专利名称：宽带雷达信号和数字控制信号的单光纤光载传输系统及方法
技术领域：
本发明涉及光纤通信领域，尤其涉及一种宽带雷达信号和数字控制信号的单光 纤光载传输系统及方法。
背景技术：
近年来随着航天技术与导弹技术的高速发展，以及电子对抗技术、隐身技术的 应用，对雷达系统的功能提出了更高的要求，如要求雷达能监视和跟踪距离更远、速度 更快和数量更多的目标。因而随着雷达技术的发展，雷达各子系统之间、雷达和指挥中心之间需要传输 的信息量都大幅度增加，而且信号的种类增多，传输要求增高，传输的距离变长。传统 的传输系统一般采用电缆或是微波进行传输。电缆传输性能随着传输信号的频率的升高 其衰减呈指数增长。地面微波传输系统由于受地形地貌和地面曲率的影响，在无中继的 情况下，其传输距离最大为50km。而且这种传输方式不但容易受其它无线通信系统的干 扰，而且容易被监听设备所监听，保密性能差。如何解决雷达信号的长距离安全传输问 题成为了雷达的技术关键。由于光纤具有传输损耗低、传输频带宽、抗干扰能力强、线径细、重量轻及不 怕电磁干扰等优点，在整个雷达频率上光纤传输损耗几乎比同轴电缆和波导低三个数量 级，并且在整个频段内其损耗对于任何调制信号都相同。光纤及大量光波器件均为介质 材料，无电磁辐射，采用光纤传输技术不仅降低了重量和成本，还显著提高了抗电磁干 扰(EMI)的能力。正是这些优点，使得光纤传输在雷达系统中的应用越来越广泛。射频信号的调制需要使用到马赫增德尔调制器(MZM)，但是MZM存在一个固 有的缺点，即偏置点的漂移。MZM正常工作的时候需要偏置电路预加提供偏置电压， 但是在实际工作时，直流偏置点会因工作温度、铌酸锂晶体的热释电引起的表面电荷迁 移以及存在Si02缓冲层而发生漂移。一旦偏置点发生了改变，那么链路性能都会发生变 化。为了保证链路性能的稳定性，我们要尽量避免偏置点的改变，因此需要使用MZM偏 执电压控制电路以时时控制偏置电压保证链路性能稳定。WDM技术是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的一项技术。其基本原理 是在发送端将不同波长的光信号组合起来，耦合到同一根光纤中进行传输，在接收端再 将不同波长的光信号分开，分别进行信号处理后再送入不同的终端。WDM技术对网络 升级、发展宽带业务、充分挖掘光纤带宽潜力、实现超高速光纤通信具有十分重要的意 义。WDM技术中的关键器件为波分复用器(WDM)，它可以将不同波长的光信号结 合在一起经一根光纤传输。这种器件一般为互易的，即双向可逆的，反过来，它还可以 将一根光纤中传输的多波长信号分解成各个波长分别输出。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种宽带雷达信号和数字控制信号 的单光纤光载传输系统及方法。宽带雷达信号和数字控制信号的单光纤光载传输系统中DFB激光器、马赫曾 德尔调制器、95 5耦合器的输入端顺次连接，95 5耦合器的95%输出端与第一波分 复用器一输入端连接，95 5耦合器的5%输出端与第一光电探测器连接，第一波分复用 器另一输入端与第一 FP激光器连接，第一波分复用器的输出端与第一 3dB耦合器一输入 端连接，第一 3dB耦合器的另一输入端与第二光电探测器连接，第一 3dB耦合器一输出 端、一段长度为L的光纤、第二波分复用器的输入端连接，第二波分复用器的一输出端 与第二 3dB耦合器输入端连接，第二波分复用器的另一输出端与第四光电探测器连接， 第二 3dB耦合器的一输出端与第三光电探测器连接，第二 3dB耦合器的另一输出端与第 二 FP激光器连接；DFB激光器驱动电路用来驱动DFB激光器，马赫曾德尔调制器偏置 电压控制电路用来控制马赫曾德尔调制器的偏置电压，宽带射频信号使用马赫增德尔调 制器调制到DFB激光器发射的光上，中心站的数字控制信号调制到第一 FP激光器发射 的光上，第二数字信号解调电路是将第二光电探测器接收的信号光解调出基站的数字信 号，基站的数字应答信号调制到第二 FP激光器发射的光上，第一数字解调电路是将第三 光电探测器接收的信号光解调出中心站的数字信号，射频放大电路放大第二光电探测器 得到的射频信号。所述的DFB激光器发射出功率为9士O.ldBm、波长为1550nm的光。宽带雷达信号和数字控制信号的单光纤光载传输方法是DFB激光器输出波长 为1550nm的光进入马赫曾德尔调制器，使用外调制，马赫曾德尔调制器将宽带雷达信号 调制到1550nm的光上，马赫曾德尔调制器的输出光通过95 5耦合器，95 5耦合器 的5%的输出信号光作为反馈，进入第一光电探测器，经过光电转换之后进入马赫曾德尔 调制器偏置电压控制电路，用来控制马赫曾德尔调制器的偏置电压，使95 5耦合器的 95%的输出信号光保持功率稳定，中心站的数字控制信号使用直接调制，将数字控制信 号调制到第一 FP激光器发射的波长为1310nm的光上，传输1550nm信号光的光纤和传输 1310nm信号光的光纤使用光波分复用技术，利用第一波分复用器将两根光纤合成一根光 纤进行传输，第一波分复用器的输出光进入第一 3dB耦合器一输入端，第一 3dB耦合器 两个输出端将光等功率的分成两部分，传输到两个相同的基站；在基站上，第二波分复 用器将一根光纤重新分成两根光纤，一根传输1550nm的信号光，另一根传输1310nm的 信号光，1550nm的信号光进入第四光电探测器，用射频放大器得到射频信号；1310nm 的信号光进入第二 3dB耦合器，在第二 3dB耦合器的一输出端利用第三光电探测器和 第一数字解调电路接收、解调来自中心站的数字控制信号，在第二 3dB耦合器的另一输 出端接第二 FP激光器，使用直接调制，将数字应答信号调制到第二 FP激光器发射的 1310nm的光上，在中心站被第一 3dB耦合器的另一输入端接的第二光电探测器接收，通 过第二数字解调电路解调。本发明可以同时在一根光纤中传输不同的两路调制光信号，由于马赫曾德尔的 直流偏置点会因工作温度而产生偏移，导致射频信号的调制状态发生改变，在本发明中 使用马赫曾德尔调制器偏置电压控制电路，能够时时保证射频信号处于最理想的调制状态，即射频增益最大，二次谐波最小。
图1为宽带雷达信号和数字控制信号的单光纤光载传输系统结构示意图；图2为本发明FB激光器输出光功率与激光器输入电流之间的关系；图3为本发明MZM控制电路的原理示意图；图4(a)为本发明MZM控制电路中单片机的控制主程序流程示意图；图4(b)为本发明MZM控制电路中单片机的寻找Vmax，设置Vref流程示意图；图4(c)为本发明MZM控制电路中单片机的Vref跟踪循环的程序流程示意图；图4(d)为本发明MZM控制电路中单片机的快速查找Vref的程序流程示意图。
具体实施例方式以下结合附图及实施例进一步说明本发明。参照图1，宽带雷达信号和数字控制信号的单光纤光载传输系统中DFB激光 器、马赫曾德尔调制器、95 5耦合器的输入端顺次连接，95 5耦合器的95%输出端 与第一波分复用器一输入端连接，95 5耦合器的5%输出端与第一光电探测器连接，第 一波分复用器另一输入端与第一 FP激光器连接，第一波分复用器的输出端与第一 3dB耦 合器一输入端连接，第一 3dB耦合器的另一输入端与第二光电探测器连接，第一 3dB耦 合器一输出端、一段长度为L的光纤、第二波分复用器的输入端连接，第二波分复用器 的一输出端与第二 3dB耦合器输入端连接，第二波分复用器的另一输出端与第四光电探 测器连接，第二 3dB耦合器的一输出端与第三光电探测器连接，第二 3dB耦合器的另一 输出端与第二 FP激光器连接；DFB激光器驱动电路用来驱动DFB激光器，马赫曾德尔 调制器偏置电压控制电路用来控制马赫曾德尔调制器的偏置电压，宽带射频信号使用马 赫增德尔调制器调制到DFB激光器发射的光上，中心站的数字控制信号调制到第一FP激 光器发射的光上，第二数字信号解调电路是将第二光电探测器接收的信号光解调出基站 的数字信号，基站的数字应答信号调制到第二 FP激光器发射的光上，第一数字解调电路 是将第三光电探测器接收的信号光解调出中心站的数字信号，射频放大电路放大第二光 电探测器得到的射频信号。所述的DFB激光器发射出功率为9士O.ldBm、波长为1550nm的光。DFB激光器驱动电路使DFB激光器发射出功率恒定、波长稳定的1550nm的 光，DFB激光器驱动电路包括恒流功率控制电路和自动温度控制电路，DFB激光器内部 自带有PD，这个内部的PD能够探测到DFB激光器发射的一小部分光，将这一小部分光 转换成光电流，利用光电转换将光电流转换成电压信号，设计负反馈电路来控制DFB激 光器的电流，电流大，则DFB激光器发射的光功率大；电流小，则DFB激光器发射的光 功率小。当DFB激光器发射的光功率减小，内部的PD转换的光电流随之变小，转换的 电压信号也变小，这个信号通过负反馈电路使得DFB激光器的电流变大，这样DFB激光 器发射的光功率变大。反之，DFB激光器发射的光功率增大，负反馈电路使得DFB激光 器的电流变小，使DFB激光器发射的光功率变小。同样的方法，自动温度控制电路主要 通过激光器内部的热敏电阻的反馈信息来控制其内部的制冷器的工作，实现激光器的温度控制。通过温控和功率控制使DFB激光器最终输出功率恒定、波长稳定的1550nm的光。宽带雷达信号和数字控制信号的单光纤光载传输方法是DFB激光器输出波长 为1550nm的光进入马赫曾德尔调制器，使用外调制，马赫曾德尔调制器将宽带雷达信号 调制到1550nm的光上，MZM正常工作的时候需要偏置电路预加提供偏置电压，但是在 实际工作时，直流偏置点会因工作温度、铌酸锂晶体的热释电引起的表面电荷迁移以及 存在SiO2缓冲层而发生漂移。一旦偏置点发生了改变，那么链路性能都会发生变化。为 了保证链路性能的稳定性，我们要尽量避免偏置点的改变，因此需要使用MZM偏执电压 控制电路以时时控制偏置电压保证链路性能稳定。因此马赫曾德尔调制器的输出光通过 95 5耦合器，95 5耦合器的5%的输出信号光作为反馈，进入第一光电探测器，经过 光电转换之后进入马赫曾德尔调制器偏置电压控制电路，用来控制马赫曾德尔调制器的 偏置电压，使95 5耦合器的95%的输出信号光保持功率稳定，中心站的数字控制信号 使用直接调制，将数字控制信号调制到第一 FP激光器发射的波长为1310nm的光上，传 输1550nm信号光的光纤和传输1310nm信号光的光纤使用光波分复用技术，利用第一波 分复用器将两根光纤合成一根光纤进行传输，第一波分复用器的输出光进入第一 3dB耦 合器一输入端，第一 3dB耦合器两个输出端将光等功率的分成两部分，传输到两个相同 的基站；在基站上，第二波分复用器将一根光纤重新分成两根光纤，一根传输1550nm的 信号光，另一根传输1310nm的信号光，1550nm的信号光进入第四光电探测器，用射频 放大器得到射频信号；1310nm的信号光进入第二 3dB耦合器，在第二 3dB耦合器的一输 出端利用第三光电探测器和第一数字解调电路接收、解调来自中心站的数字控制信号， 在第二 3dB耦合器的另一输出端接第二 FP激光器，使用直接调制，将数字应答信号调制 到第二 FP激光器发射的1310nm的光上，在中心站被第一 3dB耦合器的另一输入端接的 第二光电探测器接收，通过第二数字解调电路解调。参考图2，FP激光器输出光功率和激光器输入电流的关系，It为阈值电流，虼为 激光器输入电流。对于数字信号调制，我们直接将电流工作点选在阈值点附近，如Ιτ。 事实上，这种情况下可以将激光器看做是光开关，信号为“1”的时候，激光器输出，信 号为“O”的时候，激光器不输出。参考图3，MZM输出经过95 5耦合器，95%的光作为信号光输出，5%的光 进入第一光电探测器，转换成光电流，进入MZM偏置电压控制电路。MZM偏置电压控 制电路主要包括光电转换模块、模数转换器、单片机处理模块、数模转换器以及放大模 块。第一光电探测器是一个低速PIN管，探测得到的是光的平均功率，低速PIN转换的 光电流经过光电转换模块转换成电压信号，经过模数转换器将模拟信号转换成数字信号 进入单片机，通过单片机处理，输出数字信号，经过数模转换器将数字信号转换成模拟 信号，模拟信号经过放大模块放大作为MZM的偏置电压，从而达到控制MZM偏置电压 的目的。参考图4(a)、4(b)、4(c)、4(d)，MZM控制电路中单片机的程序流程示意图， 图4(a)显示程序主要分成以下几个模块查找最大光功率转化的电压Vmax、设置参考电 压Vref;进入Vref跟踪循环；快速查找Vref循环。起始工作时，首先查找乂_、设置Vref 部分、之后进入Vref跟踪循环。如果MZM偏置电压不超范围，则一直在此循环；如果超出范围，需要进入快速查找Vref，在MZM偏置电压允许的范围内再找到一个Vref，回到 Vref跟踪循环。图4(b)是查找最大光功率转化的电SVmax、置参考电压Vref部分。Vad 光电 流转化的电压、Vda:单片机的输入到DA的数字值。Vda经过DA转化电路放大后作为 MZM的偏置电压。查找方法是设置DA，使Vda从小到大变化，即MZM偏置电压从小 到大变化，读取相应的Vad，找到这个过程中Vad的最大值Vmax。然后设置Vad的参考值 vref，vref = vmax-v,，νΔ是个定值，可以根据光电转换模块的电路结构计算出来或是实 际测量出来。图4(c)是Vref跟踪循环，首先要判断稳定的参考电压在MZM的上升段还是下降 段，然后需要使AD的采样电压满足|Vad-Vref] < A1, A1是个比较小的数，表示允许Vad 在Vref附近波动的范围，即光功率可以有多大范围的波动。如果Vda在充许的电压范围 内，程序一直在Vref跟踪循环。如果超出一定的电压范围，则进入快速查找Vref循环。图(d)是快速查找Vref程序。如果Vda超出一定的电压范围，则把Vda置为一个 较小值，每次步进行快速扫描，设置一个Δ2(Δ2> A1),得到的AD值与参考值比较判 断是否|Vad-Vref| < Δ 2，若不满足，则Vda继续步进，再读取AD值进行比较；如果满足， 判断处于MZM的上升段还是下降段，并置标志位后回到Vref跟踪循环。
权利要求
1.一种宽带雷达信号和数字控制信号的单光纤光载传输系统，其特征在于DFB激 光器、马赫曾德尔调制器、95 5耦合器的输入端顺次连接，95 5耦合器的95%输出 端与第一波分复用器一输入端连接，95 5耦合器的5%输出端与第一光电探测器连接， 第一波分复用器另一输入端与第一 FP激光器连接，第一波分复用器的输出端与第一 3dB 耦合器一输入端连接，第一 3dB耦合器的另一输入端与第二光电探测器连接，第一 3dB 耦合器一输出端、一段长度为L的光纤、第二波分复用器的输入端连接，第二波分复用 器的一输出端与第二 3dB耦合器输入端连接，第二波分复用器的另一输出端与第四光电 探测器连接，第二 3dB耦合器的一输出端与第三光电探测器连接，第二 3dB耦合器的另 一输出端与第二 FP激光器连接；DFB激光器驱动电路用来驱动DFB激光器，马赫曾德 尔调制器偏置电压控制电路用来控制马赫曾德尔调制器的偏置电压，宽带射频信号使用 马赫增德尔调制器调制到DFB激光器发射的光上，中心站的数字控制信号调制到第一 FP 激光器发射的光上，第二数字信号解调电路是将第二光电探测器接收的信号光解调出基 站的数字信号，基站的数字应答信号调制到第二 FP激光器发射的光上，第一数字解调电 路是将第三光电探测器接收的信号光解调出中心站的数字信号，射频放大电路放大第二 光电探测器得到的射频信号。
2.根据权利要求1所述的一种宽带雷达信号和数字控制信号的单光纤光载传输系统， 其特征在于所述的DFB激光器发射出功率为9士O.ldBm、波长为1550nm的光。
3.一种使用如权利要求1所述系统的宽带雷达信号和数字控制信号的单光纤光载传输 方法，其特征在于DFB激光器输出波长为1550nm的光进入马赫曾德尔调制器，使用外 调制，马赫曾德尔调制器将宽带雷达信号调制到1550nm的光上，马赫曾德尔调制器的输 出光通过95 5耦合器，95 5耦合器的5%的输出信号光作为反馈，进入第一光电探 测器，经过光电转换之后进入马赫曾德尔调制器偏置电压控制电路，用来控制马赫曾德 尔调制器的偏置电压，使95 5耦合器的95%的输出信号光保持功率稳定，中心站的数 字控制信号使用直接调制，将数字控制信号调制到第一 FP激光器发射的波长为1310nm 的光上，传输1550nm信号光的光纤和传输1310nm信号光的光纤使用光波分复用技术， 利用第一波分复用器将两根光纤合成一根光纤进行传输，第一波分复用器的输出光进入 第一 3dB耦合器一输入端，第一 3dB耦合器两个输出端将光等功率的分成两部分，传输 到两个相同的基站；在基站上，第二波分复用器将一根光纤重新分成两根光纤，一根传 输1550nm的信号光，另一根传输1310nm的信号光，1550nm的信号光进入第四光电探测 器，用射频放大器得到射频信号；1310nm的信号光进入第二 3dB耦合器，在第二 3dB耦 合器的一输出端利用第三光电探测器和第一数字解调电路接收、解调来自中心站的数字 控制信号，在第二 3dB耦合器的另一输出端接第二 FP激光器，使用直接调制，将数字应 答信号调制到第二 FP激光器发射的1310nm的光上，在中心站被第一 3dB耦合器的另一 输入端接的第二光电探测器接收，通过第二数字解调电路解调。全文摘要
本发明公开了一种宽带雷达信号和数字控制信号的单光纤光载传输系统及方法。DFB激光器发射出波长为1550nm的光，雷达的宽带射频信号使用马赫-曾德尔调制器，调制到1550nm的光上；FP激光器发射出波长为1310nm的光，数字控制信号调制到1310nm的光上；传输1310nm光信号的光纤和传输1550nm光信号的光纤使用光波分复用技术，利用波分复用器合成到一根光纤上进行传输；在基站接收端，利用波分复用器这根光纤重新分成两根光纤，使用光电探测器接收调制的射频光信号后进行解调，利用另一光电探测器接收调制的数字光信号后进行解调。本发明能够使用一根光纤来传输两路不同的信号，能够控制马赫曾德尔调制器的偏置电压，消除外界温度对宽带雷达信号调制性能的影响。
文档编号H04B10/12GK102025420SQ20101057298
公开日2011年4月20日 申请日期2010年11月30日 优先权日2010年11月30日
发明者池灏, 章献民, 郑史烈, 郭明辉, 金晓峰 申请人:浙江大学