CN114826419A - 基于单偏振调制器的载波抑制两倍频毫米波信号产生方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及通信技术领域，具体地说，涉及基于单偏振调制器的载波抑制两倍频毫米波信号产生方法。包括如下步骤：配置流程架构；连续波激光器发出连续光波；配置偏振调制器的偏振角，将连续光波注入进行调制；光波信号进入检偏器进行检偏；调节RF射频源驱动信号的幅度，使偏振调制器的调制系数远小于1；光波注入光电探测器中进行平方率检测，得到频率加倍的信号。本发明设计利用射频信号驱动单个偏振调制器并配合起偏器和检偏器抑制掉光载波，同时控制射频驱动信号的电压产生仅包含±1阶的光边带信号，最后经光电转换后产生频率加倍的毫米波信号；其结构简单、成本低、可重构、信号质量好，所产生的毫米波信号稳定；适用于无线和光纤通信系统。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体地说，涉及基于单偏振调制器的载波抑制两倍频毫米波信号产生方法。
背景技术
随着第五代通信技术的全面落地，以及第六代通信技术的预研，信息技术迎来了爆炸性的发展，从大数据、区块链、人工智能、4K/8K高清视频以及当下火热的“元宇宙”虚拟现实技术，都离不开高速率、大容量的传输，这就给移动无线通信技术带来了挑战。低频段频谱资源已经无法提供更加丰富的频谱资源，人们开始把目光转向了更高频段的微波频段，如V波段(50GHz-75GHz)，W波段(75GHz-110GHz)以及D波段(110GHz-170GHz)。然而传统基于电子器件毫米波产生方法由于有限的带宽以及相位噪声大等电子瓶颈因素限制，很难实现超过本振40GHz的毫米波信号生成。基于光载射频(Radio over fiber，RoF)的毫米波产生和传输技术不仅可以更加简单灵活地产生高频载波，还可以无缝接入光纤链路，降低电光转换的损耗，实现毫米波信号传输距离的拉远，在未来的无线接入网中拥有极为广泛的应用前景。
近年来，国内外不少课题研究组把目光转移到借助光子辅助的毫米波产生技术，并提出了不少研究方案，其中最多的研究方案是借助外调制器的研究方案。基于外调制器的方案中又以是否采用光学滤波器装置分成两大类，第一类是通过外调制器产生光边带信号，然后借助带通滤波器、波长选择开关以及交错复用器等滤波器装置进行选频的方式来产生毫米波信号；第二类是直接采用单个或多个外调制中的马赫-曾德尔光调制器(Mach-Zehnder Modulator，MZM)串联或并联，并利用MZM调制器本身的调制非线性特性，直接产生毫米波信号，这样可以避免光学滤波器的使用，增大频率可调范围。然而MZM的偏置点在震动等外在情况下很容易发生漂移，这将会导致所生成毫米波信号的质量恶化，因此基于马赫曾德调制器方式产生毫米波信号方案，均需要额外复杂的电子线路来控制调制器的偏置点，这就增加了系统的复杂度和实现成本。偏振调制(Polarization Modulator，PolM)，由于无偏置点，无需偏置电压的天然优势，可以更加稳定的实现微波或毫米波信号的倍频。然而，目前却没有较为完善的利用偏振调制产生载波抑制两倍频毫米波信号的方法。鉴于此，我们提出了基于单偏振调制器的载波抑制两倍频毫米波信号产生方法。
发明内容
本发明的目的在于提供基于单偏振调制器的载波抑制两倍频毫米波信号产生方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述技术问题的解决，本发明的目的之一在于，提供了基于单偏振调制器的载波抑制两倍频毫米波信号产生方法，包括如下步骤：
S1、配置基于单偏振调制器的载波抑制两倍频毫米波信号产生的流程架构，包括但不限于连续波激光器CW Laser、RF射频源驱动信号RF source、起偏器POL-1、偏振调制器POLM、检偏器POL-2、光电探测器PD和示波器OSC；其中，偏振调制器POLM由一个偏振光分束器PBS，两个并行的相位调制器PM-1、PM-2和一个偏振光合束器PBC组成；
S2、从连续波激光器CW Laser中发出连续的光波，在偏振光分束器PBS之前设置PC用于控制x轴和y轴方向上的光功率分配比；
S3、配置偏振调制器POLM的偏振角为π/4，然后将连续光波注入偏振调制器POLM进行调制；
S4、经偏振调制器POLM输出的光波信号进入检偏器POL-2中，并输出检偏后的光波信号；
S5、通过调节RF射频源驱动信号RF source的幅度，使偏振调制器POLM的调制系数远小于1，这时高于1阶的光谐波边带信号远低于1阶光边带信号；
S6、最后光波信号注入光电探测器PD中进行平方率检测，得到频率加倍的信号，并最终通过示波器OSC实时展现。
作为本技术方案的进一步改进，所述S1中，连续波激光器CW Laser的信号输出端与起偏器POL-1的信号输入端连接，RF射频源驱动信号RF source与起偏器POL-1并行，RF射频源驱动信号RF source、起偏器POL-1的信号输出端同时与偏振调制器POLM的信号输入端连接，偏振调制器POLM的信号输出端与检偏器POL-2的信号输入端连接，检偏器POL-2的信号输出端与光电探测器PD的信号输入端连接，光电探测器PD的信号输出端与示波器OSC的信号输入端连接。
作为本技术方案的进一步改进，所述S1中，偏振光分束器PBS上下两个支路的信号分别与两个并行的相位调制器PM-1、PM-2的信号输入端连接，两个并行的相位调制器PM-1、PM-2的信号输出端同时与偏振光合束器PBC的信号输入端连接；
其中，起偏器POL-1的信号输出端与偏振调制器POLM内偏振光分束器PBS的信号输入端连接；
RF射频源驱动信号RF source的两路信号分别与偏振调制器POLM内两个并行的相位调制器PM-1、PM-2的信号输入端连接；
偏振调制器POLM内偏振光合束器PBC的信号输出端与检偏器POL-2的信号输入端连接。
作为本技术方案的进一步改进，所述S2中，连续光波的光场信号表达式为：
设从连续波激光器CW Laser输出的光场描述为Ec(t)＝Ecexp(jωct)，其中，Ec和ωc分别为光载波幅度和角频率；
在偏振光分束器PBS之前的PC用于控制x轴和y轴方向上的光功率分配比，设PC方位角为θ，则经过PC的光场为：
式(1)中，Ecx和Ecy分别为上支路(x轴方向)和下支路(y轴方向)方向上输出的光载波的场强。
其中，由式(1)可见，通过控制θ角，可控制光载波在上下支路中的场强大小的分配比。
作为本技术方案的进一步改进，所述S3中，经偏振调制器POLM输出的光场可以描述为：
式(2)中，Eix和Eiy分别表示偏振调制器POLM中的上下臂信号；ωRF为RF射频源驱动信号的角频率。
作为本技术方案的进一步改进，所述S4中，经偏振调制器POLM输出的光波信号进入检偏器POL-2中，此时检偏器POL-2的检偏角θ2为-π/4，则其输出的信号为：
式(3)中，m＝πVm/Vπ为偏振调制器POLM的调制指数，其中Vm为加载在偏振调制器POLM上RF射频源驱动信号的幅度，Vπ为偏振调制器POLM的半波电压。
作为本技术方案的进一步改进，所述S5中，通过调节RF射频源驱动信号RF source的幅度，使偏振调制器POLM的调制系数远小于1，这时高于1阶的光谐波边带信号远低于1阶光边带信号；
这样，进入光电探测器PD前的光场信号可以描述为：
式(4)中，m为偏振调制器POLM的调制指数；ωRF为RF射频源驱动信号的角频率。
作为本技术方案的进一步改进，所述S6中，光波信号注入光电探测器PD中进行平方率检测，得到频率加倍的信号，其可以描述为：
式(5)中，m为偏振调制器POLM的调制指数；ωRF为RF射频源驱动信号的角频率。
本发明的目的之二在于，提供了一种基于单偏振调制器的载波抑制两倍频毫米波信号产生方法的控制系统及平台装置，该装置包括处理器、存储器以及存储在存储器中并在处理器上运行的计算机程序，处理器用于执行计算机程序时实现上述的基于单偏振调制器的载波抑制两倍频毫米波信号产生方法的步骤。
本发明的目的之三在于，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的基于单偏振调制器的载波抑制两倍频毫米波信号产生方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1.该基于单偏振调制器的载波抑制两倍频毫米波信号产生方法中，利用射频信号驱动单个偏振调制器并配合起偏器和检偏器抑制掉光载波，同时控制射频驱动信号的电压产生仅包含±1阶的光边带信号，最后经光电转换后产生频率加倍的毫米波信号；
2.该基于单偏振调制器的载波抑制两倍频毫米波信号产生方法结构简单，无需任何光学滤波器，所产生的毫米波信号稳定；其所产生信号的光边带抑制比(OSSR)可达到47dB，射频杂散抑制比(RFSSR)可达到41.19dB，所生成信号的质量更高；可以弥补现有毫米波产生方法系统结构复杂以及稳定性低的问题，适用于当前及未来的无线和光纤通信系统；
3.该基于单偏振调制器的载波抑制两倍频毫米波信号产生方法可以克服现有基于外调制器高倍频毫米波产生方案实现复杂高以及不易落地的问题，其相比于基于马赫曾德尔调制器(MZM)、双平行马赫曾德尔调制器(DPMZM)的毫米波产生方案，由于无偏置点，无需偏置电压的天然优势，可以更加稳定的实现微波或毫米波信号的倍频，同时结构简单成本低、可重构、信号质量好，相比于基于马赫曾德尔调制器和正交调制器结构的方案，本发明具有更加简单的结构，同时避免了MZM调制器和IQ调制器过渡依赖偏置电压，避免了偏置点漂移的问题。
附图说明
图1为本发明中单偏振调制器实现光载波抑制调制的二倍频毫米波信号示意图；
图2为本发明中偏振调制器POLM的组成结构示意图；
图3为本发明中调制系数与各阶谐波幅度的关系曲线图；
图4为本发明中示例性的偏振调制器输出的光谱图；
图5为本发明中示例性的检偏器输出的光谱图；
图6为本发明中示例性的经光电探测器输出的毫米波信号电谱图；
图7为本发明中示例性的电子计算机平台装置结构示意图。
图中各符号标示为：
CW Laser：连续波激光器；RF source：RF射频源驱动信号；POL-1：起偏器；POLM：偏振调制器；PBS：偏振光分束器；PM-1、PM-2：相位调制器；PBC：偏振光合束器；POL-2：检偏器；PD：光电探测器；OSC：示波器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1-图7所示，本实施例提供了基于单偏振调制器的载波抑制两倍频毫米波信号产生方法，包括如下步骤：
S1、配置基于单偏振调制器的载波抑制两倍频毫米波信号产生的流程架构，包括但不限于连续波激光器CW Laser、RF射频源驱动信号RF source、起偏器POL-1、偏振调制器POLM、检偏器POL-2、光电探测器PD和示波器OSC；其中，偏振调制器POLM由一个偏振光分束器PBS，两个并行的相位调制器PM-1、PM-2和一个偏振光合束器PBC组成；
S2、从连续波激光器CW Laser中发出连续的光波，在偏振光分束器PBS之前设置PC用于控制x轴和y轴方向上的光功率分配比；
S3、配置偏振调制器POLM的偏振角为π/4，然后将连续光波注入偏振调制器POLM进行调制；
S4、经偏振调制器POLM输出的光波信号进入检偏器POL-2中，并输出检偏后的光波信号；
S5、通过调节RF射频源驱动信号RF source的幅度，使偏振调制器POLM的调制系数远小于1，这时高于1阶的光谐波边带信号远低于1阶光边带信号(调制系数与各阶谐波幅度的关系如图3所示)；
S6、最后光波信号注入光电探测器PD中进行平方率检测，得到频率加倍的信号，并最终通过示波器OSC实时展现。
本实施例中，S1中，连续波激光器CW Laser的信号输出端与起偏器POL-1的信号输入端连接，RF射频源驱动信号RF source与起偏器POL-1并行，RF射频源驱动信号RFsource、起偏器POL-1的信号输出端同时与偏振调制器POLM的信号输入端连接，偏振调制器POLM的信号输出端与检偏器POL-2的信号输入端连接，检偏器POL-2的信号输出端与光电探测器PD的信号输入端连接，光电探测器PD的信号输出端与示波器OSC的信号输入端连接。
进一步地，S1中，偏振光分束器PBS上下两个支路的信号分别与两个并行的相位调制器PM-1、PM-2的信号输入端连接，两个并行的相位调制器PM-1、PM-2的信号输出端同时与偏振光合束器PBC的信号输入端连接；
其中，起偏器POL-1的信号输出端与偏振调制器POLM内偏振光分束器PBS的信号输入端连接；
RF射频源驱动信号RF source的两路信号分别与偏振调制器POLM内两个并行的相位调制器PM-1、PM-2的信号输入端连接；
偏振调制器POLM内偏振光合束器PBC的信号输出端与检偏器POL-2的信号输入端连接。
本实施例中，S2中，连续光波的光场信号表达式为：
设从连续波激光器CW Laser输出的光场描述为Ec(t)＝Fcexp(jωct)，其中，Ec和ωc分别为光载波幅度和角频率；
在偏振光分束器PBS之前的PC用于控制x轴和y轴方向上的光功率分配比，设PC方位角为θ，则经过PC的光场为：
式(1)中，Ecx和Ecy分别为上支路(x轴方向)和下支路(y轴方向)方向上输出的光载波的场强。
具体地，由式(1)可见，通过控制θ角，可控制光载波在上下支路中的场强大小的分配比。
本实施例中，S3中，经偏振调制器POLM输出的光场可以描述为：
式(2)中，Eix和Eiy分别表示偏振调制器POLM中的上下臂信号；ωRF为RF射频源驱动信号的角频率。
本实施例中，S4中，经偏振调制器POLM输出的光波信号进入检偏器POL-2中，此时检偏器POL-2的检偏角θ2为-π/4，则其输出的信号为：
式(3)中，m＝πVm/Vπ为偏振调制器POLM的调制指数，其中Vm为加载在偏振调制器POLM上RF射频源驱动信号的幅度，Vπ为偏振调制器POLM的半波电压。
本实施例中，S5中，通过调节RF射频源驱动信号RF source的幅度，使偏振调制器POLM的调制系数远小于1，这时高于1阶的光谐波边带信号远低于1阶光边带信号；
这样，进入光电探测器PD前的光场信号可以描述为：
式(4)中，m为偏振调制器POLM的调制指数；ωRF为RF射频源驱动信号的角频率。
8.根据权利要求7的基于单偏振调制器的载波抑制两倍频毫米波信号产生方法，其特征在于：S6中，光波信号注入光电探测器PD中进行平方率检测，得到频率加倍的信号，其可以描述为：
式(5)中，m为偏振调制器POLM的调制指数；ωRF为RF射频源驱动信号的角频率。
如图4-图6所示，为了对上述方法进行有效性验证，即为了验证上述所提方案的可行性，本发明基于真实实验环境参数进行了计算机仿真，具体仿真过程包括：
外腔激光器作为光源提供连续光波，其中心频率为193.1THz，功率为20dBm，线宽为10MHz，激光器发出的连续光波经线起偏器变成线偏振光，其中偏振起偏角为45°，然后注入偏振调制器中进行调制；
射频驱动信号的频率为10GHz，检偏器的偏振为-45°，光电探测器响应度为0.8A/W，暗电流为10nA。
经偏振调制器输出的光信号包含0阶光载波，正负1阶光边带，正负2阶光边带，正负3阶光边带，高于3阶以上的光边带由于功率过弱被忽略掉，其光谱如图4所示；
偏振调制器输出的光信号注入检偏器，偶次阶光边带被抑制，仅包含正负1阶光边带，和正负3阶光边带，其中正负3阶光边带功率远低于正负1阶光边带信号，其光边带抑制比(OSSR)达到了47dB，光谱图如图5所示。
检偏器输出的光信号注入光电探测器中进行平方率检测，得到频率加倍的二倍频毫米波信号，所生成的二倍频毫米波信号电谱图如图6所示，接收端电谱中除了包含理论上的40GHz的毫米波信号还包含不理想的80GHz信号，这是由于残余正负3阶光边带与正负1阶光边带拍频的结果。同时，所产生的40GHz毫米波信号射频边带抑制比达到了41.19dB。
如图7所示，本实施例还提供了一种基于单偏振调制器的载波抑制两倍频毫米波信号产生方法的控制系统及平台装置，该装置包括处理器、存储器以及存储在存储器中并在处理器上运行的计算机程序。
处理器包括一个或一个以上处理核心，处理器通过总线与存储器相连，存储器用于存储程序指令，处理器执行存储器中的程序指令时实现上述的基于单偏振调制器的载波抑制两倍频毫米波信号产生方法的步骤。
可选的，存储器可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随时存取存储器(SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(EPROM)，可编程只读存储器(PROM)，只读存储器(ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。
此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述的基于单偏振调制器的载波抑制两倍频毫米波信号产生方法的步骤。
可选的，本发明还提供了一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述各方面基于单偏振调制器的载波抑制两倍频毫米波信号产生方法的步骤。
本领域普通技术人员可以理解，实现上述实施例的全部或部分步骤的过程可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，程序可以存储于计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.基于单偏振调制器的载波抑制两倍频毫米波信号产生方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、配置基于单偏振调制器的载波抑制两倍频毫米波信号产生的流程架构，包括但不限于连续波激光器CW Laser、RF射频源驱动信号RF source、起偏器POL-1、偏振调制器POLM、检偏器POL-2、光电探测器PD和示波器OSC；其中，偏振调制器POLM由一个偏振光分束器PBS，两个并行的相位调制器PM-1、PM-2和一个偏振光合束器PBC组成；
S2、从连续波激光器CW Laser中发出连续的光波，在偏振光分束器PBS之前设置PC用于控制x轴和y轴方向上的光功率分配比；
S3、配置偏振调制器POLM的偏振角为π/4，然后将连续光波注入偏振调制器POLM进行调制；
S4、经偏振调制器POLM输出的光波信号进入检偏器POL-2中，并输出检偏后的光波信号；
S5、通过调节RF射频源驱动信号RF source的幅度，使偏振调制器POLM的调制系数远小于1，这时高于1阶的光谐波边带信号远低于1阶光边带信号；
S6、最后光波信号注入光电探测器PD中进行平方率检测，得到频率加倍的信号，并最终通过示波器OSC实时展现。
2.根据权利要求1所述的基于单偏振调制器的载波抑制两倍频毫米波信号产生方法，其特征在于：所述S1中，连续波激光器CW Laser的信号输出端与起偏器POL-1的信号输入端连接，RF射频源驱动信号RF source与起偏器POL-1并行，RF射频源驱动信号RF source、起偏器POL-1的信号输出端同时与偏振调制器POLM的信号输入端连接，偏振调制器POLM的信号输出端与检偏器POL-2的信号输入端连接，检偏器POL-2的信号输出端与光电探测器PD的信号输入端连接，光电探测器PD的信号输出端与示波器OSC的信号输入端连接。
3.根据权利要求2所述的基于单偏振调制器的载波抑制两倍频毫米波信号产生方法，其特征在于：所述S1中，偏振光分束器PBS上下两个支路的信号分别与两个并行的相位调制器PM-1、PM-2的信号输入端连接，两个并行的相位调制器PM-1、PM-2的信号输出端同时与偏振光合束器PBC的信号输入端连接；
其中，起偏器POL-1的信号输出端与偏振调制器POLM内偏振光分束器PBS的信号输入端连接；
RF射频源驱动信号RF source的两路信号分别与偏振调制器POLM内两个并行的相位调制器PM-1、PM-2的信号输入端连接；
偏振调制器POLM内偏振光合束器PBC的信号输出端与检偏器POL-2的信号输入端连接。
4.根据权利要求3所述的基于单偏振调制器的载波抑制两倍频毫米波信号产生方法，其特征在于：所述S2中，连续光波的光场信号表达式为：
设从连续波激光器CW Laser输出的光场描述为Ec(t)＝Ecexp(jωct)，其中，Ec和ωc分别为光载波幅度和角频率；
在偏振光分束器PBS之前的PC用于控制x轴和y轴方向上的光功率分配比，设PC方位角为θ，则经过PC的光场为：
式(1)中，Ecx和Ecy分别为上支路和下支路方向上输出的光载波的场强。
5.根据权利要求4所述的基于单偏振调制器的载波抑制两倍频毫米波信号产生方法，其特征在于：所述S3中，经偏振调制器POLM输出的光场可以描述为：
式(2)中，Eix和Eiy分别表示偏振调制器POLM中的上下臂信号；ωRF为RF射频源驱动信号的角频率。
6.根据权利要求5所述的基于单偏振调制器的载波抑制两倍频毫米波信号产生方法，其特征在于：所述S4中，经偏振调制器POLM输出的光波信号进入检偏器POL-2中，此时检偏器POL-2的检偏角θ2为-π/4，则其输出的信号为：
式(3)中，m＝πVm/Vπ为偏振调制器POLM的调制指数，其中Vm为加载在偏振调制器POLM上RF射频源驱动信号的幅度，Vπ为偏振调制器POLM的半波电压。
7.根据权利要求6所述的基于单偏振调制器的载波抑制两倍频毫米波信号产生方法，其特征在于：所述S5中，通过调节RF射频源驱动信号RF source的幅度，使偏振调制器POLM的调制系数远小于1，这时高于1阶的光谐波边带信号远低于1阶光边带信号；
这样，进入光电探测器PD前的光场信号可以描述为：
式(4)中，m为偏振调制器POLM的调制指数；ωRF为RF射频源驱动信号的角频率。
8.根据权利要求7所述的基于单偏振调制器的载波抑制两倍频毫米波信号产生方法，其特征在于：所述S6中，光波信号注入光电探测器PD中进行平方率检测，得到频率加倍的信号，其可以描述为：
式(5)中，m为偏振调制器POLM的调制指数；ωRF为RF射频源驱动信号的角频率。
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- 2022-04-24 CN CN202210434352.2A patent/CN114826419A/zh active Pending
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