CN114696909B - 倍频微波跳频fh信号的光子产生装置及产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种倍频微波跳频FH信号的光子产生装置及产生方法，激光器发出光波经级联调制器被频率为f_m微波信号调制，MZM1偏置在最小输出点，MZM2偏置在最大输出点，两个调制器微波驱动信号相位差为π/2，每个调制器上下两臂微波驱动信号之间相位差都为π，MZM2还被二进制数据信号驱动，数据比特为0时，级联调制器输出‑1,+1阶光载毫米波边带，两个边带在光电探测器拍频产生频率2f_m二倍频微波信号；数据比特为1时，设置数据信号的幅度为MZM调制器的半波电压，级联调制器输出‑2,+2阶光载毫米波边带，两个边带在光电探测器产生拍频频率4f_m四倍频微波信号。通过上述方式，本发明能产生高频宽带微波跳频FH信号，具有低损耗、大带宽、高频率和抗电磁干扰等优点。

Description

倍频微波跳频FH信号的光子产生装置及产生方法

技术领域

本发明涉及光电信号处理技术领域，特别是涉及一种倍频微波跳频FH信号的光子产生装置及产生方法。

背景技术

微波跳频FH信号具有零码间串扰和抗干扰等固有特性，因而成为了一种广泛应用于无线通信系统、雷达和电子对抗系统中的重要信号。对于无线通信系统，微波跳频信号可以在不引入干扰的情况下显著提高系统容量。对于雷达系统而言，微波跳频信号可以大大提高时间-带宽乘积(TBWP)，提高探测距离和分辨率。

传统的微波跳频信号是通过电子器件在电域中产生的，然而众所周知的电子瓶颈限制了电子器件的工作带宽和可达频率，从而导致电子微波跳频信号发生器的跳频范围相对较小(仅限于GHz)。

此外，电子微波跳频信号发生器的跳频速度也被限制在kHz量级。因此，传统的微波跳频信号发生器已不能满足新应用对大跳频范围和高跳频速度的要求。

近年来，利用现代光子学所提供的低损耗、大带宽、高工作频率和抗电磁干扰等优点，微波信号的光子产生成为人们研究的热点。微波光子学也为微波跳频信号的产生提供了一种很有前途的解决方案，克服了传统电子微波跳频信号发生器的缺点，适应了跳频技术在新应用中的快速发展。

近年来，人们提出了几种不同的光子产生微波跳频信号的方案：

(1)通过控制双驱动马赫曾德尔调制器MZM的偏置电压来产生不同频率的光载微波信号[IEEE Photonic Journal，2018，10(1):5500407-1-7，光电子激光，2017，28(11):1198-1204]；

(2)采用结合偏振调制器和并联MZM调制器的方法[IEEE Photonic TechnologyLetters,2016,28(18):1928-1931]；

(3)采用结合MZM调制器、偏振调制器和保偏光纤光栅的方法[IEEE PhotonicJournal，2018，10(3):5501108-1-8]；

(4)采用结合偏振复用并联集成MZM调制器和可调光滤波器的方法[IEEE Access,2021,9:109865-109874]。

然而，上述产生微波跳频信号的方法存在一些不足：方案1-3产生的跳频信号频率仅为f_m和2f_m(f_m是驱动微波信号频率)，另外方案2和3都需要保持偏振来获得高质量的微波跳频信号，这样会增加了系统的复杂度而降低系统的稳定性；方案4能够产生的跳频信号频率为2f_m和4f_m，但其采用的偏振复用并联集成MZM调制器结构复杂成本高。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种倍频微波跳频FH信号的光子产生装置及产生方法，能够产生高频宽带的微波跳频FH信号，具有低损耗、大带宽、高频率和抗电磁干扰等优点，同时结构简单成本低，更具实用性和稳定性。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种倍频微波跳频FH信号的光子产生装置，包括：激光器、微波信号发生器、电增益器、级联调制器和光电探测器，其中级联调制器包括子调制器MZM1和子调制器MZM2，

所述微波信号发生器的输出端分别与子调制器MZM1的射频输入端和子调制器MZM2的射频输入端连接；

所述激光器的输出端连接子调制器MZM1的光输入端，子调制器MZM1的光输出端连接子调制器MZM2的光输入端，子调制器MZM2的光输出端连接光电探测器的输入端；

所述电增益器的输出端与子调制器MZM2的射频输入端连接，二进制数据信号经过电增益器增益后同时驱动子调制器MZM2。

在本发明一个较佳实施例中，所述子调制器MZM1偏置在最小输出点，所述子调制器MZM2偏置在最大输出点，子调制器MZM1和子调制器MZM2的微波驱动信号之间的相位差为π/2。

在本发明一个较佳实施例中，所述子调制器MZM1的两臂之间设有移相器，所述子调制器MZM2的两臂之间设有移相器，子调制器MZM1和子调制器MZM2上下两臂微波驱动信号之间的相位差都为π，由移相器实现。

在本发明一个较佳实施例中，所述级联调制器为马赫曾德尔调制器。

在本发明一个较佳实施例中，所述激光器、级联调制器和光电探测器之间为光路连接，所述微波信号发生器、移相器、电增益器和级联调制器之间为电路连接。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种倍频微波跳频FH信号的光子产生方法，步骤如下：

a、激光器发出的光波经过级联的子调制器MZM1和子调制器MZM2被频率为f_m的微波信号调制，子调制器MZM1偏置在最小输出点，子调制器MZM2偏置在最大输出点，子调制器MZM1和子调制器MZM2的微波驱动信号之间的相位差为π/2，子调制器MZM1和子调制器MZM2上下两臂微波驱动信号之间的相位差都为π，由移相器实现；

b、同时子调制器MZM2也被二进制数据信号驱动，

当数据比特为“0”时，级联调制器的输出主要为-1，+1阶光载毫米波边带，这两个边带在光电探测器PD拍频产生频率为的2f_m的二倍频微波信号；

当数据比特为“1”时，设置数据信号的幅度为MZM调制器的半波电压，可使级联调制器的输出主要为-2，+2阶光载毫米波边带，这两个边带在光电探测器PD拍频产生频率为的4f_m的二倍频微波信号；

数据比特为“0”和“1”时，分别产生了频率为2f_m和4f_m的两个不同频率的微波信号，即产生了倍频微波跳频FH信号；

上述激光器LD输出光波经过级联调制器中的子调制器MZM1和子调制器MZM2被角频率为ω_m(ω_m＝2πf_m)微波信号调制，

子调制器MZM1和子调制器MZM2的半波电压都为V_π，子调制器MZM1和子调制器MZM2的微波驱动信号之间的相位差为π/2，两个子调制器上下两臂微波驱动信号之间的相位差都为π，

子调制器MZM1的驱动电压为V₁(t)＝V_msinω_mt，子调制器MZM2同时也被幅度为V_π的二进制数据信号d(t)驱动，其驱动电压为V₂(t)＝V_msin(ω_mt+π/2)+V_πd(t)，MZM1和MZM2的偏置电压分别为V_π(偏置在最小输出点)和0(偏置在最大输出点)，则级联调制器MZM的输出为：

式中，V_m是微波信号的振幅，m＝πV_m/V_π是子调制器MZM1和子调制器MZM2的调制指数，J_n是n阶贝塞尔函数；

当数据比特为‘0’或‘1’时(d(t)＝0或1)，上式可以表示为：

忽略高阶分量后，级联调制器MZM的输出可以简化为：

由上式可见：

数据比特为‘0’时，级联调制器输出角频率为ω_m和-ω_m正负1阶光载毫米波边带；

数据比特为‘1’时，级联调制器输出角频率为2ω_m和-2ω_m正负2阶光载毫米波边带；

光电探测器PD采用平方律探测，级联调制器MZM的输出在光电探测器PD拍频输出电信号为：

上式中R是光电探测器PD的响应度，很显然当数据比特分别为‘0’和‘1’时，光电探测器PD的隔直流输出微波信号的频率分别为2f_m和4f_m，即产生了倍频微波跳频信号。

本发明倍频微波跳频FH信号的光子产生装置及产生方法的有益效果是：

(1)、本发明能够产生高频宽带的微波跳频FH信号，相较于传统电域产生微波跳频信号的方法，具有现代光子学所提供的低损耗、大带宽、高频率和抗电磁干扰等优点；

(2)、本发明能够产生频率分别为2f_m和4f_m的倍频微波跳频信号，可以降低对微波器件和MZM调制器带宽的要求，如仅需15GHz的微波信号发生器和调制器即可产生30GHz和60GHz的高频跳频信号；

(3)、本发明能够产生倍频微波跳频信号仅需级联普通的马赫曾德尔MZM调制器，结构简单成本低而更具实用性和稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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它的附图，其中：

图1是本发明的倍频微波跳频FH信号的光子产生装置一较佳实施例的结构示意图；

附图中各部件的标记如下：100、激光器LD，200、微波信号发生器，300、移相器，400、电增益器，500、级联调制器，600、光电探测器，其中实线表示光路(光纤)连接，虚线表示电路连接。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例包括：

一种倍频微波跳频FH信号的光子产生装置，包括：激光器100、微波信号发生器200、移相器300、电增益器400、级联调制器500和光电探测器600，其中级联调制器500包括子调制器MZM1和子调制器MZM2，所述激光器100、级联调制器500和光电探测器600之间为光路连接，所述微波信号发生器200、移相器300、电增益器400和级联调制器500之间为电路连接。

具体地来讲，所述微波信号发生器200的输出端分别与子调制器MZM1的射频输入端和子调制器MZM2的射频输入端连接。

所述子调制器MZM1偏置在最小输出点，所述子调制器MZM2偏置在最大输出点，子调制器MZM1和子调制器MZM2的微波驱动信号之间的相位差为π/2。

所述子调制器MZM1的两臂之间设有移相器300，所述子调制器MZM2的两臂之间设有移相器300，子调制器MZM1和子调制器MZM2上下两臂微波驱动信号之间的相位差都为π，由移相器300实现。

所述激光器100的输出端连接子调制器MZM1的光输入端，子调制器MZM1的光输出端连接子调制器MZM2的光输入端，子调制器MZM2的光输出端连接光电探测器600的输入端。

所述电增益器400的输出端与子调制器MZM2的射频输入端连接，二进制数据信号经过电增益器400增益后同时驱动子调制器MZM2。

所述级联调制器500优选马赫曾德尔调制器，结构简单成本低而更具实用性和稳定性。

本发明中，可以采用光谱分析仪测量级联调制器500输出的光载毫米波的光边带抑制比，采用频谱分析仪测量产生的微波跳频信号的射频边带抑制比。

本发明倍频微波跳频FH信号具体产生步骤如下：

a、激光器100发出的光波经过级联的马赫曾德尔调制器(MZM1和MZM2)被频率为f_m的微波信号调制，其中子调制器MZM1偏置在最小输出点，子调制器MZM2偏置在最大输出点，

子调制器MZM1和子调制器MZM2的微波驱动信号之间的相位差为π/2，子调制器MZM1和子调制器MZM2上下两臂微波驱动信号之间的相位差都为π，由移相器300实现；

b、同时子调制器MZM2也被二进制数据信号驱动，当数据比特为“0”时，级联调制器500的输出主要为-1，+1阶光载毫米波边带，这两个边带在光电探测器600拍频产生频率为的2f_m的二倍频微波信号；

当数据比特为“1”时，设置数据信号的幅度为MZM调制器的半波电压，可使级联调制器500的输出主要为-2，+2阶光载毫米波边带，这两个边带在光电探测器600拍频产生频率为的4f_m的二倍频微波信号；

数据比特为“0”和“1”时，分别产生了频率为2f_m和4f_m的两个不同频率的微波信号，即产生了倍频微波跳频FH信号。

当小信号调制(即MZM调制指数m<0.8)时，可以分别测得级联调制器500输出的光载毫米波信号的边带抑制比大于26dB，光电探测器600输出的微波跳频信号的射频边带抑制比大于20dB。

本发明的倍频微波跳频FH信号的光子产生原理为：

激光器100输出光波经过级联调制器500中的子调制器MZM1和子调制器MZM2被角频率为ω_m(ω_m＝2πf_m)微波信号调制，

子调制器MZM1和子调制器MZM2的半波电压都为V_π，子调制器MZM1和子调制器MZM2的微波驱动信号之间的相位差为π/2，两个子调制器上下两臂微波驱动信号之间的相位差都为π，子调制器MZM1的驱动电压为V₁(t)＝V_msinω_mt，

子调制器MZM2同时也被幅度为V_π的二进制数据信号d(t)驱动，其驱动电压为V₂(t)＝V_msin(ω_mt+π/2)+V_πd(t)，子调制器MZM1和子调制器MZM2的偏置电压分别为V_π(偏置在最小输出点)和0(偏置在最大输出点)，则级联调制器MZM的输出为：

式中，V_m是微波信号的振幅，m＝πV_m/V_π是调制器MZM1和MZM2的调制指数，J_n是n阶贝塞尔函数。

数据比特为‘0’或‘1’时(d(t)＝0或1)，上式可以表示为：

忽略高阶分量后，级联调制器500的输出可以简化为：

由上式可见：

数据比特为‘0’时，级联调制器500输出角频率为ω_m和-ω_m正负1阶光载毫米波边带；数据比特为‘1’时，级联调制器500输出角频率为2ω_m和-2ω_m正负2阶光载毫米波边带；光电探测器600采用平方律探测，级联调制器500的输出在光电探测器600拍频输出电信号为：

上式中R是光电探测器600的响应度，很显然当数据比特分别为‘0’和‘1’时，光电探测器600的隔直流输出微波信号的频率分别为2f_m和4f_m，即产生了倍频微波跳频信号。

本发明倍频微波跳频FH信号的光子产生装置及产生方法的有益效果是：

能产生高频宽带的微波跳频FH信号，相较于传统电域产生微波跳频信号的方法，具有现代光子学所提供的低损耗、大带宽、高频率和抗电磁干扰等优点；

产生频率分别为2f_m和4f_m的倍频微波跳频信号，可以降低对微波器件和MZM调制器带宽的要求，如仅需15GHz的微波信号发生器和调制器即可产生30GHz和60GHz的高频跳频信号；

产生倍频微波跳频信号仅需级联普通的马赫曾德尔MZM调制器，结构简单成本低而更具实用性和稳定性。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (3)

1.一种倍频微波跳频FH信号的光子产生装置，其特征在于，包括：激光器、微波信号发生器、电增益器、级联调制器和光电探测器，其中级联调制器包括子调制器MZM1和子调制器MZM2，

所述微波信号发生器的输出端分别与子调制器MZM1的射频输入端和子调制器MZM2的射频输入端连接；

所述激光器的输出端连接子调制器MZM1的光输入端，子调制器MZM1的光输出端连接子调制器MZM2的光输入端，子调制器MZM2的光输出端连接光电探测器的输入端；

所述电增益器的输出端与子调制器MZM2的射频输入端连接，二进制数据信号经过电增益器增益后同时驱动子调制器MZM2，

所述子调制器MZM1偏置在最小输出点，所述子调制器MZM2偏置在最大输出点，子调制器MZM1和子调制器MZM2的微波驱动信号之间的相位差为π/2，

所述子调制器MZM1的两臂之间设有移相器，所述子调制器MZM2的两臂之间设有移相器，子调制器MZM1和子调制器MZM2上下两臂微波驱动信号之间的相位差都为π，由移相器实现，

所述级联调制器为马赫曾德尔调制器。

2.根据权利要求1所述的倍频微波跳频FH信号的光子产生装置，其特征在于，所述激光器、级联调制器和光电探测器之间为光路连接，所述微波信号发生器、移相器、电增益器和级联调制器之间为电路连接。

3.一种倍频微波跳频FH信号的光子产生方法，其特征在于，采用如权利要求1-2任一项所述的倍频微波跳频FH信号的光子产生装置，步骤如下：

a、激光器发出的光波经过级联的子调制器MZM1和子调制器MZM2被频率为f_m的微波信号调制，其中f_m是驱动微波信号频率，子调制器MZM1偏置在最小输出点，子调制器MZM2偏置在最大输出点，

子调制器MZM1和子调制器MZM2的微波驱动信号之间的相位差为π/2，子调制器MZM1和子调制器MZM2上下两臂微波驱动信号之间的相位差都为π，由移相器实现；

b、同时子调制器MZM2也被二进制数据信号驱动，

当数据比特为“0”时，级联调制器的输出主要为-1，+1阶光载毫米波边带，这两个边带在光电探测器PD拍频产生频率为2f_m的二倍频微波信号；

当数据比特为“1”时，设置数据信号的幅度为MZM调制器的半波电压，可使级联调制器的输出主要为-2，+2阶光载毫米波边带，这两个边带在光电探测器PD拍频产生频率为4f_m的二倍频微波信号；

数据比特为“0”和“1”时，分别产生了频率为2f_m和4f_m的两个不同频率的微波信号，即产生了倍频微波跳频FH信号；

上述激光器LD输出光波经过级联调制器中的子调制器MZM1和子调制器MZM2被角频率为ω_m(ω_m＝2πf_m)微波信号调制，

子调制器MZM1和子调制器MZM2的半波电压都为V_π，子调制器MZM1和子调制器MZM2的微波驱动信号之间的相位差为π/2，两个子调制器上下两臂微波驱动信号之间的相位差都为π，

子调制器MZM1的驱动电压为V₁(t)＝V_msinω_mt，子调制器MZM2同时也被幅度为V_π的二进制数据信号d(t)驱动，其驱动电压为V₂(t)＝V_msin(ω_mt+π/2)+V_πd(t)，MZM1和MZM2的偏置电压分别为V_π偏置在最小输出点和0偏置在最大输出点，则级联调制器MZM的输出为：

式中，V_m是微波信号的振幅，m＝πV_m/V_π是子调制器MZM1和子调制器MZM2的调制指数，J_n是n阶贝塞尔函数；

当数据比特为‘0’或‘1’时(d(t)＝0或1)，上式可以表示为：

忽略高阶分量后，级联调制器MZM的输出可以简化为：

由上式可见：

数据比特为‘0’时，级联调制器输出角频率为ω_m和-ω_m正负1阶光载毫米波边带；

数据比特为‘1’时，级联调制器输出角频率为2ω_m和-2ω_m正负2阶光载毫米波边带；

光电探测器PD采用平方律探测，级联调制器MZM的输出在光电探测器PD拍频输出电信号为：

上式中R是光电探测器PD的响应度，很显然当数据比特分别为‘0’和‘1’时，光电探测器PD的隔直流输出微波信号的频率分别为2f_m和4f_m，即产生了倍频微波跳频信号。