CN111835428A - 一种倍频因子可调的双频段、多相位相位编码信号的光学生成方法 - Google Patents

一种倍频因子可调的双频段、多相位相位编码信号的光学生成方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种倍频因子可调的双频段、多相位相位编码信号的光学生成方法，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、双偏振正交相移键控DP‑QPSK调制器、偏振调制器PolM、偏振控制器PC、偏振分束器PBS和平衡光电探测器BPD。本振信号通过DP‑QPSK调制器调制光载波，调节PC后，其中一个边带和光载波与另一个边带的偏振态相互正交，分别进入PolM的两臂并受到相位编码信号相反的相位调制；调节第二个PC，经过光电平衡探测后，输出相位编码信号。本发明可同时产生双频段，多相位的相位编码信号，且倍频因子可调。不仅克服了电域技术的电子瓶颈，还扩展了工作带宽，在双波段雷达中有潜在的应用价值。

Description

一种倍频因子可调的双频段、多相位相位编码信号的光学生 成方法
技术领域
本发明涉及光通信技术领域以及微波技术领域，主要涉及利用光子学技术产生相位编码信号。
背景技术
随着雷达探测技术的不断发展，其探测精度和探测距离需要进一步的提升。探测信号带宽越大，雷达探测分辨率越高；时宽越大，速度分辨率越高。为了同时满足大带宽和大时宽的要求，脉冲压缩信号应运而生。常用的脉冲压缩信号有线性调频和相位编码信号，而相位编码信号由于其产生容易，脉冲压缩性能好，受到了广泛的应用。尽管利用电子技术产生相位编码信号的技术已经十分成熟，但是目前电域器件的电子瓶颈限制了未来雷达多频段，大带宽的发展趋势，同时其定时抖动大，电磁干扰严重，系统体积功耗大等问题也限制了雷达系统的发展和应用场景。
得益于微波光子多频段、大带宽、抗电磁干扰等一系列优势，相位编码信号的光学生成逐渐成为了研究的热点。采用光学技术，可在多频段范围内产生超大瞬时带宽的相位编码信号，在下一代雷达探测，侦查等相关领域均有潜在的应用价值。
目前已报道的光子相位编码信号生成方案主要分为两大类，一类为基于空间光学的生成方案，一类为基于光纤光学的生成方案。在第一种方案中，虽然系统灵活，可扩展性强，然而自由空间与光纤耦合将会增加系统的损耗和复杂度。在第二种方案中，不需要空间光处理，系统将更加稳定；利用电光调制器灵活的调制方式和可变的系统结构，可以设计出各种倍频因子可调的，或任意进制的相位编码信号；然而大多数方案功能单一，且同时只能产生一个相位编码信号，难以应用在在双波段雷达、频率分集雷达等系统中。
发明内容
为了解决技术背景中所存在的问题，本发明提出了一种倍频因子可调的双频段、多相位相位编码信号的光学生成方法。该方法将双频段、多相位、倍频因子可调三个功能集成在一个简单的系统中；多相位相位编码信号具有自相关性能好，多普勒容限高的优势；频率加倍可以降低本振信号要求同时增大系统的工作频率范围，本方案可实现基频，2倍频和4倍频相位编码信号的产生；而双频段信号同时产生可以方便其用于双波段雷达等领域。
采用双偏振正交相移键控DP-QPSK调制器对光载波进行双边带调制或抑制奇数阶边带调制，同时两个偏振态的信号和相位可被精确调谐，如此可使其中一个边带和光载波与另一个边带的偏振态相互正交；偏振调制器PolM将偏振正交信号分离，并利用基带相位编码电信号对其进行相反的相位调制；光电转换模块采用平衡光电探测器，防止了本振信号的泄露对产生的相位编码信号的干扰。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：所述装置包括1激光源LD、2双偏振正交相移键控DP-QPSK调制器、3偏振控制器PC、4射频源、5电分路器、6电移相器、7偏振调制器PolM、8任意波形发生器AWG、9偏振分束器PBS、10衡光电探测器BPD。光源的输出端与DP-QPSK调制器的输入端连接。本振信号由电分路器分为两路，一路直接加载在DP-QPSK调制器的射频输入端，另一路通过一个移相器加载到DP-QPSK的另一个射频输入端，DP-QPSK调制器的输出端与第一个偏振控制器PC1相连，然后连接PolM的输入端。AWG产生的基带相位编码信号加载在PolM的射频输入端，PolM的输出端与第二个偏振控制器PC2相连，随后连接PBS的输入端，PBS的输入端连接BPD的两个输入端，光电探测器的输出端可连接示波器或频谱仪分析。
其中DP-QPSK调制器由两个并行的子双平行马赫曾德尔调制器X-DPMZM和Y-DPMZM构成。每个子双平行马赫增德尔调制器由两个平行的马赫增德尔调制器和一个主马赫增德尔调制器构成。
其中PolM可对正交的偏振态进行分离，并对两个偏振态引入调制指数大小相同，相位相反的相位调制。
其中BPD由两个性能相同或相似的光电探测器构成，BPD的输出时两个光电探测器各自输出相减的结果。
本发明在工作时包括以下步骤：
(1)从光源发出波长为λ的光载波输入到DP-QPSK调制器中。
(2)本振信号LO输入到DP-QPSK调制器的射频输入端口。
(3)调节DP-QPSK调制器的偏置电压、输入射频信号的幅度以及移相器的相移角度，可以输出双边带的调制信号(光载波和正负一阶光边带)或抑制奇数阶边带的调制信号(光载波和正负二阶光边带)，其中一个边带和光载波与另一个边带的偏振态相互正交。
(4)调节PC1的使从DP-QPSK调制器输出的光信号的偏振方向与PolM的主轴相差45度并输入PolM中。
(5)基带相位编码信号输入到PolM的射频输入口对偏振分离的两个光信号进行相反的相位调制。
(6)从PolM输出的光信号经过PC2的调节，使信号的偏振方向与PBS的主轴相差45度。
(7)PBS的两个输出端口分别连接BPD的两个输入端口，经过光电平衡探测后，将得到所产生的倍频因子可调的双频段、多相位相位编码信号。
本发明提出了一种倍频因子可调的双频段、多相位相位编码信号的光学生成方法，使用DP-QPSK调制器实现了信号的双边带调制器或抑制奇数阶边带调制，其中一个边带和光载波与另一个边带的偏振态相互正交。结合PC1和PolM的使用，这两个偏振正交的偏振态被偏振分离并输入到PolM的两个臂上，分别受到基带相位编码信号相反的相位调制。这样经过光电探测，便可实现双频段相位编码信号的生成，根据调制方式的不同倍频因子可为1、2或2、4。同时采用平衡探测的方式，可以抑制本振信号泄露对相位编码信号的干扰，优化得到的相位编码信号的质量。
本发明结构紧凑，采用两个集成调制器，避免了光路分离所引入的相位噪声，从而保证了系统的稳定度。同时本方案将双频段、多相位、和频率加倍的优势集成在一个系统中，增强了系统的性能，扩展了系统的应用范围。
附图说明
图1为倍频因子可调的双频段、多相位相位编码信号的光学生成装置原理图。
图2为1、2倍频相位编码信号光学生成DP-QPSK调制器内部设置图。
图3为1、2倍频模式下产生的5.5GHz和11GHz相位编码信号的电谱图(1、2倍频)。
图4为1、2倍频模式下产生的5.5GHz二进制“01码”的(a)波形和(b)相位恢复。
图5为1、2倍频模式下产生的11GHz二进制“01码”的(a)波形和(b)相位恢复。
图6为1、2倍频模式下5.5GHz二进制16bit伪随机序列的(a)自相关和(b)主瓣放大图，11GHz二进制16bit伪随机序列的(c)自相关和(d)主瓣放大图。
图7为1、2倍频模式下产生的5.5GHz四进制“0123码”的(a)波形和(b)相位恢复。
图8为1、2倍频模式下产生的11GHz四进制“0123码”的(a)波形和(b)相位恢复。
图9为1、2倍频模式下5.5GHz四进制16bit伪随机序列的(a)自相关和(b)主瓣放大图，11GHz四进制16bit伪随机序列的(c)自相关和(d)主瓣放大图。
图10为2、4倍频相位编码信号光学生成DP-QPSK调制器内部设置图。
图11为2、4倍频模式下产生的11GHz和22GHz相位编码信号的电谱图(2、4倍频)。
图12为2、4倍频模式下产生的11GHz二进制“01码”的(a)波形和(b)相位恢复。
图13为2、4倍频模式下产生的22GHz二进制“01码”的(a)波形和(b)相位恢复。
图14为2、4倍频模式下11GHz二进制16bit伪随机序列的(a)自相关和(b)主瓣放大图，22GHz二进制16bit伪随机序列的(c)自相关和(d)主瓣放大图。
图15为2、4倍频模式下产生的11GHz四进制“0123码”的(a)波形和(b)相位恢复。
图16为2、4倍频模式下产生的22GHz四进制“0123码”的(a)波形和(b)相位恢复。
图17为2、4倍频模式下11GHz四进制16bit伪随机序列的(a)自相关和(b)主瓣放大图，22GHz四进制16bit伪随机序列的(c)自相关和(d)主瓣放大图。
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流程，但本发明的保护范围不限于下属的实施例。
图1为倍频因子可调的双频段、多相位相位编码信号的光学生成装置原理图。装置包括1、激光源LD 2、双偏振正交相移键控DP-QPSK调制器3、偏振控制器PC 4、射频源5、电分路器6、电移相器7、偏振调制器PolM 8、任意波形发生器AWG 9、偏振分束器PBS 10、平衡光电探测器BPD。该装置可工作在两个不同的模式下，其中1、2倍频模式DP-QPSK内部原理图如图2所示；2、4倍频模式DP-QPSK内部原理图如图10所示。DP-QPSK调制器产生本振信号的双边带调制信号(1、2倍频)或抑制奇数阶边带调制信号(2、4倍频)，其中一个边带和光载波与另一个边带的偏振态相互正交，随后分别进入PolM的两臂并受到基带相位编码信号相反的相位调制，第二个偏振控制器使光信号的偏振方向与PBS的主轴相差45度，经过光电平衡探测后，可以得到倍频因子可调的双频段，多相位的相位编码信号。
本实例中，具体包括以下步骤：
步骤一：光源产生工作波长为1552.03nm，功率为15dBm的连续光波，该连续光波作为载波输入到DP-QPSK调制器。
步骤二：射频信号源输出频率为5.5GHz的正弦本振信号输入DP-QPSK的射频输入口，调节调制器偏置电压，可产生双边带调制信号(1、2倍频)；同时调节射频信号幅度和移相器相移程度。系统工作在1、2倍频模式时，一路本振信号相移90度，负一阶边带和光载波与正一阶边带的偏振态相互正交。
步骤三：偏振正交的信号输入PolM并被PolM前置对偏振分束器偏振分离，AWG产生的幅度为2V的基带二进制“01码”加载到PolM的射频输入口，分别对偏振分离的光信号进行相反的相位调制。
步骤四：PC2改变PolM输出的已调光信号的偏振方向，使其偏振方向与PBS的主轴相差45度。
步骤五：PBS的两个输出端口连接BPD的两个输入端口，经由BPD光电转换后，便可得到5.5GHz、11GHz的多相位相位编码信号。观察其电谱图，在示波器中记录波形，并利用希尔伯特变换恢复其相位。
步骤六：将二进制“01”码换做16bit二进制伪随机序列，重复步骤三、四、五。利用matlab对接收到的序列进行自相关处理。
步骤七：采用四进制“0123”码，重复步骤三、四、五。
步骤八：采用16bit四进制伪随机序列，重复步骤三、四、五。利用matlab对接收到的序列进行自相关处理。
步骤九：改变系统工作模式，使其工作在2、4倍频工作模式下；调整DP-QPSK调制器偏置电压，产生本振信号的抑制奇数阶边带调制信号，将一路本振信号移相45度，使负二阶边带和光载波与正二阶边带的偏振态相互正交。
步骤十：重复步骤三到步骤八，验证2、4倍频工作模式下的系统性能。
图3为1、2倍频模式下产生的5.5GHz和11GHz相位编码信号的电谱图(1、2倍频)，表示系统可以同时产生双频段的相位编码信号，图4-6显示了1、2倍频模式下二进制相位编码信号的性能，相位跳变约为180度，脉冲压缩比约为17.8，峰值旁瓣比在6.9左右；图7-9显示了1、2倍频模式下四进制相位编码信号的性能，相位约在0、60、120、180度之间跳变，脉冲压缩比接近理论值16，峰值旁瓣比在6.6左右。图11为2、4倍频模式下产生的11GHz和22GHz相位编码信号的电谱图(2、4倍频)，表示系统的倍频因子还可以调节为2、4，图12-14显示了2、4倍频模式下二进制相位编码信号的性能，相位跳变约为180度，脉冲压缩比接近理论值16，峰值旁瓣比约为6.8；图15-17显示了2、4倍频模式下四进制相位编码信号的性能，相位约在0、60、120、180度之间跳变，脉冲压缩比约为14，峰值旁瓣比在6.5左右。
在本方案中，首先避免了光路分离的相位编码结构，避免引入的相位噪声对信号的影响，增强了系统的稳定性。同时本方案没有使用光滤波器等光频率相关器件，频率可调谐性强。最后，本方案将双频段、多相位和频率加倍技术整合到一个简单的系统中，使得该相位编码生成方案功能更强，应用范围更广，在双频段雷达、频率分集雷达等领域均有潜在的应用价值。
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，在本发明公开的内容上，还可以做出若干等同的变形和替换，例如使用分离的器件来实现DP-QPSK调制器或PolM的功能。此外，改变输入光载波波长、功率，改变本振信号功率，改变基带相位编码信号格式和幅度等为本发明的保护的范围。

Claims (4)

1.一种倍频因子可调的双频段，多相位相位编码信号的光学生成方法，包括激光器、双偏振正交相移键控DP-QPSK调制器、偏振调制器PolM、偏振控制器PC、偏振分束器PBS和平衡光电探测器，其特征在于，激光器输出的连续光载波进入DP-QPSK调制器，本振信号通过调制器射频端口输入调制器，产生一个双边带调制的光信号，其中一个边带和光载波与另一个边带的偏振态相互正交，DP-QPSK调制器的输出端与第一个偏振控制器PC相连，随后连接PolM，基带相位编码信号通过PolM的射频输入口输入调制器，调节第一个PC使光信号的偏振方向与PolM的主轴相差45度，使得偏振复用的光信号分别进入PolM的两臂并受到基带相位编码信号相反的相位调制，PolM的输出端连接第二个PC，随后连接PBS的输入端，调节第二个PC使光信号的偏振方向与PBS的主轴相差45度，PBS的两个输出端口分别连接平衡光电探测器的两个输入端，经过光电平衡探测后，可以得到倍频因子可调的双频段、多相位的相位编码信号。
2.根据权利要求1所述的一种倍频因子可调的双频段、多相位相位编码信号的光学生成方法，其特征在于，通过控制双偏振正交相移键控调制器的偏置电压以及输入本振信号的幅度，不仅可以控制调制方式，例如双边带调制器方式和抑制奇数阶边带调制方式，还可以控制光载波和光边带的幅度和相位，使其中一个边带和光载波与另一个边带的偏振态相互正交。
3.根据权利要求1所述的一种倍频因子可调的双频段、多相位相位编码信号的光学生成方法，其特征在于，可以加载任意进制的基带编码序列，产生多相位的相位编码信号。
4.根据权利要求1所述的一种倍频因子可调的双频段、多相位相位编码信号的光学生成方法，其特征在于，使用平衡探测器可拍频产生双频相位编码信号，可以抑制本振泄露所引入的干扰。
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