CN113556179A - 基于时频拼接的w波段宽带信号产生方法及装置 - Google Patents

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吴怡凡
潘洲阳
李平
王爽
吴晴
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Abstract

本发明涉及信号产生领域，公开了一种基于时频拼接的W波段宽带信号产生方法。本发明将频率为fc的光载波信号经过一个MZM实现输出二倍频信号，然后经过耦合器和相应的滤波器分别提取出±1阶光边带信号；‑1阶光边带信号作为参考光边带信号；将+1阶光边带信号通过光开关转换为周期性的光脉冲信号，然后将光脉冲信号输入循环移频结构，则从该部分输出光线性调频信号；对上述光线性调频信号与参考光边带信号进行拍频，即可得到射频线性调频信号。本发明还公开了一种基于时频拼接的W波段宽带信号产生装置。相比现有技术，本发明可大幅提高信号的带宽，更为突出的是可以实现在W波段(75‑110gGHz)高频信号的产生。

Description

基于时频拼接的W波段宽带信号产生方法及装置
技术领域
本发明涉及一种W波段宽带信号产生方法，尤其涉及一种利用微波光子时频拼接技术实现的W波段宽带信号产生方法及装置。
背景技术
常用的宽带信号产生方法主要有微波光子倍频法、微波光子调相法、光注入半导体激光器法、时频拼接法等。倍频法利用电域的基带电信号驱动电光调制器，借助电光非线性效应激发高阶边带，选择不同边带拍频，得到中心频率和带宽为基带信号对应倍数的信号。但是由于宽带信号功率分散问题，导致倍频系数不超过4，产生的信号带宽有限。调相法通过使用光学手段对微波信号引入二次抛物线型的相位变化，得到所需的宽带雷达信号。通过对光载波进行二次相位调制，之后再与光载波拍频得到线性调频信号，但是这种方法受限于相位调制深度，要提升信号的时宽带宽积(TBWP)，需要提高调制深度，对于调制深度为π时，产生的信号的时间带宽积为16。光注入半导体激光器法利用光注入半导体激光器非线性动力学状态中单周期状态的特点:在主激光器和从激光器之间的频率失谐保持不变的情况下,主、从激光器之间拍频得出的微波信号频率(或波长)与主激光器的光注入强度成线性关系。但是，该方法受相位噪声影响严重，产生的信号线性度差。
传统的时频拼接法利用光频梳对基带电信号进行变频和延时线延时后在时频域拼接得到大带宽、大时宽的信号。该方法通过选择不同根数的光梳齿可以实现带宽和时宽的调整，且变频过程不影响基带电信号的线性度。但是，该方法需要对双光频梳进行相位锁定，成本高，结构复杂，且现有方法难以实现双光频梳较为稳定的锁定。为克服这一问题，2021年张亚梅等人(Y.Zhang et al.,"Multi-Functional Radar Waveform GenerationBased on Optical Frequency-Time Stitching Method,"in Journal of LightwaveTechnology,vol.39,no.2,pp.458-464,15Jan.15,2021,doi:10.1109/JLT.2020.3029275.)提出的基于光时频拼接的多功能雷达波形生成中采用了一种循环移频结构，通过光开关控制循环移频环路，将短脉冲宽度和小带宽的信号，拼接成一个大带宽大时宽的光信号。该方法产生了带宽为4-34GHz的信号，带宽覆盖C波段到Ka波段。
但是，该方法通过叠加一段段短时宽小带宽的信号拼接而成，当拼接数过大极易出现信号不连续的情况，很难实现在更高波段(W波段)信号的产生。如何进一步得到高波段的大时间带宽积的信号成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有时频拼接法中循环移频技术的不足，提供一种基于时频拼接的W波段宽带信号产生方法及装置，采用了一种倍频级联循环移频结构，可以大幅提升信号频率和带宽范围，且提升频率和增大带宽可独立进行。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种基于时频拼接的W波段宽带信号产生方法，首先在倍频模块将频率为fc的光信号经MZM调制上一个射频信号，从而激发高阶光边带；经过耦合器分为两路；分别使用光滤波器选择需要的光边带。第一路光信号选取-1阶光边带作为参考光信号；第二路光信号选取+1阶光边带，通过光开关转换为周期性的光脉冲信号，然后光脉冲信号输入循环移频模块。
优选地，所述倍频模块包括：
马赫曾德尔调制器，用于借助射频信号驱动它来激发光信号的高阶光边带，选取不同边带再分路处理；
光耦合器1，用于将光信号一分为二，一路作为光开关的输入，另外一路作为参考光信号；
优选地，光开关包括：
马赫曾德尔调制器，用于控制偏置状态来选择光开关的不同状态；
光滤波器：配合马赫曾德尔调制器实现开关状态的选择；
优选地，所述循环移频模块包括：
光耦合器2，用于将光开关输出信号与环路输出信号进行合路；
移频器，用于对光信号不断地进行移频操作，在控制其余参数相同而相位相差90度的射频信号驱动下，移频量等于射频信号的频率；
光耦合器3，用于将移频器的输出信号一分为二，一路输出，另外一路再次进行循环移频；
光滤波器3，串联于光耦合器3和光耦合器4之间；
光放大器，串联于光耦合器2和光耦合器3之间；
进一步优选地，所述循环移频模块还包括串联于光耦合器2和光耦合器3之间的光放大器。
根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案：
基于时频拼接的W波段宽带信号产生装置，包括：
激光器、倍频模块、光开关模块、循环移频环路、光电探测器；
激光器，用于产生频率为fc的光信号；
所述倍频模块包括马赫曾德尔调制器、光滤波器；用于产生±1阶边带光信号：fc±△f；并将其分别提取作为上下两路的输入光信号；
光开关模块，用于将倍频模块输出的+1阶边带光信号借助AWG实现输出周期性光脉冲；
循环移频环路由首尾顺次链接的光耦合器2、移频器、光耦合器3、光放大器组成；
光电探测器，用于将-1阶边带光信号与循环移频后的宽带信号进行拍频，获得高频大带宽信号；
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
1.本发明突破传统时频拼接法对产生信号的频率的限制，可以大幅提升信号频率，实现在W波段的信号产生。信号频率仅受限于输入射频信号的频率。
2.本发明所产生信号的频率和带宽是可调谐的，更为突出的是级联结构使得二者独立分布进行，互不影响。
附图说明
图1为基于时频拼接的W波段宽带信号产生框图(简图)。
图2为基于倍频级联循环移频结构的宽带信号产生框图(详图)。
图3为循环移频模块输出的宽带信号(带宽为50GHz)。
图4为进入光电探测器的合路信号(频率间隔达到W波段)。
具体实施方式
针对现有技术(基于光时频拼接的多功能雷达波形生成)信号频率提升有限(仅能达到Ka波段)的不足，本发明的思路是采用倍频级联循环移频结构，先由倍频结构激发光载波的±1阶边带，然后分为两路，一路选择-1阶边带作为参考光，另外一路选择+1阶边带进而进行循环移频。这样，即可分布独立得实现提高频率和增大带宽这两个目标，将原先很难实现的更大频率信号产生在倍频模块得以实现。同时，依然可增大信号的时宽带宽积。
为了便于公众理解，下面结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：
如图1所示，本发明的基于时频拼接的W波段宽带信号产生装置包括激光器、倍频模块、光开关、循环移频模块、光电探测器以及若干光耦合器。
如图2所示，首先由一个窄线宽激光器产生一个连续光进入到MZM中，并作为MZM的载波。然后，MZM调制上一个40GHz的射频信号。输出的光信号经过第一个50：50的光耦合器1一分为二。其中一路先经过光滤波器1滤波，选择+1阶光边带，进入到光开关中，并作为光开关的光源，光开关的输出端输入到移频环路中，环路输出端接了一个光滤波器3用来选择线性调频信号的频带范围以及滤除带外噪声和不需要的边带。另外一路经过光滤波器2滤波，选择-1阶光边带，与环路输出的线性调频信号耦合进入光电探测器拍频，即可得到所需的电信号。其中的核心是移频环路，它由两个光耦合器、一个掺铒光纤光放大器(EDFA:Erbrium-Doped FiberAmplifer)、一个移频器来实现，光开关的输出端从第二个耦合器2的支路输入，然后经过移频器进行移频，然后经过第三个耦合器3进行分路，其中一个支路的输出端经过EDFA放大之后输入到耦合器2的另外一个支路，这样经过移频之后的光信号就可以被不断进行移频，耦合器3的输出即为循环移频环路的最终输出。
本发明使用的倍频模块，包括马赫曾德尔调制器和光滤波器。其基本原理入下：
Figure BDA0003174221590000041
其中，
Figure BDA0003174221590000042
Figure BDA0003174221590000043
根据贝塞尔公式展开，式中第一项仅有载波和偶数阶边带，第二项仅有奇数阶边带。因而倍频模块输出的是一系列光边带，通过光滤波器分别选择-1阶和+1阶光边带。
本发明使用的循环移频模块包括移频器、光耦合器、光放大器。其中的移频器可以采用现有的各种光移频技术，例如最常用的声光调制器，但优选采用基于双平行马赫曾德尔调制器的光移频方案，所述双平行马赫曾德尔调制器被其余参数相同但相位相差π/2的射频信号驱动，移频量为所述射频信号的频率，移频的方向由双平行马赫曾德尔调制器的偏置状态决定。相比于用声光调制器进行移频，此种方法移频的频率更大，声光调制器的移频范围在MHz量级，而此方法移频范围在GHz。其基本原理如下：
Figure BDA0003174221590000044
Figure BDA0003174221590000051
经过DPMZM对光载波的调制会激发出一系列边带。通过控制偏置电压以及信号相位差可实现移频功能。
当
Figure BDA0003174221590000052
且
Figure BDA0003174221590000053
或3π/2时，
Figure BDA0003174221590000054
最终输出仅剩下一个一阶边带和一个三阶边带。最后可以通过调整射频信号的输出电压控制实现对三阶边带的抑制。最终输出一个一阶边带，成功实现移频。
移频后的信号经过光放大器重新回到移频环路输入端，再次进行上述操作。
光电探测器将两路合路信号进行拍频，实现光电转换。基本原理如下：
Figure BDA0003174221590000055
如图3最终利用该倍频级联循环移频结构可以实现带宽为50GHz的光宽带信号产生。经过耦合器4合路进入光电探测器的光谱如图4所示。经过光电探测拍频，即可实现频率在W波段、带宽为50GHz的射频信号产生。

Claims (5)

1.一种基于时频拼接的W波段宽带信号产生方法，其特征在于：首先在倍频模块将频率为fc的光信号经MZM调制上一个射频信号，从而激发高阶光边带；经过耦合器分为两路；分别使用光滤波器选择需要的光边带；第一路光信号选取-1阶光边带作为参考光信号；第二路光信号选取+1阶光边带，通过光开关转换为周期性的光脉冲信号，然后光脉冲信号输入循环移频模块。
2.根据权利要求1所述，倍频模块包括：
马赫曾德尔调制器，用于借助射频信号驱动它来激发光信号的高阶光边带，选取不同边带再分路处理；
光耦合器1，用于将光信号一分为二，一路作为光开关的输入，另外一路作为参考光信号。
3.根据权利要求1所述，光开关包括：
马赫曾德尔调制器，用于控制偏置状态来选择光开关的不同状态；
光滤波器：配合马赫曾德尔调制器实现开关状态的选择。
4.根据权利要求1所述，循环移频模块包括：
光耦合器2，用于将光开关输出信号与环路输出信号进行合路；
移频器，用于对光信号不断地进行移频操作，在控制其余参数相同而相位相差90度的射频信号驱动下，移频量等于射频信号的频率；
光耦合器3，用于将移频器的输出信号一分为二，一路输出，另外一路再次进行循环移频；
光滤波器3，串联于光耦合器3和光耦合器4之间；
光放大器，串联于光耦合器2和光耦合器3之间。
5.根据权利要求4所述，循环移频模块还包括串联于光耦合器2和光耦合器3之间的光放大器。
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