CN117706194A - 基于零中频的光子辅助宽带高精度频率测量方法 - Google Patents

Abstract

提供一种基于零中频的光子辅助宽带高精度频率测量装置，该装置包括激光源LD、双输出的双平行马赫曾德尔调制器1×2DPMZM、双驱动马赫曾德尔调制器MZM3、单驱动马赫曾德尔调制器MZM4、2×2光耦合器OC、平衡探测器BPD、低通滤波器LPF，示波器OSC。还提供一种基于零中频的光子辅助宽带高精度频率测量方法。本发明工作频率高，测频范围广，引入参考信号为频时映射提供时间基准，有效避免了复杂的时间同步操作，本发明大幅降低了对高速光电探测器的需求。

Description

基于零中频的光子辅助宽带高精度频率测量方法

技术领域

本发明属于微波光子学、微波信号测量技术领域，具体涉及一种基于零中频设计思路，采用微波光子技术实现对微波信号频率的高精度测量。

背景技术

在传统的测频接收机中，零中频接收机结构是最简单的宽带射频接收机方案，但是存在直流偏移和闪烁噪声问题；这一问题被低中频接收机很好地克服，却又带来了镜像干扰问题。相比之下，超外差接收机利用高中频包络检测结合预选滤波器的方法来避免镜像抑制，同时也能够避免直流偏移和闪烁噪声问题，使其成为最经典的测频接收机。随着雷达及通信系统工作频率和带宽不断增加，测频系统测频范围、精度、响应度方面要求也逐渐提高，然而，由于受到电子元件处理速度和带宽的限制，传统微波信号处理方法面临测量频率低、带宽窄、体积大以及抗电磁干扰差等缺点，已很难满足实际应用需求。近年来，微波光子学作为一个前沿的交叉学科，被广泛应用于光电器件的研究以及信号的产生、处理中，显著提高了微波信号测频系统的性能。当前的微波光子频-时映射法测频方案中，主要借鉴电学中的超外差接收机的设计思路，将待测微波信号加载到光链路中对信号进行调制，光电探测器输出的信号通过中频滤波器后进行相应的信道选择和信号处理，实现对待测信号频率的测量。然而，这些方案的测频范围受到中频频率限制，同时还需要高速率的光电探测器，增加了系统成本。

发明内容

本发明借鉴电学中零中频接收机实现思路，提供一种基于零中频的光子辅助宽带高精度频率测量装置，该装置包括激光源LD、双输出的双平行马赫曾德尔调制器1×2DPMZM、双驱动马赫曾德尔调制器MZM3、单驱动马赫曾德尔调制器MZM4、、2×2光耦合器OC、平衡探测器BPD、低通滤波器LPF，示波器OSC；其中

连续激光源，其产生连续光波信号作为光载波并输出；

集成调制器-双平行马赫曾德尔调制器1×2DPMZM中，其接收连续激光源输出的光载波；双平行马赫曾德尔调制器1×2DPMZM含有两个并联的单驱动马赫增德尔调制器和一个主调制器直流偏置口，两个并联的单驱动马赫增德尔调制器包括第一子调制器MZM1和第二子调制器MZM2；第一子调制器MZM1和第二子调制器MZM2分别具有一个射频输入端口，一个直流偏置口；将定频本振信号和直流偏置电压分别接入到第一子调制器MZM1和第二子调制器MZM2的射频输入端口和直流偏置口，上路第一子调制器MZM1和下路第二子调制器MZM2输出光信号频率频移互补；

单驱动马赫曾德尔调制器MZM4接收集成调制器1×2DPMZM输出的上路光信号，单驱动马赫曾德尔调制器MZM4受到扫频本振信号驱动和直流偏置电压控制，输出扫频本振信号的±2阶光边带；

双驱动马赫曾德尔调制器MZM3接收集成调制器1×2DPMZM输出的下路光信号；双驱动马赫曾德尔调制器MZM3具有两个射频输入端口，一个子调制器直流偏置口，同时受到接收到的待测微波信号和本地定频参考信号驱动，受到直流偏置电压控制；输出待测信号的±1阶光边带和定频参考信号的±1阶光边带；

2×2的光耦合器，其接收双驱动马赫曾德尔调制器MZM3和单驱动马赫曾德尔调制器MZM4输出的上下两路光波并输出；

低速率平衡探测器BPD，其接收2×2的光耦合器输出的两路耦合后的光信号，对其光电转换，输出只包含上下两路信号相互拍频分量；

低通滤波器，其接收平衡探测器BPD输出的上下两路信号相互拍频分量，输出低频分量。

还提供一种基于零中频的光子辅助宽带高精度频率测量方法，其基于上述基于零中频的光子辅助宽带高精度频率测量装置，具体包括下列步骤：

步骤1：产生连续的光载波；

连续波激光源将频率为f_c的连续光波信号输出至双输出的双平行马赫曾德尔调制器；

步骤2：将光信号注入到集成的电光调制器中，实现对光信号频率搬移；

定频本振信号兵分两路输出，一路经过电90°耦合器，由此将定频本振信号分成相位相差90°的两路正弦波，分别驱动1×2DPMZM的上下两个子调制器：上子调制器MZM1和下子调制器MZM2；调节输入至上子调制器MZM1和下子调制器MZM2的定频本振信号电压和直流偏置电压值，实现1×2DPMZM上路和下路信号为无载波的单边带调制；假设定频本振信号的频率为f₀，则调制后的集成调制器1×2DPMZM上下两路输出的光波频率分别为f_c+f₀和f_c-f₀：

式中，E_upper1(t)，E_lower1(t)分别代表集成调制器1×2DPMZM的上路和下路输出光波，t表示时间；由此集成调制器实现对输入光信号的频率调节，且上下两路输出光信号频率互补；

步骤3：利用双驱动马赫曾德尔调制器MZM3和单驱动马赫曾德尔调制器MZM4将待测信号和扫频信号分别调制到两路分离的光波上，获得待测信号光边带和扫描光边带；

双平行马赫曾德尔调制器1×2DPMZM的上下两个输出端口分别连接到单驱动马赫曾德尔调制器和双驱动马赫曾德尔调制器的输入端；

位于并联结构上路的双驱动MZM3，分别受到天线接收到的待测信号和本地定频参考信号的驱动，获得待测信号的±1阶光边带和定频参考信号的±1阶光边带；假设待测信号的频率为f_s，定频参考信号频率为f_r，则双驱动MZM3输出的光波的表达式为：

将扫频本振信号输入到单驱动MZM4的射频输入端口，调节扫频本振信号和直流偏置电压，获得扫频本振信号的±2阶光边带；假设扫频本振信号的频率为f_l，以f_start为起始频率，k为啁啾率，T为扫描周期，即f_l＝f_start+kt，0<t≤T，则单驱动MZM4输出光波的表达式为：

步骤4：光信号拍频转换为电信号；

上路光波、下路光波经过2×2的光耦合器OC后进入平衡探测器BPD进行光电转换，低速平衡探测器BPD输出电信号I_BPD的表达式为：

上式中的点乘用于表示拍频；经过平衡探测后，上路光波和下路光波自身的拍频分量都被抵消，只留下上路光波和下路光波相互拍频的结果；

步骤5：采用低通滤波器LPF选择出输出电信号的低频分量，根据低频信号输出脉冲时间和待测频率之间的映射关系，完成待测信号的频率测量；

当接收到的待测信号频率被限制在2f₀以内时，低通滤波器LPF的输出信号e(t)表达式为：

式中，A₁和A₂为输出脉冲信号幅值，δ(·)表示脉冲函数；

根据低通滤波器的输出信号公式，判断待测信号的频率f_s：

f_s＝f_r+2k(t_s-t_r) (6)

式中，t_s和t_r分别对应于e(t)＝A₁和e(t)＝A₂的时刻；由此完成待测信号的频率测量，测频范围为2f₀，通过调节定频本振信号的频率，能够灵活调节测频范围。

本发明将传统频率测量中对高频信号的高速采样和复杂信号处理转变成对输出电脉冲信号的低速采样和非零幅值的查找与简单计算，避免因高中频设计导致的测频范围受限问题，且大幅降低了对高速光电探测器的需求。该系统工作频率高，测频范围广，引入参考信号为频时映射提供时间基准，有效避免了复杂的时间同步操作。

附图说明

图1为基于零中频的光子辅助宽带高精度频率测量装置结构示意图；

图2为本发明中待测信号频率为32GHz时输出电脉冲的模拟结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

基于零中频的光子辅助宽带高精度频率测量装置，如图1所示。包括激光源LD、双输出的双平行马赫曾德尔调制器1×2DPMZM、双驱动马赫曾德尔调制器MZM3、单驱动马赫曾德尔调制器MZM4、、2×2光耦合器OC、平衡探测器BPD、低通滤波器LPF，示波器OSC，各器件之间连接关系具体如下：

连续激光源产生连续光波信号作为光载波，传输至双输出的集成调制器-双平行马赫曾德尔调制器1×2DPMZM中。双平行马赫曾德尔调制器1×2DPMZM含有两个并联的单驱动马赫增德尔调制器(第一子调制器MZM1和第二子调制器MZM2)和一个主调制器直流偏置口。第一子调制器MZM1和第二子调制器MZM2分别具有一个射频输入端口，一个直流偏置口。将定频本振信号和直流偏置电压分别接入到第一子调制器MZM1和第二子调制器MZM2的射频输入端口和直流偏置口，通过分别调节控制定频本振信号电压和直流偏置电压值，1×2DPMZM可以实现互补频移器的功能，即上下两路输出光信号频率频移互补。具有频移互补的上下两路光信号分别输入至单驱动马赫曾德尔调制器MZM4和双驱动马赫曾德尔调制器MZM3。单驱动马赫曾德尔调制器MZM4只受到扫频本振信号驱动和直流偏置电压控制，而双驱动马赫曾德尔调制器MZM3具有两个射频输入端口，一个子调制器直流偏置口，同时受到接收到的待测微波信号和本地定频参考信号驱动和直流偏置电压控制。通过调节控制微波信号电压和直流偏置电压，获得待测信号的±1阶光边带和定频参考信号的±1阶光边带。上下两路光波经过2×2的光耦合器后进入低速率平衡探测器BPD实现光电转换，且输出信号中只包含上下两路信号相互拍频分量，自拍频分量都被抵消。在互拍频分量中，当下路扫频信号频率和上路包含待测信号频率或定频参考信号频率一致时，拍频分量为极低频分量，经过低通滤波器后，低频分量被保留下来。在一个扫描周期内，理论上通过示波器可以观察到两个低频脉冲输出，两脉冲输出时间差和待测频信号频率间存在映射关系，测量两脉冲输出时间差即可得到待测频信号的频谱。

该装置借鉴电学中零中频接收机设计思路，可以克服镜像抑制干扰问题，同时避免了因高中频设计导致的测频范围受限；装置中使用低速率平衡探测器降低了成本，克服了直流偏移和闪烁噪声问题；测量过程中引入参考信号作为频时映射的基准，避免了时间同步操作；调节定频本振信号频率，可以实现可调谐的频率测量范围。

还提供一种基于零中频的光子辅助宽带高精度频率测量方法，具体包括下列步骤：

步骤1：产生连续的光载波。

连续波激光源将频率为f_c的连续光波信号输出至双输出的双平行马赫曾德尔调制器。

步骤2：将光信号注入到集成的电光调制器中，实现对光信号频率搬移。

定频本振信号兵分两路输出，一路经过电90°耦合器，由此将定频本振信号分成相位相差90°的两路正弦波，分别驱动1×2DPMZM的上下两个子调制器：上子调制器MZM1和下子调制器MZM2。调节输入至上子调制器MZM1和下子调制器MZM2的定频本振信号电压和直流偏置电压值，可实现1×2DPMZM上路和下路信号为无载波的单边带调制，即可发挥互补频移器的功能。假设定频本振信号的频率为f₀，则调制后的集成调制器1×2DPMZM上下两路输出(即上子调制器MZM1和下子调制器MZM2分别输出)的光波频率分别为f_c+f₀和f_c-f₀，如公式1所示：

式中，E_upper1(t)，E_lower1(t)分别代表集成调制器1×2DPMZM的上路和下路输出光波，t表示时间。可见集成调制器实现了对输入光信号的频率调节，且上下两路输出光信号频率互补。

步骤3：利用双驱动马赫曾德尔调制器MZM3和单驱动马赫曾德尔调制器MZM4将待测信号和扫频信号分别调制到两路分离的光波上，获得待测信号光边带和扫描光边带。

双平行马赫曾德尔调制器1×2DPMZM的上下两个输出端口分别连接到单驱动马赫曾德尔调制器和双驱动马赫曾德尔调制器的输入端。

位于并联结构上路的双驱动MZM3，分别受到天线接收到的待测信号和本地定频参考信号的驱动，获得待测信号的±1阶光边带和定频参考信号的±1阶光边带。假设待测信号的频率为f_s，定频参考信号频率为f_r，则双驱动MZM3输出的光波的表达式为：

将扫频本振信号输入到单驱动MZM4的射频输入端口，调节扫频本振信号和直流偏置电压，可获得扫频本振信号的±2阶光边带。假设扫频本振信号的频率为f_l，以f_start为起始频率，k为啁啾率，T为扫描周期，即f_l＝f_start+kt(0<t≤T)，则单驱动MZM4输出光波的表达式为：

步骤4：光信号拍频转换为电信号。

上路光波、下路光波经过2×2的光耦合器OC后进入平衡探测器BPD进行光电转换，低速平衡探测器BPD输出电信号I_BPD的表达式为：

上式中的点乘用于表示拍频。可以看出，经过平衡探测后，上路光波和下路光波自身的拍频分量都被抵消了，只留下上路光波和下路光波相互拍频的结果。因此低速平衡探测器BPD的使用很好地消除了直流偏移和闪烁噪声问题。

步骤5：采用低通滤波器LPF选择出输出电信号的低频分量，根据低频信号输出脉冲时间和待测频率之间的映射关系，完成待测信号的频率测量。

低速平衡探测器BPD后端连接一个低通滤波器LPF，用于选择出低频分量。那么，当接收到的待测信号频率被限制在2f₀以内时，低通滤波器LPF的输出信号e(t)表达式为：

式中，A₁和A₂为输出脉冲信号幅值，δ(·)表示脉冲函数。

根据低通滤波器的输出信号公式，可以判断待测信号的频率f_s：

f_s＝f_r+2k(t_s-t_r) (6)

式中，t_s和t_r分别对应于e(t)＝A₁和e(t)＝A₂的时刻，由于此时测量频率只和脉冲时间位置有关，和幅度无关，所以A₁和A₂值的大小不必关注。通过上述的频时映射关系，可以在无需时间同步的情况下，完成待测信号的频率测量，测频范围为2f₀，因此，通过调节定频本振信号的频率，即可灵活调节测频范围。

在实际应用中，1×2DPMZM作为互补频移器，由于有限的消光比等因素，对光载波的抑制可能无法完美。但是未被完全抑制的光载波则正好可以成为一路参考信号。该方案则可以进一步优化，去掉定频参考信号，位于并联结构上路的双驱动MZM也可以由更简单的单驱动MZM替换。

本发明具有如下优点：

本发明提出一种基于零中频的光子辅助宽带高精度频率测量方法，采用零中频设计思路，克服镜像抑制干扰，避免了因高中频设计导致的测频范围受限；通过平衡探测器的使用，克服了直流偏移和闪烁噪声问题，且器件成本较低；引入参考信号作为频时映射的基准，避免了时间同步操作，且测频范围可灵活调谐。因此，本发明具有很强的实用性，在工作于高频域大带宽的电子战系统中具有广泛的应用前景。

为了验证本发明可实现对频谱实时监测的可行性，利用仿真软件Optisystem14进行仿真验证。设置激光源LD输出的光载波频率为193.1THz，线宽为1MHz；定频本振信号频率设置为20GHz，扫描信号从1GHz-10GHz扫描，周期为180us，参考信号频率为26GHz，待测信号频率为32GHz。受到电脑的性能限制，循环次数设置为900次，则频率扫描步进为10MHz。因此在仿真中低通滤波器的截止频率设置为20MHz以便有效观察输出电脉冲。图2所示为单个周期的输出波形图。可以看出参考信号对应的电脉冲与待测信号对应的电脉冲的时间+60us，由频时映射关系可知参考信号与待测信号的频率差为+6GHz，可推出待测信号频率为32GHz。符合仿真中的待测信号的频率设置。

Claims (2)

1.基于零中频的光子辅助宽带高精度频率测量装置，其特征在于，该装置包括激光源LD、双输出的双平行马赫曾德尔调制器1×2DPMZM、双驱动马赫曾德尔调制器MZM3、单驱动马赫曾德尔调制器MZM4、、2×2光耦合器OC、平衡探测器BPD、低通滤波器LPF，示波器OSC；其中

连续激光源，其产生连续光波信号作为光载波并输出；

集成调制器-双平行马赫曾德尔调制器1×2DPMZM中，其接收连续激光源输出的光载波；双平行马赫曾德尔调制器1×2DPMZM含有两个并联的单驱动马赫增德尔调制器和一个主调制器直流偏置口，两个并联的单驱动马赫增德尔调制器包括第一子调制器MZM1和第二子调制器MZM2；第一子调制器MZM1和第二子调制器MZM2分别具有一个射频输入端口，一个直流偏置口；将定频本振信号和直流偏置电压分别接入到第一子调制器MZM1和第二子调制器MZM2的射频输入端口和直流偏置口，上路第一子调制器MZM1和下路第二子调制器MZM2输出光信号频率频移互补；

单驱动马赫曾德尔调制器MZM4接收集成调制器1×2DPMZM输出的上路光信号，单驱动马赫曾德尔调制器MZM4受到扫频本振信号驱动和直流偏置电压控制，输出扫频本振信号的±2阶光边带；

双驱动马赫曾德尔调制器MZM3接收集成调制器1×2DPMZM输出的下路光信号；双驱动马赫曾德尔调制器MZM3具有两个射频输入端口，一个子调制器直流偏置口，同时受到接收到的待测微波信号和本地定频参考信号驱动，受到直流偏置电压控制；输出待测信号的±1阶光边带和定频参考信号的±1阶光边带；

2×2的光耦合器，其接收双驱动马赫曾德尔调制器MZM3和单驱动马赫曾德尔调制器MZM4输出的上下两路光波并输出；

低速率平衡探测器BPD，其接收2×2的光耦合器输出的两路耦合后的光信号，对其光电转换，输出只包含上下两路信号相互拍频分量；

低通滤波器，其接收平衡探测器BPD输出的上下两路信号相互拍频分量，输出低频分量。

2.一种基于零中频的光子辅助宽带高精度频率测量方法，其基于如权利要求1所述的基于零中频的光子辅助宽带高精度频率测量装置，其特征在于，具体包括下列步骤：

步骤1：产生连续的光载波；

连续波激光源将频率为f_c的连续光波信号输出至双输出的双平行马赫曾德尔调制器；

步骤2：将光信号注入到集成的电光调制器中，实现对光信号频率搬移；

定频本振信号兵分两路输出，一路经过电90°耦合器，由此将定频本振信号分成相位相差90°的两路正弦波，分别驱动1×2DPMZM的上下两个子调制器：上子调制器MZM1和下子调制器MZM2；调节输入至上子调制器MZM1和下子调制器MZM2的定频本振信号电压和直流偏置电压值，实现1×2DPMZM上路和下路信号为无载波的单边带调制；假设定频本振信号的频率为f₀，则调制后的集成调制器1×2DPMZM上下两路输出的光波频率分别为f_c+f₀和f_c-f₀：

式中，E_upper1(t)，E_lower1(t)分别代表集成调制器1×2DPMZM的上路和下路输出光波，t表示时间；由此集成调制器实现对输入光信号的频率调节，且上下两路输出光信号频率互补；

步骤3：利用双驱动马赫曾德尔调制器MZM3和单驱动马赫曾德尔调制器MZM4将待测信号和扫频信号分别调制到两路分离的光波上，获得待测信号光边带和扫描光边带；

双平行马赫曾德尔调制器1×2DPMZM的上下两个输出端口分别连接到单驱动马赫曾德尔调制器和双驱动马赫曾德尔调制器的输入端；

位于并联结构上路的双驱动MZM3，分别受到天线接收到的待测信号和本地定频参考信号的驱动，获得待测信号的±1阶光边带和定频参考信号的±1阶光边带；假设待测信号的频率为f_s，定频参考信号频率为f_r，则双驱动MZM3输出的光波的表达式为：

将扫频本振信号输入到单驱动MZM4的射频输入端口，调节扫频本振信号和直流偏置电压，获得扫频本振信号的±2阶光边带；假设扫频本振信号的频率为f_l，以f_start为起始频率，k为啁啾率，T为扫描周期，即f_l＝f_start+kt，0<t≤T，则单驱动MZM4输出光波的表达式为：

步骤4：光信号拍频转换为电信号；

上路光波、下路光波经过2×2的光耦合器OC后进入平衡探测器BPD进行光电转换，低速平衡探测器BPD输出电信号I_BPD的表达式为：

上式中的点乘用于表示拍频；经过平衡探测后，上路光波和下路光波自身的拍频分量都被抵消，只留下上路光波和下路光波相互拍频的结果；

步骤5：采用低通滤波器LPF选择出输出电信号的低频分量，根据低频信号输出脉冲时间和待测频率之间的映射关系，完成待测信号的频率测量；

当接收到的待测信号频率被限制在2f₀以内时，低通滤波器LPF的输出信号e(t)表达式为：

式中，A₁和A₂为输出脉冲信号幅值，δ(·)表示脉冲函数；

根据低通滤波器的输出信号公式，判断待测信号的频率f_s：

f_s＝f_r+2k(t_s-t_r) (6)

式中，t_s和t_r分别对应于e(t)＝A₁和e(t)＝A₂的时刻；由此完成待测信号的频率测量，测频范围为2f₀，通过调节定频本振信号的频率，能够灵活调节测频范围。