CN113489551B

CN113489551B - 一种厘米波/毫米波超宽带信号产生装置

Info

Publication number: CN113489551B
Application number: CN202110756005.7A
Authority: CN
Inventors: 董玮; 都聪; 张歆东
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2021-07-05
Filing date: 2021-07-05
Publication date: 2022-09-20
Anticipated expiration: 2041-07-05
Also published as: CN113489551A

Abstract

一种基于微波光子外部调制技术结合上变频技术的厘米波/毫米波超宽带信号产生装置，属于微波光子学技术领域。由激光源、耦合器1、耦合器2、偏振控制器1、偏振控制器2、双平行马赫曾德尔调制器、马赫曾德尔调制器、任意波形发生器、微波信号源、直流稳压源1、直流稳压源2、直流稳压源3、直流稳压源4、掺铒光纤放大器、可调光滤波器、可调光延迟线、平衡光电探测器、频谱分析仪和示波器构成。该装置能生成厘米波超宽带信号和毫米波超宽带信号，适用于室内超宽带通信系统也适用于室外超宽带雷达系统。本发明基于单边带调制实现上变频技术的方法相较于其他方法具有更好的灵活性、稳定性，且更适用于超宽带信号在长距离光纤中传输。

Description

一种厘米波/毫米波超宽带信号产生装置

技术领域

本发明属于微波光子学技术领域，具体涉及一种基于微波光子外部调制技术结合上变频技术的厘米波/毫米波超宽带信号产生装置。

背景技术

超宽带射频技术是一种短距离无线传输技术，具有高速、低截获概率、抗多径衰落、抗干扰、低功耗等优点。美国联邦通信委员会为室内超宽带通信系统划分了3.1～10.6GHz的厘米波频段，为室外超宽带雷达系统划分了22～29GHz的毫米波频段，并将超宽带信号的功率谱密度限制在-41.3GHz/MHz以下，这一限制也被称为超宽带掩模，因此超宽带信号的无线传播距离被限制在几米内。为了克服这一缺点，光载超宽带技术被提出，超宽带信号光学产生方法也被广泛地研究。

在厘米波超宽带信号的产生中，最主要目的是获得具有高功率效率且符合美国联邦通信委员会规定的超宽带信号。产生厘米波超宽带信号的方法可以分为两种：第一种方法是对系统输入的光脉冲进行直接处理，通常采用频谱整形器结合频率-时间映射技术的方法。但是这种方法需要额外的色散补偿，而且不能灵活地实现多种调制格式。第二种方法是对系统输入的电超宽带脉冲在光域中进行处理，通常采用外部调制技术结合微分或差分技术的方法。但是在这种方法中，为了产生高功率效率的高斯脉冲，需要采用多级微分或差分结构，这会增加系统的复杂度。在毫米波超宽带信号的产生中，一种典型的方法是将基带超宽带信号上变频到毫米波频段。上变频技术通常由两种方式实现：双边带调制和单边带调制。基于双边带上变频技术产生的超宽带信号容易受到光纤中的色散影响，在远距离传输中会产生失真。而使用单边带调制技术的上变频方法就可以克服这一缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于微波光子外部调制技术结合上变频技术的厘米波/毫米波超宽带信号产生装置。利用外部调制技术调制基带超宽带信号，利用上变频技术将基带超宽带信号上变频到厘米波频带或毫米波频带，最后通过调整外部调制器的调制指数消除多余的本地震荡分量，通过调整待变频信号及上变频变量(本地震荡信号)的功率比、以及引入差分探测技术消除多余的低频分量。通过该装置产生的厘米波/毫米波信号完全符合美国联邦通信委员会规定的超宽带掩模，具有较高的功率效率。该装置具有在光载超宽带通信系统、超宽带定位系统等多种超宽带系统中做信号源的潜力。

本发明所述的一种基于微波光子外部调制技术结合上变频技术的厘米波/毫米波超宽带信号产生装置，其结构如图1所示，由激光源、耦合器1、耦合器2、偏振控制器1、偏振控制器2、双平行马赫曾德尔调制器、马赫曾德尔调制器、任意波形发生器、微波信号源、直流稳压源1、直流稳压源2、直流稳压源3、直流稳压源4、掺铒光纤放大器、可调光滤波器、可调光延迟线、平衡光电探测器、频谱分析仪和示波器构成；其中，利用双平行马赫曾德尔调制器、任意波形发生器、直流稳压源1、直流稳压源2、直流稳压源3实现外部调制，以产生基带超宽带调制信号、消除多余本地震荡分量；利用马赫曾德尔调制器、微波信号源、直流稳压源4、掺铒光纤放大器、可调光滤波器实现对本地震荡信号的单边带调制技术；通过耦合器2将基带超宽带调制信号和单边带调制信号耦合，结合平衡光电探测器的光电转换作用，以实现基于单边带调制技术的上变频，利用平衡光电探测器和可调光延迟线实现差分探测以抑制低频分量。

由激光源发射一束频率为f_C的光载波，经过耦合器1分成两路光信号：第一支路光信号和第二支路光信号，其中第一支路光信号和第二支路光信号的功率比为1：9。第一支路光信号通过偏振控制器1将光信号的偏振态与双平行马赫曾德尔调制器对准，然后输入到双平行马赫曾德尔调制器中进行外部调制；由任意波形发生器发送一个周期性高斯脉冲序列，周期为3.2ns，其10dB带宽约为 3GHz，当底噪功率为-80dBm时，它的频谱占据了从0～7.4GHz的频率范围，根据超宽带信号的的定义(超宽带信号：中心频率大于2.5GHz；10dB带宽大于等于500MHz)，该信号也被称为基带电学超宽带信号，并输入到双平行马赫曾德尔调制器的驱动口1中，通过调节直流稳压源1的输出电压，将该基带电学超宽带信号以损耗最低的状态调制到频率为f_C的光载波上，在双平行马赫曾德尔调制器的上支路获得超宽带调制光信号，如图2(a)所示；将双平行马赫曾德尔调制器的射频驱动口2接地，然后通过调节直流稳压源2的输出电压，在双平行马赫曾德尔调制器的下支路获得与超宽带调制光信号中的光载波功率相同的光载波信号，频率为f_C(如图2(b)所示)；最后通过调节直流稳压源3的输出电压，令超宽带调制光信号和光载波信号相位相差180度，相当于在超宽带调制光信号和光载波信号结合时超宽带调制光信号中的光载波被减去，以达到抑制多余本地震荡分量(在产生的超宽带信号频谱中心处超过超宽带掩模的单频分量)的作用，最后在双平行马赫曾德尔调制器的输出端获得抑制载波的超宽带调制信号(如图 2(c)所示)，该信号在此被称为第三支路光信号。

第二支路光信号通过偏振控制器2将光信号的偏振态与马赫曾德尔调制器对准，输入到马赫曾德尔调制器中；由微波信号源输出一个本地震荡信号(频率为f_LO的正弦信号，f_C是光的频率，在193.1THz左右，f_LO是电信号频率，为GHz 数量级)，通过控制直流稳压源4的输出电压，令马赫曾德尔调制器输出一个包含频率分量为f_C-f_LO、f_C和f_C+f_LO(如图2(d)所示)的抑制载波双边带调制信号(输出一个包含三个频率分量的信号)；然后将这个抑制载波双边带信号输入到掺铒光纤放大器中进行放大，通过可调光滤波器滤出下边带信号，从而获得单边带信号f_C-f_LO(如图2(e)所示)，这个信号被称为第四支路光信号。

将第三支路光信号和第四支路光信号输入到耦合器2中进行耦合得到抑制载波超宽带-单边带调制光信号(如图2(f)所示)，然后再将该抑制载波超宽带 -单边带调制光信号分成两路功率相同的光信号(耦合器1是单输入双输出，耦合器2是双输入双输出)，即第五支路光信号和第六支路光信号。将第六支路光信号通过一个可调光延迟线引入一个延时(约为10ps)后，同第五支路光信号一起输入到平衡光电探测器的两个输入口中进行差分探测(平衡探测器包含两个探测器，两个探测器输出的电流相减后作为平衡探测器的输出，因此被称为差分探测。差分探测得到波形图是图5)，消除超出超宽带掩模的低频分量；最终，通过改变微波信号源输出的本地震荡信号的频率，可以在平衡光电探测器从频域(频谱分析仪)和时域(示波器)观测输出的信号)的输出端得到无本地震荡分量、低频分量被抑制的厘米波超宽带信号(f_LO＝7GHz)或毫米波超宽带信号(f_LO＝ 26GHz)。

本发明选用波长为1530nm～1565nm的可调谐激光器作为激光源；耦合器1 为10％：90％的单输入双输出耦合器；耦合器2为50％：50％的双输入双输出耦合器；双平行马赫曾德尔调制器的带宽为30GHz；马赫曾德尔调制器的带宽为 20GHz；平衡光电探测器的带宽为42GHz；任意波形发生器的输出比特率最大可达到65Gb/s；微波信号源输出信号的频率范围250kHz～40GHz；掺铒光纤放大器的输入功率范围为-45～-25dBm；可调光滤波器的带宽在3.7GHz～370GHz范围内可调；直流稳压源1、直流稳压源2、直流稳压源3、直流稳压源4的输出电压的幅度在1V～20V可调；光延时线的延时范围0～330ps，调节精度0.001ps；频谱分析仪探测范围10Hz～26.5GHz；示波器的测量信号带宽为25GHz。

本发明所述的装置的特点：

(1)本装置能生成两种超宽带信号：厘米波超宽带信号和毫米波超宽带信号，因此本装置既适用于室内超宽带通信系统也适用于室外超宽带雷达系统。

(2)本装置利用上变频技术获得厘米波超宽带信号，克服了用差分技术(差分技术是利用调制器外加延时装置、或半导体光放大器等对高斯脉冲进行差分以获得一阶高斯脉冲，多级差分结构可获得更高阶的高斯脉冲。差分探测是利用平衡探测器结合光延时构成一个类似于周期性滤波器的频率响应，以滤出上变频后多余的低频分量)或微分技术产生厘米波超宽带信号的方法结构复杂、低频分量抑制差的缺点。

(3)本装置设计的基于单边带调制实现上变频技术的方法相较于其他方法具有更好的灵活性、稳定性，且更适用于超宽带信号在长距离光纤中传输。

(4)本装置利用外部调制技术完全消除了由上变频技术产生的多余本地震荡分量，通过控制待变频信号和本地震荡信号的功率、采用差分探测技术，对低频分量进行了较大程度的抑制，从而使最终产生的超宽带信号完全符合超宽带掩模。

附图说明

图1：微波光子厘米波/毫米波超宽带信号发生装置结构示意图；

图2：微波光子厘米波/毫米波超宽带信号发生装置输出光谱示意图；

图3：微波光子厘米波/毫米波超宽带信号发生装置输出光谱图：(a)超宽带调制光信号；(b)双边带调制信号；(c)掺铒光纤放大器输出信号；(d)单边带调制信号；

图4：耦合器2输出光谱图：(a)本地震荡信号频率为7GHz；(b)本地震荡信号频率为16GHz；

图5：厘米波超宽带信号：(a)时域波形图；(b)频谱图。

具体实施方式

实施例1：

激光源为Santec公司的TSL-510可调激光器，激光器的波长范围为 1510nm～1630nm；偏振控制器为四川梓冠公司的三环偏振控制器；直流稳压源1、直流稳压源2、直流稳压源3、直流稳压源4均为固纬公司的GPS-4303C，输出电压幅度在1V～20V可调；任意波形发生器是安捷伦公司的M8195A；双平行马赫曾德尔调制器是Photline公司的MXIQ-LN-40(可以由两个电信号驱动，两个电信号的输入口在此被称为驱动口1和射频驱动口2)；微波信号源是安捷伦公司的E8257D；马赫曾德尔调制器是Oclaro公司的AM-20；掺铒光纤放大器是脉锐光电公司的EDFA-PL-NS；可调光滤波器是Alnairlabs公司的BVF-300CL；平衡光电探测器是北京康冠公司的KG-BPR，带宽为40GHz；频谱分析仪是安捷伦公司的N9010A，测量信号范围带宽为10Hz～26.5GHz；示波器是安捷伦公司的 MSOV254A，测量信号带宽为25GHz；可调光延时线为四川莱特索斯光电科技有限公司的可调光延时线，延时范围0-330ps，调节精度0.001ps。

将系统连接好，打开所有的仪器设备开关，使所有设备处于工作状态。首先令激光器输出一个波长为1550nm(对应频率f_C约为193.414THz)、功率为20mW 的光载波信号。这个光信号被耦合器1分为功率比为90％:10％的两部分，其中 10％的部分作为第一支路经过偏振控制器1输入到双平行马赫曾德尔调制器中， 90％的部分作为第二支路经过偏振控制器2输入到马赫曾德尔调制器中。在双平行马赫曾德尔调制器中，第一支路光信号被任意波形发生器发射出的基带超宽带信号调制。任意波形器发射的信号是不归零的高斯脉冲序列，比特率为5G/s，编码为“1000 0000 0000 0000”。控制直流稳压源1输出电压为4.6V，直流稳压源 2输出电压为4.7V，直流稳压源3输出电压为12.7V。最终，基带超宽带信号被调制在光载波上，图3(a)展示了双平行马赫曾德尔调制器的输出的抑制载波超宽带调制光信号的光谱。从图中可以看出基带超宽带信号被调制到光载波上时，光载波功率增加、带宽展宽。第二支路光信号通过偏振控制器2被输入到马赫曾德尔调制器中，同时令直流稳压源4输出电压为4V。

为了生成厘米波超宽带信号，令微波信号输出一个频率f_LO为7GHz的本地震荡信号，然后输入进马赫曾德尔调制器的射频驱动口。在调整偏振控制器2之后，马赫曾德尔调制器输出一个抑制载波双边带调制信号，如图3(b)所示。其边带载波比约为14.07dB。然后这个抑制载波双边带调制信号被掺铒光纤放大器放大，如图3(c)所示。正负一阶边带被放大到4.42dBm，背景噪声被放大到- 26.68dBm。然后通过一个可调光滤波器(中心频率为1550.62nm，带宽为12GHz)，滤出负一阶边带，从而获得一个抑制载波单边带调制信号，在此被称为第四支路光信号，其峰值功率为-3.74dBm，如图3(d)所示。光载波和其他边带被完全消除，背景噪声也被降低。然后通过耦合器2(分光比50％:50％)将第三支路光信号和第四支路光信号结合，结合后的光信号如图4(a)所示，光载波和抑制载波单边带调制信号的频率差为7GHz。结合后的光信号然后又通过耦合器2分为完全相同的两路光信号，即第五支路光信号和第六支路光信号。在第六支路光信号中引入了10ps延时，然后将延时后的光信号与第五支路光信号分别输入到平衡光电探测器的两个输入口中。通过平衡光电探测器的差分探测作用后，在输出端可以获得厘米波超宽带信号(如图5所示)。图5(a)展示了厘米波超宽带信号的时域波形，其具有类似于四阶高斯脉冲的形状。图5(b)展示了厘米波超宽带信号的频谱，其中处于超宽带信号中心的本地震荡分量被成功消除，而且低频分量也被抑制到了超宽带掩模之下。计算得到频谱功率效率为54.25％，10dB带宽为5.89GHz。

为了生成毫米波超宽带信号，微波信号源应该输出频率为26GHz的本地震荡信号，但是实验室内的频谱分析仪测量范围是10Hz～26.5GHz，如果将基带超宽带信号上变频到22～29GHz频带处，则无法观察到全部的频谱。因此将微波信号源输出本地震荡信号的频率设定为16GHz，此时第三支路和第四支路结合后的光谱如图4(b)所示，光载波和抑制载波单边带调制信号的频率差为16GHz。同时将毫米波超宽带信号的掩模频移到12～19GHz处。若使用更大带宽的器件，该装置能够生成60GHz频带处的超宽带信号。因此该装置具有灵活性、稳定性、简单性，能够在超宽带通信系统、超宽带定位系统、超宽带雷达系统等多种超宽带系统中得到应用。

Claims

1.一种基于微波光子外部调制技术结合上变频技术的厘米波/毫米波超宽带信号产生装置，其特征在于：由激光源、耦合器1、耦合器2、偏振控制器1、偏振控制器2、双平行马赫曾德尔调制器、马赫曾德尔调制器、任意波形发生器、微波信号源、直流稳压源1、直流稳压源2、直流稳压源3、直流稳压源4、掺铒光纤放大器、可调光滤波器、可调光延迟线、平衡光电探测器、频谱分析仪和示波器构成；其中，双平行马赫曾德尔调制器、任意波形发生器、直流稳压源1、直流稳压源2、直流稳压源3实现外部调制，以产生基带超宽带调制信号并消除多余本地震荡分量；马赫曾德尔调制器、微波信号源、直流稳压源4、掺铒光纤放大器、可调光滤波器实现对本地震荡信号的单边带调制；通过耦合器2将基带超宽带调制信号和单边带调制信号耦合，结合平衡光电探测器的光电转换作用，实现基于单边带调制技术的上变频，利用平衡光电探测器和可调光延迟线实现差分探测以抑制低频分量；

由激光源发射一束频率为f_C的光载波，经过耦合器1分成两路光信号：第一支路光信号和第二支路光信号，其中第一支路光信号和第二支路光信号的功率比为1：9；第一支路光信号通过偏振控制器1将光信号的偏振态与双平行马赫曾德尔调制器对准，然后输入到双平行马赫曾德尔调制器中进行外部调制；由任意波形发生器发送一个周期性高斯脉冲序列即基带电学超宽带信号，并输入到双平行马赫曾德尔调制器的驱动口1中，通过调节直流稳压源1的输出电压，将该基带电学超宽带信号以损耗最低的状态调制到频率为f_C的光载波上，在双平行马赫曾德尔调制器的上支路获得超宽带调制光信号；将双平行马赫曾德尔调制器的射频驱动口2接地，然后通过调节直流稳压源2的输出电压，在双平行马赫曾德尔调制器的下支路获得与超宽带调制光信号中的光载波功率相同的光载波信号，频率为f_C；最后通过调节直流稳压源3的输出电压，令超宽带调制光信号和光载波信号相位相差180度，相当于在超宽带调制光信号和光载波信号结合时超宽带调制光信号中的光载波被减去，以达到抑制多余本地震荡分量的作用，最后在双平行马赫曾德尔调制器的输出端获得抑制载波的超宽带调制信号，该信号在此被称为第三支路光信号；

第二支路光信号通过偏振控制器2将光信号的偏振态与马赫曾德尔调制器对准，输入到马赫曾德尔调制器中；由微波信号源输出一个频率为f_LO的正弦本地震荡信号，通过控制直流稳压源4的输出电压，令马赫曾德尔调制器输出一个包含频率分量为f_C-f_LO、f_C和f_C+f_LO的抑制载波双边带调制信号；然后将这个抑制载波双边带信号输入到掺铒光纤放大器中进行放大，通过可调光滤波器滤出下边带信号，从而获得单边带信号f_C-f_LO，这个信号被称为第四支路光信号；

将第三支路光信号和第四支路光信号输入到耦合器2中进行耦合得到抑制载波超宽带-单边带调制光信号，然后再将该抑制载波超宽带-单边带调制光信号分成两路功率相同的光信号，即第五支路光信号和第六支路光信号；将第六支路光信号通过一个可调光延迟线引入一个延时后，同第五支路光信号一起输入到平衡光电探测器的两个输入口中进行差分探测，消除超出超宽带掩模的低频分量；最终，通过改变微波信号源输出的本地震荡信号的频率，从而在平衡光电探测器输出端的频谱分析仪和示波器得到无本地震荡分量、低频分量被抑制的厘米波超宽带信号或毫米波超宽带信号。

2.如权利要求1所述的一种基于微波光子外部调制技术结合上变频技术的厘米波/毫米波超宽带信号产生装置，其特征在于：选用波长为1530nm～1565nm的可调谐激光器作为激光源；耦合器1为10％：90％的单输入双输出耦合器；耦合器2为50％：50％的双输入双输出耦合器；双平行马赫曾德尔调制器的带宽为30GHz；马赫曾德尔调制器的带宽为20GHz；平衡光电探测器的带宽为42GHz；任意波形发生器的输出比特率最大可达到65Gb/s；微波信号源输出信号的频率范围250kHz～40GHz；掺铒光纤放大器的输入功率范围为-45～-25dBm；可调光滤波器的带宽在3.7GHz～370GHz范围内可调；直流稳压源1、直流稳压源2、直流稳压源3、直流稳压源4的输出电压的幅度在1V～20V可调；光延时线的延时范围0～330ps，调节精度0.001ps；频谱分析仪探测范围10Hz～26.5GHz。