基于双平行马赫增德尔调制器测量多普勒频移的装置及方法与流程

本发明涉及光通信技术领域和微波技术领域，主要涉及基于双平行马赫增德尔调制器实现微波信号多普勒频移测量。

背景技术：

由多普勒效应引起的多普勒频率偏移(DFS)现象广泛应用于移动通信、微波/毫米波测量、电子战和雷达系统中。因此对多普勒频移进行精确测量具有重要意义。传统电子测量方法一般基于相干振荡器和窄带混频器，采用傅里叶分析、时频分析、正交混频等方法测出DFS，测量器件工作在很窄的特定频段。随着无线电信号频率的不断提高，人们对电子接收机多功能一体化方面的要求越来越高，这意味着测量频率需要覆盖很大的范围，从几百兆赫兹到几十吉赫兹。由于电子瓶颈的存在，传统的电域测量方法只能测量较小的范围，从而限制了多功能一体化的接收机的进一步发展。

近几年，微波光子技术迅速发展。由于光子学技术具有瞬时带宽大、工作频段宽、抗电磁干扰等一系列优点，为微波测量方面提供了一个新的解决方案，基于光子学的DFS测量也逐渐成为研究的热点。

目前已报道的微波光子DFS测量方法主要有两种思路：1、建立特定的映射关系。将DFS转换成易于测量的幅度或功率，通过测量幅度或功率间接获得DFS。这种方法结构过于复杂，测量频率越高，误差越大。2、将接收到的回波信号用本振信号下变频到很低的频率，通过频谱仪精确测量出DFS的大小。与一般变频不同在于DFS需要确定正负。为了测量DFS的正负，一般增加一路频率参考模块，，但同时增加了系统的复杂度和误差因素来源；也可以采用正交混频和平衡探测结合的方法，通过比较正交两路信号的相位差来确定正负。第二种思路测量准确，但是目前报道的方法采用了较多的调制器和分立器件，系统过于复杂，误差来源较多，需要进一步改进。

技术实现要素：

为了解决技术背景中所存在的问题，本发明提出了一种基于双平行马赫增德尔调制器(DPMZM)测量DFS的装置及方法。DFS的大小通过频谱仪精确测量，正负通过比较上下两路的相位差来确定。相位差可以通过DPMZM主调制的偏压进行调节。相比于技术背景中提到的测量方法，该方法只采用了一个简单的外调制器，该器件集成技术已经很成熟，从而使得该方法结构简单，易于实现。另外由于该发明中使用的滤波器为密集波分复用器(DWDM)，DWDM通带平坦，带宽大，使得该发明转置及方法不受载频影响，可以在很大的载频范围内测量DFS同时保持很小的误差。

本发明采用的技术方案是：所述装置包括激光二极管(LD)、DPMZM调制器、掺铒光纤放大器(EDFA)、DWDM、光电探测器(PD)。LD的输出端口与DPMZM的输入端相连，回波信号(Echo signal)加载在DPMZM上臂马增调制器(MZM)上，发送信号(Transmitted signal)加载在DPMZM下臂MZM上，DPMZM的输出与EDFA相连，EDFA输出光信号与DWDM相连，DWDM其中两路输出分别连接PD。

上述DPMZM由Y型分光器、上下并行的MZMa和MZMb，以及主调制器MZMc集成。MZMa和MZMb具有相同的结构和性能，各有独立的射频口和直流端口，直流偏置分别为V_a和V_b，工作时，两个射频口均采用推挽模式。MZMc只具有偏置口，偏压为V_c，用来调整两臂相位关系。

PD1和PD2均为窄带PD。

本发明在工作时包括以下步骤：

1)从LD发出的连续光载波输入到DPMZM调制器中；在DPMZM内由Y型分光器将光载波分成功率相等的两部分，分别输入MZMa和MZMb。

2)回波信号驱动MZMa，调节偏压V_a使得MZMa工作在最小点，以产生携带回波信号的抑制载波双边带调制(CS-DSB)信号；

3)发送信号驱动MZMb，调节偏压V_b使得MZMb工作在最小点，以产生携带发送信号的CS-DSB信号；

4)MZMa和MZMb输出的光信号经过主调制器MZMc后从DPMZM中输出。已调信号经过EDFA放大后输入到DWDM；

5)调节激光器的波长，使DWDM中两个相邻通道对准已调信号的正负一阶边带，则DWDM两个通道分别输出已调回波信号和发送信号的上边带和下边带；

6)分离后的上边带和下边带信号分别输入到上支路PD1和下支路的PD2进行光电转换。在PD输出端得到其对应的电信号；

7)将PD1或者PD2输出的电信号送入电谱分析仪测出DFS的大小；将PD1和PD2分别接入到示波器的通道1和通道2观察两个电信号的波形。设置示波器的两个通道同时显示，调整MZMc的V_c的大小，使两个支路电信号相差相位π/2，根据以下准则来判断DFS的正负：上支路超前下支路电信号π/2，则DFS为正；上支路滞后下支路电信号π/2，则DFS为负。

8)通过调整V_c可以实现不同的相位差。

本发明提出了一种新型的基于DPMZM的DFS测量装置及方法，采用DPMZM调制回波信号和发送信号产生CS-DSB信号。利用DWDM将已调信号的上下边带分离，利用上或下边带的功率测得DFS的大小，上下边带的相对相位关系来确定DFS的正负。

本方法只采用了一个外调制器，并充分利用了上下边带之间的相位关系，避免为了判定DFS的正负而引入额外的器件，降低了装置的复杂度，减少了误差来源：

两个支路的相位差只取决于DPMZM主调制的偏压，调节灵活、范围大；

由于DWDM通带带宽大且平坦，使该测量方法不受发射信号载波频率的影响，载频可以在40GHz的范围内调节。

附图说明

图1为本发明装置的原理图；

图2为本发明装置实验测试中采用DWDM滤波前后的光谱图：

(a)载频为20GHz时，DPMZM输出的CS-DSB信号光谱、实验中采用EDFA宽谱光测得的DWDM中相邻两个通带的频率响应曲线；

(b)DWDM滤波之后上、下两路分别输出的上下边带信号；

图3为本发明装置在实验测试中测得的电谱和波形：

(a)载频为20GHz时，理论频移为+1MHz时频谱仪测量得到的上支路电谱；

(b)载频为20GHz时，理论频移为-1MHz时频谱仪测量得到的上支路电谱；

(c)载频为20GHz时，理论频移为+1MHz时示波器测量得到的上下支路波形；

(d)载频为20GHz时，理论频移为-1MHz时示波器测量得到的上下支路波形；

图4为本发明装置实验测试中，不同的载频下测量得到的DFS及误差：

(a)载频为20GHz时，理论频率偏移从-100kHz以10kHz步进变化到+100kHz时测得的DFS、±50kHz处的电谱图以及测量误差。

(b)载频为39GHz时，理论频率偏移从-100kHz以10kHz步进变化到+100kHz时测得的DFS、±50kHz处的电谱图以及测量误差。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作流程，但本发明的保护范围不限于下属的实施例：

如图1所示，在本实施例中，装置包括：LD、DPMZM调制器、回波信号源、发送信号源、EDFA、DWDM、PD、示波器、电谱仪。LD依次连接DPMZM和EDFA，射频回波信号和发送信号分别加载在DPMZM的上下臂。EDFA后接DWDM，DWDM的输出端分别PD1和PD2，在PD的输出端得到下变频之后的多普勒信号。其中DPMZM调制器由两个并行的MZMa和MZMb以及主调制器MZMc集成。

本实施例中，具体包括以下步骤：

步骤一：光源产生工作波长为1552nm，功率为15dBm的连续光波，该连续光波作为载波输入到DPMZM调制器；

步骤二：在DPMZM调制器内，光载波被均分为两路，分别输入到MZMa和MZMb中。回波信号的频率为20.001GHz，功率为5dBm，输入到DPMZM上臂MZMa的射频输入端口。调节MZMa的偏压V_a的大小，使MZMa输出抑制载波正负一阶边带；发送信号的频率为20GHz，功率为10dBm，输入到DPMZM下臂MZMb的射频输入端口。调节MZMb的偏压V_b的大小，使MZMb输出抑制载波正负一阶边带，如图2(a)所示，可以看到载波被明显地抑制；

步骤三：MZMa和MZMb的输出在主调制器MZMc的偏压V_c下引入相位差之后输出，通过EDFA进行放大。

步骤四：经EDFA放大后的信号输入到DWDM，微调激光器的波长，使得回波信号和发射信号的正一阶边带都位于DWDM的一个通道中，负一阶边带都落在另一个相邻通道中。DWDM的两个输出口分别输出正一阶边带和负一阶边带，如图2(b)所示。

步骤五：将DWDM的两路输出分别接入PD1和PD2，拍频得到电信号。将PD的输出分别接入示波器的通道1和通道2，调整MZMc的偏压V_c使得上下两路的电信号的相位差为π/2。并将其中一路接入电谱仪测量DFS的大小。如图3(a)所示，测得DFS的大小为1.000000MHz，功率为-9.70dBm。从图3(c)示波器显示的波形中可以看出上支路的信号的相位超前下支路电信号的相位π/2，因此，DFS测量值为+1.000000MHz。

步骤六：将回波信号的频率设置为19.999GHz，重复步骤三到五，从图3(c)中可以看出，测得DFS的大小为1.000000MHz，功率为-9.72dBm，图3(d)中可以看出上支路的信号的相位落后下支路电信号的相位π/2，因此，DFS测量值为+1.000000MHz，

步骤七：保持发射信号频率20GHz不变，依次改变回波信号的频率，以10kHz的步进值从19.9999GHz变化到20.0001GHz，即理论频移从-100kHz变化到+100kHz，重复步骤三到五，。电谱仪设置：分辨率带宽(RBW)1Hz，视频带宽(VBW)1Hz，频率范围(SPAN)2kHz。

如图4(a)所示，测量得到的数据用圆圈表示，理论值用斜率为1的直线表示。通过将测量得到的DFS和理论频率偏移进行比较，可以得到测量误差，由图4(a)中两条平行的虚线所示，测量误差范围限制于±5×10^-6Hz以内。同时图中以DFS为±50kHz为例也给出了相应的的电谱图。

步骤八：将发射信号频率改为39GHz，回波信号频率以10kHz的步进值从38.9999GHz变化到39.0001GHz，重复步骤三到五。测量得到的DFS值、±50kHz处的电谱图以及测量误差如图4(b)所示。表明该方法的测量载波可以在很大的范围内调节，且能保持测量性能基本不变。

综上，本发明装置利用单个DPMZM结合DWDM实现了宽带DFS的测量。通过DPMZM实现抑制光载波的双边带调制，DWDM分离上下边带，充分利用两个边带的功率和相位差，可同时测量得到DFS的大小和正负。该方法性能良好，结构简单较容易实现，在实际中具有很强的操作性。

总之，以上所述实施方案仅为本发明的实施例而已，并非仅用于限定本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明公开的内容上，还可以做出若干等同的变形和替换，如光载波波长与功率、测量载波、滤波器形式等的改变也相应视为本发明的保护的范围。