DE4216065C2

DE4216065C2 - Verfahren zur Analog/Digitalwandlung von Mikrowellensignalen

Info

Publication number: DE4216065C2
Application number: DE4216065A
Authority: DE
Inventors: Wolfram Birkmayer
Original assignee: DaimlerChrysler Aerospace AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1992-05-15
Filing date: 1992-05-15
Publication date: 2002-01-03
Anticipated expiration: 2012-05-16
Also published as: US5381147A; DE4216065A1; FR2691265B1; FR2691265A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Durchführung einer Ana log/Digitalwandlung von Mikrowellensignalen mit Hilfe von Mach-Zehnder- Modulatoren.

Mach-Zehnder-Interferometer, die als Intensitätsmodulatoren verwendet werden, sind in der Fachwelt allgemein bekannt und beispielsweise in Optische Telekommunikationssysteme, Bd. 1: Physik und Technik, W. Haist, Hrsg., Gelsenkirchen-Buer, 1989, S. 104-105 beschrieben.

Ein o. g. Verfahren ist beispielsweise in Electronics Letters, Vol. 18, No. 25, S. 1099-1100 beschrieben, wobei dort speziell Mach-Zehnder-Interferometer in mehreren Digitalisierungsstufen verwendet werden. Dort wird ein einziger optischer Träger derart mehrfach aufgespalten, dass jeweils zwei optische Träger in ein Mach-Zehnder-Interferometer eingespeist werden. Nach Überlagerung mit einem analogen Eingangssignal werden die beiden optischen Träger in dem Interferometer überlagert, wodurch letztlich eine Digitalisierung des analogen Eingangssignals erreicht wird.

Ferner ist aus der US-PS 4,058,722 ein Konverter zur Durchführung eines Verfahrens dieser Art bekannt, bei dem die Arme von zwei senkrecht zueinander linear polarisierten optischen Trägern durchsetzt und abgestuften Feldern zur entsprechenden Phasenverschiebung unterworfen werden. Die beiden linear polarisierten Träger werden durch Aufspaltung aus einem einzigen linear Polarisierten Träger erzeugt. Die Komponenten werden anschließend getrennt und einzeln photoelektrisch ausgewertet.

Aus WO 88/01400 ist ebenfalls ein elektrooptischer Analog-Digitalwandler bekannt, bei dem eine Analog-Digitalwandlung mit Hilfe von Interferometern erfolgt, wobei eine Strahlungsquelle ein Strahlungsgemisch mit einer Vielzahl von Wellenlängen erzeugt und die Strahlung in einen interferometrischen Mach-Zehnder-Modulator eingespeist werden.

Die bekannten Verfahren für Mach-Zehnder-Modulator/Interferometer für die Analog/Digitalwandlung sind jedoch nur für elektrische Signale mit Frequenzanteilen bis zu ca. 1 GHz geeignet, d. h. die bekannten optischen A/D-Wandler lassen eine Digitalisierung nur im Basisband zu. Soll eine Analog/Digitalwandlung für höherfrequente Signale erfolgen, so ist normalerweise eine separate Frequenzumsetzung auf niedrigere Frequenzen erforderlich.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem hochfrequente Signale auf einfachere Weise digitalisiert werden können, ohne daß sie in das Basisband gemischt werden müssen und so für phasengesteuerte SAR und Radarantennen verwendbar werden.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen ge löst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. In der Be schreibung sind Ausführungsbeispiele erläutert. Die Figuren der Zeichnung ergänzen diese Erläuterung. Es zeigen

Fig. 1 ein Diagramm des Spektrums eines zu digitalisierenden Signales mit Bandbreite B < ω_c und unterer Eckfrequenz ω_c << B,

Fig. 2 ein Diagramm bezüglich der Frequenzumsetzung für die Digitali sierung hochfrequenter Signale,

Fig. 3 ein Schemabild eines erfindungsgemäßen optischen A/D-Wandlers mit Mach-Zehnder-Interferometern,

Fig. 4 ein Schemabild eines erfindungsgemäßen optischen A/D-Wandlers mit optischen Phasenschiebern.

Insbesondere für die Signalverarbeitung von phasengesteuerten Antennen ist es von Bedeutung, höherfrequente Signale (<< 10 GHz) mit einer Bandbreite von ca. 1 GHz zu digitalisieren. In der Fig. 1 ist ein Spektrum eines solchen Signales mit der unteren Eckfrequenz ω_c und einer oberen Eckfrequenz ω_c + B gezeigt. Mit herkömmlichen A/D-Wandlern können diese Signale mit bis zu einer Bandbreite B digitalisiert werden, nachdem sie - wie in Fig. 2 veranschaulicht - vom höheren Frequenzband auf ein niedriges umgesetzt werden, so daß die obere Eckfrequenz des umgesetzten Signales kleiner als die Bandbreite des A/D-Wandlers ist.

Nunmehr wird aufgezeigt, wie mit dem Verfahren nach der Erfindung die Digitalisierung von Signalen mit bis zu einer Basisbreite B und einer unteren Eckfrequenz ω_c durchzuführen ist.

Die Fig. 3 zeigt ein Beispiel eines optischen A/D-Wandlers mit Mach- Zehnder-Modulatoren/Interferometern mit am Eingang aufgetrennten Armen. Im Beispiel nach Fig. 3 sind vier Mach-Zehnder-Modulatoren/Integratoren vorgesehen. In jeden Arm wird mit Hilfe einer Doppelfrequenz koheränten Laserquelle eine andere optische Frequenz ω₁, ω₂ eingespeist, so daß die Differenz beider optischen Frequenzen der Umsetzungsfrequenz (Mittenfrequenz) des zu digitalisierenden Mikrowellensignals entspricht. Das Laser-Signal ω₁ wird also, wie Fig. 3 zeigt, als Eingangssignal eines ersten Armes eines jeden Mach-Zehnder-Modulators bereitgestellt, das Laser-Signal ω₂ als Eingangssignal eines jeden zweiten Armes. Der Unterschied des in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiels gegenüber dem Stand der Technik liegt darin, daß das intensitätsmodulierte Signal mit einem weiteren optischen Träger überlagert wird, wobei zusätzlich eine inhärente Umsetzung des Signals ohne separaten Frequenzumsetzer ermöglicht wird. Durch diese Überlegung wird das zu digitalisierenden Signal um die Differenzfrequenz der beiden optischen Träger umgesetzt. Das heißt: ein einzelner Mach-Zehnder- Modulator/Integrator wird dazu verwendet, damit das analoge Eingangssignal bei der Zwischenfrequenz ω_c mit einem Bit digitalisiert werden kann. Dies ist bisher vom Stand der Technik nicht erkannt worden.

Wie Fig. 3 zeigt, wird das Mikrowellensignal als elektrisches Eingangssignal einer Mikrowellenverteilung zugeführt und dann an Elektroden weitergeleitet, die an jeweils einem der beiden Arme jedes der Mach-Zehnder- Modulator/Integratoren angeordnet sind. Dort wird das Mikrowellensignal mit dem optischen Träger mit der Frequenz ω₂ überlagert. Die Elektroden weisen dabei eine vom obersten zum untersten Mach-Zehnder-Modulator/Integrator abnehmende Länge auf. Die Anordnung solcher Elektroden bei Mach- Zehnder-Modulator/Integratoren ist aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt, siehe beispielsweise den eingangs zitierten Stand der Technik.

Durch die Interferenz der beiden Lasersignale in den Interferometern entsteht ein Signal, das gerade die Differenzfrequenz zwischen dem Lasersignal ω₁ und dem mit dem Mikrowellensignal überlagerten Lasersignal ω₂ enthält.

Die Intensität des optischen Signales kann anhand eines optischen Emp fängers nachgewiesen werden. Die Intensität wird als elektrisches Signal in einem Komparator mit einem Schwellwert verglichen und dieser Schwellwert entspricht etwa der Hälfte der maximalen Amplitude. Wenn die optische Amplitude über dem Schwellwert liegt, dann ist der logische Wert "1" und wenn die optische Intensität darunter liegt, dann ist der logische Wert "0". Jedes der logischen Signale zwischen "Least Significant Bit" LSB und "Most Significant Bit" MSB wird mit Abtastern erfaßt und bis zur Digitalisierung des nächsten Wertes gespeichert.

Wenn das elektrische Eingangssignal gleichzeitig bei einer Reihe von Mach- Zehnder-Modulatoren/Interferometern anliegt - im gezeigten Ausführungsbeispiel sind es vier - kann man mit dieser Gruppe das elektrische Signal binär digitalisieren. Dafür müssen sich die erzeugten elektrischen Felder in den optischen Wellenleitern um genau den Faktor 2 unterscheiden. Hierzu wird beispielhaft auf die eingangs genannte US 4,058,722 verwiesen.

Die Anzahl dieser Modulatoren richtet sich nach der gewünschten digitalen Auflösung. In dem hier beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispiel werden 4-Bit-Versionen gezeigt, für welche vier Modulatoren erforderlich sind.

Die Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen A/D-Wandlers mit optischen Phasenschiebern für unterschiedliche optische Signale zu jeder Polarisation. Im Beispiel nach Fig. 4 wird dabei in vier parallelen Phasenschiebern jeweils eine horizontale und vertikale Polarisation erzeugt. Bei jeder Polarisation wird durch die Doppelfrequenz- Doppelpolarisation-Laserquelle eine andere optische Frequenz eingespeist, so daß die Differenz beider optischer Frequenzen der Umsetzungsfrequenz (Mittenfrequenz) des zu digitalisierenden Mikrowellensignales entspricht. Wie Fig. 4 weiterhin zeigt, wird das Mikrowellensignal als elektrisches Eingangssignal einer Mikrowellenverteilung zugeführt und dann an Elektroden weitergeleitet, die an jeweils einem der Phasenschieber jedes der Mach-Zehnder-Modulatoren angeordnet sind. Nach den Phasenschiebern sind 45°-Polarisatoren angeordnet, die aus jedem der Lasersignale mit horizontaler und vertikaler Polarisation den entsprechenden 45°-Anteil durchlassen, so dass sich diese Anteile der Lasersignale im Polarisator überlagern. Den Polarisatoren sind optische Empfänger analog dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 3 nachgeschaltet. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das intensitätmodulierte Signal mit einem weiteren optischen Träger überlagert und durch diese Überlagerung wird das zu digitalisierende Signal um die Differenzfrequenz der beiden optischen Träger umgesetzt, d. h. ein einzelner Mach-Zehnder-Modulator kann dazu verwendet werden, das analoge Eingangssignal bei der Zwischenfrequenz ω_c mit einem Bit zu digitalisieren. Auch dies ist vom Stand der Technik bisher nicht entdeckt worden.

Claims

1. Verfahren zur Analog/Digitalwandlung von Mikrowellensignalen in mehreren Digitalisierungsstufen mittels Mach-Zehnder-Modulatoren mit optischen Wellenleitern, wobei
für die 1-Bit-A/D-Wandlung eines Eingangssignals jeweils ein Mach- Zehnder-Modulator verwendet wird, in den zwei optische Träger getrennt eingespeist werden,
ein intensitätsmoduliertes Signal als Eingangssignal in jedem Mach- Zehnder-Modulator mit Hilfe von Elektroden mit einem der beiden optischen Träger überlagert wird,
sich die in den optischen Wellenleitern der Digitalisierungsstufen mit Hilfe der Elektroden erzeugten elektrischen Felder um genau den Faktor zwei unterscheiden,
die beiden optischen Träger anschließend phasenverschoben überlagert werden,
die Intensität des aus der Überlagerung resultierenden optischen Signales als elektrisches Signal in einem Komparator mit einem bestimmten Schwellwert, der etwa der Hälfte der maximalen Amplitude entspricht, verglichen wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden optischen Träger unterschiedliche Frequenzen (ω₁, ω₂) aufweisen, wobei die Frequenzen der optischen Träger um eine Differenzfrequenz (ω₁ - ω₂), die der Mittenfrequenz des zu digitalisierenden Mikrowellensignals entspricht, zueinander versetzt sind,
durch die Überlagerung der beiden optischen Träger unterschiedlicher Frequenz eine Umsetzung des intensitätsmodulierten Signals um die Differenzfrequenz erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden optischen Träger unterschiedlicher Frequenz jeweils in einen von zwei Armen von Mach-Zehnder-Modulatoren eingespeist werden, die als Interferometer ausgebildet sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden optischen Träger unterschiedlicher Frequenz mit unterschiedlicher Polarisation in die Mach-Zehnder-Modulatoren eingespeist werden.