CN111786742B - 一种微波光子宽带矢量信号生成的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微波光子宽带矢量信号生成的方法，该方法涉及微波技术领域和光通信技术领域。所述方法如说明书附图1所示，包括激光器LD、偏振复用马增调制器PDM‑MZM、光带通滤波器OBPF、偏振控制器PC、起偏器Pol、光电探测器PD和微波180°耦合器Hybrid。本方法利用PDM‑MZM、OBPF、PC和Pol构造了一个上变频器，将I路、Q路基带波形和本振LO分别调制在光载波上，PC和Pol能够消除光载波得到IQ基带波形和LO边带，经PD拍频后得到宽带射频RF矢量信号。本发明结构简单，IQ基带波形的带宽大，LO信号频率可以大范围调谐，I路、Q路基带波形的相位关系可以灵活调整，可以解决IQ相位不平衡问题。

Description

一种微波光子宽带矢量信号生成的方法
技术领域
本发明涉及光通信技术领域和微波技术领域，主要涉及微波光子宽带矢量信号生成技术。
背景技术
随着科技的进步和社会的发展，信息技术发展迅猛，人们对通信的高速率传输和高频谱利用率要求越来越高。如今雷达系统、无线通信系统等正朝着高速率、大带宽和宽频带方向发展。在传统电子技术中，微波信号产生面临诸多电子瓶颈，比如带宽小、工作频率调谐性差、抗电磁干扰能力差等，而微波光子技术具有大带宽、频率可调谐性好、高隔离度、抗电磁干扰能力强等优点。因此在无线通信系统等应用中微波光子技术得到广泛研究。
目前在雷达系统、无线通信系统等应用中，为了追求高传输速率和高频谱利用率，一般需要采用不同调制格式的矢量信号进行数据传输，比如QPSK、16QAM、64QAM等调制格式的矢量信号。目前一般都是在电域中生成所需的矢量信号，再将矢量信号利用电光调制器调制到光域上，在接收端再转换到电域，电域生成矢量信号会面临电子瓶颈，而微波光子技术能够克服电子瓶颈，因此直接在光域生成矢量信号具有重要的研究意义。
在电域中产生矢量信号，一般先对数据进行串并转换，然后利用正交载波相乘得到两路正交信号，最后两路叠加并进行相应滤波得到矢量信号，光域直接生成矢量信号即依据电域流程，将基带波形直接在光载波上进行调制，通过调节电光调制器工作电压在IQ两路基带波形上引入正交相移，实现光域矢量信号生成，光域方法能够降低对数模转换器采样率和工作频率的需求，简化通信系统发射机的结构。
现在光信号处理技术发展迅猛，利用微波光子技术直接对矢量信号进行调制和传输得到广泛的研究和应用，但是利用微波光子技术直接生成矢量信号的技术研究则为数不多。
发明内容
本发明提出一种微波光子宽带矢量信号生成的方法。本方法利用高度集成的偏振复用马增调制器PDM-MZM，调制器上臂调制I路和Q路基带波形，下臂调制本振LO信号，通过光带通滤波器OBPF滤除一个LO边带，再通过偏振控制器PC和起偏器Pol消除基频光载波，构成一个正交上变频器，经光电探测器PD拍频能够得到宽带射频RF矢量信号。该方案直接在光域生成矢量信号，I、Q两路波形的相位平衡度可以通过控制调制器直流偏置电压进行灵活调节，IQ相位不平衡问题能够得到有效解决，该方案具有结构简单、能够克服电子瓶颈、易于实现等优点。
本方案所采用的技术方案是：所述装置包括激光器LD、PDM-MZM、OBPF、PC、Pol、PD和微波180°耦合器Hybrid。LD的输出端连接PDM-MZM的光信号输入端，I、Q基带波形输入PDM-MZM的上臂射频输入端，LO信号输入微波180°耦合器的输入端，微波180°耦合器的输出端连接PDM-MZM的下臂射频输入端，PDM-MZM的输出端连接OBPF的输入端，OBPF的输出端连接PC和Pol，Pol的输出端连接PD。
PDM-MZM是一个集成器件，由一个光分束器、上下臂两个双驱动马增调制器DDMZM、一个90°偏振旋转器PR和一个偏振合束器PBC集成；上下臂双驱动马增调制器分别记为X-Pol MZM、Y-Pol MZM。
本发明在工作时包括以下步骤：
(1)从LD发出的光载波注入到PDM-MZM中。
(2)I、Q两路基带波形注入到X-Pol MZM的两个射频端，对X-Pol MZM提供直流偏压使其工作在正交点QTP，为I、Q两路引入90°相移。
(3)LO信号输入到微波180°耦合器，微波180°耦合器的两路输出注入到Y-Pol MZM的两个射频端，对Y-Pol MZM提供直流偏压使其工作在最大点MAP。
(4)PDM-MZM内部集成的PBC将上下臂调制后的光信号复用为偏振复用光，输出调制器。
(5)偏振复用光经过OBPF，滤除一个LO调制产生的正二阶边带或负二阶边带，只留下一个二阶LO边带、I路和Q路在基频光载波处调制的数据信息以及PDM-MZM上下臂调制后基频处的光载波。
(6)滤波后的偏振复用光信号经过PC和Pol，调节PC使得偏振复用光中基频处的光载波相互抵消。
(7)抵消了光载波的偏振复用光信号注入PD进行拍频，PD输出载频等于二倍LO频率，携带IQ数据的RF矢量信号。
本发明提出了一种微波光子宽带矢量信号生成的方法，该方案利用PDM-MZM调制I、Q基带波形和LO信号，OBPF滤除一个二阶LO边带，PC和Pol抵消调制器两臂的光载波，光电探测后得到载频是LO二倍频的RF矢量信号。本发明结构简单，具有很强的实际可操作性。
本方案中IQ两路波形可以通过调节PDM-MZM上臂X-Pol MZM直流工作电压使其严格工作在正交点，可以确保IQ两路相位严格正交，进而解决IQ相位不平衡问题。
附图说明
图1为本发明一种微波光子宽带矢量信号生成的方法的原理图。
图2(a)为PDM-MZM输出光信号经OBPF滤波前后的光谱图，以及OBPF的通带曲线。
图2(b)为光信号经过PC和Pol抑制光载波前后的光谱图。
图3(a)为该矢量信号生成方法产生的载频为16GHz、码速率为100MSym/s、调制格式为QPSK的RF矢量信号频谱图。
图3(b)为通过矢量信号分析仪对图3(a)所示的矢量信号进行解调后的星座图和误差矢量幅度EVM。
图3(c)为该矢量信号生成方法产生的载频为16GHz、码速率为100MSym/s、调制格式为16QAM的RF矢量信号频谱图。
图3(d)为通过矢量信号分析仪对图3(c)所示的矢量信号进行解调后的星座图和EVM。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例：
如图1所示，本实例中，装置包括，LD、PDM-MZM、OBPF、PC、Pol、PD和微波180°耦合器。LD的输出口经保偏光纤与PDM-MZM光输入端相连，I、Q两路基带波形输入到PDM-MZM上臂X-Pol MZM的两个射频输入端，LO信号输入到微波180°耦合器的输入端，微波180°耦合器的两路输出端与PDM-MZM下臂Y-Pol MZM两个射频输入端相连，PDM-MZM的输出端与OBPF输入端相连，OBPF的输出端与PC和Pol相连，Pol的输出端与PD输入端相连。
本实例中，方法的具体实施步骤是：
步骤一：LD产生工作波长为1550.45nm，平均功率为12dBm的连续光波，连续光波经一段保偏光纤传输后注入到PDM-MZM；PDM-MZM的两个DDMZM带宽均大于40GHz，半波电压约为3.5V，消光比均大于25dB；OBPF的中心波长为1550.1nm，3dB带宽为0.6nm；PD带宽大于40GHz，响应度0.65A/W。
步骤二：矢量信号源产生的IQ波形码速率为100MSym/s，编码格式为QPSK，将I、Q两路波形注入PDM-MZM上臂X-Pol MZM的两个射频口。
步骤三：LO信号源输出频率为8GHz的LO信号，其注入微波180°耦合器，微波180°耦合器的两路输出分别为相移0°和相移180°的LO信号，将这两路LO信号注入PDM-MZM下臂Y-Pol MZM的两个射频口，实现对LO信号的强度调制。
步骤四：通过调节X-Pol MZM的直流偏压，使其工作在正交点，调节Y-Pol MZM的直流偏压，使其工作在最大点。
步骤五：测量PDM-MZM输出的光信号经OBPF滤波前后的光谱，如图2(a)所示，可以看到经过OBPF后，LO的正二阶边带被抑制29dB以上。
步骤六：调节PC和Pol使得X-Pol MZM和Y-Pol MZM两臂输出的光载波得到有效抑制，如图2(b)所示，可以看出光载波被抑制了18.42dB，光载波处残余部分为包含IQ信息的矢量信号。
步骤七：经PD拍频得到的RF矢量信号送入频谱仪，实验结果如图3(a)所示，得到中心频率为16GHz，码速率为100MSym/s，调制格式为QPSK的RF矢量信号；将得到的RF矢量信号送入矢量信号分析仪进行解调，得到星座图如图3(b)所示，可以看出星座图清晰，EVM为9.16％，表明产生的RF矢量信号质量良好。
步骤八：将矢量信号源产生的IQ波形编码格式改为16QAM，其他设置不变，重复步骤七，得到中心频率为16GHz，码速率为100MSym/s，调制格式为16QAM的RF矢量信号，频谱图和星座图如图3(c)和图3(d)所示，星座图EVM为10.68％，表明产生的RF矢量信号质量良好。
本实例中，PDM-MZM两臂输出的基频处的光载波，可以通过调节PC和Pol进行有效抑制，IQ的相位平衡度可以通过调节X-Pol MZM的直流偏置电压进行校准。
综上，本发明一种微波光子宽带矢量信号生成的方法实现了质量良好的RF矢量信号生成，结构简单易于实现，工程可用性较强，具有能够克服电子瓶颈、不受电磁干扰的明显优势，且系统性能良好、稳定性强。
总之，以上所述实施方案仅为本发明的实施例而已，并非仅用于限定本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明的内容上，还可以做出若干等同变形和替换，LO信号频率、IQ码速率和调制格式都可以改变，这些等同变形和替换以及频率范围的调整也视为本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种微波光子宽带矢量信号生成的方法，包括激光器LD、偏振复用马增调制器PDM-MZM、光带通滤波器OBPF、偏振控制器PC、起偏器Pol、光电探测器PD和微波180°耦合器Hybrid；其特征在于，LD的输出端连接PDM-MZM的光输入端，I、Q基带波形输入PDM-MZM上臂的两个射频口，本振LO信号输入微波180°耦合器，微波180°耦合器的两个输出口连接PDM-MZM下臂的两个射频口，PDM-MZM的输出端连接OBPF的输入端、OBPF的输出端依次连接PC和Pol、Pol的输出端连接PD；PDM-MZM上下臂分别记为X-Pol MZM、Y-Pol MZM，上臂X-Pol MZM工作在正交点，在I、Q基带波形引入90°相移，产生光载波和携带IQ数据的矢量信号，下臂Y-Pol MZM工作在最大点，产生光载波和正负二阶LO边带；OBPF用于滤除一个二阶LO边带，PC和Pol用于抵消上下臂的光载波，最后PC和Pol的输出为光载波位置处的IQ基带数据和一个二阶LO边带，经PD拍频后产生载频为二倍LO频率，携带IQ数据的射频矢量信号。
2.根据权利要求1所述的一种微波光子宽带矢量信号生成的方法，其特征在于，IQ相位平衡度可以通过上臂X-Pol MZM直流工作电压进行调节。
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