一种基于光学模数转换的微波信号测频方法及装置的制造方法
【专利摘要】本发明涉及光电技术领域，特别涉及一种基于光学模数转换的微波信号测频方法及装置。本发明的方法，采用三路采样率互质的光学模数转换器，分别对待测微波信号进行下变频模数转换，再对数字信号进行快速傅立叶变换，得到通道测频结果，最后对三个通道结果进行对比计算，得出待测微波信号的频率。本发明利用光学模数转换器对微波信号频率进行测量，显著提高了测量精度和测量范围。
【专利说明】
一种基于光学模数转换的微波信号测频方法及装置
技术领域
[0001] 本发明涉及光电技术领域，特别涉及一种基于光学模数转换的宽带、高精度微波 信号频率测量方法及装置。
【背景技术】
[0002] 随着微波光子学的发展，利用微波光子技术测量微波信号频率的方法因其具有测 频范围大、精度高、抗电磁干扰等优势受到越来越多的关注。
[0003] 目前基于微波光子技术的微波信号测频方法分为三类:频率-功率映射、频率-时 间映射和频率-空间映射。频率-功率映射方法将待测微波信号调制到光载波上，利用光学 色散导致的不同频率微波信号功率衰减差异实现频率测量，Nguyen等人(Nguyen L V T， Hunter D B. A photonic technique for microwave frequency measurement. IEEE photonics technology letters，2006，18(9-12): 1188-1190 ·)利用该方法实现了频率位 于4-12GHZ范围内微波信号的测量，精度达到100MHz。频率-时域映射方法将待测微波信号 调制到光载波上，利用光学色散导致的不同频率微波信号延迟差异实现频率测量，Nguyen 等人（Nguyen L V T.Microwave photonic technique for frequency measurement of simultaneous signals.Photonics Technology Letters,IEEE,2009,21(10):642-644.) 利用该方法实现了 20GHz和40GHz信号的同时测量，但因为系统需要高速光开关和高速脉冲 设置时间测量参考点，系统精度难以提升。频率-空间映射方法将待测微波信号调制到光载 波上，利用空间光学色散元件导致的不同频率微波信号衍射角差异实现频率测量，Wang等 人（Wang C，Yao J P.Ultralhigh-resolution photonic-assisted microwave frequency identification based on temporal channelization. IEEE Trans Microw Theory 丁6(*11，2013,61(12):4275-4282.)利用该方法实现了范围256抱，精度551抱的频率测量。
[0004] 综上所述，目前已有的微波光子测频方案存在精度不高、测量范围有限等问题，且 大多方案只能对单频微波信号进行测量，无法满足日益复杂的射频环境中宽带微波信号的 高精度测量应用。
【发明内容】
[0005] 本发明针对上述问题，提出一种基于光学模数转换的微波信号频率测量方法及装 置。
[0006] 本发明的技术方案:一种基于光学模数转换的微波信号测频方法，包括以下步骤：
[0007] a.利用电光调制器将频率为fs的待测微波信号加载到重复频率为的超短光脉冲 序列强度包络上，实现待测微波信号的光学下变频采样，再利用采样频率为h的电子模数 转换器进行量化和编码，完成第一通道光学模数转换；
[0008] b.利用电光调制器将频率为fs的待测微波信号加载到重复频率为f2的超短光脉冲 序列强度包络上(f 2与互质），实现待测微波信号的光学下变频采样，再利用采样频率为f2 的电子模数转换器进行量化和编码，完成第二通道光学模数转换；
[0009] C.利用电光调制器将频率为fs的待测微波信号加载到重复频率为f3的超短光脉 冲序列强度包络上(f 3与互质），实现待测微波信号的光学下变频采样，再利用采样频 率为f2的电子模数转换器进行量化和编码，完成第三通道光学模数转换；
[0010] d.利用数据处理模块对三个通道输出的数字信号分别进行傅里叶变换，得到三个 通道对信号下变频模数转换后的频率f samp 1 ei、f sampl e2、f samp 1 e3，对其进行对比运算，获 得系统最终测频结果fr。
[0011 ] 本发明方案由3个锁模激光器、3个电光调制器、3个窄带探测器、3个模数转换器、1 个微波信号源和1个数据处理模块构成。3个电光调制器分别将微波信号源发出的待测微波 信号调制到3个锁模激光器输出的超短脉冲序列强度脉冲包络上;再分别经过3个窄带探测 器将光信号转换成电脉冲信号;然后通过3个模数转换器进行量化和编码;最后利用数据处 理模块对三个通道的数字信号分别进行数据处理。
[0012] 本发明采用三路采样率互质的光学模数转换器，分别对待测微波信号进行下变频 模数转换，对数字化信号进行快速傅里叶变换，得到三通道测频结果，对三个通道结果进行 对比计算，得出待测信号频率。
[0013] 本发明的有益效果为，利用光学模数转换器实现微波信号测频，由于光学模数转 换器的模拟带宽大、精度高、可加载多频信号的特点，本测频系统实现了宽范围、高精度、多 频率微波信号测量;且该系统结构简单，抗电磁干扰能力强。
【附图说明】
[0014] 图1为本发明提供的基于光学模数转换的微波信号测频装置的结构示意图；
[0015] 图2为对46.6GHz微波信号进行测频，第一通道模数转换结果及拟合曲线；
[0016]图3为对46.6GHz微波信号进行测频，第一通道模数转换结果频谱图；
[0017]图4为对46.6GHz微波信号进行测频，第二通道模数转换结果及拟合曲线；
[0018]图5为对46.6GHz微波信号进行测频，第二通道模数转换结果频谱图；
[0019]图6为对46.6GHz微波信号进行测频，第三通道模数转换结果及拟合曲线；
[0020]图7为对46.6GHz微波信号进行测频，第三通道模数转换结果频谱图。
【具体实施方式】
[0021]下面结和附图和实施例对本发明进行详细的描述。
[0022]在如图1所示，装置结构由第一锁模激光器101、第二锁模激光器102、第三锁模激 光器103、第一电光调制器201、第二电光调制器201、第三电光调制器203、第一窄带探测器 301、第二窄带探测器302、第三窄带探测器303、第一模数转换器401、第二模数转换器402、 第三模数转换器403、数据处理模块5、微波信号源6构成。三个锁模激光器101、102和103分 别输出重复频率为fi、f 2和f3的光脉冲序列，待测信号6分三路经三个电光调制器201、202和 203加载到三路光脉冲序列上，实现光学采样;三路光采样脉冲分别经窄带探测器转换成电 脉冲信号，再由模数转换器对其进行量化和编码;数据处理模块5对三路数字信号进行傅里 叶变换并对其进行对比计算，得出最终测频结果。
[0023]具体的，以第一通道光学模数转换为例，其原理如下：
[0024]第一锁模激光器输出时域上等间隔等幅度的超短光脉冲序列，频域上表现为等间 隔、相位锁定的一系列光学模式，第一锁模激光器频谱可表示为
[0026]其中，fc表示锁模激光器的中心频率，Pn为脉冲形状的傅里叶系数。以简单标准单 频微波信号为例，其时域形式为标准余弦函数，其频谱可表示为
[0028]其中fs为待测信号频率，Π为信号幅度。经第一电光调制器将待测微波信号加载 到激光器输出的光脉冲上，即对每个光学模式进行了双边带调制，调制后采样光脉冲频域 形式为
[0030]其中，m表示调制器的调制系数。通过窄带探测器将采样光脉冲序列转换为电脉冲 序列，实现光学拍频，输出的信号频谱表示为
[0032]其中，Dn与En表示相应的信号幅度，模式组数Μ由探测器带宽决定。利用电子模数转 换器完成量化和编码，电子模数转换器采用交流耦合方式会滤除直流信号，且模数转换器 的瞬时带宽为fV2,其频谱峰值所在频率fsampl ei即为该通道下变频光学模数转换测得频 率。
[0033]同理，第二通道与第三通道光学模数转换器测得的下变频光学模数转换结果分别 为fSample2、fSample3,且三个通道对信号下变频模数转换后的频率满足
[0034] fsamplei^；fi/2(i = 1,2,3) (5)
[0035] 其中，任一通道实际测得信号频率fri与f sampled i = 1，2，3)间关系存在两种情 况，当fri与fi/2的商取整结果为奇数时
[0036] fri=(ni+l)fi-fsamplei(ni 为自然数，i = l，2,3) (6)
[0037] 当fri与fi/2的商取整结果为偶数时
[0038] fri = nifi+fsamplei(ni 为自然数，i = l，2,3) (7)
[0039] 对三个通道测得频率结果进行对比计算，计算出令；1^1 = ；1^2 = ；1^3的111、112、113，得到 系统最终测频结果fr = fri。
[0040]本发明采用三路采样率互质的光学模数转换器，分别对待测微波信号进行下变频 模数转换，对数字化信号进行快速傅里叶变换，得到三通道测频结果，对三个通道结果进行 对比计算，得出待测信号频率。
[0041 ] 实施例
[0042]本实例采用Optisystem软件进行仿真。在以下具体参数下，对本发明提供的基于 光学模数转换的微波信号测频方法进行了模拟仿真。其中三个锁模激光器的中心波长均为 1550nm，输出平均光功率为10mW，脉冲宽度500fs，其重复频率负42 43分别为〇.996他、 lGHz、1.01GHz;三个电光调制器模拟带宽均为50GHz，调制深度30dB;窄带探测器3dB带宽为 3GHz;电子模数转换器采率与对应通道锁模激光器相同，量化位数8bit，采样点数为256;微 波信号源输出频率为46.6GHz的微波信号；每通道基于以上设定，该系统测频范围为0~ 50GHz〇
[0043] 通道1中锁模激光器重复频率为0.99GHz，即该通道光学采样率为0.99GS/s，46.6 对0.99取余结果为0.07，由公式(5)、（6)、（ 7)可知，通道1测得频率理论上为0.07GHz;同理， 通道2中光学采样率为lGS/s，通道3中为l.OIGS/s，通道2、3测得频率理论值应分别为 0.4GHz、0.14GHz。仿真所得三个通道模数转换结果及拟合曲线分别如图2、4和6所示。由图 3、5和7所示的对数字信号进行傅里叶变换所得的三个通道频谱结果可知，三个通道下变频 采样后频率结果分别为0.0699GHz、0.400GHz、0.139GHz，由此计算出系统最终测频结果fr 为46.599GHz，完成高精度的微波信号频率测量。
[0044]上述具体实施例完成了对频率为46.6GHz微波信号的频率测量，测量结果为 46.599GHz，误差仅为1MHz，测量装置具有精度高的优点。
[0045] 由具体实例可知，本发明提出了一种基于光学模数转换的微波信号测频方法及装 置，它具有测量范围大、精度高的优点，另外还有可测多频信号、抗电磁干扰能力强等特点。 此外，实际的模数转换器可达到更大的存储深度，得到更高的频率分辨率，使本系统实现更 高的测频精度。
[0046] 另外需要说明的是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的原 理方法范围内的多种简化、变型均属于本发明的保护内容。
【主权项】
1. 一种基于光学模数转换的微波信号测频方法，其特征在于，包括以下步骤： a. 利用采样率为的第一通道光学模数转换器对待测微波信号进行下变频光学模数转 换，得到数字信号； b. 利用采样率为5(5与&互质）的第二通道光学模数转换器对待测微波信号进行下变 频光学模数转换，得到数字信号； c. 利用采样率为f3(f3与fi、f2互质）的第三通道光学模数转换器对待测微波信号进行下 变频光学模数转换，得到数字信号； d. 利用数据处理模块的对三个通道输出的数字信号分别进行傅里叶变换，得到对信号 进行下变频模数转换后的频率，并对其进行对比计算，得到最终测频结果。2. 根据权利要求1所述的一种基于光学模数转换的微波信号测频方法，其特征在于，具 体方法为： 利用重复频率为i = 1，2，3)的锁模激光器输出的超短光脉冲经强度调制器对频率为 fs的待测微波信号进行光学下变频采样，再利用采样率与激光器重复频率相等的电子模数 转换器进行量化和编码，得到数字信号;对数字信号进行傅里叶变换，得到下变频模数转换 后的信号频率fsamplei，其与对应通道最终测得频率fri之间的关系存在两种情况，当fri与 fi/2的商取整结果为奇数时fri = (ni+l)fi-fsamplei(m为自然数，i = l，2,3)，当fri与fi/2 的商取整结果为偶数时fri = mfi+fsamplei(ni为自然数，i = l，2,3)，对三个通道测得频率 结果进行对比计算，计算出令；^1 = ；^2 = ；^3的111、112、113，得到系统最终测频结果；^ = ；^1。3. -种基于光学模数转换的微波信号测频装置，其特征在于，包括第一锁模激光器 (101 )、第二锁模激光器（102 )、第三锁模激光器（103 )、第一电光调制器(201 )、第二电光调 制器(202)、第三电光调制器（203)、第一窄带探测器（301)、第二窄带探测器(302)、第三窄 带探测器(303)、第一模数转换器(401)、第二模数转换器(402)、第三模数转换器(403)、数 据处理模块(5)、微波信号源(6); 所述第一锁模激光器（101)、第一电光调制器(201)、第一窄带探测器(301)、第一模数 转换器(401)依次连接组成第一通道光学模数转换器;第二锁模激光器（102)、第二电光调 制器(202)、第二窄带探测器(302)、第二模数转换器(402)依次连接组成第二通道光学模数 转换器;第三锁模激光器（103)、第三电光调制器(203)、第三窄带探测器(303)、第三模数转 换器(403)依次连接组成第三通道光学模数转换器； 所述锁模激光器（101、102、103)用于产生超短光脉冲序列，利用电光调制器(201、202、 203)将微波信号源（6)产生的信号加载到对应通道超短光脉冲序列上，探测器（301、302、 303)将光脉冲序列转换为电脉冲信号，再由模数转换器(401、402、403)将对应通道信号量 化、编码，数据处理模块(5)对三通道所得数字信号进行傅里叶变换、并对比计算，得出待测 微波信号频率。
【文档编号】H04B10/69GK106027156SQ201610272724
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年4月29日
【发明人】张旨遥, 马阳雪, 杨帆, 彭迪
【申请人】成都卓力致远科技有限公司