CN112260761B - 一种基于级联调制器无滤波器的四倍频上变频方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于级联调制器无滤波的四倍频上变频方法，该发明涉及微波技术以及光通信技术领域，主要涉及利用光子学技术实现本振信号LO四倍频以及中频信号IF的上变频。所述方法如说明书图1所示，包括光源LD、中频信号IF、本振信号LO、电移相器PS、双偏振正交移相调制器PDM‑DPMZM、掺铒光纤放大器EDFA、偏振控制器PC1、强度调制器IM、偏振控制器PC2、起偏器Pol、单模光纤SMF、以及光电探测器PD。PDM‑DPMZM经过本振信号LO调制产生±2LO边带，PC1将+2LO边带对准IM的慢轴，用来调制中频信号IF，IM输出的偏振复用信号经过PC2在Pol中干涉为一个偏振态。随后输入25km SMF，输出信号进入PD拍频生成上变频信号。本发明结构简单、无需使用滤波器、不受色散引起的周期性功率衰落影响，本振中频LO‑IF隔离度高。

Description

一种基于级联调制器无滤波器的四倍频上变频方法
技术领域
本发明涉及光通信技术领域、微波技术领域以及雷达技术领域，主要涉及利用光子学技术实现中频信号的四倍频上变频。
背景技术
混频器是收发机系统的重要组成部分，其中上变频系统对本振信号的频率要求较高；为了解决这一问题，所以采用本振倍频与混频相结合的方法。
传统的上变频技术是在电域中实现的，受电子瓶颈影响，高频上变频多采用多次上变频的方法，系统结构复杂、造价高且受带宽限制。
与传统的上变频技术相比，微波光子上变频技术具有损耗低，带宽高，抗电磁干扰、简单轻便的优点，可以弥补电子器件的不足。
目前上变频方案主要有两类，一类是直接上变频，即中频信号IF直接加载在可调激光器上实现上变频；另外一种是外调制，中频信号IF加载在调制器上，通过调制器的调制实现上变频；由于器件本身的频率限制，两者均很难实现高频上变频。
发明内容
为了解决技术背景中所存在的问题，本发明提出了一种基于级联调制器无滤波器的四倍频上变频方法；该方法无需滤波器，因此系统的频率调谐范围和工作带宽不受滤波器滚降系数的限制；中频信号IF和本振信号LO分别调制在两个不同的调制器上，从而实现了高的中频本振隔离度；系统采用抑制载波双边带的调制方式，实现了高效的频谱利用；结构相对简单且容易实现。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：所述方法包括光源LD、中频信号IF、本振信号LO、电移相器PS、双偏振正交移相调制器PDM-DPMZM、掺铒光纤放大器EDFA、偏振控制器PC1、强度调制器IM、偏振控制器PC2、单模光纤SMF以及光电探测器PD；LD输出端连接PDM-DPMZM，PDM-DPMZM的输出端依次连接EDFA和PC1，PC1的输出端依次连接IM、PC2、Pol和SMF，SMF的输出端连接PD，PD输出端生成四倍频的上变频射频信号。
所述的PDM-DPMZM由X-DPMZM和Y-DPMZM两个子调制器以及尾部的偏振合束器PBC集成，其中DPMZM是由两个子MZM构成。
本发明在工作时包括以下步骤：
(1)从LD发出波长为λ的光波作为载波注入到PDM-DPMZM中。
(2)在PDM-DPMZM内，光载波被分为两路，分别输入到X-DPMZM和Y-DPMZM中，本振信号LO功分两路后，一路直接驱动Y-DPMZM的一个射频输入端口，另一路相移45°后输入到X-DPMZM的一个射频输入端口，X-DPMZM和Y-DPMZM的一个射频端口均有一个空载，另一个加载本振信号LO，加载本振信号LO的子MZM均偏置在最大传输点，X-DPMZM和Y-DPMZM的主调制器偏置均偏置在最小传输点，均输出抑制载波的双边带信号，Y-DPMZM输出的信号经过90°PR偏振旋转90°，PBC将X-DPMZM和Y-DPMZM的输出耦合，PDM-DPMZM输出偏振复用光。
(3)PDM-DPMZM输出的偏振复用光，经过EDFA进行放大，放大后的偏振复用光经过PC1将+2LO边带和-2LO边带分离到两个不同偏振态中。
(4)PC1将+2LO边带沿着IM的慢轴输入，-2LO边带沿着IM的快轴输入，IM射频端加载中频信号IF，偏置在最小点，输出的偏振复用信号进入PC2和Pol，Pol将偏振复用信号干涉为一线偏振。
(5)Pol输出的信号进入SMF进行传输，SMF的输出端连接PD，PD拍频生成四倍频的上变频RF信号。
本发明提出了一种新型的四倍频上变频的方法，本振信号LO分两路加载到PDM-DPMZM的射频端，得到偏振复用光，经EDFA后与PC相连，通过IM将+2LO边带调制IF信号，-2LO边带基本不调制，采用Pol将两个偏振态干涉为一个偏振态，经过SMF传输后进入PD，生成四倍频的上变频RF信号；本发明设备简单，具有很强的实际可操作性。
本发明不使用滤波器滤除光载波，因此系统的频率调谐范围和工作带宽不受滤波器的限制。
本发明中频信号IF和本振信号LO分别输入到两个调制器，从而实现了高的中频本振IF-LO隔离。
本发明不会产生色散引起的周期性功率衰落，可以长距离传输。
本发明采用LO四倍频技术，对本振信号LO的频率要求降低。
附图说明
图1为本发明利用PDM-DPMZM级联IM实现四倍频上变频的原理图。
图2为实施例中PDM-DPMZM输出光信号和IM输出光信号的频谱。
图3为实施例中PD输出的四倍频上变频信号的频谱。
图4为实施例中的转换增益随频率变换图。
图5为实施例中上变频基频项和三阶交调项随中频(IF)功率变化的实验测试结果，以及测得的噪声底和无杂散动态范围(SFDR)。
图6为实施例中BTB和经过25KM光纤后对应得电谱图和星座图。
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为本发明利用PDM-DPMZM级联IM实现四倍频上变频的原理图；该方案利用PDM-DPMZM对本振信号LO进行抑制载波双边带调制，在PDM-DPMZM内，光载波被分为两路，分别输入到X-DPMZM和Y-DPMZM中，其中Y-DPMZM由本振信号LO直接驱动，X-DPMZM由经过45°移相的本振信号LO驱动，通过调整偏置电压PDM-DPMZM输出±2LO边带；经EDFA放大之后与PC1相连，通过PC将+2LO边带和-2LO边带分离到两个偏振态，然后输入到IM中，中频信号IF驱动IM，且IM偏置在最小点，其中中频信号IF调制在+2LO信号上，-2LO信号基本不调制，IM输出端连接PC2，PC2输出连接Pol，Pol将两偏振信号干涉到一个偏振态中，经过25Km的SMF传输后进入PD，PD拍频之后生成四倍频的上变频RF信号。
如图1所示，本实施例中，方法包括：光源LD、中频信号IF、本振信号LO、电移相器PS、双偏振正交移相调制器PDM-DPMZM、掺铒光纤放大器EDFA、强度调制器IM、两个偏振控制器PC、单模光纤SMF以及光电探测器PD；LD的输出口与PDM-DPMZM的光输入口相连，在PDM-DPMZM内，光载波被分为两路，分别输入到X-DPMZM和Y-DPMZM中；本振信号LO的输出端接电耦合器EC的输入端，EC的一个输出端连接Y-DPMZM的射频输入端，EC的另一个输出端接PS的输入端，PS相移输出端口接X-DPMZM的射频输入端，PDM-DPMZM调制器的输出端依次连接EDFA、PC1，PC1输出与IM光输入口相连，IM射频输入端连接中频信号IF，IM光输出端与PC2相连，PC2输出端与Pol相连，Pol的输出和SMF的输入端相连，SMF的输出端连接PD。
本实例中，方法的具体实施步骤是：
步骤一：光源产生中心波长在1551.94nm附近、功率12dBm的连续光波输入到PDM-DPMZM，PDM-DPMZM半波电压约3.5V，插入损耗约10dB；在PDM-DPMZM内，光载波被分为两路，分别输入到X-DPMZM和Y-DPMZM中；信号源输出中心频率6GHz功率20dBm的本振LO信号，连接到EC的输入端，EC的一个输出端连接X-DPMZM的射频输入端，EC的另一个输出端接PS的输入端，PS相移输出端口接Y-DPMZM的射频输入端，X-DPMZM与Y-DPMZM的另一个射频输入端均空载，且主调制器偏置在最小点，PBC将X-DPMZM和Y-DPMZM的输出信号耦合，PDM-DPMZM输出的调制信号表示为：
Figure GDA0003315674250000041
其中ωLO为本证信号的角频率，m为调制指数，Jn(·)为第一类n阶贝塞尔函数。
步骤二：EDFA对光边带进行放大，光信号被放大后送入PC1，通过PC1调整偏振态将+2LO与-2LO两个边带分开，光谱图如图2所示，PC1输出的偏振复用信号表示为：
Figure GDA0003315674250000042
其中θ为PC1对X主轴与IM主轴引入的夹角，ψ为PC1对X偏振态引入的相位差。
步骤三：偏振复用信号中的+2LO边带的偏振态对准IM的主轴，射频源输出中心频率2GHz，功率10dBm的中频信号IF连接IM的射频输入端，其中IM工作在最小点上，输出光信号可以表示为：
Figure GDA0003315674250000043
步骤四：调整PC2和Pol将两个偏振态干涉到一个偏振态中。
步骤五：PC2输出的信号经过25Km的SMF传输后接入PD进行拍频实现上变频，忽略直流，得到RF信号如下：
Figure GDA0003315674250000044
式中η为PD的响应度，PD输出为上变频电信号，采用频谱分析仪采集电信号，结果如图3所示。
步骤六：为了观察在不同本振信号LO频率下的变频效率，将中频信号IF固定为2GHz，本振信号LO频率从1GHz变到9GHz，步长为0.25GHz，测量PD输出的RF功率；RF功率减去IF功率即为变频效率。图4为变频效率随RF变化的曲线。转换增益在-32dB左右，波动在0.5dB以下。
步骤八：利用另一个信号发生器产生另一个射频信号，测量无杂散动态范围SFDR；实验中输入本振信号LO频率为6GHz，功率为20dBm，中频双音信号频率设置为2GHz和2.02GHz；在不同的中频输入功率水平下，基频项和三阶互调失真(IMD3)的输出功率如图5所示；噪声底为-146dBm/Hz，实测SFDR为90.4dBHz2/3。
步骤九：将中频信号IF改成DPMZM/16QAM信号，采用频谱仪测试变频信号的传输质量，其中一组为BTB模式另一组为经过25kmSMF，对应的电谱图与星座图如图6所示。
综上，本发明基于级联调制器的无滤波器四倍频上变频方法，无需使用滤波器，频率调谐范围和工作带宽大，调节简单，易于实现，IF-LO隔离度高，不受色散引起的周期性功率影响，不受电磁干扰。
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，射频信号和本振信号的中心频率、中频频率、光载波波长等都可以改变；这些等同变形和替换以及频率范围的调整也相应视为本发明的保护的范围。

Claims (3)

1.一种基于级联调制器无滤波器的四倍频上变频方法，包括光源LD、中频信号IF、本振信号LO、电移相器PS、双偏振正交移相调制器PDM-DPMZM、掺铒光纤放大器EDFA、偏振控制器PC1、强度调制器IM、偏振控制器PC2、起偏器Pol、单模光纤SMF以及光电探测器PD；LD输出端连接PDM-DPMZM，PDM-DPMZM的输出端依次连接EDFA和PC1，PC1的输出端依次连接IM、PC2、Pol和SMF，SMF的输出端连接PD，其特征在于：PDM-DPMZM集成了两个子调制器DPMZM，分别为X-DPMZM和Y-DPMZM，本振信号LO平均功分成两路后，一部分直接加载在Y-DPMZM的一个射频端口，一路相移45°后直接驱动X-DPMZM的一个射频端口上，加载本振信号LO的子MZM均偏置在最大传输点，X-DPMZM和Y-DPMZM的主调制器偏置均偏置在最小传输点，X-DPMZM和Y-DPMZM的另一个射频端口均空载，通过设置空载射频端的子MZM的偏置电压，使得X-DPMZM和Y-DPMZM输出抑制载波的双边带信号，经PBC耦合后PDM-DPMZM输出偏振复用信号；通过调整PC1输出+2LO和-2LO两个正交偏振信号，随后输入IM，其中IM偏置在最小点，加载在IM射频端的中频信号IF调制在+2LO边带上，-2LO边带不调制，IM输出的偏振复用信号经过PC2后进入Pol起偏为一个偏振态，通过单模光纤SMF后，经光电探测器PD转换，生成四倍频的上变频信号。
2.根据权利要求1所述的基于级联调制器无滤波器的四倍频上变频方法，其特征在于通过改变本振信号LO的频率，即在6Hz—38GHz大范围调谐上变频信号频率。
3.根据权利要求1所述的基于级联调制器无滤波器的四倍频上变频方法，其特征在于通过改变光纤长度以适用于不同的天线拉远系统。
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