CN113098618A - 一种双频段相位编码信号的光学生成方法 - Google Patents

一种双频段相位编码信号的光学生成方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双频段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图1所示，包括激光器LD、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和平衡光电探测器BPD。基带相位编码信号通过DP‑QPSK中的X‑DPMZM调制到光载波上，本振信号通过DP‑QPSK中的Y‑DPMZM产生正负1阶光边带；调整PC，控制DP‑QPSK输出光信号的偏振态和PBS主轴的夹角，随后经过光电平衡探测后就可以得到相位编码信号。本发明可同时产生双频段相位编码信号。不仅克服了电域技术的电子瓶颈，还扩展了工作带宽；双频段特性还使得系统在双波段雷达中有潜在的应用价值。

Description

一种双频段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
随着无线电应用频带的增加，雷达系统正向超宽带、可重构和多频段发展。脉冲雷达是一种常见的雷达类型，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。为了进一步提高雷达系统的探测精度和距离，需要研究产生更大时宽带宽的脉冲压缩信号，而相位编码信号由于其产生容易，脉冲压缩性能好，得到了广泛的应用。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，但是目前在电域中，关键器件的带宽受限，定时抖动大，电磁干扰严重，系统体积功耗大等问题限制了雷达系统的发展和应用场景
微波光子技术的多频段、大带宽、低传输损耗、抗电磁干扰等一系列优势，使其成为突破电子瓶颈的关键技术，因此相位编码信号的光学生成方法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，同时其体积小，功耗低等优势使其在下一代雷达探测，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大致分为两大类，一类为基于空间光学的生成方案，一类为基于外调制器的生成方案。在第一类方案中，虽然系统灵活，可扩展性强，但是空间调制器体积大，并且自由空间的光与光纤耦合会使系统结构复杂，损耗增大。在第二类方案中，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信号，然而大多数方案只能产生一种频段的相位编码信号，有的还需要级联调制器使得系统变得复杂，难以应用在双波段雷达、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，本发明提出了一种双频段相位编码信号的光学生成方法。该方法仅使用一个集成电光调制器即可同时产生双频段的相位编码信号，简化了系统结构，降低系统传输损耗；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调制器DP-QPSK对光载波相位调制和抑制载波的双边带调制，两个偏振态的信号可被精确调谐，这样可使光载波与正负1阶边带的偏振态相互正交；光电转换模块采用平衡光电探测器，提高了本振信号的隔离度，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调制器DP-QPSK、3偏振控制器PC、4偏振分束器PBS、5平衡光电探测器BPD、6射频源、7任意波形发生器AWG、8直流源、9电功分器。光源的输出端与DP-QPSK调制器的输入端连接，AWG产生的基带相位编码信号由电功分器分为两路，直接加载在DP-QPSK调制器中的X-DPMZM的两个射频输入端，两个射频源输出两个频率不同的本振信号，分别加载在DP-QPSK调制器中的Y-DPMZM的两个射频输入端。DP-QPSK调制器的输出端与偏振控制器PC相连，随后连接PBS的输入端，PBS的输出端连接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内部是由Y型分光器、两个双平行马赫增德尔调制器DPMZM(X-DPMZM和Y-DPMZM)、90度偏振旋转器和偏振合束器PBC集成，DPMZM共包括三个马赫曾德尔调制器MZM，其中两个MZM作为子调制器嵌在作为主调制器的MZM中。
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)基带相位编码信号通过电功分器分为两路，一路输入X-DPMZM的子调制器X-MZM1的射频端口，另一路输入X-DPMZM的子调制器X-MZM2的射频端口，本振信号RF1输入Y-DPMZM的子调制器Y-MZM1的射频端口，本振信号RF2输入Y-DPMZM的子调制器Y-MZM2的射频端口，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。
(3)调整直流源，使得DP-QPSK中的X-DPMZM的子调制器X-MZM1工作在最大点(MATP)，子调制器X-MZM2工作在最小点(MITP)，主调制器工作在正交点(QTP)；DP-QPSK中的Y-DPMZM的三个调制器均工作在最小点(MITP)。
(4)调节PC，使从DP-QPSK调制器输出的光信号的偏振方向与PBS的主轴相差45度。
(5)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，将得到所产生的双频段相位编码信号。
本发明提出了一种双频段相位编码信号的光学生成方法，使用DP-QPSK调制器实现了本振信号的载波抑制的正负1阶边带调制，并且把基带相位编码信号加载到了光载波上。而且，光载波和正负1阶边带的偏振态是相互正交的。调整PC，使得从DP-QPSK输出的光信号的偏振态与PBS的主轴成45度角。这样经过PBS后两个输出信号中既有光载波信号，也有正负1阶的边带信号。随后经过光电平衡探测，便可实现双频段相位编码信号的生成。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，仅采用一个集成调制器，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。同时本方案未使用光子滤波器，因此系统工作带宽的可调性大。可以同时产生双频段相位编码信号，因此可应用于双波段雷达等领域。
附图说明
图1为双频段相位编码信号的光学生成装置原理图。
图2为经过DP-QPSK调制器后的两个相互正交偏振态信号的光谱图。
图3为产生的11GHz和16GHz相位编码信号的电谱图。
图4为产生的11GHz二进制“10011001码”的波形和相位恢复图。
图5为产生的16GHz二进制“10011001码”的波形和相位恢复图。
图6为11GHz二进制8bit伪随机序列的自相关图。
图7为16GHz二进制8bit伪随机序列的自相关图。
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为双频段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调制器DP-QPSK、3偏振控制器PC、4偏振分束器PBS、5平衡光电探测器BPD、6射频源、7任意波形发生器AWG、8直流源、9功分器。使用DP-QPSK调制器实现了本振信号的载波抑制的正负1阶边带调制，同时把基带相位编码信号加载到了光载波上。并且，光载波和正负1阶边带的偏振态是相互正交的。调整PC，使得从DP-QPSK输出的光信号的偏振态与PBS的主轴成45度角，经过光电平衡探测后，可以得到双频段相位编码信号。
本实例中，具体包括以下步骤：
步骤一：光源产生工作波长为1552nm，功率为12dBm的连续光波，该连续光波作为载波输入到DP-QPSK调制器。
步骤二：两个射频信号源分别输出频率为11GHz和16GHz，功率都为18dBm的正弦本振信号，一路输入Y-DPMZM的子调制器Y-MZM1的射频端口，另一路输入Y-DPMZM的子调制器Y-MZM2的射频端口，调节Y-DPMZM的偏置电压，可产生载波抑制的正负1阶边带信号。
步骤三：AWG产生的幅度为2V，编码速率为0.5Gbit/s的基带二进制“10011001码”，通过电功分器分为两路，一路输入X-DPMZM的子调制器X-MZM1的射频端口，另一路输入X-DPMZM的子调制器X-MZM2的射频端口，调节X-DPMZM的偏置电压，可产生被调制的光载波信号。
步骤四：调整PC使的从DP-QPSK输出信号的偏振方向与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11GHz、16GHz的相位编码信号。观察其电谱图，在示波器中记录波形，并利用希尔伯特变换在Matlab中恢复其相位。
步骤六：将二进制“10011001”码换做8bit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，验证系统编码的性能。
图3为产生的11GHz和16GHz相位编码信号的电谱图，表示系统可以同时产生双频段的相位编码信号，图4-7显示了二进制相位编码信号的性能，相位跳变约为180度，11GHz频段的脉冲压缩比约为7.4，峰值旁瓣比在6.82左右；16GHz频段的脉冲压缩比约为7.9，峰值旁瓣比在6.67左右。
在本方案中，首先仅采用一个集成的电光调制器，避免了光路分离所引入的相位噪声，降低了系统连接带来的损耗，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，本方案可同时产生双频段的相位编码信号，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 (2)

1.一种双频段相位编码信号的光学生成方法，包括激光器LD、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，基带相位编码信号通过电功分器分为两路，一路输入X-DPMZM的子调制器X-MZM1的射频端口，另一路输入X-DPMZM的子调制器X-MZM2的射频端口，调整偏置电压，使得X-MZM1工作在最大点MATP，X-MZM2工作在最小点MITP，主调制器工作在正交点QTP，产生受基带相位编码信号调制的光载波信号，射频信号RF1输入Y-DPMZM的子调制器Y-MZM1的射频端口，射频信号RF2输入Y-DPMZM的子调制器Y-MZM2的射频端口，调整偏置电压，使得Y-DPMZM的三个调制器均工作在最小点MITP，实现射频信号抑制载波的双边带调制，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，可以同时得到双频段的相位编码信号。
2.根据权利要求1所述的一种双频段相位编码信号的光学生成方法，其特征在于，采用平衡探测器使本方案在产生双频段相位编码信号的同时，可以提高本振的隔离度，抑制本振泄露所引入的干扰。
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