光生六倍频相位编码微波信号产生装置及方法与流程

1.本发明涉及光电信号处理方法技术领域，特别是涉及一种采用光学技术产生六倍频相位编码微波信号的方法。


背景技术：

2.相位编码微波信号是现代雷达系统和无线通信中常用的信号。采用电子技术相位编码微波信号的方法虽然较为成熟，但由于“电子瓶颈”的限制，难以满足现代雷达或无线通信对高载频、大带宽和宽调谐信号的要求。采用光学技术产生相位编码微波信号具有高频、宽带、调谐范围宽、避免电磁干扰和低传输损耗等优点。
3.随着信息社会的快速发展，现代雷达和无线通信系统的工作频率正朝着高频方向发展。近年来w波段（75-110ghz）及以上频率波段雷达都得到了集中发展，具有独特的优势。同时60ghz频段和w波段等高频频段的无线通信也在迅速发展。在这些系统中，高频宽带相位编码微波信号受到青睐。
4.为了生成60ghz及以上频率的高频微波信号，所采用的光生微波方案需要高的倍频因子，这样还能降低对调制器带宽和微波器件的频率响应的要求。已经报道的在光域产生相位编码微波信号的方法有双并行偏振调制器+偏振调制器法[optics letters, 2014, 39(13):3958-3961]、马赫曾德尔mzm调制器+级联偏振调制器+光滤波器法[光学与光电技术, 2017, 15(8):33-37]、双偏振正交相移键控调制器+平衡探测法[applied optics, 2017, 56(4):1151-1156]、双并行马赫曾德尔mzm调制器+偏振调制器法[optic communications, 2019, 443:96-103]。
[0005]
然而，上述光生相位编码微波信号的方法存在一些不足。例如它们产生的微波信号倍频因子为二倍频或四倍频，难以产生更高频的相位编码微波信号；上述系统一般采用了多个光电调制器（包括mzm调制器和偏振调制器），这导致了比较复杂的结构和高成本；另外有的方案还采用了光滤波器或布拉格光纤光栅，这会限制产生的微波信号的频率调谐范围，也降低了系统的稳定性。


技术实现要素：

[0006]
本发明主要解决的技术问题是提供一种光生六倍频相位编码微波信号产生装置及方法，仅采用单个并行mzm调制器就能够产生六倍频相位编码微波信号，满足现代雷达或无线通信对高载频、大带宽和宽调谐信号的要求。
[0007]
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种光生六倍频相位编码微波信号产生装置，包括：激光器、微波信号发生器、电相位调制器、移相器、电增益器、并行mzm调制器、单模光纤和光电探测器，激光器发出的光波经过并行mzm调制器被携带数据的微波信号调制，并行调制器由两个子调制器mzm1和mzm2构成，两个子调制器mzm1和mzm2都偏置在最小输出点上，每个子调制器两臂微波驱动信号之间的相位差都为π，由移相器实现；
并行调制器上下两臂输出的两路信号相加会生成2k+1（k=0，
±
1，
ꢀ±2…
）阶边带，主要包括
±
1，
±
3和
±
5阶边带，其中
±
1阶边带的幅度正比于一阶贝塞尔函数j1(m)，m为并行mzm调制器的调制指数，设置调制指数以使幅度正比于j1(m)的
±
1阶边带为零，调节移相器设置两个子调制器mzm1和mzm2的微波驱动信号之间的相位差为π/5，使
±
5阶边带为零，此时并行mzm调制器的输出主要为
±
3阶边带；被数据相位调制的微波信号和经增益的数据信号相加后分别驱动子调制器mzm1和子调制器mzm2，通过设置合适的电相位调制器的调制参数m
p
和电增益器的增益系数g，可使产生的光载微波信号仅有一个边带（-3阶或+3阶）携带数据，且该边带的相位随数据变化，经过单模光纤传输后，接收端+3阶边带和-3阶边带在光电探测器pd拍频产生六倍频相位编码微波波信号。
[0008]
在本发明一个较佳实施例中，所述激光器、并行调制器、单模光纤和光电探测器之间为光连接，微波信号发生器、电相位调制器、移相器和电增益器之间为电连接。
[0009]
在本发明一个较佳实施例中，所述并行mzm调制器为并行马赫曾德尔调制器mzm。
[0010]
在本发明一个较佳实施例中，所述设置调制指数以使j1(m)的
±
1阶边带为零，其中m=3.8317。
[0011]
在本发明一个较佳实施例中，所述电相位调制器的调制参数m
p
和电增益器的增益系数g设置为g = 3m
p
。
[0012]
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种光生六倍频相位编码微波信号产生方法，包括如下步骤：a、激光器发出的光波经过并行mzm调制器被携带数据的微波信号调制，并行mzm调制器由两个子调制器mzm1和mzm2构成，mzm1和mzm2都偏置在最小输出点上，每个子调制器两臂微波驱动信号之间的相位差都为π，由移相器实现，并行调制器上下两臂输出的两路信号相加会生成2k+1（k=0，
±
1，
ꢀ±2…
）阶边带，主要包括
±
1，
ꢀ±
3和
±
5阶边带，而其它高阶分量幅度很小可忽略；b、通过设置合适的mzm调制指数m，使幅度正比于一阶贝塞尔函数j1(m)的
±
1阶边带为零，即j1(m)= 0，调节移相器设置两个子调制器mzm1和mzm2的微波驱动信号之间的相位差为π/5，使
±
5阶边带为零，此时并行调制器的输出主要为
±
3阶边带；c、被数据相位调制的微波信号和经增益的数据信号相加后分别驱动mzm1和mzm2，通过设置合适的电相位调制器的调制参数m
p
和电增益器的增益系数g，可使产生的光载微波信号仅有一个边带（-3阶或+3阶）携带数据，且该边带的相位随数据变化，经过单模光纤传输后，接收端正3阶边带和负3阶边带在光电探测器pd拍频产生六倍频相位编码微波信号；上述激光器ld的输出光波经过并行调制器被频率为 的微波信号调制，经数据s(t)相位调制的微波信号和经增益的数据信号相加后分别驱动子调制器mzm1和子调制器mzm2，两者间驱动信号相位差为π/5，则mzm1和mzm2的驱动电压分别为和，则并行调制器的上下两路信号可分别表示为：
，，式中，是子调制器mzm1和mzm2的调制指数，是微波信号的振幅，是子调制器的半波电压，m
p
是电相位调制器的调制指数，g是电增益器的增益系数；上下两路信号相加可得并行调制器的输出为：，输出为2k+1（k=0,
ꢀ±
1,
ꢀ±2…
）阶边带，调节设置mzm调制指数m，使j1(m)= 0，可消除1阶边带，因mzm1和mzm2的微波驱动信号相位差为π/5，而使5阶边带为零（），而其它高于5阶的奇数阶分量幅度很小可忽略，故并行调制器的输出可以简化为：，设置合适的电相位调制器的调制指数m
p
和电增益器的增益系数g（g = 3m
p
），则并行mzm调制器的输出为：，输出频率分别为3和-3的正负3阶边带，其中仅有正3阶边带携带数据s(t)，且正3阶边带的相位随数据s(t)变化；光电探测器pd采用平方律探测，正3阶边带和负3阶边带拍频输出为：其中r是pd的响应度，pd输出微波信号的频率为，其相位为，即产生了六倍频相位编码微波信号。
[0013]
在本发明一个较佳实施例中，所述调节设置mzm调制指数m，使j1(m)= 0，其中m=3.8317。
[0014]
本发明的有益效果是：（1）本发明采用光学技术产生了高频相位编码信号，突破了“电子瓶颈”的限制，能满足现代雷达或无线通信对高载频、大带宽和宽调谐信号的要求；（2）本发明能产生六倍频相位编码微波信号，可以降低对微波器件和mzm调制器带宽的要求，例如仅需10ghz的微波信号发生器和调制器即可产生60ghz的微波，且该携带相位信息的高频微波是适合现代雷达和无线通信系统的相位编码信号；（3）本发明的装置结构简单成本较低，仅采用了单个并行mzm调制器，而无需多个光电调制器，也无需光滤波器就能产生高频微波信号，该方法具有可调谐性且系统稳定容易实现。
附图说明
[0015]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：图1是本发明的光生六倍频相位编码微波信号产生装置及方法一较佳实施例的结构示意图；附图中各部件的标记如下：1、激光器，2、微波信号发生器，3、电相位调制器，4、移相器，5、电增益器，6、并行mzm调制器，7、单模光纤，8、光电探测器。
具体实施方式
[0016]
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0017]
请参阅图1，本发明实施例包括：一种光生六倍频相位编码微波信号产生装置，包括：激光器1、微波信号发生器2、电相位调制器3、移相器4、电增益器5、并行mzm调制器6、单模光纤7和光电探测器8，其中所述并行mzm调制器6可以采用并行马赫曾德尔调制器mzm，所述激光器1、并行调制器6、单模光纤7和光电探测器8之间为光连接，微波信号发生器2、电相位调制器3、移相器4和电增益器5之间为电连接。
[0018]
一种光生六倍频相位编码微波信号产生方法，采用如下步骤：激光器1ld发出的光波经过并行mzm调制器6被携带数据的微波信号调制，并行mzm调制器6由两个子调制器mzm1和mzm2构成，mzm1和mzm2都偏置在最小输出点上，每个子调制器两臂微波驱动信号之间的相位差都为π，由移相器实现。
[0019]
并行mzm调制器6上下两臂输出的两路信号相加会生成2k+1（k=0，
±
1，
ꢀ±2…
）阶边带，主要包括
±
1，
ꢀ±
3和
±
5阶边带，而其它高阶分量幅度很小可忽略；通过设置合适的mzm调制指数m，其中设置m=3.8317，使幅度正比于一阶贝塞尔函数j1(m)的
±
1阶边带为零，即j1(m)= 0，调节移相器4设置两个子调制器mzm1和mzm2的微波
驱动信号之间的相位差为π/5，使
±
5阶边带为零，此时并行mzm调制器6的输出主要为
±
3阶边带。
[0020]
被数据相位调制的微波信号和经增益的数据信号相加后分别驱动mzm1和mzm2，通过设置合适的电相位调制器3的调制参数m
p
和电增益器4的增益系数g（g = 3m
p
），可使产生的光载微波信号仅有一个边带（-3阶或+3阶）携带数据，且该边带的相位随数据变化，经过单模光纤7传输后，接收端正3阶边带和负3阶边带在光电探测器pd拍频产生六倍频相位编码微波波信号。
[0021]
本发明产生六倍频相位编码微波信号的原理为：激光器1ld的输出光波经过并行mzm调制器6被频率为的微波信号调制，经数据s(t)相位调制的微波信号和经增益的数据信号相加后分别驱动子调制器mzm1和mzm2，两者间驱动信号相位差为π/5，则mzm1和mzm2的驱动电压分别为和，则并行mzm调制器6的上下两路信号可分别表示为：，式中，是子调制器mzm1和mzm2的调制指数，是微波信号的振幅，是子调制器的半波电压，m
p
是电相位调制器3的调制指数，g是电增益器5的增益系数；上下两路信号相加可得并行mzm调制器6的输出为：输出为2k+1（k=0,
ꢀ±
1,
ꢀ±2…
）阶边带，调节设置mzm调制指数m为3.8317，使j1(m)= 0，可消除1阶边带，因mzm1和mzm2的微波驱动信号相位差为π/5，而使5阶边带为零（），而其它高于5阶的奇数阶分量幅度很小可忽略，故并行mzm调制器6的输出可以简化为：
设置合适的电相位调制器3的调制指数m
p
和电增益器5的增益系数g，使g = 3m
p
，则并行mzm调制器6的输出为：输出频率分别为3和-3的正负3阶边带，其中仅有正3阶边带携带数据s(t)，且正3阶边带的相位随数据s(t)变化。
[0022]
光电探测器pd采用平方律探测，正3阶边带和负3阶边带拍频输出为：其中r是pd的响应度，pd输出微波信号的频率为，其相位为，即产生了六倍频相位编码微波信号。
[0023]
本发明光生六倍频相位编码微波信号产生装置及方法的有益效果是：（1）本发明采用光学技术产生了高频相位编码信号，突破了“电子瓶颈”的限制，能满足现代雷达或无线通信对高载频、大带宽和宽调谐信号的要求；（2）本发明能产生六倍频相位编码微波信号，可以降低对微波器件和mzm调制器带宽的要求，例如仅需10ghz的微波信号发生器和调制器即可产生60ghz的微波，且该携带相位信息的高频微波是适合现代雷达和无线通信系统的相位编码信号；（3）本发明的装置结构简单成本较低，仅采用了单个并行mzm调制器，而无需多个光电调制器，也无需光滤波器就能产生高频微波信号，该方法具有可调谐性且系统稳定容易实现。
[0024]
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。