基于光学辅助的伪毫米波超宽带信号包络检测系统和方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于光学辅助的伪毫米波超宽带信号包络检测系统和方法，与传统基于电吸收调制器检测超宽带信号的方法不同，我们提出使用相位调制方式，利用伪毫米波超宽带信号对光载波相位进行调节，将电信号变换到光域中进行处理；利用带有环形器的光纤布拉格光栅滤出光调制信号的第一上边带，得到光包络信号，利用环形器的单向传输特性，隔离反向传输的光信号；将滤出的光包络信号通过光电探测和低通滤波，得到所需的包络信号。采用本发明的系统和方法，可以有效检测伪毫米波超宽带信号的包络，并且结构简单、插入损耗低，具有无需考虑偏置点控制和时间同步等优点。
【专利说明】基于光学辅助的伪毫米波超宽带信号包络检测系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及通信技术，特别涉及基于光学辅助的伪毫米波超宽带信号包络检测系统和方法。
【背景技术】
[0002]超宽带技术始于20世纪60年代兴起的脉冲通信技术，利用频谱极宽的超短脉冲进行通信，又称为基带通信、无载波通信。2002年2月美国联邦通讯委员会(FCC)批准了超宽带技术用于民用，超宽带技术迅速成为国际无线通信领域研究开发的一个热点，其中工作于24GHz频段的伪毫米波超宽带信号可以用于汽车安全系统、精准定位和通信系统中。由于工作于24GHz频段的伪毫米波超宽带信号具有脉冲宽度窄、信号强度低等特点，从而对信号准确的采样接收变得困难。
[0003]近年来，各种电学伪毫米波超宽带信号检测方案被提出，主要采用相关检测方案，由于脉冲的持续时间仅为亚纳秒量级，即使很小的时钟抖动都会导致接收端能量的大幅度损失，因此系统对定时精度的要求是非常严格的。由于使用了极窄的脉冲波形作为系统工作波形，在接收部分需要恢复精确的定时信号，这些问题都增加了系统结构的复杂性。
[0004]为了有效地检测伪毫米波超宽带信号，降低系统的复杂性和成本，光学辅助的伪毫米波超宽带包络检测技术被提出和证明。光学包络检测技术降低了由于定时精度和同步偏差导致的判决错误，提高了系统的性能。
[0005]图1为现有的光学辅助的超宽带信号检测系统的结构示意图。现结合图1，对现有的光学辅助的超宽带信号检测系统的结构进行说明，具体如下:
[0006]现有的超宽带信号包络检测系统包括:超宽带信号调制装置10，包络检测装置11。
[0007]超宽带信号调制装置10利用电吸收调制器，对连续波激光器产生的光载波的幅度进行调节，用于将超宽带信号调制到光载波上，传输至包络检测装置11。其中超宽带信号调制装置10包括连续波激光器100，信号接收器101，电吸收调制器102。连续波激光器100，主要用于产生系统所需的连续波光信号；信号接收器101，接收超宽带信号；电吸收调制器102，用于将接收到的超宽带信号利用强度调制方式调制到光载波上。
[0008]包络检测装置11用于对调制后的光信号进行包络检测。其中，包络检测装置11包括:掺铒光纤放大器110,光带通滤波器111,低频响应光电探测器112。掺铒光纤放大器110是对信号放大的一种有源光器件，用于放大接收到的光调制信号；光带通滤波器111用于滤出带外噪声；低频响应光电探测器112用于检测低频响应的包络信号。
[0009]上述现有的超宽带信号包络检测系统方法实现了超宽带信号包络的检测，但它存在缺陷，调制器中需要考虑偏置点控制等问题，并且此方案只能产生电包络信号，降低了其适用范围。
【发明内容】
[0010]有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于光学辅助的伪毫米波超宽带信号包络检测系统，该系统采用相位调制器，克服了电吸收调制器的偏置点控制所带来的缺陷，此外该系统直接在光域中产生包络信号，并且具有结构简单、插入损耗低等特点。
[0011]本发明的另一目的在于提供一种基于光学辅助的伪毫米波超宽带信号包络检测方法，该方法采用相位调制器，克服了电吸收调制器的偏置点控制所带来的缺陷，此外该系统直接在光域中产生包络信号，并且具有结构简单、插入损耗低等特点。为了达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的:
[0012]一种基于光学辅助的伪毫米波超宽带信号包络检测系统，用于检测伪毫米波超宽带信号的包络，其特征在于，该系统包括:伪毫米波超宽带信号调制装置、第一边带滤出装置和光电探测装置:
[0013]所述伪毫米波超宽带信号调制装置利用相位调制器，对连续波激光器产生的光载波相位进行调节，用于将伪毫米波超宽带信号调制到光载波上；所述相位调制器采用LiNb03相位调制器，具有结构简单，插入损耗低，无偏置控制电路等特点；
[0014]所述第一边带滤出装置将输入的光调制信号进行频谱上的操作，利用光纤布拉格光栅滤出第一上边带，环形器进行信号传输控制；所述光纤布拉格光栅的反射端口具有带通滤波特性，对通过环形器输入光调制信号的第一上边带进行滤波，将得到光包络信号输出至环形器；所述环形器单向传输光调制信号至布拉格光栅，接收并传输布拉格光栅产生的光包络信号，隔离反向传输的光信号；在此装置中可以自由设定布拉格光栅的中心频率以及带宽，因而所产生的第一上边带光信号中心频率和波形是可控的；
[0015]所述光电探测装置用于将光包络信号通过光电转换变为电包络信号；所述光电探测器即利用光电效应将光包络信号转换为相应电包络信号。所述光电探测基于光电效应，在光的照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即将光信号转变成电信号；所述低通滤波器用于滤除电包络信号的高频成份，优化得到的电包络信号；
[0016]上述装置中，所述伪毫米波超宽带信号调制装置包括:
[0017]连续波激光器，主要用于产生系统所需的连续波光信号；
[0018]相位调制器，具有调节连续光信号相位的功能，用于将伪毫米波超宽带信号调制到光载波上；
[0019]上述装置中，所述第一边带滤出装置包括:
[0020]光纤布拉格光栅，光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，在纤芯内形成一个窄带的反射滤波器；满足布拉格光栅条件的第一上边带波长将被反射，滤出的信号即为光包络信号;
[0021]环形器，环形器是一个多端口器件，其中信号的处理传输只能沿单方向环行，单向传输光调制信号至布拉格光栅，接收并单向传输布拉格光栅产生的光包络信号，隔离反向传输的光信号；
[0022]上述装置中，所述光电探测装置包括:
[0023]光电探测器，探测经过第一边带滤出装置后的光包络信号，利用光电效应将其变为电包络信号；所述的光电探测是基于光电效应，在光的照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即将光包络信号转变成电包络信号；
[0024]低通滤波器，容许低于截止频率的信号通过，但高于截止频率的信号不能通过的电子滤波装置；所述低通滤波用于滤除电包络信号的高频成份，优化得到的电包络信号；
[0025]一种基于光学辅助的伪毫米波超宽带信号包络检测方法，其特征在于，该方法包括:
[0026]A.连续波激光器产生系统所需的连续波光信号，利用相位调制器将伪毫米波超宽带信号调制到光载波的相位成份上，从而将伪毫米波超宽带信号变换到光域；
[0027]B.经过相位调制后的光调制信号经过环形器输入至光纤布拉格光栅；所述布拉格光栅进行频谱上的操作，即根据伪毫米波的带宽和中心频率，调节作为反射滤波器的布拉格光栅的中心频率和带宽，滤出第一上边带，得到光包络信号输出至环形器；所述环形器单向传输光包络信号，隔离反向传输的光信号；
[0028]C.第一上边带光信号即光包络信号送入光电探测器中，输出相应的电包络信号；电包络信号经过低通滤波器，滤除高频成份，优化得到的电包络信号；
[0029]上述方法中，步骤A所述伪毫米波超宽带信号调制的实现方法包括:
[0030]Al、连续波激光器产生系统所需的连续波光信号；
[0031]A2、产生的连续波光信号经过相位调制器，利用接收到的伪毫米波超宽带信号对连续波光信号的相位进行调制，从而将伪毫米波超宽带调制到光载波上；
[0032]上述方法中，步骤B所述第一边带滤出的实现方法包括:
[0033]B1、环形器将接收到的光调制信号单向传输至布拉格光栅中；
[0034]B2、布拉格光栅进行频谱上的操作，即根据伪毫米波的带宽和中心频率，调节作为反射滤波器的布拉格光栅的中心频率和带宽，滤出第一上边带，得到光包络信号输出至环形器；
[0035]B3、环形器单向传输接收到的光包络信号，隔离反向传输的光信号。
[0036]上述方法中，步骤C所述光电探测的实现方法包括:
[0037]Cl、光电探测器检测接收到光包络信号，基于光电效应把接收到的光包络信号转变成电包络信号；
[0038]C2、将光电探测器输出的电包络信号输入至低通滤波器，滤除高频成份，优化得到的电包络信号。
[0039]由上述的技术方案可见，本发明提供一种基于光学辅助的伪毫米波超宽带信号包络检测系统和方法，可以有效检测伪毫米波超宽带信号的包络，此外该系统直接在光域中产生包络信号，并且具有结构简单、插入损耗低、无需考虑偏置点控制等优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0040]图1为现有的光学辅助的超宽带信号检测系统的结构示意图。
[0041]图2为本发明基于光学辅助的伪毫米波超宽带信号包络检测系统的结构示意图。
[0042]图3为本发明基于光学辅助的伪毫米波超宽带信号包络检测方法的流程图。
[0043]具体实施方法
[0044]为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面将根据以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
[0045]本发明提供了一种基于光学辅助的伪毫米波超宽带信号包络检测系统和方法，该系统中伪毫米波超宽带信号调制装置对光载波的相位进行调制，将电信号变换到光域中进行处理；第一边带滤出装置将接收到的光调制信号进行频谱上的操作，利用光纤布拉格光栅滤出第一上边带，将得到光包络信号输出至环形器；环形器接收并传输布拉格光栅产生的光包络信号，隔离反向传输的光信号；经过带有环形器的光纤布拉格光栅，利用环形器隔离反向传输的光信号，并输出至光纤布拉格光栅，完成滤出光调制信号的第一上边带，得到光包络信号；光电探测装置利用光电探测技术将滤出的光包络信号转换为电包络信号，经过低通滤波器处理，最后获得优化后的包络信号。
[0046]图2为本发明基于光学辅助的伪毫米波超宽带信号包络检测系统的结构示意图。现结合图2，对本发明基于光学辅助的伪毫米波超宽带信号包络检测系统的结构进行说明，具体如下:
[0047]本发明基于光学辅助的伪毫米波超宽带信号包络检测系统包括:伪毫米波超宽带信号调制装置20、第一边带滤出装置21和光电探测装置22 ；
[0048]伪毫米波超宽带信号调制装置20利用相位调制器，对连续波激光器产生的光载波相位进行调节，用于将伪毫米波超宽带信号调制到光载波上；所述相位调制器采用LiNb03相位调制器，具有结构简单，插入损耗低，无偏置控制电路等特点；
[0049]第一边带滤出装置21将输入的光调制信号进行频谱上的操作，利用光纤布拉格光栅滤出第一上边带，环形器进行信号传输控制；所述光纤布拉格光栅的反射端口具有带通滤波特性，对通过环形器输入光调制信号的第一上边带进行滤波，将得到光包络信号输出至环形器；所述环形器单向传输光调制信号至布拉格光栅，接收并传输布拉格光栅产生的光包络信号，隔离反向传输的光信号；在此装置中可以自由设定布拉格光栅的中心频率以及带宽，因而所产 生的第一上边带光信号中心频率和波形是可控的；
[0050]光电探测装置22用于将光包络信号通过光电转换变为电包络信号；所述光电探测器即利用光电效应将光包络信号转换为相应电包络信号。所述光电探测基于光电效应，在光的照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即将光信号转变成电信号；所述低通滤波器用于滤除电包络信号的高频成份，优化得到的电包络信号。
[0051]其中伪毫米波超宽带信号调制装置20包括连续波激光器200，信号接收器201与相位调制器202。
[0052]连续波激光器200，主要用于产生系统所需的连续波光信号，连续光波信号可以表示为:
[0053]Ein (t) =Acexp(j^ct) (I)
[0054]其中A。和ω。分别是光载波信号的幅值和角频率；
[0055]信号接收器201，接收伪毫米波超宽带信号，其中伪毫米波超宽带信号是一个带通信号，可以用如下信号模型表示
[0056]Vrf (t) = AmsB (t) cos ( ω mt) (2)
[0057]其中Am是信号幅值，sB(t)是等效基带信号，ωπ是伪毫米波超宽带信号的中心频率；
[0058]相位调制器202，具有调节连续光信号相位的功能，用于将伪毫米波超宽带信号调制到光载波上，调制器的输出可以表示为
【权利要求】
1.一种基于光学辅助的伪毫米波超宽带信号包络检测系统，用于检测伪毫米波超宽带信号的包络，其特征在于，该系统包括:伪毫米波超宽带信号调制装置、第一边带滤出装置和光电探测装置； 所述伪毫米波超宽带信号调制装置利用相位调制器，对连续波激光器产生的光载波相位进行调节，用于将伪毫米波超宽带信号调制到光载波上；所述相位调制器采用LiNbO3相位调制器，具有结构简单，插入损耗低，无偏置控制电路等特点； 所述第一边带滤出装置将输入的光调制信号进行频谱上的操作，利用光纤布拉格光栅滤出第一上边带，环形器进行信号传输控制；所述光纤布拉格光栅的反射端口具有带通滤波特性，对通过环形器输入光调制信号的第一上边带进行滤波，将得到光包络信号输出至环形器；所述环形器单向传输光调制信号至布拉格光栅，接收并传输布拉格光栅产生的光包络信号，隔离反向传输的光信号；在此装置中可以自由设定布拉格光栅的中心频率以及带宽，因而所产生的第一上边带光信号中心频率和波形是可控的； 所述光电探测装置用于将光包络信号通过光电转换变为电包络信号；所述光电探测器即利用光电效应将光包络信号转换为相应电包络信号；所述光电探测基于光电效应，在光的照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即将光信号转变成电信号；所述低通滤波器用于滤除电包络信号的高频成份，优化得到的电包络信号。
2.根据权利要求1所述的基于光学辅助的伪毫米波超宽带信号包络检测系统，其特征在于，所述伪毫米波超宽带信号调制装置包括: 连续波激光器，主 要用于产生系统所需的连续波光信号； 相位调制器，具有调节连续光信号相位的功能，用于将伪毫米波超宽带调制到光载波上。
3.根据权利要求1所述的基于光学辅助的伪毫米波超宽带信号包络检测系统，其特征在于，所述第一边带滤出装置包括: 光纤布拉格光栅，光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，在纤芯内形成一个窄带的反射滤波器；满足布拉格光栅条件的第一上边带波长将被反射，滤出的信号即为光包络信号； 环形器，环形器是一个多端口器件，其中光信号的传输只能沿单方向环行，单向传输光调制信号至布拉格光栅，接收并单向传输布拉格光栅产生的光包络信号，隔离反向传输的光信号。
4.根据权利要求1所述的基于光学辅助的伪毫米波超宽带信号包络检测系统，其特征在于，所述光电探测装置包括: 光电探测器，探测经过第一边带滤出装置后的光包络信号，利用光电效应将其变为电包络信号；所述的光电探测是基于光电效应，在光的照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即将光包络信号转变成电包络信号； 低通滤波器，容许低于截止频率的信号通过，但高于截止频率的信号不能通过的电子滤波装置；所述低通滤波用于滤除电包络信号的高频成份，优化得到的电包络信号。
5.一种基于光学辅助的伪毫米波超宽带信号包络检测方法，其特征在于，该方法包括: A.连续波激光器产生系统所需的连续波光信号，利用相位调制器将伪毫米波超宽带信号调制到光载波的相位成份上，从而将伪毫米波超宽带信号变换到光域；B.经过相位调制后的光调制信号经过环形器输入至光纤布拉格光栅；所述布拉格光栅进行频谱上的操作，即根据伪毫米波的带宽和中心频率，调节作为反射滤波器的布拉格光栅的中心频率和带宽，滤出第一上边带，得到光包络信号输出至环形器；所述环形器单向传输光包络信号，隔离反向传输的光信号； C.第一上边带光信号即光包络信号送入光电探测器中，输出相应的电包络信号；电包络信号经过低通滤波器，滤除高频成份，优化得到电包络信号。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤A所述伪毫米波超宽带信号调制的实现方法包括: Al、连续波激光器产生系统所需的连续波光信号； A2、产生的连续波光信号经过相位调制器，利用接收到的伪毫米波超宽带信号对连续波光信号的相位进行调节，从而将伪毫米波超宽带调制到光载波上。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤B所述滤出第一边带的实现方法包括: B1、环形器将接收到的光调制信号单向传输至布拉格光栅中； B2、布拉格光栅进行频谱上的操作，即根据伪毫米波的带宽和中心频率，调节作为反射滤波器的布拉格光栅的中心频率和带宽，滤出第一上边带，得到光包络信号输出至环形器； B3、环形器单向传输接收到的光包络信号，隔离反向传输的光信号。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤C所述光电探测装置的实现方法包括: Cl、光电探测器检测接收到的光包络信号，基于光电效应把接收到的光包络信号转变成电包络信号； C2、将光电探测器输出的电包络信号输入至低通滤波器，滤除高频成份，优化得到的电包络信号。
【文档编号】H04B1/04GK103944591SQ201410200973
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年5月13日 优先权日:2014年5月13日
【发明者】尹霄丽, 韩晶晶, 郭兴兰, 徐灿, 郝季, 桑红庆, 杨璇, 李莉, 忻向军, 余重秀 申请人:北京邮电大学