CN113595646B - 基于dp-mzm的双频段相位编码脉冲信号的产生方法及系统 - Google Patents

基于dp-mzm的双频段相位编码脉冲信号的产生方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于DP‑MZM的双频段相位编码脉冲信号的产生方法及系统。该系统：LD光源通过3dB耦合器分为两路，分别与第一路DP‑MZM、第二路DP‑MZM相连；第一路DP‑MZM与第一射频信号放大器、第二射频信号放大器都相连接，任意波形发生器与第一射频信号放大器、第二射频信号放大器都相连接；码型发生器与第二路DP‑MZM相连；经第一路DP‑MZM、第二路DP‑MZM调制后的信号通过耦合器耦合后与光电探测器相连。本发明技术方案结构简单，实现了双频段相位编码脉冲信号的产生，突破了频段单一的限制；此外，本发明技术方案没有用到滤波器等波长相关器件，频率可调谐范围得到了提升。

Description

基于DP-MZM的双频段相位编码脉冲信号的产生方法及系统
技术领域
本发明属于光通信信号产生技术领域，尤其涉及一种基于DP-MZM(双驱动双平行马赫曾德尔调制器)的双频段相位编码脉冲信号的产生方法及系统。
背景技术
现如今，相位编码脉冲信号的产生在脉冲压缩雷达系统中充当着极其重要的角色。在传统的雷达系统中，信号的产生、传输和处理均在电域完成，受限于电子器件及系统的性能瓶颈，输出波形带宽有限，且受电磁干扰严重。近些年，随着微波光子学技术的崛起，人们开始将目光转向了光域，利用光域的频率操作范围大、传输损耗小、无电磁干扰、系统体积小、重量轻等优点来进行电域上所达不到的信号产生、处理、传输等操作。对于雷达来说信号源产生的探测信号的质量直接决定着雷达的探测性能。相位编码信号具有高带宽和大带宽时间积的优势，能提高距离分辨力、降低截获概率、强抗干扰能力和高多普勒分辨能力，而多普勒分辨能力是线性调频信号所不具备的。正是以上优势使得相位编码信号的产生到目前依然是一个研究热点。
随着对雷达功能要求的不断提高，人们提出了多波段雷达的概念，例如，一个集成的S波段和X波段雷达可以同时实现远距离探测和目标跟踪，工作在不同波段的雷达可以对不同的目标进行探测，并且由于在对不同目标进行探测时，多波段雷达可以共用其部分硬件，使得缩小了雷达的体积和成本。
近年来，相位编码信号产生的方案不断提出。早在2002年，J.D.McKinney 等人提出使用空间光调制器(SLM)对光脉冲整形以实现光脉冲的相位编码；在2003年J.Chou,Y.Han,以及B.Jalali基于光谱整形和频率-时间映射原理实现了相位编码信号的产生；2007年浙江大学池灏教授提出了一种利用全光纤元件产生高频相位编码射频脉冲的新方法。近些年随着光学集成器件的发展，基于光学外差法实现相位编码信号产生的方案不断涌现，其中具有代表性的是 S.Pan等人提出的一种利用双驱动马赫-曾德尔调制器(DMZM)光子产生相位编码微波信号的方案，在所提出的方案中，射频信号和数字电压信号分别被注入到DMZM的两个射频端口。通过适当设置数字电压信号的幅度和DMZM 的偏置电压，可产生精确的π相移相位编码微波信号。所提出的方案结构简单，系统只需要单个DMZM。此外，该系统没有使用依赖于频率的电子器件或依赖于波长的光学器件，实现了良好的频率可调谐性。
发展趋势：由于大部分方法只能产生连续波相位编码信号。当应用于脉冲雷达时，连续波相位编码信号应该通过光开关被截断成相位编码脉冲，这将改变发射到光电探测器的光功率，并因此引入基带调制分量(背景信号)。背景信号限制了发生器的频率可调范围。且冗余连续波背景信号的存在会影响有用检测信号的提取，造成实际检测干扰，因此发展趋势由连续到脉冲。由于雷达系统正向多波段雷达发展，因此产生多频段的相位编码信号也是必不可少的一个环节。
发明内容
针对上述现状，本发明利用DP-MZM产生在光载波两侧不对称的边带，通过与相位调制后的光载波进行拍频，生成双频段相位编码脉冲，提供了一种基于DP-MZM的双频段相位编码脉冲信号的产生方法及系统。
为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于DP-MZM的双频段相位编码脉冲信号的产生方法，包括如下步骤：
S1.半导体激光器(LD)产生的连续波光源，经过3dB耦合器分成功率相等的两束光分别进入上下两支路DP-MZM即第一路DP-MZM、第二路DP-MZM；
S2.任意波形发生器(AWG)作为射频光源产生两路信号，两路射频信号的初始相位差为π/2；
S3.任意波形发生器AWG产生的两路初始相位相差π/2的射频信号分别进入到第一射频信号放大器、第二射频信号放大器进行放大；
S4.经放大的两路射频信号加在第一路DP-MZM上；
S5.码型信号发生器PPG产生两路数字信号作为输入电压信号调制在第二路DP-MZM上；
S6.第一路DP-MZM、第二路DP-MZM调制后的两路信号经过3dB耦合器进行合路，即无附加相位的负一阶和正三阶边带，以及由数字信号控制的经过相位调制的光载波进行合路，合路后的信号送入光电探测器。
光电探测器PD有两个作用，一是对合束后的光进行光电转换，二是通过将光电探测器的带宽范围设置在射频信号的三倍频和四倍频之间，从而对经过光电探测器的信号进行滤波。
进一步的，光源为LD光源，其出射的光波可以表示为：Ein(t)＝E0exp(jωct)，其中，E0表示为输入光载波的电场幅度，ωc为输入光载波的中心频率。
进一步的，AWG产生的两路射频信号的初始相位相差π/2，并且由于需要产生三阶边带，因此需要将AWG产生的射频信号进行放大，使得进入到第一路DP-MZM的射频信号的幅值足够大，使得调制深度足够大，从而提高了三阶边带的幅值。
进一步的，第一路DP-MZM通过设置直流偏置使得调制输出的信号频谱关于光载波不对称，从而使得最后与光载波拍频时产生双波段相位编码信号。
进一步的，第一路DP-MZM内部包括两个子MZM(马赫曾德尔调制器)，将两个子MZM的直流偏置均设置为Vπ，主直流偏置设定为Vπ/2，从而用于产生负一阶边带以及正三阶边带。
进一步的，第二路DP-MZM内部的子MZM相当于光开关，码型信号发生器产生的两路数字信号输入到DP-MZM，当数字信号为“0”时该子MZM 断开，没有光信号输出；当数字信号为“1”时，该子MZM通过，光信号直通输出。两个子MZM之间的相位差通过主偏置电压决定，第二路DP-MZM 中直流偏置均为Vπ，从而实现了由数字信号控制的对光载波的调相以及截断。
进一步的，第二路DP-MZM将内部的两个子MZM的直流偏置设置为Vπ，主直流偏置设定为Vπ，实现对光载波进行调相以及截断的功能。
进一步的，上下两路信号通过3dB耦合器进行合路，合路后的信号通过光电探测器进行光电转换，由于在频谱上表现为负一阶、载波、和正三阶，因此经过光电探测器进行拍频后会产生一阶相位编码信号，三阶相位编码信号，以及四阶未经相位调制的信号，从而需要将四阶未经相位调制的信号滤除，滤除操作通过将四阶边带的频率设置在光电探测器探测带宽之外即可完成，最终产生双频段的相位编码脉冲信号。
本发明还公开了一种基于DP-MZM的双频段相位编码脉冲信号的产生系统，其包括：LD光源、第一路DP-MZM、第二路DP-MZM、两个3dB耦合器、码型信号发生器、任意波形发生器、第一射频信号放大器、第二射频信号放大器、光电探测器；LD光源通过3dB耦合器分为两路，分别与第一路 DP-MZM、第二路DP-MZM相连；第一路DP-MZM与第一射频信号放大器、第二射频信号放大器都相连接，任意波形发生器与第一射频信号放大器、第二射频信号放大器都相连接；码型发生器与第二路DP-MZM相连；经第一路 DP-MZM、第二路DP-MZM调制后的信号通过耦合器耦合后与光电探测器8 相连。
作为优选，第一路DP-MZM通过设置直流偏置使得调制输出的信号频谱关于光载波不对称，从而使得最后与光载波拍频时产生双波段相位编码信号。
作为优选，第一路DP-MZM的内部由两个子MZM构成，将两个子MZM 的直流偏置均设置为Vπ，主直流偏置设定为Vπ/2，用于产生负一阶边带以及正三阶边带。
作为优选，第二路DP-MZM将内部的两个子MZM的直流偏置均设置为Vπ，主直流偏置设定为Vπ，实现对光载波的调相以及截断功能。
与现有相位编码信号产生的技术方案相比，本发明提出的一种基于 DP-MZM的双频段相位编码脉冲的产生方法及系统技术方案，其结构简单，同时满足了双频段和脉冲的生成，在多波段雷达系统中有潜在的应用价值。
附图说明
图1是一种基于DP-MZM的双频段相位编码脉冲信号产生的系统结构示意图；
图2是基于DP-MZM的双频段相位编码脉冲信号产生的仿真结果图一。
图3是基于DP-MZM的双频段相位编码脉冲信号产生的仿真结果图二。
图4是基于DP-MZM的双频段相位编码脉冲信号产生的仿真结果图三。其中，1.LD光源；2.上路DP-MZM；3.下路DP-MZM；4.码型信号发生器PPG； 5.任意波形发生器AWG；6.第一射频信号放大器；7.第二射频信号放大器；8. 光电探测器PD。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。根据已有的相位编码信号产生技术，本发明利用了DP-MZM产生在光载波两侧不对称的边带，通过与相位调制后的光载波进行拍频，生成双频段相位编码脉冲。
实施例1
如图1所示，本实施例基于DP-MZM的双频段相位编码脉冲信号产生的系统，包括：LD光源1、两个DP-MZM即上路DP-MZM2和下路DP-MZM3、两个3dB耦合器、码型信号发生器4、任意波形发生器5、第一射频信号放大器6、第二射频信号放大器7、光电探测器8。
LD光源1通过3dB耦合器分为两路，分别与上路DP-MZM2、下路 DP-MZM3相连；上路DP-MZM2与两射频放大器6、7都相连接，任意波形发生器5与两射频放大器6、7都相连接，经射频信号放大器的信号分别作为上下两路的射频输入源；码型发生器4与下路DP-MZM3相连；两路经 DP-MZM调制后的信号通过耦合器耦合后与光电探测器8相连。
实施例2
本实施例提供了一种基于DP-MZM的双频段相位编码脉冲信号产生的方法，具体步骤如下：
步骤S1，半导体激光器(LD)产生的连续波光源，经过3dB耦合器分成功率相等的两束光波分别进入上下两路DP-MZM即第一路DP-MZM、第二路 DP-MZM；
步骤S2，任意波形发生器(AWG)作为射频光源产生两路信号，两路射频信号的初始相位差为π/2，一路为cos(ωRFt)，一路为sin(ωRFt)，本实施例的ωRF仿真采用10GHz。
步骤S3，AWG产生的两路初始相位相差π/2的射频信号进入到第一射频信号放大器6、第二射频信号放大器7进行放大，由于需要激发正三阶边带，在仿真的过程当中，选择调制系数为m＝2，又因为m＝πVRF/Vπ，所以要求 VRF＝0.64Vπ。
步骤S4，需要控制DP-MZM的三个直流偏置，通过设置两个子MZM的直流偏置为Vπ，主直流偏置为Vπ/2，从而产生负一阶边带和正三阶边带。
具体公式如下：
E1(t)αE0exp(jωct){exp[jmsin(ωt)]+exp[-jmsin(ωt)-jφ1]}
E2(t)αE0exp(jωct){exp[jmcos(ωt)]+exp[-jmscos(ωt)-jφ2]}
Eout(t)α[E1(t)+E2(t).exp(jφ3)]
φ1＝φ2＝π,φ3＝π/2
Eout(t)α[E1(t)+E2(t).exp(jφ3)]
Figure BDA0003161618150000071
αE0{jJ-1(m)exp[j(ωc-ω)t]+jJ3(m)exp[j(ωc+3ω)t]}
其中E0为从LD发出的光信号的振幅，ωc为光载波频率，ω为任意波形发生器产生的射频信号频率，φ1、φ2、φ3为DP-MZM的三个直流偏置引起的相移， m为调制深度，Jn为贝塞尔函数系数。
步骤S5，码型信号发生器产生两路数字信号作为输入电压信号调制在第二路DP-MZM上，第二路DP-MZM将两个子MZM的直流偏置设置为Vπ，主直流偏置设定为Vπ，实现对光载波进行调相以及截断的功能，部分理论推导公式如下：
s1(t)＝0代表MZM3断开，s1(t)＝1代表通过。
s2(t)＝0代表MZM4断开，s2(t)＝1代表通过。
具体实现公式：m1＝m2＝m
Figure BDA0003161618150000072
Figure BDA0003161618150000073
其中E0为从LD发出的光信号的振幅，ωc为光载波频率，m1、m2为调制深度，s1(t)、s2(t)为码型信号发生器产生的两路数字信号。
步骤S6，第一路DP-MZM、第二路DP-MZM3调制后的两路信号经过3dB 耦合器进行合路，即无附加相位的负一阶和正三阶边带，以及由数字信号控制的经过相位调制的光载波进行合路，合路后的光信号送入光电探测器.
上述技术方案中，光电探测器有两个作用，一是对合束后的光进行光电转换，二是通过将光电探测器的带宽范围设置在射频信号的三倍频和四倍频之间，从而对经过光电探测器的信号进行滤波。
图2表示为经过相位调制的光载波，图3表示产生负一节边带和正三阶边带，图4表示拍频后产生的一倍频和三倍频相位编码信号和无附加相位的四倍频信号。
本发明提出的一种基于DP-MZM的双频段相位编码脉冲信号的产生方法及系统，与现有的相位编码信号产生的方案相比，其技术方案的结构简单，同时满足了双频段和脉冲的生成，在多波段雷达系统中有潜在的应用价值。
本发明基于DP-MZM(双驱动双平行马赫曾德尔调制器)的双频段相位编码脉冲信号的产生方法及系统，其基于外差混频技术，利用经过相位调制的光载波和无附加相位的负一阶边带以及正三阶边带进行拍频，实现了双频段相位编码脉冲信号的产生。其系统主体由两路并联的DP-MZM组成，初始相位相差九十度的射频输入信号通过第一路DP-MZM对光载波进行强度调制，用于产生无附加相位的负一阶边带和正三阶边带；码型信号发生器产生的两路数字信号通过另一路DP-MZM对光载波进行调相以及截断的操作；然后将产生的负一阶边带和正三阶边带以及光载波通过光电探测器进行拍频，从而实现由数字信号控制的双频段相位编码脉冲信号。该方案结构简单，实现了双频段相位编码脉冲信号的产生，突破了频段单一的限制；此外，该方案没有用到滤波器等波长相关器件，其频率可调谐范围得到了提升。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (4)

1.基于DP-MZM的双频段相位编码脉冲信号的产生方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.半导体激光器产生的连续波光源，经过第一3dB耦合器分成功率相等的两束光波分别进入第一路DP-MZM、第二路DP-MZM；
S2.任意波形发生器作为射频光源产生两路信号，两路射频信号的初始相位差为π/2；
S3.任意波形发生器产生的两路初始相位相差π/2的射频信号分别输入到第一射频信号放大器、第二射频信号放大器进行放大；
S4.经放大的两路射频信号加在第一路DP-MZM上；
S5.码型信号发生器产生两路数字信号作为输入电压信号调制在第二路DP-MZM上；
S6.第一路DP-MZM、第二路DP-MZM调制后的信号经过第二3dB耦合器进行合路，合路后的信号送入光电探测器；光电探测器对合束后的光进行光电转换，且对经过光电探测器的信号进行滤波；
第一路DP-MZM通过设置直流偏置使得调制输出的信号频谱关于光载波不对称；
第一路DP-MZM内部包括两个子MZM，将两个子MZM的直流偏置均设置为Vπ，主直流偏置设定为Vπ/2；
第二路DP-MZM将内部的两个子MZM的直流偏置均设置为Vπ，主直流偏置设定为Vπ。
2.根据权利要求1所述基于DP-MZM的双频段相位编码脉冲信号的产生方法，其特征在于，所述半导体激光器出射的光波表示为：Ein(t)＝E0exp(jωct)，其中，E0表示为输入光载波的电场幅度，ωc为输入光载波的中心频率。
3.根据权利要求1所述基于DP-MZM的双频段相位编码脉冲信号的产生方法，其特征在于，码型信号发生器产生的两路数字信号输入到第二路DP-MZM，当数字信号为“0”时，第二路DP-MZM的子MZM断开，无光信号输出；当数字信号为“1”时，第二路DP-MZM的子MZM通过，光信号直通输出。
4.一种权利要求1-3任一项所述基于DP-MZM的双频段相位编码脉冲信号的产生方法的产生系统，其特征在于，包括：半导体激光器、第一路DP-MZM、第二路DP-MZM、两个3dB耦合器、码型信号发生器、任意波形发生器、第一射频信号放大器、第二射频信号放大器、光电探测器；
半导体激光器通过第一3dB耦合器分为两路，分别与第一路DP-MZM、第二路DP-MZM相连；第一路DP-MZM与第一射频信号放大器、第二射频信号放大器都相连接，任意波形发生器与第一射频信号放大器、第二射频信号放大器都相连接；码型信号发生器与第二路DP-MZM相连；经第一路DP-MZM、第二路DP-MZM调制后的信号通过第二3dB耦合器耦合后与光电探测器相连；
第一路DP-MZM通过设置直流偏置使得调制输出的信号频谱关于光载波不对称；
第一路DP-MZM的内部由两个子MZM构成，将两个子MZM的直流偏置均设置为Vπ，主直流偏置设定为Vπ/2；
第二路DP-MZM将内部的两个子MZM的直流偏置均设置为Vπ，主直流偏置设定为Vπ。
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