器55的输出端分别与偏振光合束器6的输入端用光纤相连，偏振光合束器6的输出端与光电探测器7的输入端用光缆相连。
图2是本发明的实施例中的使用保偏光合路器和偏振复用调制器单元实现光载波合并和调制过程中的光谱图。其中，图2(a)是第一激光器1的光谱图，图2(b)第二激光器11的光谱图，图2(c)经过保偏光合路器后的光谱图，图2(d)是经过偏振复用调制器单元后的光谱图。
如图2所示，第一激光器1的中心频率为f1，能够产生中心频率为为f1的连续波激光即第一路光载波，第二激光器11的中心频率为f2，能够产生中心频率为为f2的连续波激光即第二路光载波。第一路光载波及第二路光载波均进入到保偏光合路器2中，保偏光合路器2将两路光载波合并，得到合并光载波。再利用偏振复用调制器单元实现对合并光载波的调制，得到具有两个频率的偏振复用光信号。
图3是本发明的实施例中的使用偏振复用调制器单元实现光调制的过程中产生的光谱图及时域眼图。其中，图3(a)是输入的合并光载波的光谱图，图3(b)是第一光强度调制器5产生的光谱图，图3(c)第二光强度调制器55产生的光谱图，图3(d)是经过偏振光合束器6后的时域眼图。
如图3所示，合并光载波进入到偏振光分束器3，经过偏振光分束器3的分解后，产生两路正交的偏振光，即X路偏振光及Y路偏振光。两路偏振光分别进入各自对应的光强度调节器，也就是X路偏振光进入第一光强度调节器5，Y路偏振光进入第二光强度调节器55。
第一数据源4，产生具有第一驱动电压的二进制数据流A，驱动第一光强度调节器5对X路偏振光调制得到第一光信号。第二数据源44，产生具有第二驱动电压的二进制数据流B，驱动第二光强度调节器55对Y路偏振光调制得到第二光信号。二进制数据流A的二进制基带信号为a1(t)，二进制数据流B的二进制基带信号为a2(t)。第一光信号与第二光信号是两个偏振态不同的光信号，第一光信号的强度是第二光信号的两倍。然后偏振光合束器6将第一光信号与第二光信号合并在一起得到偏振复用光信号。因此，偏振复用光信号在两个正交偏振方向上的光强度是不同的，具有两个频率。
首先，保偏光合路器2得到的合并光载波可表示为：
Ein(t)＝E1exp(j2πf1t)+E2exp(j2πf2t) (1)
其中，E1为第一路光载波的光场幅度，j为虚部，t为时间，E2为第二路光载波的光场幅度，f1为第一路光载波的中心频率，f2为第二路光载波的中心频率。
经过偏振光分束器后，产生的两路正交偏振光，即X路偏振光和Y路偏振光分别由二进制数据流a1(t)和a2(t)调制，其中Y路正交偏振光的驱动电压的幅度为X路偏振光的
Figure BDA0002462911240000081
X路偏振光的信号表示为：
Figure BDA0002462911240000091
其中，t为时间，E1为所述第一路光载波的光场幅度，j为虚部，E2为所述第二路光载波的光场幅度，f1为所述第一路光载波的中心频率，f2为所述第二路光载波的中心频率，a1(t)为所述二进制数据流A的二进制基带信号。
Y路偏振光的信号表示为：
Figure BDA0002462911240000092
其中，t为时间，E1为所述第一路光载波的光场幅度，j为虚部，E2为所述第二路光载波的光场幅度，f1为所述第一路光载波的中心频率，f2为所述第二路光载波的中心频率，a2(t)为所述二进制数据流B的二进制基带信号。
由偏振光合束器6合并后的偏振复用光信号表示为：
EPol(t)＝EX(t)+jEY(t) (4)
其中，j为虚部，t为时间，EX(t)为X路偏振光的光场，EY(t)为Y路偏振光的光场。
图4是本发明的实施例中的太赫兹信号的频谱图。
如图4和图2(d)所示，偏振复用光信号作为输入光信号进入到光电探测器7。光电探测器7对偏振复用光信号上的两个频率上的光信号进行拍频，得到PAM-4调制的太赫兹信号。
光电探测器7输出的电信号表示为：
Figure BDA0002462911240000093
其中η是光电探测器的响应度，t为时间，Epol(t)为偏振复用光的光场，
Figure BDA0002462911240000101
为偏振复用光的光场的共轭信号。
光电探测器7生成的中心频率为f2与f1的差值即f2-f1的太赫兹信号表示为：
Figure BDA0002462911240000102
其中，η是所述光电探测器的响应度，E1为所述第一路光载波的光场幅度，E2为所述第二路光载波的光场幅度，f1为所述第一路光载波的中心频率，f2为所述第二路光载波的中心频率，a1(t)为所述二进制数据流A的二进制基带信号，a2(t)为所述二进制数据流B的二进制基带信号，t为时间。
由于a1(t)和a2(t)是二进制数据流,因此
Figure BDA0002462911240000103
是一个PAM-4信号。
由于从偏振复用调制器单元输出为
Figure BDA0002462911240000104
a1(t)和a2(t)为二进制码，均为0和1,这样输出就为：0，1/2，1，3/2四个等间隔幅度信号，因此PAM-4信号为四个等间隔幅度的信号。
实施例的作用与效果
根据本实施例所提供的基于二进制驱动单调制器的太赫兹PAM-4信号发生系统及方法，使用两个激光器生成两路不同中心频率的光载波；使用保偏光合路器合并两路不同中心频率的光载波得到合并光载波；使用偏振光分束器从合并光载波中分离出两路正交的偏振光；使用两个数据源产生两路二进制电信号用于驱动相应的光强度调制器；使用驱动光强度调制器分别调制两路正交的偏振光，得到第一光信号及第二光信号；使用偏振光合束器合并第一光信号与第二光信号，得到具有两个频带的偏振复用光信号；使用光电探测器对偏振复用光信号进行拍频，得到太赫兹PAM-4信号。
本发明的实施例通过利用具有不同驱动电压的二进制数据驱动单个偏振复用调制器的方案来产生太赫兹PAM-4信号。该系统无需借助数模转换器，就可以在这种二进制方案中成功实现四个等间隔幅度的PAM-4生成信号。在本实施例的无线太赫兹波系统中，采用光子辅助的方案来生成太赫兹信号，而发射机中没有任何高速光电设备。本发明所提出这种太赫兹PAM-4信号的生成方案能取得很好的成本效益，具有具有其低成本，低功耗和系统配置简单等优越性。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于二进制驱动单调制器的太赫兹PAM-4信号发生系统，其特征在于，包括：
激光器单元，用于产生中心频率为f1的连续波激光即第一路光载波及中心频率为f2的连续波激光即第二路光载波；
保偏光合路器，用于将所述第一路光载波及所述第二路光载波合并，得到合并光载波；
偏振复用调制器单元，用于调制所述合并光载波，得到偏振复用光信号；以及
光电探测器，用于对所述光信号进行拍频产生太赫兹信号，
其中，所述偏振复用调制器单元包括：
偏振光分束器，用于从所述合并光载波中分解出两路正交的偏振光，即X路偏振光及Y路偏振光；
第一数据源，用于产生具有第一驱动电压的二进制数据流A；
第二数据源，用于产生具有第二驱动电压的二进制数据流B；
第一光强度调节器，用于在所述二进制数据流A的驱动下，对所述X路偏振光调制得到第一光信号；
第二光强度调节器，用于在所述二进制数据流B的驱动下，对所述Y路偏振光调制得到第二光信号；
偏振光束合器，将所述第一光信号与所述第二光信号合并得到所述偏振复用光信号。
2.根据权利要求1所述的基于二进制驱动单调制器的太赫兹PAM-4信号发生系统，其特征在于：
其中，所述第二驱动电压的电信号电压幅度小于所述第一驱动电压的电信号电压幅度。
3.根据权利要求1所述的基于二进制驱动单调制器的太赫兹PAM-4信号发生系统，其特征在于：
其中，所述合并光载波的信号表示为：
Ein(t)＝E1exp(j2πf1t)+E2exp(j2πf2t)，
式中，E1为所述第一路光载波的光场幅度，j为虚部，t为时间，E2为所述第二路光载波的光场幅度，f1为所述第一路光载波的中心频率，f2为所述第二路光载波的中心频率。
4.根据权利要求1所述的基于二进制驱动单调制器的太赫兹PAM-4信号发生系统，其特征在于：
其中，所述X路偏振光的信号表示为：
Figure FDA0002462911230000021
式中，t为时间，E1为所述第一路光载波的光场幅度，j为虚部，E2为所述第二路光载波的光场幅度，f1为所述第一路光载波的中心频率，f2为所述第二路光载波的中心频率，a1(t)为所述二进制数据流A的二进制基带信号。
5.根据权利要求1所述的基于二进制驱动单调制器的太赫兹PAM-4信号发生系统，其特征在于：
其中，所述Y路偏振光的信号表示为：
Figure FDA0002462911230000031
式中，t为时间，E1为所述第一路光载波的光场幅度，j为虚部，E2为所述第二路光载波的光场幅度，f1为所述第一路光载波的中心频率，f2为所述第二路光载波的中心频率，a2(t)为所述二进制数据流B的二进制基带信号。
6.根据权利要求1所述的基于二进制驱动单调制器的太赫兹PAM-4信号发生系统，其特征在于：
其中，所述太赫兹信号表示为：
Figure FDA0002462911230000032
式中，η是所述光电探测器的响应度，E1为所述第一路光载波的光场幅度，E2为所述第二路光载波的光场幅度，f1为所述第一路光载波的中心频率，f2为所述第二路光载波的中心频率，a1(t)为所述二进制数据流A的二进制基带信号，a2(t)为所述二进制数据流B的二进制基带信号，t为时间。
7.根据权利要求6所述的基于二进制驱动单调制器的太赫兹PAM-4信号发生系统，其特征在于：
其中，所述太赫兹信号的中心频率为f2-f1。
8.根据权利要求1所述的基于二进制驱动单调制器的太赫兹PAM-4信号发生系统，其特征在于：
其中，所述激光器单元包括：
第一激光器，用于产生所述第一路光载波；
第二激光器，用于产生所述第二路光载波。
9.根据权利要求1所述的基于二进制驱动单调制器的太赫兹PAM-4信号发生系统，其特征在于：
其中，所述Y路正交偏振光的驱动电压的幅度与所述X路偏振光的驱动电压的幅度的比值为
Figure FDA0002462911230000041
10.一种基于二进制驱动单调制器的太赫兹PAM-4信号发生方法，其特征在于，包括以下步骤：
使用激光器生成两路不同中心频率的光载波；
使用保偏光合路器合并所述两路不同中心频率的光载波得到合并光载波；
使用偏振光分束器从所述合并光载波中分离出两路正交的偏振光；
使用数据源产生两路二进制电信号用于驱动光强度调制器；
使用所述驱动光强度调制器分别调制所述两路正交的偏振光，得到第一光信号及第二光信号；
使用偏振光合束器合并所述第一光信号与所述第二光信号，得到具有两个频率的偏振复用光信号；
使用光电探测器对所述偏振复用光信号进行拍频，得到太赫兹PAM-4信号。
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