CN112087264B - 光子辅助多通道信号合成和超宽带毫米波调制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光子辅助多通道窄带信号合成和超宽带毫米波调制方法及系统，属于微波光子学领域，首先，对同源光波长进行分路，并利用并行光路分支对各路光波长进行波长迁移，通过设定并行光路中各射频源频率间隔，实现超窄间隔锁频锁相光多波长的产生；然后，通过对产生的超窄间隔锁频锁相光多波长进行窄带信号调制，并利用光耦合器对多通道光波长进行合路；最后，将一路锁频锁相光波长，与多路超窄间隔锁频锁相光多波长进行合路和光电转换，实现超宽带毫米波调制，解决了窄带基带信号合路和超宽带毫米波调制问题。

Description

光子辅助多通道信号合成和超宽带毫米波调制方法及系统

技术领域

本发明属于微波光子学领域，更具体地，涉及一种光子辅助多通道窄带信号合成和超宽带毫米波调制方法及系统。

背景技术

频谱资源紧张推动了通信频率向更高频段演进，毫米波段具有数个GHz的可用频谱资源，是未来无线通信的发展方向。

受到基带信号处理速率和模数/数模转换器件瓶颈制约，直接将数个GHz的基带信号调制到毫米波段，器件成本高，难度大，可采取的途径是基于副载波调制和多通道信号合成方法降低基带信号处理带宽。在毫米波波段对多通道基带信号进行变频和合成难度大问题，对合成器件要求高。相比于传统电路信号产生方式，光子辅助毫米波生成技术利用光外差的方式，可以有效克服电子器件带宽瓶颈，大幅度简化系统结构，具有结构简单、成本低廉的优势。传统的基于独立光波长外差方法因波长稳定性问题导致产生的毫米波载波频率有数百MHz漂移；基于光频梳方法虽然可以产生多个锁频锁相光载波，但当频率间隔为GHz量级时，无法进行有效的波长分离和单独调制。这些方法都不适用于多通道窄带信号合成和毫米波调制需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种光子辅助多通道窄带信号合成和超宽带毫米波调制方法及系统，实现多个窄带基带信号无缝拼接成超宽带信号，并同时调制到毫米波波段射频上，解决了窄带基带信号合路和超宽带毫米波调制问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种光子辅助多通道窄带信号合成和超宽带毫米波调制方法，包括：

(1)对同源光波长进行分路，并利用并行光路分支对各路光波长进行波长迁移，通过设定并行光路中各射频源频率间隔，实现超窄间隔锁频锁相光多波长的产生；

(2)通过对产生的超窄间隔锁频锁相光多波长进行窄带信号调制，并利用光耦合器对多通道光波长进行合路；

(3)将一路锁频锁相光波长，与多路超窄间隔锁频锁相光多波长进行合路和光电转换，实现超宽带毫米波调制。

在一些可选的实施方案中，步骤(1)包括：

对同源光波长进行分路为S1、S2、…、Sn及C0路，其中，信号调制光路S1，S2，…，Sn通过调制器将各光路上的基带信号调制到光波上，再通过各光路上级联的调制器实现载波抑制调制，将基带信号搬移到指定载波上，搬移频率由各信号调制光路上对应的驱动正弦波射频源f1，f2，…，fn决定，其中，各正弦波射频源频率间隔的选取与其对应信号调制光路上的基带信号带宽匹配；

载波光路C0通过载波抑制调制后进行波长搬移，搬移频率由正弦波射频源fc决定，其中，fc与各调制光路基带信号带宽和正弦波射频源频率的关系决定了期望生成的毫米波频率。

在一些可选的实施方案中，步骤(2)包括：

通过耦合器将各信号调制光路S1，S2，…，Sn经载波抑制调制后的多通道光波长进行耦合，以实现在光域上信号的无缝拼接，再经过光滤波器，保留其中一组边带；

采用光滤波选取载波光路C0经波长搬移后的光波中的一个边带。

在一些可选的实施方案中，步骤(3)包括：

将从载波光路C0中选取的一个边带与从多路信号调制光路进行合路后选取的一组边带进行合路后，送入光电探测器处拍频，并通过电滤波器滤除谐波，最终得到经过基带信号拼接、超宽带信号调制的毫米波信号。

按照本发明的另一方面，提供了一种光子辅助多通道窄带信号合成和超宽带毫米波调制系统，包括：激光器、若干信号调制光路、一路载波光路、第一光耦合器、第一光滤波器、第二光滤波器、第二光耦合器及光电转换模块；

所述激光器分别与各所述信号调制光路及所述载波光路连接；各所述信号调制光路的输出端连接所述第一光耦合器的输入端；所述第一光耦合器的输出端与所述第一光滤波器的输入端连接；所述载波光路的输出端与所述第二光滤波器的输入端连接，所述第二光滤波器的输出端及所述第一光滤波器的输出端均连接所述第二光耦合器的输入端；所述第二光耦合器的输出端与所述光电转换模块连接。

在一些可选的实施方案中，所述信号调制光路包括若干串联连接的调制器，信号调制光路首先通过调制器将各光路上的基带信号调制到光源光波上，再通过各光路上其余级联的调制器实现载波抑制调制，将基带信号搬移到指定载波上，搬移频率由信号调制光路上对应的驱动正弦波射频源决定，其中，正弦波射频源频率间隔的选取与其对应信号调制光路上的基带信号带宽匹配。

在一些可选的实施方案中，所述载波光路由调制器构成，通过载波光路上的调制器进行载波抑制调制后将光源光波进行波长搬移，搬移频率由载波光路上的正弦波射频源决定，其中，载波光路上的正弦波射频源与各调制光路基带信号带宽及正弦波射频源频率的关系决定了期望生成的毫米波频率。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明通过提出的锁频锁相多路光波长产生和合路方法，能将多个窄带基带信号进行合路和上变频到毫米波段，实现多个窄带基带信号无缝拼接成超宽带信号，并同时调制到毫米波波段射频上。该方法通过将多个通道信号进行合路，一方面降低了实时信号处理速率和带宽要求，另一方面大幅度提高了毫米波无线传输的信号带宽，可应用于超宽带毫米波无线通信系统中。本发明原理简洁，方案简单高效，具有较强的应用价值。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种光子辅助多通道窄带信号合成和毫米波调制系统示意图；

图2是本发明实施例提供的一种结果示意图，其中，(a)为图1中a处第一路信号光路经过基带信号调制的光谱图，(b)为图1中b处第一路信号光路经过调制后再进行载波抑制调制后的光谱图，(c)为图1中c处两路信号光路经过基带调制和载波抑制之后合路的光谱图，(d)为图1中d处信号光路与经过载波抑制调制和滤波后的载波光路合路的光谱图，(e)为图1中e处经过光外差之后产生的电频谱图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提出了一种光子辅助多通道窄带信号合成和毫米波调制方法，包括：超窄间隔锁频锁相光多波长产生、光子辅助多通道窄带信号合成、光子辅助超宽带毫米波调制等主要技术。

其中，超窄间隔锁频锁相光多波长产生：利用对同源光波长进行分路和合路，并并行光路分支对光波长进行波长迁移，通过设定并行光路中各射频源频率间隔，实现超窄间隔锁频锁相光多波长产生。

光子辅助多通道窄带信号合成：通过对产生的超窄间隔带锁频锁相光多波长进行窄带信号调制，并用光耦合器实现对多通道光波长进行合路。

光子辅助超宽带毫米波调制：将一路锁频锁相光波长，与多路超窄间隔锁频锁相光多波长进行合路和光电转换，实现超宽带毫米波调制。

以下结合附图进行详细说明。

考虑到采用多路独立激光器进行光外差会引入较大的频率漂移，带宽严重的信道串扰，本发明实施例采用同源激光源结合光频梳技术，实现同源光波长分路、波长搬移以及锁频锁相合路方法，系统基本原理如图1所示。

首先，由窄线宽光源产生连续光波并分成S1，S2…Sn,C0路，其中信号调制光路S1，S2…Sn通过光调制器将基带信号调制到光波上，再通过级联的电光调制器实现载波抑制调制，将基带信号搬移到指定载波上，搬移频率由驱动的正弦波射频源f1,f2…,fn决定，射频源之间间隔的选取与基带信号带宽匹配，通过第一耦合器耦合以后可实现在光域上信号的无缝拼接，再经过第一光滤波器，保留其中一组边带。

载波光路C0通过载波抑制调制后进行波长搬移，搬移频率由正弦波射频源fc决定，其中，fc的选取与期望产生的超宽带毫米波信号中心频率fp、各调制光路基带信号带宽、以及各调制光路正弦波射频源频率有关，假设各调制光路基带信号带宽为B1，B2...Bn，则fc＝fp-((fn+Bn/2)+(f1-B1/2))/2。同样用第二光滤波选取其中一个边带，以提高生成的毫米波信号的纯净度。

最后将信号调制光路和载波光路进行合路，并送入光电探测器处拍频，并通过电滤波器滤除谐波，最终得到经过基带信号拼接、超宽带信号调制的毫米波信号。

图2所示为本发明实施的典型案例结果，对两个带宽为1.25GHz的基带信号进行合成，并调制到75GHz载波上，基于图1的系统框图，在各端口观测到的光谱和电谱如图2中(a)～(e)所示。图2中(a)为图1中a处第一路信号光路经过基带信号调制的光谱图，图2中(b)为图1中b处第一路信号光路经过调制后再进行载波抑制调制后的光谱图，图2中(c)为图1中c处两路信号光路经过基带调制和载波抑制之后合路的光谱图，图2中(d)为图1中d处信号光路与经过载波抑制调制和滤波后的载波光路合路的光谱图，图2中(e)为图1中e处经过光外差之后产生的电频谱图。可以看到两路基带信号进行了合路并调制到75GHz毫米波上。

上述实施方案仅为本发明的典型应用，不同的基带信号调制方式，如IQ调制等，以及采用强度调制器、相位调制器或级联调制器实现波长搬移均为本发明的具体实现。此外本发明提出的方法也适用于基带信号调制方式、带宽、多通道基带信号间隔等灵活调整的情况。

需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种光子辅助多通道窄带信号合成和超宽带毫米波调制方法，其特征在于，包括：

(1)对同源光波长进行分路，并利用并行光路分支对各路光波长进行波长迁移，通过设定并行光路中各射频源频率间隔，实现超窄间隔锁频锁相光多波长的产生；

其中，步骤(1)包括：

对同源光波长进行分路为S1、S2、…、Sn及C0路，其中，信号调制光路S1，S2，…，Sn通过调制器将各光路上的基带信号调制到光波上，再通过各光路上级联的调制器实现载波抑制调制，将基带信号搬移到指定载波上，搬移频率由各信号调制光路上对应的驱动正弦波射频源f1，f2，…，fn决定，其中，各正弦波射频源频率间隔的选取与其对应信号调制光路上的基带信号带宽匹配；

载波光路C0通过载波抑制调制后进行波长搬移，搬移频率由正弦波射频源fc决定，其中，fc与各调制光路基带信号带宽及正弦波射频源频率的关系决定了期望生成的毫米波频率；

(2)通过对产生的超窄间隔锁频锁相光多波长进行窄带信号调制，并利用光耦合器对多通道光波长进行合路；

(3)将一路锁频锁相光波长，与多路超窄间隔锁频锁相光多波长进行合路和光电转换，实现超宽带毫米波调制。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)包括：

通过耦合器将各信号调制光路S1，S2，…，Sn经载波抑制调制后的多通道光波长进行耦合，以实现在光域上信号的无缝拼接，再经过光滤波器，保留其中一组边带；

采用光滤波选取载波光路C0经波长搬移后的光波中的一个边带。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(3)包括：

将从载波光路C0中选取的一个边带与从多路信号调制光路进行合路后选取的一组边带进行合路后，送入光电探测器处拍频，并通过电滤波器滤除谐波，最终得到经过基带信号拼接、超宽带信号调制的毫米波信号。

4.一种光子辅助多通道窄带信号合成和超宽带毫米波调制系统，其特征在于，包括：激光器、若干信号调制光路、一路载波光路、第一光耦合器、第一光滤波器、第二光滤波器、第二光耦合器及光电转换模块；

所述激光器分别与各所述信号调制光路及所述载波光路连接；各所述信号调制光路的输出端连接所述第一光耦合器的输入端；所述第一光耦合器的输出端与所述第一光滤波器的输入端连接；所述载波光路的输出端与所述第二光滤波器的输入端连接，所述第二光滤波器的输出端及所述第一光滤波器的输出端均连接所述第二光耦合器的输入端；所述第二光耦合器的输出端与所述光电转换模块连接；

所述信号调制光路包括若干串联连接的调制器，信号调制光路首先通过调制器将各光路上的基带信号调制到光源光波上，再通过各光路上其余级联的调制器实现载波抑制调制，将基带信号搬移到指定载波上，搬移频率由信号调制光路上对应的驱动正弦波射频源决定，其中，正弦波射频源频率间隔的选取与其对应信号调制光路上的基带信号带宽匹配；

所述载波光路由调制器构成，通过载波光路上的调制器进行载波抑制调制后将光源光波进行波长搬移，搬移频率由载波光路上的正弦波射频源决定，其中，载波光路上的正弦波射频源与各调制光路基带信号带宽及正弦波射频源频率的关系决定了期望生成的毫米波频率。

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