基于光谱整形的微波光子信号产生及处理技术研究

摘要

随着微波技术在雷达系统、无线通信、射频天文学等多个应用领域的蓬勃发展，对高频微波信号进行实时的产生、处理和操控成为目前学术界及工业界共同面临的问题。微波光子学正是针对这一发展需求所产生的新兴交叉学科，它旨在利用光学技术的高速、高带宽及低损耗等固有优势，解决传统微波技术所面临的带宽及速率瓶颈问题。本论文针对于微波光子学领域中的国际研究热点，围绕微波光子信号产生技术及光载无线信号处理技术两方面展开研究。一方面探索新型的波形构造方法，提高基于全光器件任意波形产生技术的灵活性;另一方面旨在解决光载无线系统中的性能损伤问题，通过全光处理技术提高光载微波信号的传输性能。
　　在微波信号的光学产生方面，本论文基于偏光干涉滤波器单元，提出了两种结构方式以构建具有三角形滤波响应的全光滤波器，进而结合频域到时域映射技术实现了三角形微波信号的产生;接着，将串联结构的光谱构造模型推广到任意波形产生领域，并通过理论和实验共同证明了该模型的有效性;进一步通过光谱滤波器结构上的优化设计实现了参数可调的微波信号产生。在光载微波信号的处理方面，搭建了光载无线系统的下行传输线路系统，提出了解决功率衰落效应及调制深度问题的预失真技术，有效增加了系统的接收灵敏度。本文主要的研究内容和成果如下:
　　(1)提出了基于并联结构的三角微波脉冲产生方法。结合保偏光纤及偏振片设计了基于偏光干涉的梳状滤波器结构，从理论上分析了该滤波器的实现原理，并给出了滤波响应函数随保偏光纤长度的变化趋势。随后，基于傅里叶级数展开原理，分析了三角波函数的谐波分量构成，并探讨了谐波分量阶数对三角波形质量的影响。在忽略高阶谐波影响的情况下，通过并联的偏光干涉滤波器产生了对应基波及三次谐波的两路正弦形光谱。引入偏振合束器实现了两路正弦光谱的强度叠加，完成了三角光谱构造。最后，研究了频时域映射的理论基础及应用条件，实现了三角光谱到脉冲的映射过程。实验结果表明，产生的三角脉冲频率及脉宽可以通过保偏光纤长度及光纤色散大小调节，符合理论模型期望。
　　(2)设计了基于串联型偏光干涉滤波器的任意微波波形产生系统。首先分析了输入光偏振控制对偏光干涉滤波器滤波响应函数的影响，探讨了输出正弦形光谱的消光比系数可调范围。构建了基于串联型偏光干涉滤波模块的系统结构，推导了该结构的输出光谱理论模型。推导公式表明，串联型的偏光干涉滤波模块能产生傅里叶级数式的多分量光谱组合。另外，通过合理的调节模块中各级滤波器的偏振关系，可以实现对各光谱分量的幅度控制，从而完成任意光谱输出。通过仿真证明，输出光谱精确度与滤波器级联个数有关。而级联个数的增加又提高了控制算法复杂度，因此，利用遗传算法解决了各级滤波器偏振关系的复杂计算。实验中使用三级级联结构的偏光干涉滤波器实现了正弦形、三角形及矩形光谱的产生。同样利用色散光纤及高速光电探测器组成的频时域映射模块结合上述串联型构造器实现了三角形微波信号的产生。
　　(3)通过加入可调光器件对偏光干涉滤波器系统结构进行优化，以实现二维可调的微波信号产生。取代保偏光纤的可调差分群时延模块用于控制输出光谱的自由谱范围，并采用带宽及波长可调的光学滤波器用以控制输出光谱带宽。基于该光谱构造系统结构并结合频时域映射机制，理论推导了输出微波波形与差分群时延及后级滤波器带宽的关系，并通过实验证明了该理论正确性。实验结果表明，该系统方案能实现频率范围为4GHz-30GHz、信号宽度为0.7nm-3nm的微波信号生成。
　　(4)通过在偏光干涉滤波器中引入差分群时延扰动以实现相位编码的微波信号产生。基于偏光干涉滤波器中差分群时延与输出光谱自由谱范围的关系，利用相位调制器引入额外的相位延时，以实现输出光谱的频移调制，结合频时域映射技术将频移调制转换为输出微波信号的相位调制。实验产生了频率为10GHz的相位编码信号，并证明了输出微波信号相位与相位调制器射频输入电压成正比关系。
　　(5)提出了用于提高光载无线信号系统传输性能的光学预失真技术。首先从理论上分析了光载无线系统中双边带信号及单边带信号的最优载波边带比，并根据理论结果，通过实验比较了具有最优化载波边带比的双边带信号及单边带信号传输性能，证明了前者具有1.5dB的性能优势。随后研究了光载无线系统中的色散损伤，推导了色散引起的功率衰落机理，分析了功率衰落随微波频率及传输距离的变化趋势。利用预失真技术对双边带信号中的两个边带提前预置相位差，抵消链路中的色散影响，解决双边带信号在系统中的功率衰落问题。实验结果证明了预失真技术的有效性，并表明在光载无线系统中，经预失真处理的双边带信号相比单边带信号具有1.2dB的灵敏度提升。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 论文的选题背景与研究意义

1．2 微波信号光学产生技术的研究现状

1．3 光载无线信号处理技术的研究现状

1．4 本论文的主要研究内容

第2章 微波光子信号产生及处理技术原理

2．1 基于光谱构造的微波信号产生系统

2．1．1 锁模激光器的工作原理

2．1．2 基于偏光干涉的光谱构造原理

2．1．3 基于色散的频域到时域映射机制

2．2 光载无线系统中的信号传输模型

2．2．1 光载无线信号的调制原理

2．2．2 光载无线系统中的功率衰落效应

2．3 本章小结

第3章 基于偏光干涉的任意波形产生技术

3．1 引言

3．2 基于并联结构光谱构造的三角波产生

3．2．1 基于偏光干涉的三角型光谱构造原理

3．2．2 并联型三角波的频时域映射理论及仿真

3．2．3 并联型三角波生成的实验研究

3．3 基于串联结构光谱构造的三角波产生

3．3．1 基于偏光干涉的串联型光谱构造原理

3．3．2 串联型三角脉冲生成的实验研究

3．4 基于串联型偏光干涉结构的任意光谱构造

3．4．1 串联型任意光谱构造的理论基础

3．4．2 串联型任意光谱构造的算法实现

3．4．3 串联型任意光谱构造的模拟仿真及实验研究

3．5 本章小结

第4章 多维可调谐的微波信号产生技术

4．1 引言

4．2 频率及脉宽可调的微波信号产生技术

4．2．1 频率及带宽可调的微波信号产生原理

4．2．2 频率及带宽可调的微波信号产生实验

4．3 相位编码的微波信号产生技术

4．3．1 相位编码的微波信号产生原理

4．3．2 相位编码的微波信号产生实验

4．4 本章小结

第5章 预失真技术在光载无线系统中的应用研究

5．1 引言

5．2 载波边带比对光载无线系统的性能影响研究

5．2．1 载波边带比对RoF系统性能影响的建模分析

5．2．2 载波边带比对RoF系统性能影响的仿真研究

5．3 双边带信号在RoF系统中的色散预补偿研究

5．3．1 双边带信号在RoF系统中的色散预补偿原理

5．3．2 双边带信号在RoF系统中的色散预补偿仿真

5．4 预失真双边带信号在RoF系统中的传输性能实验

5．5 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读博士期间发表的论文和科研成果