CN111901042A - 一种基于相位调制的大动态信号解调模型方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于微波光子技术领域，具体涉及一种基于相位调制的大动态信号解调模型方法；所述方法包括产生梳齿间隔锁定的多波长激光，并进行光功率放大以提升每个梳齿的光功率；产生频率相近的双音射频信号，并将射频信号的正/负频率边带分别加载到多波长激光上，传输至光滤波模块进行幅度调整和杂散滤波抑制；将光滤波模块输出的一路光信号通过光电探测模块后直接输出，另一路光信号通过锁频控制模块产生反馈信号；将反馈信号输出至光频源梳中以调节其绝对梳齿频率，最终由所述光电探测模块输出三阶交调信号有效抑制的大动态射频信号。本发明提供相位锁定的多波长激光，实现高阶杂散信号的精确调整和抑制，从而提升链路的三阶交调值和动态范围。

Description

一种基于相位调制的大动态信号解调模型方法

技术领域

本发明属于微波光子技术领域，具体涉及一种基于相位调制的大动态信号解调模型方法。

背景技术

大动态、宽带射频信号的传输特性是下一代雷达、电子战、及通信等电子信息装备的核心需求。而以射频信号传输常用的同轴电缆作为传输介质，存在体积大、重量大、抗电磁干扰能力弱以及损耗大等诸多的问题。微波光子技术将射频信号调制到光载波上，以光纤作为传输介质进行长距离传输；该技术具有以下得天独厚的优势：

(1)光纤体积小、重量轻、灵活性好；(2)抗电磁干扰能力强；(3)传输损耗低；(4)工作带宽大；光波的本征频率～200THz，比微波高4～5个数量级。(5)复用能力强，可以通过一根光纤并行传输。大动态射频信号光传输技术正是微波光子技术中的一项最核心的技术。因此，未来以微波光子技术为基础构建的雷达、电子战及通信等电子信息装备将离不开大动态射频信号光传输这一关键技术。

进一步，提高微波光传输链路的动态范围主要可以通过两种途径实现：一是有效提升非线性三阶交调点；一是降低系统噪声底部。通常系统噪声抑制空间有限，因此前者是实现大动态范围的主要途径。基于相位调制的微波信号在原理上是完全线性的，相对传统强度调制具备更高非线性三阶交调点和动态范围的潜力。而只要保证相位解调的过程的具有更高的线性度，就能够获得整体系统更大的动态范围。因此，如何实现高线性度的相位解调一直是近年来的研究热点。

目前基于相位调制的大动态解调方式主要包括锁相环、级联光滤波线性解调以及双波长三阶交调抵消等。几种方式各有优劣，锁相环具有大的动态范围，但受限于锁相延时其带宽通常在小于GHz量级；级联光滤波具有高线性大动态和大带宽的优点，但其偏置点控制较多系统复杂，双波长三阶交调抵消具备大动态大带宽的特点，但独立的双光源使其系统在光源控制和光滤波方面复杂度增大，严重限制着基于相位调制大动态微波光链路的广泛应用。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种基于相位调制的大动态信号解调模型方法。本发明利用光频梳源产生相位锁定的多波长激光，同时利用反馈将多波长激光锁定到光滤波器上，基于光滤波器的滤波特性对加载的射频边带进行有效控制，从而抵消并抑制高阶杂散信号,有效实现高阶杂散信号的抑制，从而提升链路的三阶交调值和动态范围。方法流程简单，能够实时反馈光频梳源的绝对光频，输出稳定、大动态范围和大带宽的射频信号，可满足通讯、雷达、和电子站等领域的应用。

本发明提供了一种基于相位调制的大动态信号解调模型方法，所述方法包括以下步骤：

产生梳齿间隔锁定的多波长激光，并将产生的多波长激光进行光功率放大以提升每个梳齿的光功率；

产生频率相近的双音射频信号，并将所述射频信号分别加载到多波长激光上，并在每个载波附近产生正/负频率边带；将加载后的多波长载波传输至光滤波模块进行幅度调整和杂散滤波抑制；

将光滤波模块输出的一路光信号通过光电探测模块后直接输出；

将光滤波模块输出的另一路光信号通过锁频控制模块产生反馈信号；

将所述反馈信号输出至所述光频源梳中以调节其绝对梳齿频率，最终由所述光电探测模块输出三阶交调信号有效抑制的大动态射频信号。

进一步的，所述产生梳齿间隔锁定的多波长激光包括使用基于微腔技术、量子点锁模技术、电级联调制技术中任意一种或多种技术实现的光频梳源。

进一步的，将所述射频信号分别加载到多波长激光上包括采用射频信号源产生频率相近的第一射频信号和第二射频信号；将第一射频信号和第二射频信号分别加载到多波长激光上，在每个多波长载波附近产生正/负频率边带。

进一步的，所述将加载有射频信号的多波长载波传输至光滤波模块进行幅度调整和杂散滤波抑制包括利用光学滤波器对传输后的多波长激光进行带通滤波，分别滤取出某一梳齿载波的正/负单边带及其相邻梳齿载波的负/正单边带。

进一步的，可选的，所述利用光学滤波器对传输后的多波长激光进行带通滤波包括第一光纤密集波分光学滤波器和第二光纤密集波分光学滤波器分别对传输后的多波长激光进行带通滤波，分别滤取1根梳齿载波的正/负单边带和相邻梳齿载波的负/正单边带，同时将两个梳齿载波的幅度比通过控制光频梳源的绝对光频来调节，将通带滤取的多波长激光通过光纤合束器进行合束，然后通过光纤分束器后分为分束比可调的两路信号。

进一步的，可选的，所述利用光学滤波器对传输后的多波长激光进行带通滤波还包括透射光栅对和任意可编程光学滤波反射镜组成滤波组合，对传输后的激光进行带通滤波，分别滤取1根梳齿载波的正/负单边带和相邻梳齿载波的负/正单边带，同时两个梳齿载波的幅度比可以通过控制光频梳源的绝对光频来调节，两个光纤准直器各自对多波长激光进行光纤-光纤和光纤-空间的耦合转换，且其工作距离需大于激光在空间传输的长度，光纤分束器将滤波后的激光分为分束比可调的两路信号。

进一步的，所述将光滤波模块输出的另一路光信号通过锁频控制模块产生反馈信号包括利用光电探测器对另一路光信号进行光电转换，产生的电信号通过锁频反馈系统的识别分析后识别出绝对光频率与光滤波带通的相对位置，并产生反馈信号。

进一步的，获得三阶交调信号有效抑制的大动态射频信号的过程包括根据所述反馈信号控制光频梳源调节其绝对梳齿频率，从而完成绝对光频率与光滤波带通的相对位置的精确锁定；将带有正/负相反单边带的两根梳齿同时在所述光电探测模块上进行光电转换，输出三阶交调信号有效抑制的大动态射频信号。

本发明的优点是：

1、本发明基于相位调制技术将射频信号有效加载到光频上，无需偏置点控制，系统简单；

2、本发明使用基于微腔技术、量子点锁模技术、电级联调制技术中任意一种或多种技术实现的光频梳源，能够产生相位锁定的多波长激光，频率间隔和绝对光频容易控制，可实现射频三阶杂散信号幅度的精确控制，有效提升动态范围；

3、本发明所产生的相位锁定的多波长激光，其实现方法简单，利于系统集成；满足实际装备使用；

4、本发明采用的光滤波模块滤波带宽高且可调，可以实现几十GHz量级高频射频信号的滤波解调，满足雷达、电子战等特殊领域的需求；

5、本发明采用的光滤波模块工作波长可变，适用于不同波段的高重频光学频率梳，能够满足不同领域的需求。

附图说明

图1是本发明所提供的一种基于相位调制的大动态信号解调模型方法流程图；

图2是图1所展示的解调模型方法所对应的解调模型装置结构示意图；

图3是本发明的基于光纤密集波分光学滤波的大动态信号解调模型方法流程图；

图4是图3所展示的解调模型方法所对应的解调模型装置结构示意图；

图5是本发明的基于空间任意可编程光学滤波的大动态信号解调模型方法流程图；

图6是图5所展示的解调模型方法所对应的解调模型装置结构示意图；

图中，100、光频梳源；200、光放大模块；300、相位调制模块，301、相位调制器、302、传输光纤；400、射频源模块，401、第一射频信号，402、第二射频信号，403、射频功分器；500、光滤波模块，501、第一光纤密集波分光学滤波器，502、第二光纤密集波分光学滤波器，503、光纤合束器，504、光纤分束器，505、510、光纤准直器，506、509、反射镜，507、透射光栅对，508、任意可编程光学滤波反射镜；600、锁频控制模块，601、光电探测器，602、锁频反馈系统；700、光电探测模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的附图中，实线表示光路，短虚线表示电路，以下将结合具体附图来对本发明进行详细阐述。

需要说明的是，由于本发明实施例关注的是激光信号的解调，因此本发明中的激光可以以光信号、载波信号、光频梳齿、射频信号、频率边带信号等形式存在，本领域技术人员可以进行对应进行理解，例如经过光电转换模块后的激光信号其实质就是射频信号。

在一个实施例中，本实施例提供了一种基于相位调制的大动态信号解调模型方法，图1是本实施例中一种基于相位调制的大动态信号解调模型方法的流程图；如图1所示，所述解调模型方法包括：

S101、光频梳源100产生梳齿间隔锁定的多波长激光；

S201、产生的多波长激光进入光放大模块200中进行光功率放大并提升每个梳齿的光功率；

S301、射频源模块400产生频率相近的双音射频信号，通过相位调制模块300的电光转换作用，第一射频信号401和第二射频信号402两个双音信号同时加载到多波长载波上，并在每个载波附近产生正负频率边带信号；；

S401、将加载后的多波长载波传输至光滤波模块500进行幅度调整和杂散滤波抑制；

S501、将光滤波模块500输出的一路光信号通过光电探测模块700后直接输出；

S601、将光滤波模块500输出的另一路光信号通过锁频控制模块600产生反馈信号；

S701、将所述反馈信号输出至所述光频源梳100中以调节其绝对梳齿频率，最终由所述光电探测模块输出三阶交调信号有效抑制的大动态射频信号。

本实施例首先利用光频梳源产生相位锁定的多波长激光，通过相位调制器的电光调制将射频信号同时加载到多波长激光上，利用移频控制技术将光频梳梳齿与光滤波器进行锁定，最后利用光滤波器的滤波特性对加载的射频边带进行有效控制，从而抵消并抑制高阶杂散信号。本实施例的优点是利用光频梳源可以提供相位锁定的多波长激光，有利于基于光滤波器实现高阶杂散信号的精确调整和抑制，从而提升链路的三阶交调值和动态范围。

在一个实施例中，为了对上述解调模型方法进行一个更好的应用，本实施例提供了该解调模型方法所对应的解调模型装置，图2是本实施例中一种基于相位调制的大动态信号解调模型装置；以解决背景技术中所提到的技术问题的基础方案为例，如图2所示，本实施例提供了一种基于相位调制的大动态信号解调模型装置，该解调模型装置包括频梳源100、光放大模块200、相位调制模块300、射频源模块400、光滤波模块500、锁频控制模块600以及光电探测模块700。

光频梳源100输出端连接光放大模块200输入端，分光放大模块200放大输出后依次连接相位调制模块300和光滤波模块500，同时射频源模块400连接相位调制模块300的射频接入端：光滤波模块500输出分为两路：第一路通过锁频控制模块600后连接频梳源100，构成反馈闭环，从而控制调节所述光频梳源100的绝对梳齿频率；第二路通过光电探测模块700直接输出需要的射频信号。

在一个较佳的实施例中，本实施例对上述解调模型方法进行了进一步的改进，在一个实施例中，为了配合上述解调模型方法，图3是本实施例中一种基于相位调制的大动态信号解调模型方法的流程图；如图3所示，所述解调模型方法包括：

S111、光频梳源100输出梳齿间隔锁定和绝对光频率可调的多波长激光；

S211、然后进入光放大模块200进行光功率放大提升每个梳齿的光功率；

S311、再通过相位调制器301光电作用，将产生的第一射频信号401和第二射频信号402双音信号通过射频功分器403进行合束后，同时加载到多波长载波上，并在每个多波长载波附近产生正/负频率边带信号。

S411、加载射频信号的多波长激光通过传输光纤302进行远距离传输；

S511、第一光纤密集波分光学滤波器501和第二光纤密集波分光学滤波器502分别对传输后的激光进行带通滤波；

分别滤取1根梳齿载波的正/负单边带和相邻梳齿载波的负/正单边带，同时两个梳齿载波的幅度比可以通过控制光频梳源100的绝对光频来调节，通常为1:3最优，通带滤取的激光通过光纤合束器503进行合束，然后通过光纤分束器504后分为两路，分束比可调，通常可为95:5；

S611、将其中占比较大的第一路信号进入光电探测模块700后直接输出；

S711、将第二路经过光电探测器601进行光电转换，产生的电信号通过锁频反馈系统602的识别分析后可以识别绝对光频率与光滤波带通相对位置，并产生反馈信号控制光频梳源100完成相对位置的精确锁定。

本实施例通过上述S111-S711步骤，带有正/负相反单边带的两根梳齿载波同时在光电探测模块700进行光电转换，获得三阶交调信号有效抑制的大动态射频信号。

图4是一种以光纤密集波分光学滤波为改进核心的基于相位调制的大动态信号解调模型装置，如图4所示，所述解调模型装置包括：

光放大模块200的输入端连接光频梳源100，输出连接相位调制器301的光输入口；同时，第一射频信号401和第二射频信号402同时连接射频功分器403后连接相位调制器301的射频输入口；相位调制器301的输出依次经过传输光纤302、第一光纤密集波分光学滤波器501、第二光纤密集波分光学滤波器502、光纤合束器503和光纤分束器504后分为两路：第一路直接连接光电探测模块700后输出；第二路通过光电探测器601后连接锁频反馈系统602的输入端，锁频反馈系统602的输出端连接光频梳源100的射频输入口形成闭环。

在本实施例中，所述相位调制器301的工作带宽可以覆盖光频梳源100梳齿间隔对应的射频频率，第一光纤密集波分光学滤波器501和第二2号光纤密集波分光学滤波器502均具有窄带带通滤波特性，通道间隔能覆盖光频梳源100梳齿间隔对应的射频频率，同时边带抑制度较高，可以抑制滤除相位调制后产生的杂散边带信号；光纤分束器504可以将激光分束，工作带宽较大，能保证所有光谱成份通过，同时分束比可调；锁频反馈系统602可以实现光频梳源100梳齿绝对光频相对第一光纤密集波分光学滤波器501和第二2号光纤密集波分光学滤波器502的滤波窗口相对位置的判断和精确反馈锁定。

本实施例利用光频梳源产生相位锁定的多波长激光，频率间隔和绝对光频容易控制；利用光纤密集波分光学滤波完成带有正/负相反单边带的两根梳齿载波的滤取，通过合束拍频完成相位-强度的转换，具有带宽大，实用性强，装置结构简单的优势；同时利用锁频反馈技术将光频梳梳齿与滤波器进行锁定，能有效实现三阶杂散信号的抑制优化，该方法无需额外光源参考，结构简单，实时反馈技术成熟，可实现高频宽带射频信号的大动态范围调制解调传输，可满足通讯、雷达及电子战等领域的应用。

在一个较佳的实施例中，本实施例对上述解调模型方法进行了另一种的改进，图5是本实施例中一种基于相位调制的大动态信号解调模型方法的流程图；如图5所示，所述解调模型方法包括：

S121、光频梳源100输出梳齿间隔锁定和绝对光频率可调的多波长激光；

S221、然后进入光放大模块200进行光功率放大提升每个梳齿的光功率；

S321、再通过相位调制器301光电作用在多波长载波上同时产生第一射频信号401和第二射频信号402双音信号对应的正/负频率边带，也即是将产生的第一射频信号401和第二射频信号402双音信号通过射频功分器403进行合束，从而将合束后的信号同时加载到多波长载波上，并在每个多波长载波附近产生正/负频率边带信号。

S421、加载射频信号的多波长激光通过传输光纤302进行远距离传输；

S521、透射光栅对507和任意可编程光学滤波反射镜508组成滤波组合，对传输后的激光进行带通滤波；

分别滤取1根梳齿载波的正/负单边带和相邻梳齿载波的负/正单边带，同时两个梳齿载波的幅度比可以通过控制光频梳源100的绝对光频来调节，通常为1:3最优，光纤准直器505和510分别对激光进行光纤-光纤和光纤-空间的耦合转换，他们的工作距离需大于激光在空间传输的长度，光纤分束器504将滤波后的激光分为两路，分束比可调，通常可为95:5。

S621、其中占比较大的第一路进入光电探测模块700后直接输出；

S721、第二路经过光电探测器601进行光电转换，产生的电信号通过锁频反馈系统602的识别分析后可以识别绝对光频率与光滤波带通相对位置，并产生反馈信号控制光频梳源100完成相对位置的精确锁定。

通过上述S121-S727步骤，带有正/负相反单边带的两根梳齿载波同时在光电探测模块700进行光电转换，获得三阶交调信号有效抑制的大动态射频信号。

图6是一种以空间任意可编程光学滤波为改进核心的基于相位调制的大动态信号解调模型装置，如图6所示，所述解调模型装置包括：

光放大模块200的输入端连接光频梳源100，输出连接相位调制器301的光输入口；同时，第一射频信号401和第二射频信号402同时连接射频功分器403后连接相位调制器301的射频输入口；相位调制器301的输出依次经过传输光纤302、光纤准直器505后转化为空间光，通过反射镜506后往返经过透射光栅对507和任意可编程光学滤波反射镜508后，经过反射镜509和光纤准直器510再次耦合进入光纤传输，然后通过光纤分束器504分为两路：第一路直接连接光电探测模块700后输出；第二路通过光电探测器601后连接锁频反馈系统602的输入端，锁频反馈系统602的输出端连接光频梳源100的射频输入口形成闭环。

相位调制器301的工作带宽可以覆盖光频梳源100梳齿间隔对应的射频频率，透射光栅对507和任意可编程光学滤波反射镜508组合具有窄带带通滤波特性，带通形貌、带宽和中心频率可任何调整，边带抑制度较高且分辨率远小于第一射频信号401和第二射频信号402对应的射频频率，可以抑制滤除相位调制后产生的杂散边带信号；光纤分束器504可以将激光分束，工作带宽较大，能保证所有光谱成份通过，同时分束比可调；锁频反馈系统602可以实现光频梳源100梳齿绝对光频相对第一光纤密集波分光学滤波器501和第二光纤密集波分光学滤波器502的滤波窗口相对位置的判断和精确反馈锁定。

本实施例利用光频梳源产生相位锁定的多波长激光，频率间隔和绝对光频容易控制；利用透射光栅对507和任意可编程光学滤波反射镜508组成滤波组合完成带有正/负相反单边带的两根梳齿载波的滤取，带通形貌、带宽和中心频率可任何调整，实用范围广；通过合束拍频完成相位-强度的转换，具有带宽大，实用性强，装置结构简单的优势；同时利用锁频反馈技术将光频梳梳齿与滤波器进行锁定，能有效实现三阶杂散信号的抑制优化，该方法无需额外光源参考，结构简单，实时反馈技术成熟，可实现高频宽带射频信号的大动态范围调制解调传输，可满足通讯、雷达及电子战等领域的应用。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“外”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种基于相位调制的大动态信号解调模型方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

产生梳齿间隔锁定的多波长激光，并将产生的多波长激光进行光功率放大以提升每个梳齿的光功率；

产生频率相近的双音射频信号，并将所述射频信号分别加载到多波长激光上，并在每个载波附近产生正/负频率边带；

将加载后的多波长载波传输至光滤波模块进行幅度调整和杂散滤波抑制；

将光滤波模块输出的一路光信号通过光电探测模块后直接输出；

将光滤波模块输出的另一路光信号通过锁频控制模块产生反馈信号；

将所述反馈信号输出至所述光频源梳中以调节其绝对梳齿频率，最终由所述光电探测模块输出三阶交调信号有效抑制的大动态射频信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于相位调制的大动态信号解调模型方法，其特征在于，所述产生梳齿间隔锁定的多波长激光包括使用基于微腔技术、量子点锁模技术、电级联调制技术中任意一种或多种技术实现的光频梳源。

3.根据权利要求1所述的一种基于相位调制的大动态信号解调模型方法，其特征在于，将所述射频信号分别加载到多波长激光上包括采用射频信号源产生频率相近的第一射频信号和第二射频信号；将第一射频信号和第二射频信号分别加载到多波长激光上，在每个多波长载波附近产生正/负频率边带。

4.根据权利要求1所述的一种基于相位调制的大动态信号解调模型方法，其特征在于，所述将加载有射频信号的多波长载波传输至光滤波模块进行幅度调整和杂散滤波抑制包括利用光学滤波器对传输后的多波长激光进行带通滤波，分别滤取出某一梳齿载波的正/负单边带及其相邻梳齿载波的负/正单边带。

5.根据权利要求4所述的一种基于相位调制的大动态信号解调模型方法，其特征在于，所述利用光学滤波器对传输后的多波长激光进行带通滤波包括第一光纤密集波分光学滤波器和第二光纤密集波分光学滤波器分别对传输后的多波长激光进行带通滤波，分别滤取1根梳齿载波的正/负单边带和相邻梳齿载波的负/正单边带，同时将两个梳齿载波的幅度比通过控制光频梳源的绝对光频来调节，将通带滤取的多波长激光通过光纤合束器进行合束，然后通过光纤分束器后分为分束比可调的两路信号。

6.根据权利要求4所述的一种基于相位调制的大动态信号解调模型方法，其特征在于，所述利用光学滤波器对传输后的多波长激光进行带通滤波还包括透射光栅对和任意可编程光学滤波反射镜组成滤波组合，对传输后的激光进行带通滤波，分别滤取1根梳齿载波的正/负单边带和相邻梳齿载波的负/正单边带，同时两个梳齿载波的幅度比可以通过控制光频梳源的绝对光频来调节，两个光纤准直器各自对多波长激光进行光纤-光纤和光纤-空间的耦合转换，且其工作距离需大于激光在空间传输的长度，光纤分束器将滤波后的激光分为分束比可调的两路信号。

7.根据权利要求1所述的一种基于相位调制的大动态信号解调模型方法，其特征在于，所述将光滤波模块输出的另一路光信号通过锁频控制模块产生反馈信号包括利用光电探测器对另一路光信号进行光电转换，产生的电信号通过锁频反馈系统的识别分析后识别出绝对光频率与光滤波带通的相对位置，并产生反馈信号。

8.根据权利要求1所述的一种基于相位调制的大动态信号解调模型方法，其特征在于，获得三阶交调信号有效抑制的大动态射频信号的过程包括根据所述反馈信号控制光频梳源调节其绝对梳齿频率，从而完成绝对光频率与光滤波带通的相对位置的精确锁定；将带有正/负相反单边带的两根梳齿同时在所述光电探测模块上进行光电转换，输出三阶交调信号有效抑制的大动态射频信号。

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