200408211 玖、發明說明： 相關申請案之參考 本申請案聲明由Daniel Yap和Keyvan Sayyah所作“捷 展波形產生器’’於2001年十一月15日所提出之美國臨時申 5 請案60/332,372號之助益，其之内容在此以引用之方式併入 本文中。 本申請案關於在2001年十一月15曰所提出且序號為 60/332,367之標題為“捷RF光波波形合成及一光學多音調振 幅調變器”之美國臨時專利申請案，及其對應的美國非臨時 1〇申請案，序號為1〇/116,801且於2002年四月5日所提出，其 之内容在此以引用之方式併入本文中。這些相關申請案係 由本申請案之指派人所擁有。 本申請案亦關於在2001年十一月15日所提出且序號為 60/332,371 ’標題為“一多音調光振盪器之入射啟動，，之美國 15臨時專利申請案，及其對應美國非臨時申請案，序號為 10/116,799且於2002年四月15日提出，其之内容在此以引用 之方式併入本文中。這些相關申請案係由本申請案之指派 人擁有的。 本申請案亦關於在2GG1年十-月15日所提出且序號為 20 60/332,368’標題為“遠端定位RF功率放大系統，，之美國臨時 專利申請案，及其對應美國非臨時申請案，序號為 術⑽’⑽且於2002年四月15日提出，其之内容在此以^用 之方式併入本文中。這些相關申請案係由本申請案之指派 人擁有的。 5 π本申請案亦關於一標題為‘ ‘捷展波形產生器及光振盪 為之PCT申請案，序號為，其至少指派於美國且其在與本 申明案相同之日期提出（律師備忘錄620376-1)，其之内容在 此以引用之方式併入本文中。這些相關申請案係由本申請 5案之指派人擁有的。 t發明所屬之技術領域】 發明領域 本發明係關於一種RF-光波波形產生器，其能夠產生一 組頻率延展，頻率跳躍或頻率調變^^波形。本發明亦關於 10 一種用以預處理這樣的波形之方法和裝置。可以一脈衝碼 來將所產生的多音調波形進一步做振幅調變，且其可作用 如一雷達系統之傳送波形。預處理器預處理接收波形或雷 達返回訊號。預處理有效地從一單一長脈衝建立多個短脈 衝並組合來自那些短脈衝之資訊。 15 【先前技術】 發明背景 一多音調’頻率跳躍RF光波波形作用如一光學傳輸通 道之光波載波。由光學傳輸通道所承載之RF訊號資訊可為 例如一脈衝碼，其可以一光波調變器之方法被加在頻率延 20展之尺!7波形載波上。可將最終的RF光波波形（以一光纖聯結 或一自由空間光學聯結之方法)傳送至一·光接收器。然後可 將電子型式之光接收之訊號透過一 RF通道來加以傳送（一 天線或無線聯結）。 當在此揭示時，RF光波載波之產生器包括一耦合至一 6 200408211 光學外差合成器之頻率結合產生器。梳為一組振幅調變至 一光波載波上之RF音調。RF光波頻率梳之產生器最好為 一光振蘯器，其之建構在技藝上是已知的。光學外差合成 器為可切換的，且產生一對鎖相的，CW光波線（在二個不 5同的光波長上）。這些光波線之一具有調變至其上之RF結 合。在由梳調變之後，然後將二條線組合以產生捷載波。 光接收訊號之中心頻率為外差標記，其為由光學外差合成 器所產生之二條光波線之頻率間之差。這些線之波長可快 速地加以改變（這些線之波長可以每個傳送脈衝來加以改 10變，在一單一傳送脈衝内或甚至在一資料封包之傳送内）以 產生不同的標記頻率。可使用不同的已知方法來實現光學 外差合成器。 頻率捷展和跳躍之一目的為使得結果的訊號難以讓一 非同調接收器偵測。使用一頻率延展載波為一產生具有被 15傳統截聽接收器截聽之低機率(LPI)之訊號之方法。另外 載子之精確頻率可加以改變且對於截聽器來說為未知的， 則LPI性能可被增強。這些技術在LPI雷達和通訊系統中是 有用的。 一般來說，一截聽器可使用一寬帶接收器，其被頻道 20化為較小的頻帶以偵測和識別訊號。若訊號落在接收器之 單一頻道内，則其可被加以偵測。然而，若訊號在頻率上 展開，如此其之那些部份落在許多頻道内，則戴聽器難以 將該訊號與背景雜訊分辨開來。一般來說，截聽接收$之 頻道可被加以掃瞄，或可使用長積分時間來感測一進入的 7 200408211 訊號。若訊號頻率快速地變化以在感測時間内於不同頻道 之間跳躍，則其再次像雜訊一般。或者，若訊號頻率隨著 時間快速地變化，雖然那些跳躍位在接收頻道内，但該訊 號將被偵測到，但難以識別。可由週期性頻率調變實施例 5產生之密集’多音調波形可被設計來具有一小於第一（非FM) 揭示實施例之多音調波形之間隔，以使得具有較細微頻道 間隔之截聽接收器失效。 頻率展開之其他目的為使得訊號對於干擾較不敏感。 干擾器之頻率涵蓋可能不似頻展栽子之涵蓋那樣大。另 10外，因為頻展載子係由離散音調所構成，其可同調地相加， 所以更有效率地使用訊號功率。此與干擾器相對照，其一 般是一致的寬帶。訊號帶之快速切換亦使得被干擾較不敏 感，因為干擾器無法從一訊號脈衝預測至下一個要干擾之 頻率。 15 根據本發明之一觀點，產生器應用一頻率調變至一多 音調RF載子波形。在一實施例中，一週期性電子頻率調變 由一光振盪器與多音調產生結合以產生一密集頻展梳，其 具有細微梳間隔與大的總體帶寬。此梳之密度大於以先前 方法所產生之梳之密度。這樣一個密集，多音調傳送波形 20具有受一電子式截聽接收器偵測之更小的機率。一第二實 施例結合由一單值可逆(SVI)函數所做之頻率調變與由一 光振盪器所做之多音調產生，以將該波形之不同時間部份 編碼，如此使得它們彼此不同。這樣一個多音調頻率編石馬 波形可與一適當接收器結合以實現一脈衝頻率展梳之時間 8 壓縮。在本發明之其他觀點巾，揭*一預處理器以返回或 接收實現脈衝壓縮之頻率碼波形。 實現LPI性此之先前方法係基於使用電子式合成器來 產生波形。-般來說，—脈衝壓縮碼被用來將—單音調載 子做相位錢並展開頻譜。例如，若訊號脈衝為1，寬且 使用一 1〇〇比1之脈衝壓縮碼，則獲得一ι〇〇ΜΗζ之訊號帶 見。询問接收H之頻道帶寬—般遠窄於此。目前高動態範 圍類比至數位轉換器之帶寬—般為議MHz或更小。如此， 詢問器頻道帶寬亦$ 1〇〇MHz或更小。本發明最好利用光子 之寬帶特性來產生頻展波形Q梳之總帶寬可為十分寬的， 由本發明之光子方法可實易地實現幾十GHz之帶寬。除了 訊號資訊之外，可調變一脈衝壓縮碼至多音調梳上，以進 一步展開載子。產生頻率步階波形之先前技藝的數位合成 器一般具有一小於l〇〇MHz之帶寬。在此所揭示之可切換 的，光外差合成器能夠達到超過100(}11：2之頻率範圍。 產生多音調波形之先前方法亦基於使用電子式合成器 來產生波形。使用多個分離子式合成器來只產生少數音 調，其可涵蓋大帶寬。或者，頻率可調整電子式合成器可 產生一具有一傅立葉頻譜之波形，其包含大量音調但在一 較小得多的帶寬上。一單音調波形之頻率已逐漸地被加以 調變或改變以供脈衝壓縮之目的用。頻率調變以壓縮一單 音調脈衝是常見的，且大頻率範圍和脈衝壓縮比率是可能 的。然而，頻率調變以壓縮一多音調脈衝是難以完成的。 大量音調之頻率調變之前是太麻煩且實現起來昂貴的。 200408211 本發明利用光子之寬帶特性來產生密集頻展，梳波 形。梳之總帶寬可為十分廣的，以本發明之光子方法可容 易地實現幾個GHz之帶寬。使用一電子式方法來以頻率調 變產生細微間隔之音調，其具有細微頻率解析度。本發明 5 亦利用光入射鎖定和外差之性質來將許多音調之梳做頻率 調變。 LPI波形一般具有低瞬間傳送功率。為了增加傳送能 量，可使用一較長的雷達脈衝。然而，長的脈衝具有較差 的目標範圍之解析度，因為發生在一已予脈衝持續時間内 10 之返回並非可辨識的。本發明之接收預處理器改進先前處 理FM波形之方法以實現脈衝壓缩和改進的範圍解析度。一 些先前方法混合傳送和接收波形以比較它們。需要近似目 標範圍之先前認知來同步那二個波形。本發明之預處理器 不需預先知道目標範圍。反之，其形成多個傳送參考波形 15 之部份的時間延遲複製並重覆地將它們提出以與接收波形 相比較。 處理多音調波形之先前方法牽涉到使用一組濾波器來 頻譜地分離那些音調，其然後可個別地加以處理。這些方 法僅可容納固定頻率之音調。對照起來，本發明之預處理 20 器可容納一頻率調變的，多音調的波形。 在此揭示之捷頻展波形產生器對於多使用者之通訊系 統亦是有用的。每個使用者被指派一特定和唯一的樣式供 多音調波形之頻率跳躍之用。一使用者可藉由以該使用者 之特定波形樣式之複製來同調處理接收訊號以辨別其訊號 10 200408211 與其他佔用相同頻帶之訊號。此型式之光波波形之劃碼多 向近接(CDMA)與先前方法不同。先前方法利用短光脈衝， 遠較資訊脈衝為短，其之波長和時間位置可對每個使用者 不同。 5 先前技藝亦包括： 1· 一單音調，單迴路光電振盪器—參看美國專利 5,723,856 ’其於1998年三月3日核發且作者為S.Yao和 L.MalekiJEEE J.Quantum Electronics5v.325n.7,pp.l 141-1149, 1996。揭示了 一種光振盪器（作者稱為一光電振盪器）。此振 10盪器包括一單雷射和一由一調變器，一段長度之光纖，和 光偵測器，一RF放大器和一電子式濾波器所構成之閉迴 路。此振盪器之閉迴路與本發明有些相似。然而，此先前 技藝之思圖為藉由合併迴路中之一電子式窄帶頻率滤波器 來產生一單一音調。藉由使用一段長的前述光纖來實現一 15具有低相位雜訊之音調。本文中報告藉由放大濾波器之帶 寬實現了多音調之證實。然而，那些多音調之頻率間隔係 藉由入射一弦波電氣訊號至調變器中來設定的。入射訊號 之頻率等於音調之間隔。此方法使得所有振盪器模式(每個 模式一個音調）相位振盪。結果，此先前技藝振盪器之輸出 20 為一系列脈衝。參看本文之第14(b)圖。 2. —單音調，多迴路光電振盪器-參看美國專利第 5,777,778號，其於1998年七月7日提出，且作者由S.Yao和 L.MalekiJEEE J. Quantum Electronics，v.36，n. 1，ρρ·79-84 2000。振示了 一光電振盪器，其使用多個光纖迴路做為時 11 200408211 間延遲路捏。—光纖迴路具有一長的長度且作用如一儲存 媒體來增加振盪器之Q。其他光纖迴路具有十分短的長度， 一般〇.2至2m且作用來將音調足夠分離，如此使得一 rf濾波 器可_入迴路中以選擇一單音調。二迴路之長度以及rf 5濾波器之通帶可被改變以調整產生之單音調之頻率。此方 法指導從使用多個光迴路以獲得多個音調，因為其使用第 二迴路來確保只產生一單音調。 3·具有光波長參考之1·8ΤΗζ帶寬，可調整的RF梳產 生為—參看由 s.Bennett et al· Ph〇t〇nics Technol· 10 Letters，Vol. li，N〇.5，pp.551-553，1999之文章。此文章描述使 用在一放大之再循環光纖迴路中之雷射光波載子之連續相 位調變之多音調RF光波梳產生。光波載子係由一單輸入雷 射t、應的，其之光學CW波形被入射至一閉光纖迴路中，其 包括一受一外部RF產生器所驅動之光學相位調變器。這結 15果造成一光梳，其具有一由應用至相位調變器之RF所決定 之頻率間隔以及由輸入雷射之波長所決定之絕對頻率。該 迴路亦包含一Er摻雜之光纖放大器部份，其係由一分離幫 浦雷射所注入的。在再循環迴路中之光學放大器之效應為 增強梳產生器之輸出上之梳線之數目。吾人可預期在不同 20梳線間之一些交互相位鎖定，因為它們係由外部RF產生器 所加之相位調變所定義的。 4· 一用以產生一RF訊號之技術係藉由光學外差之方 式。參看第1圖。以此技術，由_RF光波合成器所產生之二 雷射波長之光學輸出被結合至一光偵測器上。在一簡單的 12 200408211 情況中，RF光波合成器係由一雷射所構成的，每個產生單 一波長，即單頻譜線。當它們結合的輸出由一光偵測器轉 換成一電訊號（光電流）時’該電訊號具有在二雷射線之和與 差上之頻率項。一般來說’光偵測器亦作用如一低通頻率 5 濾、波器，如此使得只有產生外差差異頻率。為了產生外差 輸出，二雷射線必須被鎖定在一起，如此使得它們的波動 為一致的。可使用技藝上已知的不同方法來實現此鎖定。 光學外差亦可與一外部光調變器結合以執行頻率轉換（頻 率轉譯）。此功能說明於第1圖中。RF光波合成器之雙線光 10 波輸出被供應給一光學強度调變器，連同一典型的調蠻 為一Mach-Zehnder干涉儀。一RF輸入訊號亦被供應給調變 器，其應用一強度調變至光波訊號上。調變器之轉移函數 結果造成頻率和與差項之產生。光偵測器之輸出為其他具 有在RF輸入之頻率〇RF間之和與差之頻率項以及在二雷射 15線之間之頻率間隔。基本上，二雷射線之頻率差(〇lo作用如 一局部振盪器（LO)頻率，其乘以RF輸入訊號來產生_中間 頻率(IF)c〇l〇 — corf。對此程序之一數學表示法已予如下： 1〇 = + m sin(c〇RFt) + M eos(wL〇t + Φ) ±~rnM sin[(〇yw ± )t + ψ]| 其中Id為光電流。 20 【發明内容】 發明概要 在一觀點中，本發明提供一種捷展頻譜波形產生器， 其包含··一包含一多音調光梳產生器之光振盪器，其係用 13 200408211 以產生在一光載子上之一系列以？梳線；一光外差合成器， 該光外差合成器包括第-和第二相位鎖定雷射，第一雷射 饋送多音調光梳產生器且第二雷射包含一快速波長調整單 音调雷射，其之輸出光提供一頻率轉換參考；以及一用以 5將頻率轉換參考與光振盪器之光學輸出做外差之光偵測 器，以產生一捷展頻譜波形。 在其他觀點中，本發明提供一種產生一捷展頻譜波形 之方法，該方法包含下列步驟：產生多音調光梳做為在一 光載子上之一系列RF梳線；產生一波長可調整單音調頻率 10轉換參考；以及將光梳與頻率轉換參考做光學結合以產生 一適於供隨後外差用之光波波形。 在其他觀點中’本發明提供一用以產生頻率調變，多 曰凋波形（特別為脈衝）以及一用以對這樣的波形做預處理 之羞置。所產生的頻率調變的，多音調波形可進一步以一 5脈衝碼來做振幅調變且可作用為一傳送波形供一雷達系統 之用。預處理器處理接收波形或雷達返回訊號。預處理有 效率地從一單一長脈衝產生多個短脈衝並結合來自那些短 脈衝之資訊。 根據本發明之其他觀點，一產生器應用一頻率調變至 一多音調RF載子波形。在一實施例中，一週期性電子頻率 5周變由一光振盪器與多音調產生結合以產生一密集頻展 梳’其具有細微梳間隔和大的總體帶寬。此梳之密度大於 以先前方法所產生之梳之密度。這樣一個密集，多音調傳 送波形具有受一電子式載聽接收器偵測之低機率。在其他 14 貫施例中，由一單值可逆(SVI)函數所做之頻率調變係由一 光振盪器與多音調產生結合以將波形之不同的時間部份做 扁馬如此使得該等部份彼此分別。這樣一個頻率編碼的 5 可以一適當的接收器結合以實現一脈衝頻展梳之時間 ，縮產生器可利用因為有限入射鎖定帶寬及光學入射鎖 疋雷射之短的響應壽命時間所產生之頻率選擇性質。一主 雷射為由-電子頻率調變RF音調所做之振幅調變。搞合至 雷射之一僕雷射被偏壓以分別選擇主雷射和RF調變邊帶 ⑺ 光載子。一僕雷射之輸出具有一根據電子頻率調變調變 、長且表示第一RF波長吼號。其他僕雷射之輸出被饋送 至光梳產生器，其振幅調變音調梳至該光載子上。此第 rRF光波城為—具㈣-㈣时離之音調之頻展訊 破’，但其涵蓋-大帶寬。織HRF紐職藉由將它 1們光學外差於-或多個光債測器上來加以結合。 15谈肖一週期性頻率調變來說，第一訊號具有-傅立葉頻 % ’其由-密集小帶寬梳構成的。對照來說，第二訊號具 有一粗帶寬梳。人射於光制器上之多個RF光波訊號之光 學外差被用來將密集小帶寬梳(傅立葉頻譜項者)與分離的 粗大帶寬梳(其之音調為光振盪器《不同模式）交錯。結果為 20 -多音調RF波形，其具有比傳統電子頻率調變單獨或一多 音調光振盪器單獨所產生者多得多的音調。 對SVI頻率調變來說，光外差訊號為其之頻率緩慢變化 且具有可由-SV職描述之時間變化之音調梳。如此，梳 之每個時間間隔可彼此分辨達在那些時間上之音調之不同 15 5 10 15 20 頻率。一般來說，梳浊-頻率調變使_=:=:=這些麵被結合_在-起 隹具他觀點中 一接收器包含一預處理器，盆 音調波形之__。域理魏多音調考二 形和接收（或雷達返回芩戟子波 允劃分成諸之系列。此特徵 7 lb考部份之多時間交錯集合。然後可使用 =考部份以與接收波形部糾較。藉由f覆地提出傳送 >波形之片段故為比較，消除預先得知近似雷達目標範 圍（距離)之必要。其他㈣的特徵為絲頻譜地分離傳:表 接，波$之夕音調以供由站混合比較之用之渡波器。 匕=最好以―個音調—個音調之基礎來做或則、的音調 集口來做。：^些據波II最好具有—週期性頻譜。藉由使 用個k樣的爐、波器之集合，每個集合具有一不同的頻譜 ^ 要較乂的;慮波器來容納必須被分離的大量不同頻 ^又最好使用分接延遲線和RF開關之新組態來時間 接收片段與ί制傳送料纟情。 圖式簡單說明 第1圖為一以一RF光波合成器執行之先前技藝頻率 換技術之說明； 第2a圖為一捷波形產生器之一實施例之方塊圖； 第2b圖為一捷波形產生器之其他實施例之方塊圖； 第3圖為多迴路，多音調光振盪器之方塊圖； 16 200408211 第4圖說明一多迴路，多音調光振盪器之測量到的^^ 頻譜； 第5圖為一指出十分高頻譜純度之雙迴路（lkm長迴 路，8m短迴路)之多音調光振盪器之一RF音調之詳細頻譜； 5 第6圖為一具有光學放大迴路之多迴路，多音調光振盪 器之方塊圖； 第7圖為以光注入為基礎之快速切換光學外差合成器 之說明； 第8圖為以一鎖相迴路為基礎之快速切換外差合成器 10 之說明； 第9圖為一多迴路，多音調光振盪器之方塊圖以及一由 一快速波長可調整和—固定波長雷射所構成之快速切換光 外差合成器之方塊圖，該光振盪器具有一光纖長度控制裝 置和一反饋迴路來控制光纖長度；以及 第10圖類似於第9圖，但並非具有一光纖長度控制裝 置’、利用迴路之相位控制來補償在多迴路音調光振盪器 中之光纖之長度上的環境改變。 第11圖為一雷射調變器和第2b圖中所示之選擇器之方 塊圖； w 20 第lla_lle圖說明由第11圖之裝置之頻率調變音調之產 生； ‘ 第12圖為一顯示具有第3圖之光振盪器之第1】圖之元 件之方塊圖； 、 第13a-13d圖說明在波形產生器中之不同位置上產生 17 200408211 之頻譜； 第14a-14c圖說明可被產生之不同頻率調變展波形； 第15圖為一說明對第14c之頻率調變波形之切換和分 接延遲線預處理器之方塊圖； 5 第16圖為一說明預處理器之多音調比較器功能之方塊 圖； 第17圖說明用以多音調產生之一較佳延遲線預處理器 之第一級。 【實施方式3 10 較佳實施例之詳細說明 在描述本發明之細節之前，提供一些有關以光外差產 生一 RF訊號之相關背景資訊。以此技術，如第1圖所說明 的，二不同波長之雷射之光輸出結合至至少一光偵測器 上。在一簡單範例中，二個雷射之每一個產生一單一波長 15 (即一單一光學頻率，頻調或頻線）。當這二個雷射之結合輸 出由至少一光偵測器轉換成一電訊號（光電流）時，該電子訊 號具有在二雷射線之和與差上之頻率成份。這是因為光偵 測器電流與入射之光功率成比例之故而發生的（或是與入 射光之電場之平方成比例）。和頻率為十分高的光頻率。差 20 頻率一般來說在RF範圍中且係由光偵測器如一電流或電壓 般輸出的。為產生光外差輸出，二雷射線被鎖在一起，如 此使得其相位波動為一致。可使用技藝已知的不同技術來 實現此鎖定。在此所使用的較佳技術為將二雷射（稱為僕雷 射）入射鎖定於由一第三雷射（稱為主雷射）所發出之不同相 18 P鎖疋音撕或頻譜線)。—或二個從二僕雷射所輸出的音調 了被供應至一光學強度調變器，以一典型的調變器為 Mach-Zchnder干涉儀。一 RF輸入訊號亦可被供 應給調變 器，右使用的話，其應用一強度調變至光波訊號上。調變 5器之轉移函數造成額外頻率和與差項之產生。然後至少一 光偵測器之輸出為包含頻率項之其他1117訊號，該頻率項為 介於RF輸入頻率間之和與差及介於二雷射線間之頻率間 隔。基本上，二雷射線之頻率差作用如一局部振盪器（L〇) 頻率，其與RF輸入訊號相乘以產生輸出訊號。一般來說， 10亦可使用至少一光偵測器連同電子式帶通或低通濾波器， 或至少一光偵測器本身可作用如一低通頻率濾波器，如此 使得只要選擇輸出頻率之所要範圍。 本發明關於一種使用同調光學外差產生快速頻率跳躍 或抖動，或頻率調變多音調RF桅線之獨特方法，以使得在 15這樣的載子上傳送的訊號難以偵測。在下列本發明之說明 中，首先討論光學外差之觀念，以提供背景資訊。第2&和 2b圖揭示了二實施例。第2a圖在一頻率跳躍環境中特別有 用（雖然其可設計為使用於頻率調變環境中），同時第2b圖之 實施例在一頻率調變環境中特別有用。RF梳線之頻率凋1 20可進一步增加傳送訊號對於偵測之抗力和/或可改進雷達 訊號之範圍偵測能力。 參考第3-6圖描述用以產生一頻率可轉換梳訊號之一 實施例。然後，參考第7和8圖來描述用以產生對第2a圖之 實施例之頻率跳躍波形之實施例。討論改進穩定性之對二 19 200408211 實施例之一之修改（參看第9-10圖）以產生頻率可轉換梳訊 號。 第11-13圖關於第2b圖之實施例，同時第14a-17圖關於 其相關預處理器。 5 第2a圖中顯示一捷波形產生器12之一實施例之方塊 圖。其具有將參考第3和6-10圖更詳細說明之主要部份 14，16。第一主要部份為一光振盪器型式，即一多調光梳產 生器14，其產生在一光載波上之一系列的低相位雜訊RF梳 線。第二主要部份為一快速切換光外差合成器16，其包括 10 二個鎖相雷射70,72(參考第7和8圖），第一雷射70送給光梳 產生器14。第二雷射72為一快速波長可調整之單調雷射， 其之輸出光，一頻率轉換參考，在一光偵測器18中與光振 盪器14之光學輸出做外差以產生頻率跳躍RF梳線（有時在 此之元件14稱為一振盪器且有時為一產生器-即因為“振 15 盪器”14“產生”RF梳之事實之故）。局部振盪器（LO)選擇器 80控制頻率跳躍。二雷射之捷波長位移決定最後的多調RF 梳之頻率中之轉譯。再者，一光相位調變器（未顯示）亦可被 插入於波長可調整雷射之光學路徑中，其可造成頻域中之 多調RF梳之進一步的抖動。此效應，與上述之頻率跳躍機 20 制組合，使得調變過的RF傳送訊號十分難以截聽。 一光學耦合器26將梳產生器14之輸出與合成器16中之 波長可調整雷射之輸出結合。如第2a圖中所示的，結合的 輸出可使用一光學強度調變器22由RF傳送訊號28加以調 變。在第2a圖中，光學強度調變器22顯示為在光學耦合器 20 200408211 26之下游。或者，可將光學強度調變器22置於產生器14和 轉合器26之間，如方塊22,所示的。再者，耦合器26之輸出 可進一步由額外的脈衝或多相碼加以調變（或傳送訊號可 由這樣的碼來加以調變），以更減少偵測（截聽）之機率。脈 5 衝或多相碼可應用於RF訊號輸入28上或在一與調變器22串 聯之分離之光學強度調變器上。 光學麵合裔26之一第一輸出可用來從一光摘測器20產 生.一本地振盈參考訊號’其可方便地於一同調接收器中 加以使用。一其他實施例為在調變輸出與頻率轉換參考在 10輕合器26中藉由移動如第9圖中所說明在耦合器26之上游 上面所討論之光學強度調變器加以結合，使RF輸入訊號26 和任何額外碼調變梳產生器14之輸出。 低頻低雜訊參考振盪器24提供一時序參考訊號給合成 器16且給多音調振盪器14。 15 可於光偵測器18之輸出獲得之調變頻率跳躍RF梳線被 應用至一適當的RF放大器（未顯示）且因此至一天線（亦未顯 示）以做為一通訊訊號或一雷達脈衝般傳送，只要適於利用 之應用。 光偵測器18可實現為RF放大器之一部份，且因此可由 20例如調變器22獲得之光波外差波形可做為一光學訊號供應 至RF放大器。一RF放大器之可能的實施例揭示於標題為 “可遠端定位RF功率放大系統”，序號60/332,368號且於2001 年十一月15日所提出之美國時間專利申請案中，以及序號 10/116,854號於2002年四月15曰提出之對應非時間申請案 21 200408211 中。RF光波外差波形可做為對該申請案之第2圖上說明之光 纖113之專用輸入般應用，且然後光偵測器18之功能將由該 申請案之第2圖上所示之偵測器3〇2所提供。若光偵測器18 之輸出被用做為對RF放大器之一輸入，如上述標題為“可遠 5端定位RF功率放大系統”之美國專利申請案中所揭示者，則 光1貞測器18之輸出可做為對該申請案之第2圖上所示之調 變器106之一輸入般應用。 第2b圖中顯示了一頻率調變，展波形產生器之其他實 施例之方塊圖。此實施例最好由三個主要部份構成。第一 10部份17產生一光波載子供第二部份13用，及亦一RF光波訊 號’其之頻率被加以調變。若頻率調變為週期性的，則此 訊號之傅立葉頻譜成份包含一多音調梳。此第一梳之音調 間隔十分細微，一般來說在O.MOOMHz之範圍中。第二部 份13產生一組低相位雜訊RF梳線於光波載子上，其由第一 15部份17被供應給它。第二部份13亦將二RF光波訊號（即結果 的RF光波外差波形）置於相同的光纖上。第三部份15提供— 將一諸如一雷達脈衝碼或一通訊訊號之電編碼或空白波形 應用至RF光波波形上之方式。第三部份〗5亦藉由將二rF$ 波訊號於光偵測器18,20上做光學外差來產生一rf輸出傳 20送波形和一RF參考波形。輸出傳送波形為編碼過的UPI波 形，其要從感測器系統之天線加以傳送。參考載波波形可 為一未編碼的寬帶RF梳(如第2b圖中所示的），其可由感測 器系統之一匹配或同調接收器加以使用。參考載波波形亦 可以相同光學強度調變器之方法來加以編碼為傳送波形或 22 200408211 以一不同的調變器來做。 苐2a或2b圖之實施例之RF光波多音調梳產生器1 *可使 用多種不同的技術來加以實現。一實施例為一多迴路，多 音调光振盡裔14 ’其之一方塊圖顯不於第3圖中（稱後將來 5考第6,9和10圖來討論一額外的方塊圖，包括額外的特徵）。 多迴路，多音調光振盪器14包括至少二迴路，其最好具有 一共用的部份。一光學調變器32最好使用於共用部份中， 同時光波延遲路徑34和36和光偵測器38和40分別使用於第 一和第二迴路中。一低雜訊電氣放大器42和一^^帶通遽波 10 器44最好亦使用於迴路共用部份中。雷射光最好由一雷射 70提供，其供應振盪器14之能量，雷射光由—在調變器32 之電輸入33上之一RF訊號來加以調變。然後調變過的光波 被分成二個分支，一個連接至一較短的光學延遲路徑34， 而另一個連接至一較長的光學延遲路徑36。在二光波路徑 15 中之光學號由^一光^貞測^§ 38和40加以感測，其之電輸出 被加以結合，且在放大和帶通濾波之後，被饋入至調變器 32,如第3圖中所示的。帶通濾波器44設定所產生之RF多音 調梳頻譜之帶寬。二個光偵測器38，40可由一單一光偵測 器加以取代（參看第10圖中之偵測器39)。 20 此多音調振蘯器Η之操作原理如下。在反饋迴路中產 生之隨機電氣雜訊調變雷射光，其在通過二光學延遲路徑 34和36傳播且光偵測之後’再生地反饋給調變器32。若開 迴路增益大於一的話，此正反饋結果造成振蓋。若需要的 話，一放大器42可被提供在迴路共用部份中以增加增益。 23 200408211
或者增益可於光學迴路中藉由使用一幫浦雷射(例如第0圖 中所不之型式_參看元件29)來加以增加。在—雙迴路光 振逢斋之情況中，可能的振盪模式存在於二個迴路之延遲 時間(TS和U倒狀整數倍的頻率間隔上，其中較短迴 5路之延遲時間，而丸為較長迴路之延遲時間。然而，若二 個反饋迴路之開迴路增益之和大於一且每個反饋 S 迴路增益小於-的話，振堡-般來說將只發生於由'延遲 迴路所產生之模式重疊之頻率上。因此，振盡將只發生於 錢短迴路所決定之頻率間隔(綱〜)上間隔之模式上。 另方面，振盪器相位雜訊S(f)隨著在較長迴路中之光學延 遲時間而二次方地減少：s(f>p/[(27t)2(TLf，)2],其中^為 ，入雜訊對訊航，而Γ為偏移頻率。結合這二效應造成一 多音調’多迴路之光健器，其中音調間隔和相位雜訊可 獨立地加以控制。 15 :橫跨1GHZ之-鮮_之雙迴路，多音調光振盈器 之測量的RF頻譜顯示於第4圖中。此振盪器具有二光纖延遲 迴=…約細(或更長)之較短迴路，以及一約啊或更長） 車長匕路。爵較短迴路之長度為8^時，音調間隔為約 26]^HZ ’指出_38奈秒之延遲時間。在雙迴路多音調光振 20 A器中之振遭音調之一之詳細RF頻譜顯示於第$圖中，指出 良子的頻4純度。頻率跨幅為5KHz。較究迴路之長度最 好至v為較短迴路之長度之四十或更多倍。 在另實施例巾’乡音調光振1器14可使肖光學放大 器來加以實現，如第6圖中所示的，而非電子放大器，如先 24 200408211 則參考第3圖所討論的。在此實施例中，每侗迴路最好包括 一隔絕器35 ’ 一 Er-摻雜或一 Yb/Er-摻雜的光纖部份27，以 及一劃波長多工器（WDM)31。每個摻雜之光纖部份27最好 由一幫浦雷射29加以注入，雖然幫浦雷射29和相關的Er-摻 5雜或Yb/Er-摻雜部份27可只使用於迴路之一中，若需要的 話。隔絕器25使光在迴路正確的方向上流動（第6圖中為順 時針）’且亦使來自幫浦雷射29之光免於與調變器32之操作 干擾。WDMs 31將來自幫浦雷射29之光耦合至迴路中，且 使得該光線免於與光偵測器38 , 40之功能干擾。二光偵測 1〇器38，40可以一單一光偵測器39加以取代，如第丨〇圖中所 不的，若需要的話，且可使用二幫浦雷射29(每個迴路一 個），若需要的話。 在標題為“捷展波形產生器和光振盪器，，之前述PCT申 請案中揭示提供跨於第4圖之梳之更大位準輸出之改進。讀 15者可指向該申請案之揭示内容來得知第3,6和9圖之梳產生 器14可如何地加以修改以使梳之振幅平坦化。 可使用幾項技術來實現第2a圖之快速切換光外差合成 裔16。參看第7和8圖以得到示範性實施例。在第7和8圖之 實施例中，合成器16包括二個先前提到的雷射7〇和72。這 20些雷射為相位鎖定的，如先前所討論的。一雷射70為一固 定波長雷射而另一雷射72為一快速可調整之雷射。此相位 鎖定可使用幾項巳知的技術來加以完成。這些技術之一和 較佳技術說明於第7圖中。此技術牽涉到二雷射邛和”(僕 雷射）光人射鎖定於-多線主雷射76之不同的線。這些線可 25 200408211 為：⑴-模式鎖定主雷射之不同模式，⑺一頻率調變主雷 射之》周炎邊帶’或(3)-多線雷射之不同的相位鎖定模式（參 看由先前技藝參考1和3所揭示之梳產生器）。 可使用-高度穩定且低相位雜訊，單音調之RF參考振 5盡器78來外部地鎖定模式鎖定雷㈣(若制上述的方案 D ’頻率調變主雷射76(若使用上述的方案2);或者相位調 變多線雷射76(若使用上述的方案3)。RF參考振盈器78可進 -步地由-料的參考振_24穩以合成，如參考第^ 圖所討論的。 10 ㈣定波長雷射7G職送之多相梳產生器14之光學 輸出為-包含由RF梳線所調變之雷射波長之光梳。將此光 梳與第-雷射72之快速可調整波長於光债測器職^中結 合造成-組RF麟’其可於頻域中快速地切換⑽躍广頻 率跳躍間隔係由第二雷射72所步階之波長間隔加以決定 15的。以上述的光學入射鎖定方法(參看第7圖之實施例），此 間隔係由鄰近模式或多線主雷射76之邊帶間之間隔所決定 的。若多線主雷射76之模式間隔為5GHz，且梳之帶寬為 4ghz ’貝m之中心頻率可於5舰和1〇咖和i5〇Ηζ等之間 快速地跳躍，以任何順序。因為這二個雷射％和如上述 2〇為相位鎖定的，所以結果的頻率可切換外差处音調將具有 良好的頻譜純度及低相位雜訊。注意頻率跳躍間 隔可小於 梳之帶寬之事實。 其他相位鎖定雷射7〇和72之技術牵涉到相位鎖定迴路 (參看第8圖）。 26 200408211 第8圖之鎖相迴路實施例取二雷射70和72之外差輸出 且將輸出與一外部的RF參考82於一 RF相位偵測器中比較 以產生一錯誤訊號90於一混合器86之輸出上以修正雷射 70，72之波長。二雷射70，72之輸出係由耦合器85加以耦 5 合且由光偵測器87偵測，在光偵測器處產生外差電訊號。 偵測器87之輸出最好以一除頻器84除頻下來且除頻器84之 輸出被應用至混合器86，其作用如一相位偵测器。以此方 式，二鎖相雷射70，72之間之頻率差異可以等於除頻器84 之步階之步階來加以變化。若需要連續調整，則RF參考82 10 應為可連續調整的。鎖相迴路方法之一變化牽涉到使用大 於RF參考之帶寬之波長間隔。除頻器84將二雷射之外差輸 出除至一可由混合器86與RF參考82相比較之較低頻率，如 第8圖中所說明的。頻率跳躍間隔將等於除法器比率乘以可 調整RF參考82之最小步階。第8圖之實施例允許跳躍十分細 15微，使得訊號看起來基本上是連續的。當使用於例如一雷 達應用中時，耦合85之輸出27具有對於一相關接收器之跳 躍資訊。 可改造第8圖之鎖相迴路實施例來藉由將振盪器以實 現為一 VCO來將一頻率調變加於邊帶上（如參考第2匕和 20 11-13圖所討論之多種不同實施例所做的）。 這四種選擇（參考第7圖討論之三種選擇和第8圖之選 擇)具有不同的優點和缺點。—般來說，選擇⑴(與第7圖相 關）產生十分清楚的音調’其易於在其之間切換。選擇(2) 得到較少的音調。選擇(3)得到大量的音調，但它們不清楚。 27 、擇(4)需要具有十分窄線寬或具有十分短的迴路延遲日夺間 之鎖相迴路之雷射。 第7圖中所示之LO選擇器80調整雷射72之自由跑動頻 率或波長以匹配於來自多線主雷射76之所要的線輪出。此 5藉由設定雷射72之溫度和驅動電流來完成。第8圖中所示之 L〇選擇器80’設定雷射72之溫度以獲得對該雷射之所要的 自由跑動頻率或波長。實際的雷射頻率或波長藉由以鎖相 迴路之方法來控制其驅動電流來加以精細調整。I Q選擇哭 80’亦選擇可調整振盪器82之頻率以及除器討之除比率。 1〇 第9圖為一多迴路，多音調光振盪器14之方塊圖，該光 振盪器具有一光纖長度控制裝置92以及一反饋迴路以控制 延遲線34和36之光纖長度。延遲線34和36應足夠長，它們 會改變長度以回應其環境溫度上的改變，該溫度上的改變 將不利地影響振盪器14之相位。如此，用以補償或控制光 15纖34和36之傾向以改變長度來回應環境溫度之改變之一些 裝置疋需要的。在第9圖巾，光纖長度控制裝置幻可為一加 熱和/或冷4卩裝置’以加熱和/或冷卻至少光纖％和％以控制 其長度或光學折射係數。或者，光纖長度控制裝置％可實 體地延長或收縮光纖34和36以控制其長度或光學折射係 π數。-反饋電路最好包含_除頻器94，一音調選擇渡波器 96, -混合器98和一濾波器i⑼，其被用來控制裝置％。音 調選擇渡波器96選擇來自調變器32,之產生音調輸出之 一，且除頻器94將所選擇之音調除下以供由混合器98與從 丨士多考振蘆H24所獲得之參考音調加以比較。過遽混合 28 200408211 器98之輸h移除不要的混合產物，且然後剌來做為一 控制訊號至域長度㈣裝置92。叫m纖34和36 之長度被加以調整，以回應由光振絲14所產生之頻率之 一上的改變。 第9圖中所示之實施例之光強度調變器最好實施為一 電子吸收觸器32，。-電子吸收調變ϋ32，*只調變由雷射 70所仏應之光波載子之振幅，且其亦產生—光電流93，其 10 被饋入反饋f路巾之除輔94。或者，來自迴路之反饋可 於光偵測器38，40之輪出上得到。又，二光制器％，4〇 可由第10圖中所示之單_光摘測器加以取代。 第10圖類似於第9圖，但取代一光纖長度控制裝置92， 其利用迴路之相位控制來補償多迴路，多音調光振盪器Μ 中之光纖34，36之長度上的環境改變。-光氣相位位移器 91被置於多音調梳產生器14之多迴路巾，且被用在光纖長 15 度控制裂置9 2之位置中以補償光纖3 4和3 6之長度上的改 羑第9圖之反饋電路被用來控制電氣相位位移器91。此反 饋電路分接光制到的和放大的多音調波形之-部份以決 定其與參考振盪器24之頻率和相位之偏離。 20 第10圖中只說明一個光偵測器39接收來自迴路34和36 之光線。此僅為一裝置簡化。一光偵測器39可能看起來比 一個光偵測38，40簡單些，但一個光偵測器39之使用一般 將需要二迴路間之緊密的相位控制（至光波長之分數），如此 使得二迴路間之相位偏離狀況不會使光線不正確地相加 (或甚至抵消）。如此，對所有實施例來說使用二光偵測器38 29 200408211 和40，每個延遲線34和36相關一個是較好的，包括第10圖 之實施例。 多音調，光梳產生器14可或者為一先前技藝之設計， 諸如上述由參考數字1或甚至可能為參考數字3所揭示的。 5 較不屬意這樣的設計，因為其非連續輸出之故。 可能需要光振盪器14之入射啟動以初始化多音調中之 振盪。一適當的入射啟動機制揭示於參考上述之標題為“一 多音調光振盪器之入射啟動”之美國專利申請案中。 接下來說明第2b圖中之不同項之實現和功能。第11圖 10 顯示頻率調變音調或精細間隔梳產生器17之方塊圖，其包 含波形產生器之第一部份。此產生器17包含一頻率調變RF 振蘆器30以及一雷射調變器-選擇器16’。雷射調變器-選擇器16’包含至少三個雷射。雷射之一為主雷射23，而另 二個雷射為僕雷射70，72。主雷射23之光學輸出被入射至 15 二個僕雷射70，72中。來自主雷射23之光線光學地入射鎖 定僕雷射，如此使得由一僕雷射發射之光線具有與入射光 相同之頻率内容，其在僕雷射之入射鎖定帶寬内。頻率調 變RF振盪器30包含一振盪器，其產生一單一 RF音調，以及 一裝置以將此RF音調做頻率調變。這樣的裝置在技藝上是 20 已知的（例如一VCO)。對一週期性的頻率調變來說，需要一 大的FM係數以產生一傅立葉頻譜，其由許多頻譜邊帶所構 成。邊帶之強度視頻率調變所用之波形形狀而定。波形形 狀之型式及其結果的調變邊帶頻譜在技藝上是已知的。例 如，一些週期性頻率唧聲可產生鄴有一致強度之音調之邊 30 200408211 帶頻譜。這些邊帶之中心一般具有幾GHz之頻率至幾十GHz 者。FM邊帶之較佳延伸或範圍視應用需要以及可用來產生 頻率調變RF波形之電子組件而定。此帶寬一般在 10-500MHZ之範圍中。 5 RF振盪器30所產生之頻率調變!〇7訊號被用來將主雷 射23做振幅調變。當未被調變時，此雷射23最好以一單光 學波長來發射。主雷射可為一單一音調，其之電流係由頻 率調變RF訊號加以調變。結果為一固定音調之光载子（未被 調變之雷射波長）以及一對調變邊帶，其之頻率隨著時間改 10變（參看第丨^圖）。主雷射23亦可包含一雷射以及一分離的 調變器。在該情況中，頻率調.RF訊號一般被做為一電壓 般應用，其改變透過調變器通過之光線強度。如此，該雷 射產生一固定音調，且調變器應用調變邊帶。一雷射之二 直接_變和一雷射與一分離（外部）調變器之使用為對雷射 15光之振幅調變之廣為人知之技術。 曰第11a圖說明主雷射之輸出波長頻譜（頻譜可從其推導 =到）。此頻譜包含三項，_固定中心頻率λ()，其為未被調 變之雷射波長，以及二調變邊帶，其為較短之波長λ FM·， 2〇 U及車父長的波長^+。選擇器35選擇這些邊帶之一以及未 ^周變之雷射波長。财射之光人棚定性質之結果為實 、”選擇。一僕雷射最好由半導體雷射二極體建構。這樣 的雷射-般具有小於幾他之人射鎖定帶寬。藉由使用一 ^ ☆匕此入射鎖定帶寬足夠高之RF中心音調，主雷射23 周隻邊讀未調變之雷射波長分離得比僕純70，72之 31 200408211 八射鎖定帶寬來得寬(以及彼此分離)。如此，每個僕雷射可 ，鎖定至主雷射發射頻譜之三項之—。―撲雷射;〇(雷射 )具有其自由跑動波長，其被選擇來匹配未被調變之主 雷射波長。可調整其他僕雷射（雷射數2)來選擇二調變邊帶 5之-。調整其驅動電流和/或接面溫度一般調整這些雷射之 自由跑動波長。較長波長邊帶之選擇於第仙圖中加以說 明。-帶選擇器電路35控制在那二邊帶間之選擇。此帶選 擇，結合由光振盈器所產生之音調之中心頻率之選擇，可 被用來決定最終輸出RF波形之頻帶。 1〇 入射至僕雷射72之光訊號為波長隨著時間改變之一單 一音調，根據RF振盪器之電子頻率調變波形。波長上的此 改變與僕雷射72之光入射鎖定響應相關之相關壽命相較緩 f曼發生。這些哥命包括雷射之光學腔室中之光子壽命之效 應和雷射中之電子載子之激發發射壽命。雷射之響應通常 15以其釋放振盪頻率來描述。光入射訊號之波長上的改變與 此釋放振盪頻率相比是緩慢的，其一般為(51七之量級。因 為光入射訊號如此緩慢地改變，其可近似於幾乎不改變。 光入射訊號之波長改變之速率一般介於0.1MHz和100MHz 之間，其滿足此標準。僕雷射對一頻率或波長調變主雷射 20 之入射鎖定已實驗地研究過。此由NTT之Kobayashi， Yamamoto和 Kimura之研究描述於Electronics Letters，vol 17，ηο·22，ρρ·850-851(1981)中。作者證實長如頻率或波長調 變之可及範圍小於僕雷射之光入射鎖定帶寬之20-50%，可 用該僕雷射之該輸出波長來追蹤入射波長。 32 200408211 入射至僕雷射70中之光學訊號為 僕雷射70最好為_ 一以一單一波長發出之裝置
粗間隔梳產生器 弋夕曰調光4IL產生器14設明為採用先前參考第3圖討論 之實施例之型式。然而，可修改多音調光梳產生器14以另 外符合例如參考6,9或1〇討論之實施例。 第13圖中說明在波形產生器中之不同位置上產生之代 10表性的頻譜。第13b圖說明之來自僕雷射70之單一音調，未 調變輸出被饋入光振盪器14。此音調在主雷射23之頻率。 光振盪器14已於上面描述。在粗間隔梳產生器中之光振盪 器14之輸出頻譜包含一於f〇上之主音調以及在 fp〇i+，fp〇2+，fP〇3+上之額外振盪器音調等，如第i3c圖中所說明 15的。這些額外音調為由光振盪器14所產生之振幅調變邊 帶。振幅調變產生在主音調f〇之高頻帶和低頻帶上之音 調。位於主音調之低頻帶上之音調 一單一常數波長的。 置’且表好為^ 常數波長之光 之基本元素說明於第12圖中。在此圖 未顯示於第13c圖中。邊帶光頻率音調與主音調偏移了 fc〇l +，fc〇2+，fc〇3+專之頻率間隔（以例如 fp〇i+ — f()= fc〇l+)。那 20 些fcoi+，fc〇2+，fc〇3+…可被認為是RF音調之梳，其調變光振盪 器14之光學強度調變器32。音調間隔（等於例如fC02+-fC01+) 係由光纖延遲時間迴路(迴路34)之一之長度所決定。由這些 多音調所涵蓋之帶寬可為十分寬的，例如許多GHz。注意 僕雷射72之輸出亦由第13a圖顯示了，且可具有一具有於光 33 200408211 頻率fFMl，fFMG，fFMl + ···上之音調之傅立葉頻譜。 使用一光學耦合器26將來自僕雷射72和光振盪器14之 RF調變之光波訊號加以組合至相同的光纖上。正確的耦合 長度之光學指向耦合器可用來形成二組結合的輸出，其係 5 由二輸出光纖承載。光耦合器26顯示於第2a和11圖中。組 合之輸出係為所要的RF光波外差波形。此輸出將具有位於 四個頻率區域上（例如 fFMl-，fFMO，iFMl + ".，fp〇l +，fp〇2+，fp〇3+."，f〇 和 fp〇l-，fp〇2-，fp〇3-)之頻譜項。 在波形組合器15上，二RF調變之光波訊號之光學外差 10 產生所要的稠密頻率擴展波形。第一個訊號係由光振盪器 14所產生的，且具有多個粗間隔音調。第二個訊號係由僕 雷射72產生，且具有一單一音調，其之頻率隨著時間週期 性地改變，其可能造成一包含多個精細間隔音調之傅立葉 頻譜。那些細微間隔音調之間隔係由RF訊號振盪器之頻率 15 調變率。第一和第二訊號在不同光學波長上。二個光學訊 號被導向到至少一光偵測器18，20上。至少一光偵測器18， 20光學地將這二訊號做外差。該外差程序產生從這二個RF 調變光波訊號得到之和與差頻率項之混合。一些這些頻率 項為在光學範圍中且非由至少一光偵測器18，20輸出的。 20 其他在RF範圍中且若那些項在光偵測器18，20之帶寬内， 則這些之大部份可由至少一光偵測器18，20輸出。熟悉技 藝之人士可容易地得到這些頻率項。這些項之一些包括在 (fp〇l+ — fFMl)，(fFMl — f〇)5(fFMl+ — fp〇l_)，(fpCm — f〇=fc〇l+)以及 (ίρ〇1+ - fp〇l- = 2fc〇i+)之頻率。 34 200408211 二組外差項代表藉由將第一RF光波訊號之細微間隔音 調與第二RF光波訊號之粗間隔音調交錯所產生之密集展: 調。這二組之-包含下列項：（W 一 w)，（w曰― fFM0)”..’(fp〇2+ - fFMl+)’(fp〇2+ — fFM·)，···。此組係由第】％圖加 5以說明的。其他組包含下列項：- fp〇1_UfFMQ〜 fpOl-)’···,(fFMl+-fpO2-)’(fFM0-fpO2-)，···（未圖示說明，伸類似 於第13d圖）。最好，一 RF帶通濾波器44被使用於至少一光 偵測器18，20之後以選擇外差項組之一。由每組密^展音 調表示之結果之頻展RF波形具有一總頻率帶寬，其係由足 10 弟一光波訊號之粗間隔多音調調變所決定的，且且有 音調間隔，其係由造成第一RF光波訊號之頻率調變率所決 定的。細微間隔音調預定被交錯於粗間隔音調中且填滿那 些音調間之空隙。如此，其頻率調變之延伸或範圍最好應 匹配粗音調間隔。 “ 15 ^外組的外差項包含只有粗間隔音調，只有細微間隔 音調或一單一頻率調變音調。那些其他組的音調在一感測 器系統中亦為有用的。若光振盪器1^^通帶和頻率調變 號(輸入至主雷射的）之中心頻率正確地選擇，那些額外組可 良好地與所要的密集展音調加以分離。下面提供一範例來 20說明中心頻率，帶寬和音調間隔之選擇。對此例，所需者 為一密集展波形，其之頻譜係由一具有20MHz之音調間隔 且涵蓋2GHz之帶寬之音調梳所構成的。此波形中心位於 4GHz。一第二所要的密集展波形中心在20GHz。一實現這 些波形之機制牵涉到調變一單音調RF訊號之頻率，其具有 35 200408211 一中心頻率8GHz。週期性頻率調變之速率為2〇mhz且總頻 率可及範圍為200MHz。注意適當的FM波形可被選擇來實 現一致振幅之音調。當此頻率調變的{〇7訊號振幅調變主雷 射時’在雷射之中心波長和其調變邊帶間之間隔遠大於僕 5雷射之入射鎖定帶寬，其一般來說為l-2GHz。光振盪器14 具有一 RF f通渡波器’其具有一 12GHz之中心頻率以及一 2GHz之帶通寬度。此光振盪器14使其光纖迴路之長度對一 200MHz之音調間隔加以設定。從光偵測器輸出之光外差具 有位於 3-5GHz，7.9-8.1GHz，ll-13GHz，19-21GHz，以及 10 23-25GHZ之頻譜項。位於3-5GHZ和在19-21GHZ之項為密集 展載子波形。位於7.9-84GHZ上之項為一組細微間隔音調。 位於ll_13GHz和在23-25GHz上之項只具有粗間隔音調。注 意這些頻譜項之集合彼此間隔很寬且可以RF帶通元件來容 易地加以選擇。 15 可由本發明之裝置所產生之頻率調變波形之型式之範 例說明於第14a-14c圖中。第14a圖顯示一具有週期性唧聲之 多音調波形。這樣的波形已於上面加以討論。其他顯示於 第14 b圖中之波形為一包含多個具有一線性頻率調變或呀 聲之音調之脈衝。第12c圖顯示一波形，其包含許多多音調 2〇 唧聲之短片段。這樣一個波形之簡單版本可從第14b圖藉由 將之劃分成許多片段且重新配置那些片段之順序來加以建 構。注意因為原始的線性FM為一單值可逆(SVI)函數，所以 重新配置之調變片段亦包含一SVI函數。片段可以許多方式 配置且配置可每個脈衝不同。又，頻率調變速率（例如卿聲 36 200408211 斜率)可從>j 改變至下—個。此頻率調變率之變化亦 =明於第14e圖中。片段之時間持續時間可不同。-般來 說’具有較高FM速率之片段將較短。雖然說明―線性頻率 „周义，但可使用不同的頻率調變函數。唯一的限制為該函 5 數具有SVI性質。 於第15圖中說明第l4b圖中所示之波型型式之接收預 處理器11G。此預處理器具有二個輸人。輸人之—為來自第 2b圖之產生H之傳送參考112。另—輸人為接波形，或雷 達返回訊號114。可將傳送參考和接收波形如—電氣訊號或 10 15 20 rf光波為虎叙供應。為了簡化說明，第15圖中之預處理 器110係對具有固定持續時間之部份且其頻率調變速率每 個部伤皆維持相同之波形而設計的。預處理器⑽包含二個 分接延遲線116、118，一個對參考波形112，而一個對接收 波形114。在一延遲線中有與在一脈衝中之部份一樣多之分 接。延遲線116、118之時間延遲係與部份之持續時間匹配。 對接收波形114來說，每個分接饋送一多音調比較器12〇。 又，每個分接係與對應的傳送波形112之一特定部份相關。 比較器120之輸出被加以結合以產生壓縮的多音調脈衝 128。對參考波形來說，每個分接饋送一對開關124，126， 其將該分接部份導向多音調比較器U0之一。每個門關 I24、I26最好具有一單一極，N接點能力，其中N為部^ 數目。分接延遲線116之功能和對參考波形il2之門關1 126係要將參考波形之一特定部份之多個時間站 ’ ^遲複製提 給與該部份相關之多音調比較器120。該效應為 〜❻動相關 37 200408211 器，其連續地將接收波形114與一傳送參考112之間隔區分 版本加以比較。接收波形114與參考波形112之絕對同步並 非必要的，因為參考波形112係每個部份間隔加以重覆的。 如此，此預處理器之範圍模糊性僅為與一部份之持續時間 5 相關之範圍。 在第15圖中，將互相連接開關124，126之路徑顯示為 一實線或一虛線之不同型式。這些型式(實線或一特定虛線 型式）亦使用於第16圖中以表示不同的波形部份來顯示部 份之間的關係，且用以辨識在第15圖中之對應於那些部份 10 之開關 124、126。 第16圖說明顯示為第15圖中之一方塊之一多音調比較 器120,且亦說明在接收和參考延遲線114、112上之音調（或 音調佔位符號）。比較器120包括二組濾波器132、134以及 一組混合器136。一組濾波器被饋以參考波形112之多音調 15部份。其他組被饋以接收波形114之多音調部份。那些濾波 器將多重音調分離為個別音調或分離為小組或音調之次集 合。未被選擇到的音調(“音調佔位符號”)係由第16圖之右手 邊上虛線加以說明的（具有十分短的虛線），以及所選擇到的 音調以實線顯示。 20 可使用頻率選擇多工器或指向濾波器來取代濾波器。 又，注意到這些濾波器之功能可由位於分接延遲線之輸入 上放置之濾波器組加以完成，如稍後討論的。每個混合器 136係與—對已予濾波器相關，每組一個濾波器。混合器136 混合或相乘所選擇之音調（或音調組）並決定它們的時間重 38 5 定及它們的頻率差異。熟悉技藝之人士會了解到這些參數 提供有關由一雷達訊號所說明之物體之資訊。例如，時間 重疊之出現和傳送脈衝開始與該重疊發生之間所經的時間 提供目標範圍之指示。又，混合器輸出音調之頻率可提供 與目標範圍及其都卜勒速度之資訊。進一步的處理被用來 得到此資訊。不同混合器輸出音調之處理可藉由將它們於 刀離處理電路中分離處理，或藉由先將那些音調結合在一 起而獲得。用於此額外處理和結合之方法在雷達處理之技 藝上是已知的，且因此在此不進一步詳細地描述。 10 银卜取河爾濾波------------口口一往符性。 諸如濾波器帶寬和中心頻率和多音調之頻率間隔及〜 μ丰是 15 之持續時間之特性間之關係藉由考慮下列範例來如以1 論。假設在音調間之頻率間隔釘為5〇厘1^。波形具有四°、 個音調，其橫跨2GHZ之範圍。假設頻率調變為線性的。十 脈衝之持續時間上之總頻率改變為1GHz。脈衝持續在 為1〇〇μ秒且被分離成2·5μ秒之4〇個部份片段。如此，、、間 個音调來說，該音胡灰一邱拾’ 忑曰凋在口Ρ份間隔内之頻率改變 駡Hz。使得頻率改變_顯小於頻率間隔Δί是重為 20 k允。午、誕據波器將一多音調波形之不同音調分離出來 渡波器132、134通帶必須寬於頻率改騎。濾。 器在一組中之數目係由總頻率跨幅所決定的了其為^二合 予音調之最大頻率改變結合之多音調波形之跨幅。例巳 此總跨幅為3GHz。 如， 在範例中，對-50MHz之音調間隔，每個部份所u 39 200408211 濾、波器或混合器之數目Μ為六十。又，有2χΝ組濾波器和N 組混合器’其中N為片段之數目。本例之“蠻力，，實現會需要 4,800個渡波器及2,4〇〇個混合器。其他“蠻力，，實現方法將濾 波功能與多音調混合功能分離開來。此實現具有Μ個置於 5分接延遲線之Μ組前之濾波器，以分離地處理接收和參考 波形片段。濾波器之數目減少至2χΜ=120個，代價為分接 延遲線數目之增加，從2至120。又，Μ擊開關現在需要。 混合器之總數維持不變。 可能濾波器U2、134必須具有一單一通失。一些濾波 10器可具有頻譜週期通帶。這樣的濾波器可藉由例如共振元 件或以橫截設計來實現。對要使用的這樣的濾波器來說， 其自由頻譜範圍（FSR)或頻譜周期應大於頻率調變多音調 波形（其在此例中為2+lGHz)之總頻率跨幅。此要件確保不 會有多音調之折疊或不確定。然而，揭示之接收器預處理 15器110之較佳實現利用具有一小於總頻率跨幅冬FSR之濾波 器。此實現說明於第17圖中。此特定實現之一重要特徵為 對接收波形之濾波器134之FSR不同於對參考波形之濾波器 132之FSR。如此，不同的別名音調在頻率上彼此位移。此 允許它們稍後在功率上結合（非一致地）而非在振幅上（一致 2〇 地）。考慮一範例，其中接收波形炙濾波器134具有一 7x40=280MHz之FSR。又，對參考波形之濾波器132具有一 8x40=320MHz之FSR。在此情況中，所濾波之訊號之混合 將產生多個音調，其分離50MHz。因為它們的FSR不同，所 以每個混合音調從由二頻譜週期濾波器所通過之一對音調 40 200408211 產生。此方法之一好處為遽波|§和分接延遲線之減少。例 如，現在由七個濾波器和分接延遲線來處理參考波形，且 在由八個濾波器和分接延遲線來處理參考波形。如此，濾 波器和分接延遲線之總數目已被減少至十五。又，所需的 5 混合器之數目已被減至15x40=600。此實現之交換條件為每 個混合器之輸出現在已近於八個音調。隨後的處理器必須 分辨這些音調(例如藉由將它們濾波）。小數目頻率固定：^音 調之這樣的處理在先前技藝之能力内。 本發明之預處理器亦可處理一由週期性頻率調變所產 10生之波形。為了與上例一致，考慮一由〇·2ΜΗζ之頻率調變 率所產生且具有一 50MHz頻率範圍之波形。此週期性唧聲 之週期為5μ秒。以此範例之預處理器來做，二片段將被包 含於唧聲之每個時間週期中。再次，濾波器應具有一至少 25MHz之通帶。 15 已參考許多不同實施例來描述本發明。熟悉技藝之人 士會了解到在對一特定應用選擇一特定實施例（或其之修 改）時會有工程的條件交換。例如，在雷達應用中，熟悉技 々之人士會了解到頻率調變實施例會適於改進範圍解析 ^仁同時將受到較佳的相位雜訊，意即較慢移動的物體 20難以偵測。 此已與較佳實施例連接來描述本發明，但於熟悉 藝之人士來說現在修改變化當然是明顯的。如此，本發 並非文限於所揭示之實施例，除了由所附申請專利範 所要求者外。 41 200408211 L圖式簡皁说明3 第1圖為一以一RF光波合成器執行之先前技藝頻率轉 換技術之說明； 第2a圖為一捷波形產生器之一實施例之方塊圖； 5 第2b圖為一捷波形產生器之其他實施例之方塊圖； 第3圖為多迴路，多音調光振盪器之方塊圖； 第4圖說明一多迴路，多音調光振盪器之測量到的RF 頻譜； 弟5圖為一指出十分而頻譜純度之雙迴路（1 長迴 10路，8m短迴路)之多音調光振盪器之一RF音調之詳細頻譜； 第6圖為一具有光學放大迴路之多迴路，多音調光振盪 器之方塊圖； 第7圖為以光注入為基礎之快速切換光學外差合成器' 之說明； 15 第8圖為以一鎖相迴路為美虛夕也 馬㈣之快逮切換外差合成器 之說明； 20 第9圖為一多迴路，多音調光振 -快速波長可調整和一固定波長雷；:方塊圖 外差合成器之方塊圖，該光振£器具^成之快速刀換先 置和-反饋迴路來控制光纖長度；以域長度控制取 第10圖類似於第9圖，但並非具 置’其利騎路之相位㈣來補償纖長度控制裝 中之光纖之長度上的環境改變。 k略音調光振盪器 第11圖為一 雷射調變ϋ和第2b_ 中所示之選擇器之方 42 200408211 塊圖， 第lla-llc圖說明由第11圖之裝置之頻率調變音調之產 生； 第12圖為一顯示具有第3圖之光振盪器之第11圖之元 5 件之方塊圖； 第13a-13d圖說明在波形產生器中之不同位置上產生 之頻譜； 第14a-14c圖說明可被產生之不同頻率調變展波形； 第15圖為一說明對第14c之頻率調變波形之切換和分 10 接延遲線預處理器之方塊圖； 第16圖為一說明預處理器之多音調比較器功能之方塊 圖； 第17圖說明用以多音調產生之一較佳延遲線預處理器 之第一級。 15 【圖式之主要元件代表符號表】 12…載波波形產生器 13…粗間隔梳產生器及光結 合器 14…多音調光梳產生器 15…波形編碼器及結合器 16…快速切換光外差合成器 16’···雷射調變器-選擇器 17…頻率調變及細微間隔梳 產生器 18、20、38、39、40…光偵測器 22、32…光學強度調變器 23…光纖傳佈網路 24…低頻，低雜訊參考振盪器 25…隔絕器 26…光學搞合器 27…Er-摻雜或Yb/Er-摻雜部份 28…RF輸入訊號 29…幫浦雷射 43 200408211 30···頻率調變RF載波振盪器 85…光耦合器 31…劃波長多工器 32’···電吸收調變器 33…電輸入 34…供梳間隔用之延遲線 35…帶選擇器 36…用以減少雜訊之延遲線 42…放大器 44、132、134…帶通濾波器 70…單音調CW雷射 70、72…窄線寬雷射 74…參考振盪器 76…多線主雷射 78…單音調RF振盈器參考 80、80’···ΙΧ)選擇器 82…可調RF振盪器參考 84、94…除頻器 86、98…混合器 87…光摘測器 88…迴路濾波器 90···錯誤訊號 92…光纖長度控制 93…光電流 96…音調選擇濾波器 100···控制迴路濾波器 110…接收器預處理器 112···多音調參考波形 114···多音調接收波形 116、118···延遲線 120…比較器 122—RF結合器 124、126…開關 128…壓縮波形
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