CN107947867B - 一种基于多频相位调制的单边带频谱产生装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于多频相位调制的单边带频谱产生装置及方法，涉及一种单边带频谱产生装置及方法。本发明装置包括窄线宽的激光源、电光调制器、光谱测量***、任意波形发生器以及射频信号放大器；本发明方法包括：步骤一、将窄线宽的激光源输出的单频信号导入到电光调制器中；步骤二、基于光谱分析反向计算得到多频调制电信号波形，设定任意波形发生器产生相应的多频调制电信号；步骤三、所述调制电信号先经过射频信号放大器进行放大，然后传送到电光调制器；步骤四、将调制后形成的光信号输出到光谱测量***中进行光谱结构分析。本发明解决了现有技术信号的能量转换效率不高、结构复杂的问题。本发明可运用于无线通信。

Description

一种基于多频相位调制的单边带频谱产生装置及方法

技术领域

本发明涉及一种单边带频谱产生装置及方法。

背景技术

随着人们对宽带无线通信需求的日益增长，无线通信不断朝着高频波段拓展。然而由于处理速率的限制，传统的电子技术对于高速微波信号的处理显得有点力不从心。另外，随着频率的提高，微波信号在空气中的传输损耗也增加，无法进行长距离的传输。光子具有巨大的带宽，采用光子技术处理高速的微波信号可以摆脱电子技术处理速率瓶颈的限制，并且具有极强的抗电磁干扰能力。此外，光纤中信号的传输损耗极低，可以借助光纤通信技术来实现微波信号的长距离传输，典型代表是光纤无线电(Radio over fiber,ROF)。

在ROF***中，由于光纤链路色散的影响，会导致光接收机测得的信号周期性衰落。若将单频载波信号转换成光双边带信号(ODSB)，上下边带具有相同的幅度和相位。经光纤色散作用后，上下边带经历不同的延时，会产生一个与色散有关的相移。若此相移为π，在接收端探测时，两个边频分别与载波拍频，产生两个幅度相同、相位相反的射频(RF)信号，二者叠加相互抵消，光探测器输出的RF信号功率为0。相移在0到π之间变化时，总的RF信号产生不同程度的衰落。这种检测信号的周期性衰落将影响光纤通信的效率和可靠性。

解决这种RF信号周期性衰落问题，最经济有效的方法是采用光单边带调制技术(OSSB-modulator)。其具体思想是消除经调制后的光波信号在光纤中所受到的色散的影响，使光探测器接收到的信号为一个调制边带与载波的拍频信号，提高频带的利用率，增加传输容量。

目前，人们采用多种方法得到OSSB信号，按照其实现原理，可以归结为三类：(1)采用光学滤波器滤除ODSB信号中的一个边带，获得光单边带信号输出；(2)放大ODSB中的一个边带，获得光单边带信号；(3)利用OSSB调制器直接得到光单边带信号。

2005年，西班牙Capmany等人利用串联的两组光纤布拉格光栅阵列(FBGA)来产生多波长的OSSB信号。由可调谐的光纤激光器阵列产生多波长的光纤激光，注入到电光调制器中，将每个纵横调制成双边带激光信号，然后利用FBGA滤除其中一个边带，得到多波长的OSSB信号。这种方法在***损耗、载波抵制效应、带宽等方面都有较好的表现。只要使用高质量、高反射率的FBG滤波器，应用的频率范围可以从毫米波延伸到整个微波带宽范围。2012年，Tang等人使用相位调制器产生ODSB信号，然后利用一个可调光带通滤波器，滤除其中一个边带，得到OSSB信号。并将其运用在光矢量网络分析仪中，实现了较高的分辨率。2016年，澳大利亚的Song等人提出了一种基于绝缘硅片的耦合谐振腔光波导滤波器的单边带调制器，其OSSB信号经过色散元件传输后，光电探测器测得的RF信号的起伏小于2dB。以上这种利用光学滤波器实现单边带调制信号的方法的不足之处是滤波器的使用会固定的损耗掉一部分边带能量，信号的能量转换效率不高。

2005年，Y.Shen等人提出了产生11GHz光学单边带调制的ROF***。使用光纤中的受激布里渊散射效应，使下边带的调制信号被放大，而上边带的调制信号被削弱，从而提高了***的性能，获得了2dB的信噪比增益。由于光纤中布里渊频移为11GHz左右，使得调制的射频信号频率为11GHz。这种OSSB信号的产生方法实质上是将一个边带上的能量通过光纤受激布里渊散射效应转移到另一个边带上，与利用光学滤波器的方案相比具有更高的效率；但是这种方法是基于非线性光学效应发展起来的，所得单边带调制信号稳定性受到限制。

2008年，加拿大的B.Masella等人提出了一种线性单边带Mach-Zehnder电光调制器，这种OSSB使用了一个偏置在正交传输点的双驱动Mach-Zehnder调制器，分别由两个相移为π的RF信号驱动。通过恰当的设计，获得了较好的调制结果。***中需要用到相移器来控制两RF驱动信号的相移，其结构和操作不够简单。

利用多频相位调制技术可以控制边带中各阶调制信号的强度比，目前已用于特殊谱线结构的产生。哈尔滨工业大学吕志伟教授课题组利用多频相位调制技术实现了等幅光谱结构的产生，通过合理的设计调制信号中各频率成分的比值，得到了数十条等幅光谱线输出(专利号：200710144442.3)。

发明内容

本发明为解决现有技术信号的能量转换效率不高、结构复杂的问题，提供了一种基于多频相位调制的单边带频谱产生装置及方法。

本发明所述一种基于多频相位调制的单边带频谱产生装置，包括：窄线宽的激光源、电光调制器、光谱测量***、任意波形发生器以及射频信号放大器；

所述窄线宽的激光源的输出光纤与电光调制器的输入端相连，将所述窄线宽的激光源输出的单频信号导入到电光调制器中；

所述射频信号放大器的输入端连接任意波形发生器，射频信号放大器的输出端与所述电光调制器相连，所述电光调制器的输出端接入光谱测量***；任意波形发生器产生多频调制电信号，经过射频信号放大器进行放大，然后传送到电光调制器；电光调制器根据多频调制电信号对进入电光调制器中的单频信号进行相位调制，输出调制后的光信号到光谱测量***中。

本发明所述一种基于多频相位调制的单边带频谱产生方法，通过以下技术方案实现：

步骤一、将窄线宽的激光源输出的单频信号导入到电光调制器中；

步骤二、基于光谱分析反向计算得到多频调制电信号波形，根据计算结果设定任意波形发生器产生相应的多频调制电信号；

步骤三、所述多频调制电信号先经过射频信号放大器进行放大，然后传送到电光调制器；电光调制器在经过射频信号放大器放大的多频调制电信号的驱动下对进入电光调制器中的单频信号进行相位调制，单频信号被调制；

步骤四、将调制后形成的光信号输出到光谱测量***中进行光谱结构分析；原来单频信号载波的单根光谱线***成多根光谱线，其中一根光谱线的强度远大于其它谱线的强度，光谱呈现出单边带结构。

本发明最为突出的特点和显著的有益效果是：

本发明结构简单，仅使用了一个电光调制器和一个射频驱动器即可实现单边带调制信号输出。能量转换效率高，本发明中没有使用光学滤波器，相应的***损耗有所减少；此外，多频相位调制将ODSB一个边带的信号功率转移到另一个边带上而不是直接滤除，两方面共同导致了本发明极高的能量转换效率，仿真实验中边频强度与调制前载波信号强度相比仅下降了0.56dB，能量转换效率达到88％。

附图说明

图1是本发明的基于多频相位调制的单边带频谱产生装置结构示意图；

图2是用于实现单边带调制的调制电信号波形图；

图3是单频信号调制前后信号光的功率谱图像；

1.窄线宽的激光源，2.电光调制器，3.光谱测量***，4.任意波形发生器，5.射频信号放大器。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1所示，本实施方式给出的一种基于多频相位调制的单边带频谱产生装置，包括窄线宽的激光源1、电光调制器2、光谱测量***3、任意波形发生器4以及射频信号放大器5；

所述窄线宽的激光源1的输出光纤与电光调制器2的输入端的尾纤相连，将所述窄线宽的激光源1输出的单频信号导入到电光调制器2中；

所述射频信号放大器5的输入端连接任意波形发生器4，射频信号放大器5的输出端与所述电光调制器2相连，所述电光调制器2的输出端接入光谱测量***3；任意波形发生器4产生多频调制电信号，经过射频信号放大器5进行放大，然后传送到电光调制器2；电光调制器2根据多频调制电信号对进入电光调制器2中的单频信号进行相位调制，输出调制后的光信号到光谱测量***3中。

在此装置中，当不进行相位调制或施加到电光调制器2上的调制电信号幅度为0时，光谱测量***3中测得的光谱中仅含有载波成分；当有调制电信号施加到电光调制器2上时，所述窄线宽的激光源1输出的单频信号被调制，原来单频信号的单根光谱线***成多根光谱线，随着调制电信号的调整，调制后的光谱呈能够现出单边带结构。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述光谱测量***3为光谱分析仪、频谱分析仪或扫描法珀干涉仪。

其他步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述窄线宽的激光源1由窄线宽半导体激光器提供。常用的通信波段的波长为1550nm和1310nm，激光医疗常用波段的波长为1064nm。

其他步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：根据图1对本实施方式进行说明，本实施方式给出的一种基于多频相位调制的单边带频谱产生方法，具体包括以下步骤：

步骤一、将窄线宽的激光源输出的单频信号导入到电光调制器中；

步骤二、基于光谱分析反向计算得到多频调制电信号波形，根据计算结果设定任意波形发生器产生相应的多频调制电信号；

步骤三、所述多频调制电信号先经过射频信号放大器进行放大，然后传送到电光调制器；电光调制器在经过射频信号放大器放大的多频调制电信号的驱动下对进入电光调制器中的单频信号进行相位调制，单频信号被调制；

步骤四、将调制后形成的光信号输出到光谱测量***中进行光谱结构分析；原来单频信号的单根光谱线***成多根光谱线，其中一根光谱线的强度远大于其它谱线的强度，光谱呈现出单边带结构。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是，步骤二中计算得到多频调制电信号波形的过程包括：

步骤二一、多频调制电信号m(t)的基频为f_m，对m(t)作傅里叶级数展开则有：

式(1)中γ_k和φ_k分别为多频调制电信号中k次谐波的调制指数和初相位，t表示时间；

步骤二二、设多频调制电信号波形γ_k＝0、φ_k＝0，多频调制电信号波形即k次谐波的调制指数γ_k和初相位φ_k的取值组合；

步骤二三、在此调制电信号作用下，忽略多频调制电信号中的直流分量，即直流分量γ₀＝0，单频信号被调制后的时域表达式为：

其中，f_c为窄线宽的激光源输出的单频信号的频率，j为虚数单位；E(t)指的是调制后光信号的振幅；

对式(2)右边作傅里叶级数展开得：

其中，n₁、n₂、n_k为(-∞_,∞)的整数，为贝塞尔函数；经多频相位调制后的光信号为一系列频率间隔为f_m的分立光谱线；

通过数学仿真软件计算满足式(2)和式(3)的调制后光信号的频谱结构；

步骤二四、将步骤二三得到的光谱结构与所设定的目标单边带调制信号相比较，若二者误差在设定的精度要求范围内，则选取此多频调制电信号波形为计算结果；若对比误差不在精度要求范围内，则γ_k＝γ_k+0.01，即γ_k的值增加0.01，重复步骤二三～步骤二四，直至得到满足条件的多频调制电信号波形。

目标单边带调制信号，即预先设定的光信号为一系列频率间隔为f_m的分立光谱线且其中一根光谱线的强度远大于其它谱线的强度的单边带调制信号。上述步骤通过等步长增加γ_k的值，选取获得一多频调制电信号波形，其调制后产生的光信号与目标单边带调制信号相比，能够满足精度要求范围。

设定的精度要求范围包括载波抑制比R1范围和边频抑制比R2范围。

其他步骤及参数与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式四不同的是，多频调制电信号基频的取值为1kHz～40GHz。

其他步骤及参数与具体实施方式四或五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是，多频调制电信号基频的取值为10.8GHz。

其他步骤及参数与具体实施方式四、五或六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式四不同的是，步骤三中施加到电光调制器上的多频调制电信号包含f_m、2f_m、…、kf_m，k个频率，k∈[2,10]，各频率组分的相位φ_k均为0。

其他步骤及参数与具体实施方式四、五、六或七相同。

实施例

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

本实施例所述的一种基于多频相位调制的单边带频谱产生方法按照以下步骤进行：

如图1所示，先连接好装置：将窄线宽的激光源1的输出光纤与电光调制器2的输入端的尾纤相连，将所述窄线宽的激光源1输出的单频信号导入到电光调制器2中；射频信号放大器5的输入端连接任意波形发生器4，射频信号放大器5的输出端与所述电光调制器2相连，所述电光调制器2的输出端接入光谱测量***3，本实施例中的光谱测量***3采用光谱分析仪；

窄线宽的激光光源由波长为1550nm的窄线宽半导体激光器提供，如图2所示，设定任意波形发生器4产生多频调制电信号为：包含f_m、2f_m、3f_m、4f_m、5f_m、6f_m、7f_m、8f_m、9f_m、10f_m等10个频率在内的多频调制电信号，多频调制电信号的基频f_m的取值为10.8GHz，设定载波抑制比R1范围为大于等于20dB和边频抑制比R2范围为大于等于18dB，计算得到满足要求的多频调制电信号波形γ₁＝1.9900、γ₂＝0.9800、γ₃＝0.6400、γ₄＝0.4700、γ₅＝0.3600、γ₆＝0.2900、γ₇＝0.2300、γ₈＝0.2700、γ₉＝0.2800、γ₁₀＝0.2400，各频率组分的相位φ_k均为0。

当多频调制电信号幅度为0即不施加调制信号时，光谱分析仪中测得的谱线结构如图3中虚线所示，只有载波成分存在。若将计算得到的多频调制电信号波形加到电光调制器2上，可得到图3中实线所示的调制光谱，可以看出，谱线结构中上边频的成分得到的有效抑制，其边频抑制比约为18.5dB，同时载波也得到了较好的抑制，其载波抑制比约为24.3dB，获得了较好的单边带信号。另一个优点是信号的利用率较高，从图3中可以明显看出，调制信号一阶下边频强度与调制前载波信号强度相比仅下降了0.56dB。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于多频相位调制的单边带频谱产生装置，其特征在于，所述基于多频相位调制的单边带频谱产生装置包括窄线宽的激光源、电光调制器、光谱测量***、任意波形发生器以及射频信号放大器；

所述窄线宽的激光源的输出光纤与电光调制器的输入端相连，将所述窄线宽的激光源输出的单频信号导入到电光调制器中；

所述射频信号放大器的输入端连接任意波形发生器，射频信号放大器的输出端与所述电光调制器相连，所述电光调制器的输出端接入光谱测量***；任意波形发生器产生多频调制电信号，经过射频信号放大器进行放大，然后传送到电光调制器；电光调制器根据多频调制电信号对进入电光调制器中的单频信号进行相位调制，输出调制后的光信号到光谱测量***中。

2.根据权利要求1所述一种基于多频相位调制的单边带频谱产生装置，其特征在于：所述光谱测量***为光谱分析仪、频谱分析仪或扫描法珀干涉仪。

3.根据权利要求1所述一种基于多频相位调制的单边带频谱产生装置，其特征在于：所述窄线宽的激光源由窄线宽半导体激光器提供。

4.一种利用权利要求1所述装置产生单边带频谱的方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

步骤一、将窄线宽的激光源输出的单频信号导入到电光调制器中；

步骤二、基于光谱分析反向计算得到多频调制电信号波形，根据计算结果设定任意波形发生器产生相应的多频调制电信号；

步骤三、所述多频调制电信号先经过射频信号放大器进行放大，然后传送到电光调制器；电光调制器在经过射频信号放大器放大的多频调制电信号的驱动下对进入电光调制器中的单频信号进行相位调制，单频信号被调制；

步骤四、将调制后形成的光信号输出到光谱测量***中进行光谱结构分析；原来单频信号的单根光谱线***成多根光谱线，其中一根光谱线的强度远大于其它谱线的强度，光谱呈现出单边带结构。

5.根据权利要求4所述产生单边带频谱的方法，其特征在于，步骤二中计算得到多频调制电信号波形的过程包括：

步骤二一、多频调制电信号m(t)的基频为f_m，对m(t)作傅里叶级数展开则有：

式(1)中γ_k和φ_k分别为多频调制电信号中k次谐波的调制指数和初相位，t表示时间；

步骤二二、设多频调制电信号波形γ_k＝0、φ_k＝0，多频调制电信号波形即k次谐波的调制指数γ_k和初相位φ_k的取值组合；

步骤二三、忽略多频调制电信号中的直流分量，即直流分量γ₀＝0，单频信号被调制后的的时域表达式为：

其中，f_c为窄线宽的激光源输出的单频信号的频率，j为虚数单位；E(t)指的是调制后光信号的振幅；

对式(2)右边作傅里叶级数展开得：

其中，n₁、n₂、n_k为(-∞,∞)的整数，为贝塞尔函数；经多频相位调制后的光信号为一系列频率间隔为f_m的分立光谱线；

通过数学仿真软件计算满足式(2)和式(3)的调制后光信号的频谱结构；

步骤二四、将步骤二三得到的光谱结构与设定的目标单边带调制信号相比较，若二者误差在设定的精度要求范围内，则选取此多频调制电信号波形为计算结果；若对比误差不在精度要求范围内，则γ_k＝γ_k+0.01，即γ_k的值增加0.01，重复步骤二三～步骤二四，直至得到满足条件的多频调制电信号波形。

6.根据权利要求4所述产生单边带频谱的方法，其特征在于：多频调制电信号基频的取值为1kHz～40GHz。

7.根据权利要求6所述产生单边带频谱的方法，其特征在于：多频调制电信号基频的取值为10.8GHz。

8.根据权利要求4所述产生单边带频谱的方法，其特征在于：步骤三中施加到电光调制器上的多频调制电信号包含f_m、2f_m、...、kf_m，k个频率，k∈[2,10]，各频率组分的相位φ_k均为0。