CN114301539A - 一种基于调制器阵列相位的编码信号产生系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于调制器阵列相位的编码信号产生系统，激光源通过耦合器与两个马赫曾德尔调整器的输入端连接，两个马赫曾德尔调整器分别与第一光开关和第二光开关连接；码型信号源分别与第一光开关和第二光开关连接，控制两个光开关进行通断状态的切换；射频信号源分别与两个马赫曾德尔调整器连接；第一光开关和第二光开关的输出端经过第二耦合器耦合后与光电探测器连接。本发明的系统通过简单地设置两个马赫曾德尔调制器的偏置点实现了射频信号的倍频操作，并且在整个系统中，频率可调谐范围仅与调制器的带宽有关，均为小信号调制，无需复杂的功率控制，系统结构更加简单。

Description

一种基于调制器阵列相位的编码信号产生系统及方法

技术领域

本发明属于光通信技术领域，具体涉及一种基于调制器阵列相位的编码信号产生系统及方法。

背景技术

相位编码信号的产生对于提高雷达的距离分辨力和速度分辨力具有重要意义，在传统的雷达系统中，一般信号源的时间带宽积等于一。而雷达分辨理论表明，为了提高距离分辨力需要大带宽信号，为了提高速度分辨力需要大时宽的信号，普通信号满足不了大时宽、大带宽的要求，因此脉冲压缩技术被广泛应用在脉冲压缩雷达系统中，相位编码信号就是脉冲压缩信号的一种，从而解决了雷达系统中大时宽、大带宽的矛盾。

传统的相位编码信号是在电域上产生，一般是利用直接数字合成的方法，但是在电域上产生相位编码信号中心频率较低，并且时间带宽积也很小，具有一定的局限性，现如今的雷达正在向高频段、可重构、多频段的方向发展，显然电域上产生信号已经满足不了现代雷达的需求，而随着微波光子学技术的发展，人们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、重量轻等优点来完成电域上所达不到的信号产生、处理、传输等操作。

近年来，各种微波光子相位编码信号的方案被提出，一种典型的方法是光外差法，使用两个相位相关波长，对其中的一个波长进行相位调制，经过PD将光上的相位拍到射频信号上。这种方法的核心思想是如何使得相位相关波长对调上不同的相位信息，通过频率外差实现相位编码信号的产生。实现光外差的一种方法是利用集成的调制器，随着集成器件的发展，集成的调制器功能种类越来越多，其中潘时龙教授团队2013年提出了基于DD-MZM的微波光子相位编码信号的产生方案，随后利用集成调制器的方案不断涌现，2017年清华大学课题组利用了多波长光源实现了多频段的相位编码信号的生成，2019年姚建平团队基于DP-BPSK调制器在六个不同的频段上实现了相位编码信号的生成。但目前的相位编码信号产生系统和方法结构十分复杂，需要安装波长或功率控制元件以对两个波长分别进行相位调制。

发明内容

基于现有技术中存在的上述缺点和不足，本发明的目的之一是至少解决现有技术中存在的上述问题之一或多个，换言之，本发明的目的之一是提供满足前述需求之一或多个的一种基于调制器阵列相位的编码信号产生系统及方法。

为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于调制器阵列相位的编码信号产生系统，系统包括激光源、第一耦合器、调制器阵列、码型信号源、射频信号源、第一光开关、第二光开关、第二耦合器和光电探测器；调制器阵列包括并联于第一耦合器输出端的第一马赫曾德尔调制器、第二马赫曾德尔调制器；

激光源的输出端与第一光耦合器的输入端连接；第一马赫曾德尔调制器的输出端与第一光开关的入端连接，第二马赫曾德尔调制器的输出端与第二光开关的入端连接；码型信号源具有两个输出端，分别与第一光开关和第二光开关连接，向两个光开关发送控制信号，控制两个光开关进行通断状态的切换；射频信号源分别与两个马赫曾德尔调制器连接；第一光开关和第二光开关的输出端经过第二耦合器耦合后与光电探测器连接。

作为优选方案，激光源为半导体激光器。

作为优选方案，码型信号源的两个输出端极性相反。

作为优选方案，射频信号源生成的射频信号为cos(2πf₁t)，其中f₁为该射频信号的频率。

另一方卖弄，本发明还提供一种基于调制器阵列相位的编码信号产生方法，应用如上述任一项的系统，方法包括步骤：

S1、激光源生成连续光波，输入第一耦合器，由第一耦合器分两路分别传输至第一马赫曾德尔调制器和第二马赫曾德尔调制器；

S2、射频信号源生成射频信号，将射频信号分别加载于第一马赫曾德尔调制器和第二马赫曾德尔调制器；

S3、码型发生器生成数字信号，将数字信号分别加载于第一光开关和第二光开关，控制第一光开关和第二光开关的通断；

S4、将第一光开关和第二光开关输出的光信号使用耦合器耦合，然后输入光电探测器，产生电信号。

作为优选方案，码型信号源通过调整数字信号的幅度和偏置点控制第一光开关和第二光开关的通断。

作为进一步优选的方案，码型信号加载于第一光开关和第二光开关使第一光开关和第二光开关交替通断。

本发明与现有技术相比，有益效果是：

能够将射频信号倍频生成二倍频相位编码信号；频率可调谐的范围大；在整个系统中无波长相关器件，整体结构简单；只需要码型信号源控制光开关通断，无需功率控制元件，进一步简化系统结构。

附图说明

图1是本发明实施例的一种基于调制器阵列相位的编码信号产生系统的结构示意图；

图2是本发明实施例的第一光开关的输出仿真结果图；

图3是本发明实施例的第二光开关的输出仿真结果图；

图4是本发明实施例的光电探测器的输出仿真结果图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

实施例：本实施例提供一种基于调制器阵列相位的编码信号产生系统，其结构示意图如图1所示，包括激光源1、第一耦合器2、调制器阵列、射频信号源3、码型信号源4、第一光开关7、第二光开关8、第二耦合器9和光电探测器10，其中调制器真理由并联于第一耦合器2输出端的第一马赫曾德尔调制器5和第二马赫曾德尔调制器6组成；

激光源1的输出端与第一耦合器2的输入端连接，第一耦合器2的两个输出端分别连接至第一马赫曾德尔调制器5和第二马赫曾德尔调制器6，第一马赫曾德尔调制器5和第二马赫曾德尔调制器6的输出端分别与第一光开关7和第二光开关8的入端连接；码型信号源4具有两个输出端，分别与第一光开关7和第二光开关8连接，向两个光开关发送控制信号，控制两个光开关进行通断状态的切换；射频信号源3的输出端通过射频线分别与第一马赫曾德尔调制器5和第二马赫曾德尔调制器6的输入端连接；第一光开关7和第二光开关8的输出端先连接至第二耦合器9的输入端由第二耦合器9耦合，第二耦合器9的输出端由光纤连接至光电探测器10的输入端。

具体的，本实施例中的激光源1选用半导体激光器，从而便捷地产生连续光波。码型信号源4的两个输出端极性相反，在与两个光开关连接后由于相反的极性，在同一时刻一定会令两个光开关处于不同的通断状态，从而使得第一马赫曾德尔调制器5和第二马赫曾德尔调制器6能够交替输出两个光信号。

优选的，本实施例中射频信号源生成的射频信号为cos(2πf₁t)，其中f₁为该射频信号的频率，使信号能够倍频。

另一方面，本实施例还提供一种使用上述系统的方法，用于产生相位编码信号，方法包括以下步骤：

S1、使用激光源生成连续光波，将连续光波输入第一耦合器，由第一耦合器分别发送至第一马赫曾德尔调制器和第二马赫曾德尔调制器作为输入；光波可以表示为：E_in(t)＝E₀exp(jω_ct)，其中，E₀表示为输入光载波的电场幅度，ω_c为输入光载波的中心频率。

然后进行步骤S2、射频信号源生成射频信号，将射频信号加载于第一马赫曾德尔调制器和第二马赫曾德尔调制器；射频信号可以为信号cos(2πf₁t)。

之后进行步骤S3以对第一马赫曾德尔调制器和第二马赫曾德尔调制器输出的两路光信号进行互补通断。由码型发生器生成数字信号，然后将数字信号分别加载于第一光开关和第二光开关作为控制信号，第一光开关和第二光开关接收到数字信号以后，能够根据数字信号改变通断状态；进一步的，本步骤中第一光开关和第二光开关具体是根据数字信号的幅度和偏置点切换通断状态，码型发生器只需要改变两路数字信号的幅度和偏置点即可。在该步骤中，第一光开关和第二光开关所输出的光信号分别如图2和图3所示。

S4、将第一光开关和第二光开关输出的光信号使用第二耦合器耦合，然后输入光电探测器，经光电探测器进行光电转换后产生经过了相位编码的高频电信号。上述第一光开关和第二光开关输出的光信号经过耦合和光电转换后所输出的电信号如图4所示。

上述步骤S2-S5的理论推导过程如下：

其中E_out,1E_out,2分别为第一马赫曾德尔调制器和第二马赫曾德尔调制器输出电场表达形式；E_in(t)＝E₀ exp(jω_ct)，为激光源产生的光波；ω_c为激光源输出光波的中心频率，射频信号为V＝cos(2πf₁t)，f₁为射频信号源产生的射频信号的频率，V_π为马赫曾德尔调制器的半波电压。

将第一马赫曾德尔调制器和第二马赫曾德尔调制器的分别进行光电转换后的结果分别为：

其中，I_out,1和I_out,2分别为E_out,1和E_out,2的对应的光电转换后的结果，从上述结果可以看出两路输出的射频信号部分相差精确π相移，这为二倍频的相位编码提供了倍频基础。

然后，根据

V＝cos(2πf₁t)；

其中，J_n代表贝塞尔函数展开系数。在上式中，由于是小信号调制，因此高阶边带可以忽略不计，因此结果可以展开为二倍频信号的形式。根据上述方法便可以通过两路光开关对第一马赫曾德尔调制器和第二马赫曾德尔调制器进行交替输出，产生二倍频相位编码信号

本发明的基于调制器阵列相位的编码信号产生系统及方法，与现有相位编码信号的产生方法相比，通过简单地设置两个马赫曾德尔调制器的偏置点实现了射频信号的倍频操作，并且在整个系统中，频率可调谐范围仅与调制器的带宽有关，均为小信号调制，无需复杂的功率控制，系统结构更加简单。并且生成的二倍频相位编码信号具有大的时间带宽积，在雷达系统中有较高的应用价值。

应当说明的是，上述实施例仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于调制器阵列相位的编码信号产生系统，其特征在于，所述系统包括激光源、第一耦合器、调制器阵列、码型信号源、射频信号源、第一光开关、第二光开关、第二耦合器和光电探测器；所述调制器阵列包括并联于第一耦合器输出端的第一马赫曾德尔调制器、第二马赫曾德尔调制器；

所述激光源的输出端与所述第一光耦合器的输入端连接；所述第一马赫曾德尔调制器的输出端与所述第一光开关的入端连接，所述第二马赫曾德尔调制器的输出端与所述第二光开关的入端连接；所述码型信号源具有两个输出端，分别与所述第一光开关和所述第二光开关连接，向所述两个光开关发送控制信号，控制所述两个光开关进行通断状态的切换；所述射频信号源分别与所述两个马赫曾德尔调制器连接；所述第一光开关和所述第二光开关的输出端经过所述第二耦合器耦合后与所述光电探测器连接。

2.如权利要求1所述的一种基于调制器阵列相位的编码信号产生系统，其特征在于，所述激光源为半导体激光器。

3.如权利要求1所述的一种基于调制器阵列相位的编码信号产生系统，其特征在于，所述码型信号源的两个输出端极性相反。

4.如权利要求1所述的一种基于调制器阵列相位的编码信号产生系统，其特征在于，所述射频信号源生成的射频信号为cos(2πf₁t)，其中f₁为该射频信号的频率。

5.一种基于调制器阵列相位的编码信号产生方法，应用如权利要求1-4所述的系统，其特征在于，所述方法包括步骤：

S1、所述激光源生成连续光波，输入所述第一耦合器，由所述第一耦合器分两路分别传输至所述第一马赫曾德尔调制器和所述第二马赫曾德尔调制器；

S2、所述射频信号源生成射频信号，将所述射频信号分别加载于所述第一马赫曾德尔调制器和所述第二马赫曾德尔调制器；

S3、所述码型发生器生成数字信号，将所述数字信号分别加载于所述第一光开关和所述第二光开关，控制所述第一光开关和所述第二光开关的通断；

S4、将所述第一光开关和所述第二光开关输出的光信号使用所述耦合器耦合，然后输入所述光电探测器，产生电信号。

6.如权利要求5所述的一种基于调制器阵列相位的编码信号产生方法，其特征在于，所述码型信号源通过调整所述数字信号的幅度和偏置点控制所述第一光开关和所述第二光开关的通断。

7.如权利要求6所述的一种基于调制器阵列相位的编码信号产生方法，其特征在于，所述码型信号加载于所述第一光开关和所述第二光开关使所述第一光开关和所述第二光开关交替通断。

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