基于循环移频的射频跳频信号产生方法及装置与流程

本发明涉及一种射频跳频信号产生方法，尤其涉及一种利用微波光子技术实现的射频跳频信号产生方法及装置。

背景技术：

跳频信号是一种扩频方式，有良好的抗干扰作用，在通信，雷达以及电子战系统中有着重要作用。在通信系统中，跳频技术可以提高通信容量和抗干扰能力；在雷达系统中，跳频信号的大时间带宽积(time-bandwidthproduct,tbwp)可以增加探测距离，提高距离分辨率。目前，传统电子方法产生的跳频信号，因受限于电子瓶颈，带宽小(在ghz一下)，速度慢(为khz数量级)。随着微波光子技术的发展，在光域中产生射频跳频信号的方法被提出。微波扫频信号可以通过一个分布式布拉格反射器激光器或两个分布式反馈激光器产生的两波长不同的光拍频产生。但是光的线宽在扫频时增加，使得产生的射频信号的质量变差。同时还有空时映射法，频时映射法。李王哲等人在"frequency-hoppingmicrowavewaveformgenerationbasedonafrequency-tunableoptoelectronicoscillator"(li,wangzhe,weifengzhang,andjianpingyao."frequency-hoppingmicrowavewaveformgenerationbasedonafrequency-tunableoptoelectronicoscillator."opticalfibercommunicationconference.opticalsocietyofamerica,2014.)中提出了基于光电振荡器的跳频信号产生方法，跳频速度达10mhz，tbwp达700，带宽小于10ghz。周沛等人在"flexiblefrequency-hoppingmicrowavegenerationbydynamiccontrolofopticallyinjectedsemiconductorlaser"(zhou,pei,etal."flexiblefrequency-hoppingmicrowavegenerationbydynamiccontrolofopticallyinjectedsemiconductorlaser."ieeephotonicsjournal8.6(2016):1-9.)中通过光注入半导体激光器产生了带宽大于10ghz的跳频信号，跳频速度为10mhz。

利用微波光子技术产生的跳频信号带宽相比于传统电方法有了巨大提升。如何进一步扩大带宽范围仍在研究中；同时，如何实现高速跳频以及控制跳频速度，也有待进一步研究。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种射频跳频信号产生方法，可提高跳频信号的带宽范围，实现高速跳频，且跳频信号中心频率及跳频速度可控。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种基于循环移频的射频跳频信号产生方法，将频率为fc的光信号分为两路；对第一路光信号进行移频后得到参考光信号；将第二路光信号通过光开关转换为周期性的光脉冲信号，然后将光脉冲信号输入循环移频模块，并令以下条件得到满足：

或其中t、τ分别为所述光脉冲信号的周期、脉宽，tl为光在所述循环移频模块的环路中走一圈所需时间，n为大于1的整数，则从所述循环移频模块输出光跳频信号；对所述光跳频信号与参考光信号进行拍频，即得到射频跳频信号，且所述射频跳频信号的中心频率可通过改变第一路光信号的移频量进行调整。

优选地，所述循环移频模块包括：

光合路器，用于将所述光脉冲信号与来自光分路器的光信号进行合路；

双平行马赫曾德尔调制器，其被其余参数相同但相位相差π/2的射频信号驱动，用于对所输入光信号进行移频，移频量为所述射频信号的频率，移频的方向由双平行马赫曾德尔调制器的偏置状态决定；

光分路器，用于将双平行马赫曾德尔调制器的输出信号分为两路，一路作为所述循环移频模块的输出，一路送入所述光合路器；

光滤波器，串接于光合路器与光分路器之间或者接在所述循环移频模块的输出端，其对于频率在fc+δf～fc+n×δf光信号为带通，对于频率为fc+(n+1)×δf及以上频率的光信号为带阻。

进一步优选地，所述循环移频模块还包括串接于光合路器与光分路器之间的光放大器。

优选地，使用双平行马赫曾德尔调制器来对第一路光信号进行移频，所述双平行马赫曾德尔调制器被其余参数相同但相位相差π/2的射频信号驱动，移频量为所述射频信号的频率，移频的方向由双平行马赫曾德尔调制器的偏置状态决定。

优选地，所述光开关为马赫曾德尔调制器，光开关的开关状态通过马赫曾德尔调制器的偏置状态来控制。

根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案：

一种基于循环移频的射频跳频信号产生装置，包括：

光源，用于生成频率为fc的光信号；

第一光耦合器，用于将光源输出的光信号分为两路；

光移频模块，用于对光源输出的第一路光信号进行移频后得到参考光信号；

光开关，用于将光源输出的第二路光信号转换为周期性的光脉冲信号；

循环移频模块，用于对所述光脉冲信号进行循环移频以输出光跳频信号，并且以下条件得到满足：或其中t、τ分别为所述光脉冲信号的周期、脉宽，tl为光在所述循环移频模块的环路中走一圈所需时间，n为大于1的整数；

第二光耦合器，用于将所述参考光信号和光跳频信号合为一路；

光电探测器，用于对第二光耦合器输出光信号进行光电转换后输出射频跳频信号。

优选地，所述循环移频模块包括：

光合路器，用于将所述光脉冲信号与来自光分路器的光信号进行合路；

双平行马赫曾德尔调制器，其被其余参数相同但相位相差π/2的射频信号驱动，用于对所输入光信号进行移频，移频量为所述射频信号的频率，移频的方向由双平行马赫曾德尔调制器的偏置状态决定；

光分路器，用于将双平行马赫曾德尔调制器的输出信号分为两路，一路作为所述循环移频模块的输出，一路送入所述光合路器；

光滤波器，串接于光合路器与光分路器之间或者接在所述循环移频模块的输出端，其对于频率在fc+δf～fc+n×δf光信号为带通，对于频率为fc+(n+1)×δf及以上频率的光信号为带阻。

进一步优选地，所述循环移频模块还包括串接于光合路器与光分路器之间的光放大器。

优选地，所述光移频模块为双平行马赫曾德尔调制器，所述双平行马赫曾德尔调制器被其余参数相同但相位相差π/2的射频信号驱动，移频量为所述射频信号的频率，移频的方向由双平行马赫曾德尔调制器的偏置状态决定。

优选地，所述光开关为马赫曾德尔调制器，光开关的开关状态通过马赫曾德尔调制器的偏置状态来控制。

相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

一、本发明突破了传统方法对产生的信号的带宽限制，可以提高所产生的射频信号的带宽，带宽仅受限于光电探测器和光滤波器的带宽。

二、本发明所产生的跳频信号，其跳频速度是可控的，通过改变光开关打开的持续时间，光开关的开闭周期和光在循环移频模块绕一圈的时间，就可以根据需求改变跳频速率，可实现高速跳频。

附图说明

图1为本发明射频跳频信号产生装置的基本结构原理示意图；

图2为循环移频模块的一种优选结构示意图；

图3为τ＝tl，t＝ntl时，产生的射频跳频信号与时钟信号波形之间的对应关系示意图，其中上方为射频跳频信号波形，下方为时钟信号波形，τ为光开关打开的持续时间，也即光在环路中转一圈的时间，t为光开关的打开周期；

图4(a)、图4(b)为改变光开关打开的持续时间后的输出波形，其中图4(a)为光开关打开时间缩短的情况，图4(b)为光开关打开时间延长的情况；

图5(a)、图5(b)为改变光开关的开闭周期后的输出波形，其中图5(a)为光开关开闭周期延长的情况，图5(b)为光开关开闭周期缩短的情况；

图6为tl＝(n-1)τ，t＝nτ时产生的波形，其中光开关的打开时间为τ，光在环路中绕一圈的时间为tl，光开关的开闭周期为t；

图7为tl＝(n+1)τ，t＝nτ时产生的波形，其中光开关的打开时间为τ，光在环路中绕一圈的时间为tl，光开关的开闭周期为t。

具体实施方式

针对现有技术的不足，本发明的思路是将光载波分为两路，一路进行移频，另一路利用光开关与循环移频模块的相互配合产生光跳频信号，然后将两路信号拍频，从而得到大带宽且中心频率和跳频速率可控的射频跳频信号。

具体而言，本发明基于循环移频的射频跳频信号产生方法具体包括以下步骤：将频率为fc的光信号分为两路；对第一路光信号进行移频后得到参考光信号；将第二路光信号通过光开关转换为周期性的光脉冲信号，然后将光脉冲信号输入循环移频模块，并令以下条件得到满足：或其中t、τ分别为所述光脉冲信号的周期、脉宽，tl为光在所述循环移频模块的环路中走一圈所需时间，n为大于1的整数，则从所述循环移频模块输出光跳频信号；对所述光跳频信号与参考光信号进行拍频，即得到射频跳频信号，且所述射频跳频信号的中心频率可通过改变第一路光信号的移频量进行调整。

为了便于公众理解，下面结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示，本发明的射频跳频信号产生装置包括激光源、光移频模块、光开关、循环移频模块、光电探测器以及两个光耦合器；激光源所发出的频率为fc的光信号经第一个光耦合器分为两路，一路通过光开关送入循环移频模块，并通过对光开关的时钟信号进行控制得到光跳频信号，另一路经光移频模块移频后作为之后拍频的参考光信号；用光电探测器对光跳频信号与参考光信号进行拍频，即得到射频跳频信号，且所述射频跳频信号的中心频率可通过改变第一路光信号的移频量进行调整。

上述光移频模块可以采用现有的各种光移频技术，例如最常用的声光调制器，但优选采用基于双平行马赫曾德尔调制器的光移频方案，所述双平行马赫曾德尔调制器被其余参数相同但相位相差π/2的射频信号驱动，移频量为所述射频信号的频率，移频的方向由双平行马赫曾德尔调制器的偏置状态决定。相比于用声光调制器进行移频，此种方法移频的频率更大，声光调制器的移频范围在mhz量级，而此方法移频范围在ghz。

本发明所使用的循环移频模块，如图2所示，是包括双平行马赫曾德尔调制器(dpmzm)、光合路器、光分路器、光滤波器的一个环路，此外，为了补偿调制产生的损耗，在所述环路中还设置有光放大器。

下支路生成光跳频信号的过程基本原理具体如下：

本实施例中的光开关由马赫增德尔调制器(mzm)构成，当mzm只有直流偏置时，其输出为emzm＝cosφein，控制时钟信号，使φ在0与两个点交替变化，即可实现开关功能，当然，其它现有光开关也可使用。打开光开关后，频率为fc的光信号进入环路中(输入光为)，控制dpmzm的直流偏压以及加载的两个射频信号的相位即可对光进行抑制载波单边带(cs-ssb)调制。dpmzm的两射频端口加载的射频信号频率相同，相位相差90°，设其上路加载的是余弦信号，下路加载的是正弦信号，则上路输出为：

调节上路直流偏压，使得根据小信号近似，又得到：

同理，得到下路的输出信号：

再调节第三个直流偏置，使上下两路分别相移和整个dpmzm的输出为：

这样就实现了cs-ssb。这也就是上述基于双平行马赫曾德尔调制器的光移频方案的基本原理。

在满足时，设光在环路中环绕一圈的时间为τ，为了不让光的前部与光的尾部发生干涉，需要控制光开关的打开时间也为τ。则在经过nτ时间之后，光场从该式看出得到了光跳频信号，跳频频率为为了保证产生信号的功率一定，环路中包含一个光放大器(例如掺铒光纤放大器(edfa)或半导体光放大器(soa))，对每转一圈的光损耗进行补偿。将光滤波器的阻带区间设置为[fc+(n+1)δf，+∞)，则能通过的最大频率为fc+n·δf，在环路中环绕的时间为t＝nτ。经过时间t后，光路中将不再有信号，所以打开光开关，使原始光信号再次进入环路，由此可以看出光开关的开关周期为t。将得到的光跳频信号与参考光信号合束，etot＝ein+eloop，再送入pd拍频：

光电探测器只输出交流分量。由此看出，该方法产生一个周期内，频率依次为δf，2δf，…，n·δf的跳频信号，如图3所示。因为上支路参考光的频率可经光移频模块调谐，所以得到的射频跳频信号的中心频率也是可调谐的。

若我们改变光开关打开的持续时间，当持续时间缩短时，则在τ时间内，光不能充满整个环路，所以得到的波形如图4(a)所示；当持续时间延长时，则光的前部和尾部发生混叠，所以得到的波形如图4(b)所示。若我们改变光开关的开闭周期，当周期变长时，前一周期的光信号和后一周期的光信号不能拼接起来，如图5(a)所示；当周期变短时，前一周期的光信号和后一周期的光信号发生混叠，如图5(b)所示。在此基础上，我们对光开关打开的持续时间、光开关的开闭周期和光在循环移频模块绕一圈的时间加以控制，就可以得到跳频速度更快的跳频信号。

改变光开关的打开时间，设其为τ，光在环路中绕一圈的时间为tl，光开关的开闭周期为t，这三者之间满足如下的关系：此时，可以将信号在某一频率的持续时间缩减为上述方法的1/n，跳频的速度更快。

当tl＝(n-1)τ时，由于tl＜t，所以在时间区间(tl,tl+τ)里，会出现完成移频的第一个光脉冲，在tl+τ时刻(也就是t时刻)，第二个光脉冲进入循环移频模块，这时第一个和第二个光脉冲再进行移频，在第二个光脉冲完成移频后，第三个光脉冲进入循环移频模块，以此类推，设置好滤波器的带宽范围，频率大于fc+n·δf的光不可通过，便可产生频率减小的光跳频信号，整个过程如图6所示，然后与上路的光合束，送入pd拍频，便可以产生频率减小的射频跳频信号。当tl＝(n+1)τ时，其过程与上述情况类似，其过程如图7所示，可产生频率增大的射频跳频信号。