CN113206706A - 一种基于光子技术的高频宽带跳频信号产生装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种基于光子技术的高频宽带跳频信号产生装置，包括激光器、低频跳频信号、双偏振正交相移键控调制器DPQPSKM、偏振控制器、光环行器、偏振分束器、射频本振信号、光频移模块、检偏器、光电探测器。用电光调制器对激光源输出的光载波和低频跳频信号进行电光调制，产生偏振正交的两路双波长光信号，经过偏振控制器后发生干涉，得到两路偏振正交的单频光信号，分别沿顺/逆时针传输方向进入萨格纳克环结构，正向输入光频移模块的单频光信号受到调制发生频移；经过检偏器偏振合路后进入探测器拍频，实现对低频跳频信号的倍频和上变频操作。本发明利用光学手段将低频跳频信号的工作频段提升至高频域且工作带宽成倍数扩大，系统控制灵活，调谐范围大。

Description

一种基于光子技术的高频宽带跳频信号产生装置及其方法
技术领域
本发明属于微波光子信号产生技术领域，具体涉及一种基于光子技术的高频宽带跳频信号产生装置及其方法。
背景技术
微波跳频信号在无线通信、雷达探测、电子战等领域被广泛应用。随着技术的进步，这些应用场景对微波跳频信号的要求越来越向高频域、大带宽方向拓展。高频宽带的跳频信号可以有效提高通信传输容量、提高雷达探测精度以及在电子对抗中提高抗干扰能力和降低被截获概率。然而，由于电子瓶颈的存在，基于传统电学方法产生的跳频信号带宽(～百MHz)和工作频段(～GHz)有限，要实现高频宽带的微波跳频信号产生则需要多级倍频和变频，极大地增加整个系统的体积、重量、功耗、成本以及带来信号质量的恶化。
微波光子技术利用光学手段实现微波信号的产生、传输、处理和控制，具有高频、宽带、低传输损耗、抗电磁干扰等优势。结合2020年综述论文：“Liu，Fok.Ultrafast andWideband Microwave Photonic Frequency-Hopping Systems：A Review[J].AppliedSciences，2020，10(2)：521.”的论述，目前采用微波光子技术产生高频宽带微波跳频信号的方案主要有以下几种：(1)利用基带编码信号控制电光调制器的工作偏置点来实现开关功能，从而使基带编码信号的不同电平对应整个系统的不同频率输出；(2)利用基带编码信号控制直调激光器输出，结合光外差法直接产生多阶跳频信号；(3)利用基带编码信号控制可调谐滤波器的通带得到不同的频率输出，实现多阶跳频信号产生；(4)基于频时映射法实现多阶跳频信号产生。
然而上述方案都存在着一定的局限性：方案(1)只能产生2阶跳频信号，要产生多阶跳频信号需进行链路结构的级/串联，导致系统复杂且性能恶化；方案(2)与方案(3)的信号调制速率、跳频速率、带宽等受到直调激光器或可调谐滤波器的限制，且稳定性易受环境影响；方案(4)中实现频时映射的器件多具有体积大、调谐性能差、不易操作等缺点。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于光子技术的高频宽带跳频信号产生装置，包括激光器1、低频跳频信号2、双偏振正交相移键控调制器DPQPSKM3、偏振控制器A4、光环行器5、偏振分束器6、射频本振信号7、光频移模块8、偏振控制器B 9、检偏器10、光电探测器11；其中
激光器1与双偏振正交相移键控调制器3相连接，激光器1输出的光载波在双偏振正交相移键控调制器3中受低频跳频信号2调制；
双偏振正交相移键控调制器3的输出与偏振控制器A 4、光环行器5、检偏器10、光电探测器11依次连接，具体为：双偏振正交相移键控调制器3的输出端与偏振控制器A4的输入端相连，偏振控制器A4的输出端与光环行器5的输入端相连，光环行器5的第二输出端5-2与检偏器10的输入端相连，检偏器10的输出端与光电探测器11的输入端相连；
光环行器5的第一输出端5-1与偏振分束器6的输入端相连接，偏振分束器6的第一输出端6-1与光频移模块8的输入端连接，光频移模块8的输出端与偏振控制器B 9的输入端连接，偏振控制器B 9输出端与偏振分束器6的第二输出端6-2相连接，构成萨格纳克环结构；
光频移模块8受射频本振信号7调制。
在本发明的一个实施例中，DPQPSKM由一个功分器、两个双平行马赫曾德尔调制器DPMZM-1和DPMZM-2、一个90°偏振旋转器和一个偏振合束器构成，每个DPMZM是在一个主调制器的两个臂上各集成一个子调制器：MZM1和MZM2。
在本发明的一个具体实施例中，光频移模块8具体实现如下：射频本振信号分为两路具有90°相位差的电信号，分别输入双平行马赫曾德尔调制器DPMZM的两个子调制器的射频输入口，两个子调制器都工作在最小偏置点，主调制器工作在正交偏置点，则该DPMZM的输出为+1阶光边带或-1阶光边带，相当于该DPMZM令输入光的频率增大或减小，增/减量等于射频本振信号的频率。
还提供一种基于光子技术的高频宽带跳频信号产生方法，具体包括下列步骤：
步骤1：利用偏振复用的电光调制器对激光器1输出的光载波和低频跳频信号进行电光调制，产生偏振正交的两路双波长光信号；
步骤2：偏振正交的两路双波长光信号经过偏振控制器A 4后发生干涉，得到两路偏振正交的单频光信号；
步骤3：两路偏振正交的单频光信号分别沿顺/逆时针传输方向进入萨格纳克环结构，其中正向输入光频移模块8的单频光信号发生频移，频率偏移量受射频本振信号控制；反向输入光频移模块8的单频光信号不受调制；
步骤4：两路光信号经过检偏器10偏振合路后进入光电探测器11拍频，实现了对低频跳频信号的倍频和上变频操作。
在本发明的一个实施例中，萨格纳克环结构由偏振分束器6、光频移模块8和偏振控制器B 9构成；光频移模块8功能由电光调制器实现，正向传输进入电光调制器的光信号受到调制产生频移；反向传输进入的光信号由于电光调制器的速率失配现象而不受调制。
在本发明的一个具体实施例中，光频移模块8由双平行马赫曾德尔调制器DPMZM实现：射频本振信号分为两路具有90°相位差的电信号，分别输入的两个子调制器的射频输入口，两个子调制器都工作在最小偏置点，主调制器工作在正交偏置点，则该DPMZM的输出为+1阶光边带或一1阶光边带，相当于该DPMZM令输入光的频率增大或减小，增/减量等于射频本振信号的频率。
在本发明的另一个具体实施例中，光频移模块8由两个串联的DPMZM实现，此时，在萨格纳克环结构中，偏振分束器6的第一输出端与第一个DPMZM的输入端相连，第一个DPMZM的输出端与第二个DPMZM的输出端相连，第二个DPMZM的输入端与偏振控制器B 9和偏振分束器6的第二输出端依次相连接；第一个DPMZM对沿顺时针方向传输的+2阶光边带进行增频，第二个DPMZM对沿逆时针方向传输的一2阶光边带进行减频，最终在光电探测器11输出的跳频信号的中心频率为射频本振频率的2倍，跳频带宽扩大4倍。
本发明通过对电光调制的巧妙应用，实现对低频跳频信号的同时倍频和上变频操作，获得高载频、大带宽的跳频信号。
本发明利用光学方法实现对低频跳频信号的倍频和上变频操作，产生高频宽带的跳频信号。相较于电域方法产生高频宽带跳频信号，该方案成本低且具有光学方法的一系列优势，如低传输损耗、抗电磁干扰；相较于其他光学方案产生跳频信号，该方案在相对简单的结构下可实现多阶跳频信号产生，更具实用性，且系统内偏振正交的两路光信号在萨格纳克环结构中经历相同的传输路径，可抵消轻微环境干扰，且无传输时延差，相比于平行结构稳定性更强。
附图说明
图1为本发明的高频宽带跳频信号产生装置结构示意图；
图2为本发明中的DPQPSKM工作原理示意图；
图3为偏振控制器A输出的光谱图(ωi＝1GHz)；
图4为本发明中的光频移模块工作原理示意图；
图5为在8阶低频跳频信号输入下的系统输出仿真结果图，其中图5(a)示出8阶低频跳频信号的时域频谱图；其中图5(b)示出系统输出信号的频谱图；其中图5(c)示出利用短时傅里叶变换求解的系统输出信号的时频图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
一种基于光子技术的高频宽带跳频信号产生装置，如图1所示，包括激光器1、低频跳频信号2、双偏振正交相移键控调制器(DPQPSKM)3、偏振控制器A4、光环行器5、偏振分束器6、射频本振信号7、光频移模块8、偏振控制器B 9、检偏器10、光电探测器11，5-1和5-2分别为光环形器5的第一输出端和第二输出端，6-1和6-2分别为偏振分束器6的第一输出端和第二输出端。激光器1与双偏振正交相移键控调制器3相连接，激光器1输出的光载波在双偏振正交相移键控调制器3中受低频跳频信号2调制；双偏振正交相移键控调制器3的输出与偏振控制器A4、光环行器5、检偏器10、光电探测器11依次连接，具体为：双偏振正交相移键控调制器3的输出端与偏振控制器A 4的输入端相连，偏振控制器A 4的输出端与光环行器5的输入端相连，光环行器5的第二输出端5-2与检偏器10的输入端相连，检偏器10的输出端与光电探测器11的输入端相连；光环行器5的第一输出端5-1与偏振分束器6的输入端相连接，偏振分束器6的第一输出端6-1与光频移模块8的输入端连接，光频移模块8的输出端与偏振控制器B9的输入端连接，偏振控制器B 9输出端与偏振分束器6的第二输出端6-2相连接，构成萨格纳克环结构；光频移模块8受射频本振信号7调制。
DPQPSKM由一个功分器、两个双平行马赫曾德尔调制器(DPMZM-1和DPMZM-2)、一个90°偏振旋转器和一个偏振合束器构成，每个DPMZM是在一个主调制器(主MZM)的两个臂上各集成一个子调制器(子MZM-1和子MZM-2)。图2所示为DPQPSKM工作原理示意图，如图2所示，低频跳频信号经由移相器分为两路具有45°相位差的电信号，分别输入两个DPMZM的子MZM-1的射频输入口，而两个DPMZM的子MZM-2不受射频驱动；令两个子MZM-1都工作在最大偏置点，且合理调整低频跳频信号的幅度使得4阶光边带功率相较于2阶光边带可忽略不计。公式(1)为低频跳频信号表达式，公式(2)和公式(3)分别为DPMZM-1与DPMZM-2的输出光信号。
S(t)＝Isin(ωit)(i＝1，2，3...N) (1)
Figure BSA0000237466050000061
Figure BSA0000237466050000062
其中，I和ωi(i＝1，2，3...N)为N阶低频跳频信号的幅度和频率，ωc为输入光载波频率，m为子MZM-1和子MZM-2的调制系数，θ1为两个子MZM-2的直流偏置相位，θ为两个主MZM直流偏置相位，Jn()为n阶一类贝塞尔函数，t为时间；通过调整θ和θ1，可将任意调制系数情况下光载波完全抑制掉，从而使两个DPMZM的输出都为正负2阶光边带，并以偏振正交的状态从DPQPSKM中输出，输出光信号EDPQPSKM(t)表示为：
Figure BSA0000237466050000071
偏振控制器A的传输函数TPC-A如公式(5)所示：
Figure BSA0000237466050000072
调整偏振控制器A 4使得偏振旋转角度α＝π/4，移相角度
Figure BSA0000237466050000073
则两路偏振正交的双波长光信号经过偏振控制器A 4后发生干涉，得到两路偏振正交的单频光信号EPC-A(t)：
Figure BSA0000237466050000074
图3为偏振控制器A 4输出的光谱图(ωi＝1GHz)，可以看到偏振x轴向只留下-2阶光边带，偏振y轴向只留下+2阶光边带，光杂散边带抑制比达到34.37dB。两路偏振正交的单频光信号经光环行器5输入萨格纳克环结构，其中偏振方向沿x轴的-2阶光边带沿逆时针方向传输，不被光频移模块8调制；偏振方向沿y轴的+2阶光边带沿顺时针方向传输，受到光频移模块调制8并发生频移，频率偏移量受射频本振信号7控制；
在本发明的一个优选实施例中，光频移模块8的具体实现方法如下：射频本振信号分为两路具有90°相位差的电信号，分别输入双平行马赫曾德尔调制器(DPMZM)的两个子调制器的射频输入口，两个子调制器都工作在最小偏置点，主调制器工作在正交偏置点，则该DPMZM的输出为+1阶光边带或-1阶光边带，相当于该DPMZM令输入光的频率增大或减小，增/减量等于射频本振信号的频率。图4所示为该具体实施方案的工作原理示意图。
调节光频移模块8使得输出光相较于输入光的频率增加了Δω，Δω为射频本振信号的频率。在萨格纳克环中沿顺时针方向传输的光信号受到光频移模块8调制，频率增加Δω；沿逆时针方向传输的光信号频率不变。则萨格纳克环输出信号为公式(7)所示：
Figure BSA0000237466050000081
调整检偏器10的检偏角使偏振正交的光信号合路，光电探测器11的输出电信号i(t)为公式(8)所示：
Figure BSA0000237466050000082
因此，最终输出信号的工作频段搬移到射频本振频率上，且跳频带宽扩大4倍，在工作于高频域大带宽的无线通信、雷达系统、电子战系统中具有广泛的应用前景。
根据相同的发明思路可以得到以下技术方案：
一种基于光子技术的高频宽带跳频信号产生方法，包括如下步骤：
步骤1：利用偏振复用的电光调制器对激光器1输出的光载波和低频跳频信号进行电光调制，产生偏振正交的两路双波长光信号。
上述的DPQPSKM调制器属于常见的偏振复用电光调制器。此外，还可以采用其他类型的偏振复用调制器。
步骤2：偏振正交的两路双波长光信号经过偏振控制器A 4后发生干涉，得到两路偏振正交的单频光信号。
步骤3：两路偏振正交的单频光信号分别沿顺/逆时针传输方向进入萨格纳克环结构，其中正向输入光频移模块8的单频光信号发生频移，频率偏移量受射频本振信号控制；反向输入光频移模块8的单频光信号不受调制。
步骤4：两路光信号经过检偏器10偏振合路后进入光电探测器11拍频，实现了对低频跳频信号的倍频和上变频操作。
萨格纳克环结构由偏振分束器6、光频移模块8和偏振控制器B 9构成。光频移模块8功能由电光调制器实现，正向传输进入电光调制器的光信号受到调制产生频移；反向传输进入的光信号由于电光调制器的速率失配现象而不受调制。
光频移模块8可由双平行马赫曾德尔调制器(DPMZM)实现：射频本振信号分为两路具有90°相位差的电信号，分别输入的两个子调制器的射频输入口，两个子调制器都工作在最小偏置点，主调制器工作在正交偏置点，则该DPMZM的输出为+1阶光边带或-1阶光边带，相当于该DPMZM令输入光的频率增大或减小，增/减量等于射频本振信号的频率。
进一步地，光频移模块8可由两个串联的DPMZM实现，此时，在萨格纳克环结构中，偏振分束器6的第一输出端与第一个DPMZM的输入端相连，第一个DPMZM的输出端与第二个DPMZM的输出端相连，第二个DPMZM的输入端与偏振控制器B 9和偏振分束器6的第二输出端依次相连接。第一个DPMZM对沿顺时针方向传输的+2阶光边带进行增频，第二个DPMZM对沿逆时针方向传输的-2阶光边带进行减频，最终在光电探测器11输出的跳频信号的中心频率为射频本振频率的2倍，跳频带宽扩大4倍。
为验证本发明的有效性与可行性，结合仿真产生带宽扩大四倍、中心频率提升到射频本振频率的高频宽带跳频信号。
射频本振为8GHz、光源波长193.1THz，低频跳频信号为8阶跳频(0.3/0.5/0.7/0.9/1.1/1.3/1.5/1.7GHz)，经过上述过程，可得到以下结果：
图5(a)为8阶跳频(0.6/0.7/0.8/0.9/1/1.1/1.2/1.3/1.4GHz)的时域频谱图；
图5(b)为系统输出信号的频谱图；
图5(c)为利用短时傅里叶变换求解的系统输出信号的时频图。
图5(b)和图5(c)表明该系统输出信号的跳频带宽扩大了四倍，中心频率提高至射频本振频率上，在工作于高频域大带宽的无线通信、雷达系统、电子战系统中具有广泛的应用前景。

Claims (7)

1.一种基于光子技术的高频宽带跳频信号产生装置，其特征在于，包括激光器(1)、低频跳频信号(2)、双偏振正交相移键控调制器DPQPSKM(3)、偏振控制器A(4)、光环行器(5)、偏振分束器(6)、射频本振信号(7)、光频移模块(8)、偏振控制器B(9)、检偏器(10)、光电探测器(11)；其中
激光器(1)与双偏振正交相移键控调制器DPQPSKM(3)相连接，激光器(1)输出的光载波在双偏振正交相移键控调制器DPQPSKM(3)中受低频跳频信号(2)调制；
双偏振正交相移键控调制器DPQPSKM(3)的输出与偏振控制器A(4)、光环行器(5)、检偏器(10)、光电探测器(11)依次连接，具体为：双偏振正交相移键控调制器DPQPSKM(3)的输出端与偏振控制器A(4)的输入端相连，偏振控制器A(4)的输出端与光环行器(5)的输入端相连，光环行器(5)的第二输出端(5-2)与检偏器(10)的输入端相连，检偏器(10)的输出端与光电探测器(11)的输入端相连；
光环行器(5)的第一输出端(5-1)与偏振分束器(6)的输入端相连接，偏振分束器(6)的第一输出端(6-1)与光频移模块(8)的输入端连接，光频移模块(8)的输出端与偏振控制器B(9)的输入端连接，偏振控制器B(9)输出端与偏振分束器(6)的第二输出端(6-2)相连接，构成萨格纳克环结构；
光频移模块(8)受射频本振信号(7)调制。
2.如权利要求1所述的基于光子技术的高频宽带跳频信号产生装置，其特征在于，DPQPSKM由一个功分器、两个双平行马赫曾德尔调制器DPMZM-1和DPMZM-2、一个90°偏振旋转器和一个偏振合束器构成，每个DPMZM是在一个主调制器的两个臂上各集成一个子调制器：MZM1和MZM2。
3.如权利要求2所述的基于光子技术的高频宽带跳频信号产生装置，其特征在于，光频移模块(8)具体实现如下：射频本振信号分为两路具有90°相位差的电信号，分别输入双平行马赫曾德尔调制器DPMZM的两个子调制器的射频输入口，两个子调制器都工作在最小偏置点，主调制器工作在正交偏置点，则该DPMZM的输出为+1阶光边带或-1阶光边带，相当于该DPMZM令输入光的频率增大或减小，增/减量等于射频本振信号的频率。
4.一种基于光子技术的高频宽带跳频信号产生方法，其特征在于，
步骤1：利用偏振复用的电光调制器对激光器(1)输出的光载波和低频跳频信号进行电光调制，产生偏振正交的两路双波长光信号；
步骤2：偏振正交的两路双波长光信号经过偏振控制器A(4)后发生干涉，得到两路偏振正交的单频光信号；
步骤3：两路偏振正交的单频光信号分别沿顺/逆时针传输方向进入萨格纳克环结构，其中正向输入光频移模块(8)的单频光信号发生频移，频率偏移量受射频本振信号控制；反向输入光频移模块(8)的单频光信号不受调制；
步骤4：两路光信号经过检偏器(10)偏振合路后进入光电探测器(11)拍频，实现了对低频跳频信号的倍频和上变频操作。
5.如权利要求4所述的基于光子技术的高频宽带跳频信号产生方法，其特征在于，萨格纳克环结构由偏振分束器(6)、光频移模块(8)和偏振控制器B(9)构成；光频移模块(8)功能由电光调制器实现，正向传输进入电光调制器的光信号受到调制产生频移；反向传输进入的光信号由于电光调制器的速率失配现象而不受调制。
6.如权利要求4所述的基于光子技术的高频宽带跳频信号产生方法，其特征在于，光频移模块(8)由双平行马赫曾德尔调制器DPMZM实现：射频本振信号分为两路具有90°相位差的电信号，分别输入的两个子调制器的射频输入口，两个子调制器都工作在最小偏置点，主调制器工作在正交偏置点，则该DPMZM的输出为+1阶光边带或-1阶光边带，相当于该DPMZM令输入光的频率增大或减小，增/减量等于射频本振信号的频率。
7.如权利要求4所述的基于光子技术的高频宽带跳频信号产生方法，其特征在于，光频移模块(8)由两个串联的DPMZM实现，此时，在萨格纳克环结构中，偏振分束器(6)的第一输出端与第一个DPMZM的输入端相连，第一个DPMZM的输出端与第二个DPMZM的输出端相连，第二个DPMZM的输入端与偏振控制器B(9)和偏振分束器(6)的第二输出端依次相连接；第一个DPMZM对沿顺时针方向传输的+2阶光边带进行增频，第二个DPMZM对沿逆时针方向传输的-2阶光边带进行减频，最终在光电探测器(11)输出的跳频信号的中心频率为射频本振频率的2倍，跳频带宽扩大4倍。
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