CN113346948A - 一种基于光频梳产生毫米波信号的超低相噪检测技术 - Google Patents

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Abstract

本发明装置利用光频梳倍频链路生成毫米波信号，并设计本振以及延迟补偿链路，消除了本振相位噪声对于测试系统的影响。本振信号在光载射频链路中下变频得到中频信号，中频信号再与本振信号，毫米波信号两次下变频后，抵消了微波混频器噪声对于测试系统的影响。最终通过检测输出的低频信号噪声，即可准确计算出无法直接测量到的毫米波信号的超低相噪水平。因此，本发明装置可以为光电振荡器、光频钟等高质量高稳振荡源等提供超低底噪电平的相位噪声检测。

Description

一种基于光频梳产生毫米波信号的超低相噪检测技术
技术领域
本发明属于光电技术领域，具体涉及一种基于光频梳产生毫米波信号的超低相噪检测技术。
背景技术
相位噪声是指现代射频系统中的各种噪声的作用下，引起系统输出信号的相位在短时间内发生的随机波动，是衡量一个电子射频系统稳定性的关键指标。现如今制约电子系统好坏的核心器件就是振荡器。随着有线及无线通信、卫星导航和精确测量等领域对振荡器的相噪指标要求越来越高，大量超低相噪振荡器逐渐涌现，但是现有的商用相噪测量仪器无法对超低相噪进行检测。因此，如何快捷准确地测量信号相位噪声是目前研究领域迫切需要解决的问题。
国内外研究学者在近几十年来对相位噪声测量技术也进行了深入地研究，提出了许多相位噪声的测量解决方案。直接频谱仪测量法是最直接的、最简单的相噪测量方法，将待测振荡器直接连至频谱分析仪，从仪器上显示的功率谱可以算出振荡器的相噪。这种方法的主要缺陷在于如今的高稳振荡源的相噪往往低于仪器内部本振源，振荡器在与频谱仪内部的本振混频后，输出的中频信号相噪将淹没于本振相噪之中，从而无法准确测得待测振荡器的相位噪声信息。第二种方法是差拍频域法，首先利用倍频器对参考信号和待测信号倍频，再经过混频、低通滤波，对得到的低频分量进行频谱分析，得到相位噪声。差拍法的优势在于在载波频率附近的灵敏度较高，但是其对参考源要求较高，且无法对高频信号进行检测。第三种方法是延时自零差测量法，原理是待测源分成两路，一路信号通过一定的延时后再与另一路鉴相，得到低频信号后再进行频谱分析，再进行校准后可得到相位噪声。该技术的瓶颈主要在于较长的电延时线损耗高，体积大，电磁干扰严重。目前应用最广泛的，灵敏度较高的测量技术还是鉴相法。鉴相法结构首先通过锁相环电路实现保持两信号间相位正交，然后将本振参考信号与被测信号混频，再利用低通滤波器滤出包含信号间相位起伏的低频分量，从而得到信号的相位噪声。鉴相法的最主要的限制条件在于要求本振源要与被测信号相位正交，而且参考源的相噪要低于待测振荡器的相噪，因此不适合测量低相噪的振荡器。
随着微波光子学的迅猛发展，为微波源的产生与相噪测量提供了一种全新的方式。微波光子链路能够将微波信号转换成电信号，通过光纤等器件延时后再还原成微波信号，最终实现了低损耗，稳定性高的信号延时。相比较于同轴电缆在X波段损耗高达1.8dB/m，还是那个用单模光纤在1550nm波段损耗仅为0.2dB/km。并且微波光子链路具有更低的系统噪底，待测的高稳振荡源不会受到影响。相比较传统的鉴频法对于本振信号质量的高要求，采取微波光子技术的相噪测量法可以降低对本振参考源的依赖性，进一步提升相噪检测的灵敏性，适用性更为广泛。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种基于光频梳产生毫米波信号的超低相噪检测技术，能够检测出低相噪的毫米波振荡信号的相位噪声。
一种基于光频梳产生毫米波信号的超低相噪检测技术，其特征在于：包括光频梳产生装置、光耦合器、毫米波N倍频信号产生链路、光频梳n倍频环路、光载射频传输链路、本振及延迟补偿链路、微波混频器1、微波混频器2；其中，光频梳产生装置经过光耦合器分成两路，一路光频梳信号经过n倍频环路后，在光载射频传输链路中与本振信号下变频生成中频信号，另一路光频梳信号则经过毫米波N倍频产生链路产生毫米波信号。本振信号经由延迟补偿链路后，与中频信号在混频器1中下变频。混频器1的输出信号再与毫米波信号在混频器2中下变频，得到输出信号。
通过频谱仪测量输出低频信号的相位噪声，即可推算出N倍频链路生成的无法直接测量得到的高频毫米波信号超低相位噪声。
所述光载射频传输链路包括：
电光调制器，用于将n倍频光频梳信号调制上本振信号，输出经过强度调制的光信号至光电探测器1。
光电探测器1，用于将经过强度调制的光信号拍频得到电信号。
中频带通滤波器，用于对光电探测器1输出的电信号带通滤波，其中心频率等于本振信号与N倍频链路生成的毫米波信号频率的差值。
进一步地，所述本振以及延迟补偿链路包括：
本振信号源，用于产生稳定的频率等于毫米波信号与中频带通滤波器滤波器中心频率之差的正弦信号。
本振延迟补偿，用于对本振信号产生一定时延，以补偿光载射频链路中的群延时，从而消除本振相噪对系统输出的影响。
进一步地，所述光频梳n倍频环路由多级光纤延迟线依次连接组成，且相邻两级光纤延迟线之间通过2×2光耦合器相连，每一级光纤延迟线由上下两路具有时延差的光纤组成，两路光纤经由2×2光耦合器耦合连接至下一级光纤延迟线。
所述光频梳n倍频环路中光纤延迟线的级数由所需的倍频数大小n决定且n为大于1的自然数；若log2n为正整数，则倍频环路包含log2n级光纤延迟线，且第i级光纤延迟线的两路光纤时延差为Δτ/2i，i为自然数，1≤i≤log2n；若log2n不是正整数，则倍频环路包含
Figure BDA0003104613840000031
级光纤延迟线，且第i级光纤延迟线中两路光纤的时延差为
Figure BDA0003104613840000032
其中
Figure BDA0003104613840000033
为向上取整运算符，Δτ为光频梳信号的基本频率间隔。
进一步地，所述毫米波N倍频信号产生链路包括：
光电探测器2，用于将光频梳N倍频光信号转化为毫米波信号。
光频梳N倍频环路，由多级光纤延迟线依次连接组成，且相邻两级光纤延迟线之间通过2×2光耦合器相连，每一级光纤延迟线由上下两路具有时延差的光纤组成，两路光纤经由2×2光耦合器耦合连接至下一级光纤延迟线。
所述光频梳N倍频环路中光纤延迟线的级数由所需的倍频数大小N决定且N为远大于1的自然数；若log2N为正整数，则倍频环路包含log2N级光纤延迟线，且第k级光纤延迟线的两路光纤时延差为Δτ/2k，k为自然数，1≤k≤log2N；若log2N不是正整数，则倍频环路包含
Figure BDA0003104613840000041
级光纤延迟线，且第k级光纤延迟线中两路光纤的时延差为
Figure BDA0003104613840000042
其中
Figure BDA0003104613840000043
为向上取整运算符，Δτ为光频梳信号的基本频率间隔。
进一步地，所述微波混频器1，用于将经过延迟补偿后的本振信号与光载射频传输链路输出的中频信号进行混频。
所述微波混频器2，用于将毫米波信号与微波混频器1输出信号进行混频。
本发明装置利用光频梳N倍频链路生成毫米波信号，并设计本振以及延迟补偿链路，消除了本振相位噪声对于测试系统的影响。本振信号在光载射频链路中下变频得到中频信号，中频信号再与本振信号，毫米波信号两次下变频后，抵消了微波混频器噪声对于测试系统的影响。最终通过检测输出的低频信号噪声，即可准确计算出无法直接测量到毫米波信号的超低相噪水平。因此，本发明装置可以为光电振荡器、光频钟等高质量高稳振荡源等提供超低底噪电平的相位噪声检测。
附图说明
图1为本检测技术的具体结构示意图。
图2为本检测技术的光频梳n倍频环路结构示意图。
图3为本检测技术的毫米波N倍频信号产生链路结构示意图。
图4为本检测技术的S域相噪表达式推导框图。
图中：1—光放大器，2—1×2光耦合器，3—毫米波N倍频信号产生链路，4—光频梳n倍频环路，5—光载射频传输链路，6—微波混频器1，7—本振以及延迟补偿链路，8—微波混频器2
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明基于光频梳产生毫米波信号的超低相噪检测技术，整个系统包括光频梳产生装置、光耦合器、毫米波N倍频产生链路、光频梳n倍频环路、光载射频传输链路、本振及延迟补偿链路、微波混频器1、微波混频器2；其中，光频梳产生装置经过光耦合器分成两路，一路光频梳信号经过n倍频环路后，在光载射频传输链路中与本振信号下变频生成中频信号，另一路光频梳信号经过毫米波N倍频产生链路产生毫米波信号。本振信号经由延迟补偿链路后，与中频信号在混频器1中下变频。混频器1的输出信号再与N倍频信号产生链路生成的毫米波信号在微波混频器2中下变频，得到输出信号。通过频谱仪测量输出低频信号的相位噪声，即可推算出N倍频链路生成的无法直接测量得到的高频毫米波信号的相位噪声。
如图2所示，光频梳n倍频环路由多级光纤延迟线依次连接组成，且相邻两级光纤延迟线之间通过2×2光耦合器相连，每一级光纤延迟线由上下两路具有时延差的光纤组成，两路光纤经由2×2光耦合器耦合连接至下一级光纤延迟线。所述光频梳n倍频环路中光纤延迟线的级数由所需的倍频数大小n决定且n为大于1的自然数；若log2n为正整数，则倍频环路包含log2n级光纤延迟线，且第i级光纤延迟线的两路光纤时延差为Δτ/2i，i为自然数，1≤i≤log2n；若log2n不是正整数，则倍频环路包含
Figure BDA0003104613840000051
级光纤延迟线，且第i级光纤延迟线中两路光纤的时延差为
Figure BDA0003104613840000061
其中
Figure BDA0003104613840000062
为向上取整运算符，Δτ为光频梳信号的基本频率间隔。经过n倍频后的光频梳信号通过光纤输入至光载射频传输链路。
光载射频传输链路由电光调制器、光电探测器1、中频带通滤波器组成。其中电光调制器用于将n倍频光频梳信号调制上本振信号，输出经过强度调制的光信号如公式1所示。其中，β为调制深度，由加在强度调制器上的直流偏置电压决定；ωL，
Figure BDA0003104613840000068
分别为本振信号的频率和相位噪声；AO为光频梳的幅度；ω0为光频梳的基频；τO为光频梳引入的时间抖动。
Figure BDA0003104613840000063
光电探测器1，用于将经过强度调制的光信号拍频得到电信号，输入至中频滤波器。中频带通滤波器则是用对光电探测器1输出的电信号带通滤波，输出至微波混频器1。输出的中频信号如公式2所示，该滤波器中心频率等于本振信号与N倍频链路生成的毫米波信号频率的差值。其中，ωIF为中频滤波器的中心频率；τA-P(AO)为光电转换过程中光频梳强度过大带来的强度-相位效应引起的时间抖动，
Figure BDA0003104613840000064
为中频滤波器引入的相位噪声，
Figure BDA0003104613840000065
为本振信号的相位噪声。
Figure BDA0003104613840000066
本实施方式中，本振以及延迟补偿链路分为两路，未经延迟补偿的一路本振用于产生稳定的频率等于毫米波信号与中频带通滤波器滤波器中心频率之差的正弦信号，通过SMA线输入至电光调制器的射频口。另一路信号经过延迟补偿，通过SMA线连接至微波混频器1的LO口，以补偿光载射频链路中的群延时，从而消除本振相噪对系统输出的影响。微波混频器1用于将中频信号与经过延时补偿的本振信号混频，输出射频信号的表达式为：
Figure BDA0003104613840000067
Figure DA00031046138437044232
其中Δt为延时补偿链路与光载射频链路的群时延的差，
Figure BDA0003104613840000072
为中频滤波器的相位噪声。
如图3所示，毫米波N倍频信号产生链路由光频梳N倍频环路以及光电探测器2组成。光频梳N倍频环路由多级光纤延迟线依次连接组成，且相邻两级光纤延迟线之间通过2×2光耦合器相连，每一级光纤延迟线由上下两路具有时延差的光纤组成，两路光纤经由2×2光耦合器耦合连接至下一级光纤延迟线。光频梳N倍频环路中光纤延迟线的级数由所需的倍频数大小N决定且N为远大于1的自然数；若log2N为正整数，则倍频环路包含log2N级光纤延迟线，且第k级光纤延迟线的两路光纤时延差为Δτ/2k，k为自然数，1≤k≤log2N；若log2N不是正整数，则倍频环路包含
Figure BDA0003104613840000073
级光纤延迟线，且第k级光纤延迟线中两路光纤的时延差为
Figure BDA0003104613840000074
其中
Figure BDA0003104613840000075
为向上取整运算符，Δτ为光频梳信号的基本频率间隔。经过N倍频的光频梳信号通过光纤输入至光电探测器2，将光频梳N倍频光信号转化为毫米波信号。
所述微波混频器2用于将微波混频器1输出的射频信号与光电探测器2输出的毫米波信号下变频，输出信号为：
Figure BDA0003104613840000076
其中
Figure BDA0003104613840000077
为微波混频器1、微波混频器2的相位噪声。
将时域公式4转换到频域，即可得到输出信号的相位噪声表达式
Figure BDA0003104613840000078
其中Sψmix1(f)，Sψmix2(f)为微波混频器1，2的噪声谱；SψIFBPF(f)为中频滤波器的噪声谱；LΨLO(f)为本振信号的噪声谱；SIF-A-P(f)为光电探测器1特定输入光强条件下的噪声谱。当通过合适地调整延迟补偿，可使得Δt＝0。进一步地，当微波混频器1与微波混频器2型号相同时，二者噪声谱相等，公式5可进一步简化为
Figure BDA0003104613840000081
公式6中的输出信号相噪LΨ(f)，中频滤波器的噪声谱SψIFBPF(f)，SIF-A-P(f)光电探测器1的噪声谱均可通过直接测量法测出，因此该发明可以准确计算出高稳毫米波信号的相位噪声。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于光频梳产生毫米波信号的超低相噪检测技术，其特征在于：包括光频梳产生装置、光耦合器、毫米波N倍频信号产生链路、光频梳n倍频环路、光载射频传输链路、本振及延迟补偿链路、微波混频器(1)、微波混频器(2)；其中，光频梳产生装置经过光耦合器分成两路，一路光频梳信号经过n倍频环路后，在光载射频传输链路中与本振信号下变频生成中频信号，另一路光频梳信号则经过毫米波N倍频产生链路产生毫米波信号。本振信号经由延迟补偿链路后，与中频信号在混频器(1)中下变频。混频器(1)的输出信号再与毫米波信号在混频器(2)中下变频，得到输出信号；
通过频谱仪测量输出低频信号的相位噪声，即可推算出N倍频链路生成的无法直接测量得到的毫米波信号的相位噪声。
2.根据权利要求1所述的产生装置，其特征在于：所述光载射频传输链路包括：
电光调制器，用于将n倍频光频梳信号调制上本振信号，输出经过强度调制的光信号至光电探测器(1)；
光电探测器，用于将经过强度调制的光信号拍频得到电信号；
中频带通滤波器，用于对光电探测器(1)输出的电信号带通滤波，其中心频率等于本振信号与N倍频链路生成的毫米波信号频率的差值。
3.根据权利要求1所述的产生装置，其特征在于：所述本振以及延迟补偿链路包括：
本振信号源，用于产生稳定的频率等于毫米波信号与中频带通滤波器滤波器中心频率之差的正弦信号；
本振延迟补偿，用于对本振信号产生一定时延，以补偿光载射频链路中的群延时，从而消除本振相噪对系统输出的影响。
4.根据权利要求1所述的产生装置，其特征在于：
所述光频梳n倍频环路由多级光纤延迟线依次连接组成，且相邻两级光纤延迟线之间通过2×2光耦合器相连，每一级光纤延迟线由上下两路具有时延差的光纤组成，两路光纤经由2×2光耦合器耦合连接至下一级光纤延迟线；
所述光频梳n倍频环路中光纤延迟线的级数由所需的倍频数大小n决定且n为大于1的自然数；若log2n为正整数，则倍频环路包含log2n级光纤延迟线，且第i级光纤延迟线的两路光纤时延差为Δτ/2i，i为自然数，1≤i≤log2n；若log2n不是正整数，则倍频环路包含
Figure FDA0003104613830000021
级光纤延迟线，且第i级光纤延迟线中两路光纤的时延差为
Figure FDA0003104613830000022
其中
Figure FDA0003104613830000023
为向上取整运算符，Δτ为光频梳信号的基本频率间隔。
5.根据权利要求1所述的产生装置，其特征在于：所述毫米波N倍频信号产生链路包括：
光电探测器(2)，用于将光频梳N倍频光信号转化为毫米波信号；
光频梳N倍频环路，由多级光纤延迟线依次连接组成，且相邻两级光纤延迟线之间通过2×2光耦合器相连，每一级光纤延迟线由上下两路具有时延差的光纤组成，两路光纤经由2×2光耦合器耦合连接至下一级光纤延迟线；
所述光频梳N倍频环路中光纤延迟线的级数由所需的倍频数大小N决定且N为远大于1的自然数；若log2N为正整数，则倍频环路包含log2N级光纤延迟线，且第k级光纤延迟线的两路光纤时延差为Δτ/2k，k为自然数，1≤k≤log2N；若log2N不是正整数，则倍频环路包含
Figure FDA0003104613830000024
级光纤延迟线，且第k级光纤延迟线中两路光纤的时延差为
Figure FDA0003104613830000025
其中
Figure FDA0003104613830000026
为向上取整运算符，Δτ为光频梳信号的基本频率间隔。
6.根据权利要求1所述的产生装置，其特征在于：
所述微波混频器(1)，用于将经过延迟补偿后的本振信号与光载射频传输链路输出的中频信号进行混频；
所述微波混频器(2)，用于将毫米波信号与微波混频器(1)输出信号进行混频。
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