CN113055095B - 一种基于双偏振正交相移键控调制器的微波二进制数字调制信号生成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双偏振正交相移键控调制器的微波二进制数字调制信号生成方法，该发明涉及光通信技术领域、微波技术领域以及数字频带传输系统，主要涉及利用微波光子学技术实现任意二进制数字调制信号的生成。所述方法如说明书图1所示，包括光源LD、射频源RF、信号源AWG、双偏振正交相移键控调制器DP‑QPSK、偏振控制器PC、偏振分束器PBS、和双平行光电平衡探测器BPD。DP‑QPSK经过RF和AWG调制后，通过设置正确的偏压点以及调整PC后，注入BPD就可获得所需的不同的二进制数字调制信号。本发明工作带宽大，跳频速度快、系统稳定性高、结构简单、集成度高且容易实现。
Description
技术领域
本发明涉及光通信技术领域、微波技术领域，主要涉及利用微波光子学技术生成任意二进制数字调制信号。
背景技术
由于电域系统结构复杂、损耗较大且受带宽限制；与电域相比，在光场中生成二进制数字调制信号具有损耗低，带宽大、抗电磁干扰、简单轻便、系统稳定性高等优点。
传统光场中生成振幅键控ASK信号、移相键控PSK、频移键控FSK信号的方式一般可分为两类:基于频时映射、直接空时映射和光外差结构；由于前两种其结构庞大且有损耗，故光外差法逐渐受到越来越多的关注。
现有的光外差生成二进制数字调制信号的解决方案大多只能实现一种调制格式，为了提高系统的灵活性，需要在一个方案中生成不同的调制方式。
目前对生成多种微波二进制数字调制信号的方案主要有两类：一种是采用光脉冲整形、频谱整形和频时映射技术，另一种是基于光外差结构；前一种方案的主要缺点是产生的信号频率具有固定的因子关系，并且叶栅结构更为复杂。
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双偏振正交相移键控调制器DP-QPSK的微波二进制数字调制信号生成方案；该方法在保持系统结构不发生改变的情况下，只改变二进制编码信号的幅度或改变Y-DPMZM中主调制器的偏置电压就可以产生三种不同的数字调制方式；该方案核心器件为DP-QPSK和BPD，结构简单；系统不包含EDFA等与频率相关的光电元件，工作带宽大；系统跳频速度快、系统稳定性高且容易实现。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：所述方法包括包括光源LD、射频源RF、信号源AWG、一个双偏振正交相移键控调制器DP-QPSK、掺铒光纤放大器EDFA、偏振控制器PC、偏振分束器PBS、和双平行光电探测器BPD；LD输出端连接DP-QPSK调制器，RF和二进制编码信号分别加载在DP-QPSK的不同端口，DP-QPSK的输出端依次连接PC和PBS，然后PBS的输出端连接BPD，BPD输出端获得所需的不同的数字调制信号。
所述的DP-QPSK内部是由Y型分光器、两个双平行马赫增德尔调制器X-DPMZM和Y-DPMZM、90度偏振旋转器和偏振合束器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DP-QPSK中。
(2)在DP-QPSK内，光载波被分为两路，分别输入到X-DPMZM和Y-DPMZM中，射频信号RF1输入X-DPMZM的子调制器X-MZM1的射频端口，AWG信号通过电功分器分为两路，一路输入X-DPMZM的子调制器X-MZM2的射频端口，另一路输入Y-DPMZM的子调制器Y-MZM1的射频端口，Y-MZM2的射频端口空载，调整偏置电压，使得X-DPMZM的X-MZM1、X-MZM2和主调制器分别工作在最小点MITP、最大点MATP以及最大点MATP，且Y-DPMZM的Y-MZM1、Y-MZM2和主调制器都工作在最小点MITP；通过90度偏振旋转器使得X-DPMZM和Y-DPMZM输出的两路光信号的偏振态相互正交，随后这两路光信号经PBC合束后输出PBC，DP-QPSK输出偏振复用光。
(3)DP-QPSK的输出端口连接到PC的输入端口，PC的输出端口连接PBS。
(4)调整PC使光信号的偏振方向与PBS的主轴相差45度，然后PBS的两个输出端口分别连接到BPD的两个输入端口，经过光电平衡探测后，可以得到振幅键控ASK信号。
(5)保持系统其它参数不更改的情况下，只调整AWG信号的幅值，就可得到移相键控PSK信号；
(6)保持系统其它参数不更改的情况下，将射频信号RF2加载在Y-DPMZM的子调制器Y-MZM2上，并将Y-DPMZM的主调制器电压偏置在正交点QTP，就可以产生频移键控FSK信号；
提出了一种基于双偏振正交相移键控调制器的微波二进制数字调制信号生成方案，RF信号和AWG信号分别加载在DP-QPSK的不同端口，得到偏振复用光，经PC和PBS相连后，进入BPD拍频得到所需的数字调制信号；
本发明可以灵活地产生不同调制格式、编码速率和载波频率的信号。
本发明不使用EDFA等与频率相关的光电元件，因此系统的频率可调谐范围较大。
本发明本发明系统简单，集成度高，具有很强的实际可操作性。
附图说明
图1为本发明利用DP-QPSK生成微波二进制数字调制信号的原理图：(A)系统框架图。(B)生成ASK和PSK信号时DP-QPSK的原理图。(C)生成FSK信号时DP-QPSK的原理图。
图2为有关ASK调制的一系列波形：(a)DP-QPSK上加载的二进制编码信号。(b)输出的ASK调制信号。
图3为有关PSK调制的一系列波形：(a)在DP-QPSK上加载的二进制编码信号。(b)16-GHz PSK信号的光谱。(c)生成的PSK信号的时域波形。(d)PSK信号经希尔伯特变换后的时域波形。图4为有关FSK调制的一系列波形：(a)DP-QPSK输出的两路偏振信号的光谱。(b)FSK信号的频谱图。(c)FSK信号的时域波形。(d)FSK信号纠正相移后的时域波形。
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DP-QPSK生成ASK、PSK、FSK信号的系统框图：(A)系统框架图。(B)生成ASK和PSK信号时DP-QPSK的原理图。(C)生成FSK信号时DP-QPSK的原理图：其中，激光器输出的连续光载波进入DP-QPSK，射频信号RF1输入X-DPMZM的子调制器X-MZM1的射频端口，AWG信号通过电功分器分为两路，一路输入X-DPMZM的子调制器X-MZM2的射频端口，另一路输入Y-DPMZM的子调制器Y-MZM1的射频端口，Y-MZM2的射频端口空载，调整偏置电压，使得X-DPMZM的X-MZM1、X-MZM2和主调制器分别工作在最小点MITP、最大点MATP以及最大点MATP，且Y-DPMZM的Y-MZM1、Y-MZM2和主调制器都工作在最小点MITP，通过90度偏振旋转器使得X-DPMZM和Y-DPMZM输出的两路光信号的偏振态相互正交，随后这两路光信号经PBC合束后输出，DP-QPSK的输出端口连接到PC的输入端口，PC的输出端口连接PBS，调整PC使光信号的偏振方向与PBS的主轴相差45度，然后PBS的两个输出端口分别连接到BPD的两个输入端口，经过光电平衡探测后，可以得到振幅键控ASK信号；保持系统其它参数不更改的情况下，只调整AWG信号的幅值，就可得到移相键控PSK信号；保持系统其他参数不更改的情况下，将射频信号RF2加载在Y-DPMZM的子调制器Y-MZM2上，并将Y-DPMZM的主调制器电压偏置在正交点QTP，调整AWG信号的幅值，就可以产生频移键控FSK信号。
如图1(A)所示，本实施例中，方法包括：射频源RF、信号源AWG、双偏振正交相移键控调制器DP-QPSK、偏振复用器PBC、偏振控制器PC、偏振分束器PBS、和平衡光电探测器BPD；LD连接DP-QPSK，DP-QPSK输出端连接PC，PC的输出端连接PBS，PBS的输出端连接BPD。
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15dBm的连续光波输入到DP-QPSK，DP-QPSK半波电压约3.5V，插入损耗约13dB；消光比约为35dB。两个微波模拟信号发生器用于提供射频信号RF1和RF2。二进制编码信号由任意波形发生器AWG提供，并通过电放大器进行放大。然后将射频RF信号和AWG生成的二进制编码信号分别加载到DP-QPSK的不同射频端口上。
步骤二：假设LD产生的光载波表示为Ein(t)＝E0exp(jωct),E0和ωc光载波的幅值和相位，AWG产生的信号是s(t),RF1和RF2分别可以表示为VRF1sin(ωRF1t)和VRF2sin(ωRF2t),VRF1和VRF2是射频信号的幅值,ωRF1和ωRF2是其角频率,mRF1和mRF2是RF1和RF2的调制指数,mRF1＝πVRF1/Vπ可以分别用mRF2＝πVRF2/Vπ来计算，Vπ是MZM的半波电压。
步骤三：生成ASK信号和PSK信号时，AWG产生的0.5Gbit/s信号经电放大器放大后被分成相同的两路，一路输入X-DPMZM的子调制器X-MZM2的射频端口，另一路输入Y-DPMZM的子调制器Y-MZM1的射频端口，射频源产生频率为16GHz、功率为18dBm的射频信号RF1。RF1输入X-DPMZM的子调制器X-MZM1的射频端口，Y-MZM2的射频端口空载，调整偏置电压，使得X-DPMZM的X-MZM1、X-MZM2和主调制器分别工作在最小点MITP、最大点MATP以及最大点MATP，且Y-DPMZM的Y-MZM1、Y-MZM2和主调制器都工作在最小点MITP。X-DPMZM和Y-DPMZM输出的两路光信号的偏振态相互正交，随后这两路光信号经PBC合束后输出，DP-QPSK输出的调制信号表示为：
其中ω0为光载波的角频率，m为调制指数，Jn(·)为第一类n阶贝塞尔函数。
和
分别代表了两种正交偏振状态，β是s(t)的调制系数,调整β即可得到所需的二进制编码信号。在上述方程的小信号假设下，只考虑一阶光边带，忽略高阶光边带。
步骤四：调整PC,在偏振复用信号和PBS主轴之间通过PC引入45度相移,将两个极化状态的主轴与PBS的主轴对齐。两个偏振复用信号在PBS输出时记为:
其中，α是PC和PBS主轴间的夹角，是X和Y偏振态之间的相位差。
步骤五：PBS输出的信号进入BPD拍频，输出信号可以表示为:
IBPD＝EP1(t)EP1 *(t)-EP2(t)EP2 *(t)
∝J1(mRF1)sin(ωRF1t)sin[βs(t)] (3)
步骤六：当AWG输出比特‘0’时，得到输出的二进制数字调制信号满足βs(t)＝0，且在比特‘1’时满足βs(t)＝π/2；此时输出信号为ASK信号，可以表示为:
我们使用光谱分析仪来监测光信号，时间波形由采样速率为80Gs/s的示波器DSO监测。图2为实施例中ASK调制的一系列波形：(a)DP-QPSK上加载的二进制编码信号。(b)输出的ASK调制信号。
步骤七：调整AWG信号的幅值，当AWG输出比特‘0’时，得到输出的二进制数字调制信号满足βs(t)＝-π/2，且在比特‘1’时满足βs(t)＝π/2；则输出信号为PSK信号，可以表示为:
图3为实施例中PSK调制得到的一系列波形：(a)在DP-QPSK上加载的二进制编码信号。(b)光谱仪输出的16GHz PSK信号的光谱。(c)示波器生成的PSK信号的时域波形。(d)PSK信号经希尔伯特变换后的时域波形。
步骤八：将RF1和RF2的频率分别设置为6GHz和18GHz。在Y-DPMZM子调制器Y-MZM上,将Y-DPMZM的主调制器直流偏压改为正交点QTP，此时DP-QPSK的输出可以表示为：
输出信号经PC和PBS后进入BPD拍频，输出信号可以表示为:
IBPD＝EP1(t)EP1 *(t)-EP2(t)EP2 *(t)
∝J1(mRF1)sin(ωRF1t)sin[βs(t)] (7)
步骤九：调整二进制编码信号的幅值，当AWG输出比特‘0’时，得到输出的进制数字调制信号满足βs(t)＝0，且在比特‘1’时满足βs(t)＝π/2；则输出信号为FSK信号，上式可表示为：
图4为实施例中FSK调制得到的一系列波形：(a)DP-QPSK输出的两路偏振信号的光谱，(b)FSK信号的频谱，(c)FSK时域波形，(d)FSK信号纠正相移后的时域波形。
综上，本发明基于双偏振正交相移键控调制器的微波二进制数字调制信号生成方法，所产生的信号的调制格式、编码速率和载波频率可以独立而灵活地改变。具有大的带宽和可调性。结构简单、成本低、集成度高，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AWG信号的频率、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 (1)
1.一种基于双偏振正交相移键控调制器的微波二进制数字调制信号生成方法，包括激光器LD、双偏振正交相移键控调制器DP-QPSK、射频信号源、任意波形发生器AWG、偏振控制器PC、偏振分束器PBS和平衡光电探测器BPD，其中DP-QPSK内部是由Y型分光器、两个双平行马赫增德尔调制器X-DPMZM和Y-DPMZM、90度偏振旋转器和偏振合束器PBC集成；其特征在于：激光器输出的连续光载波进入DP-QPSK，射频信号RF1输入X-DPMZM的子调制器X-MZM1的射频端口，AWG信号通过电功分器分为两路，一路输入X-DPMZM的子调制器X-MZM2的射频端口，另一路输入Y-DPMZM的子调制器Y-MZM1的射频端口，Y-MZM2的射频端口空载，调整偏置电压，使得X-DPMZM的X-MZM1、X-MZM2和主调制器分别工作在最小点MITP、最大点MATP以及最大点MATP，且Y-DPMZM的Y-MZM1、Y-MZM2和主调制器都工作在最小点MITP，通过90度偏振旋转器使得X-DPMZM和Y-DPMZM输出的两路光信号的偏振态相互正交，随后这两路光信号经PBC合束后输出，DP-QPSK的输出端口连接到PC的输入端口，PC的输出端口连接PBS，调整PC使光信号的偏振方向与PBS的主轴相差45度，然后PBS的两个输出端口分别连接到BPD的两个输入端口，经过光电平衡探测后，可以得到振幅键控ASK信号；保持系统其它参数不更改的情况下，只调整AWG信号的幅值，就可得到移相键控PSK信号；保持系统其它参数不更改的情况下，将射频信号RF2加载在Y-DPMZM的子调制器Y-MZM2上，并将Y-DPMZM的主调制器电压偏置在正交点QTP，调整AWG信号的幅值，就可以产生频移键控FSK信号；本发明只改变AWG信号的幅度或改变Y-DPMZM中主调制器的偏置电压就可以产生三种不同的数字调制方式。
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