一种差分相位编码的微波信号产生方法及装置

摘要

本发明公开了一种具有差分相位编码的微波信号产生方法及装置，属于通信、雷达以及微波光子技术领域。本发明装置包括激光器、第一电光调制器、第二电光调制器、级联马赫曾德尔干涉仪、平衡光电探测器、微波信号源、编码信号产生器。本发明方法具体为：利用第一电光调制器对直流光进行抑制载波调制得到两个子载波；利用第二电光调制器将编码信号相位调制于以上两个子载波；利用级联马赫曾德尔干涉仪将两个子载波分开并引入适当延时差；利用平衡光电探测器对级联马赫曾德尔干涉仪输出的两路光信号进行光电探测即可得到具有差分相位编码的微波信号。本发明主要优势：可产生具有差分相位编码的微波信号，且具有高载频、大带宽和无低频噪声干扰的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种差分相位编码的微波信号产生方法及装置，尤其涉及一种基于微波 光子技术实现的差分相位编码的微波信号产生方法及装置，属于通信、雷达与微波光子 学领域。

背景技术

相位编码或差分相位编码是微波通信系统中常用的调制格式，也是雷达系统中实现 脉冲压缩以提高距离分辨率的关键技术之一。特别的，使用差分相位编码格式能明显提 高微波通信系统的可靠性。随着通信与雷达等系统所需要的相位编码信号的载频不断提 升、带宽不断增大，如何产生高频、大带宽的相位编码信号成为通信与雷达系统亟需解 决的问题。

传统的相位编码信号通过电子技术产生，但是信号的带宽受限并且载波频率较低， 当使用混频的方法提升信号带宽与频率时会导致信号质量恶化，因而难以满足未来通信 与雷达系统的需求。与采用电子技术相比，利用微波光子技术产生相位编码的微波信号 具有频率高、带宽大、损耗低、体积小、抗电磁干扰能力强等优势，受到人们的高度重 视。近年来，研究人员提出了许多种基于微波光子技术的相位编码信号产生方法，但目 前这些方法通常存在以下几方面问题：第一、由于光电探测器实现光电转换时遵循平方 律检波，得到的相位编码信号中存在较多的低频成分，在信号发射前必须使用滤波器将 低频成分去除，使系统复杂度升高；第二、得到的相位编码信号的载频与驱动系统的微 波信号源频率相同，因此要产生高载频的相位编码信号必需要使用高频的微波信号源， 使系统成本增加；第三、如需要产生差分相位编码的微波信号，必须在电域首先完成信 号的差分编码，然后作为微波光子系统的输入，而不能利用原始的编码信号作为输入直 接产生差分相位编码的微波信号。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于微波光子技术实 现的差分相位编码的微波信号产生方法及装置，利用原始的编码信号作为系统输入直接 产生具有差分相位编码的微波信号。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种差分相位编码的微波信号产生方法，激光器产生直流光信号输入第一电光调制 器；微波信号源产生单频微波信号驱动第一电光调制器；利用第一电光调制器对所述直 流光信号进行抑制载波双边带调制得到两个子载波光信号，所述两个子载波光信号进入 第二电光调制器；编码信号产生器产生二值编码信号作为驱动信号进入第二电光调制 器；在第二电光调制器中，利用编码信号产生器产生的二值编码信号对两个子载波光信 号同时进行相位调制；第二电光调制器输出的光信号进入级联马赫曾德尔干涉仪；级联 马赫曾德尔干涉仪由第一级马赫曾德尔干涉仪和第二级马赫曾德尔干涉仪组成；所述第 一级马赫曾德尔干涉仪对第二电光调制器输出的光信号引入延时差，使第一级马赫曾德 尔干涉仪两个输出端具有互补的梳状滤波特性，从而将两个子载波光信号分开，第二级 马赫曾德尔干涉仪对第一级马赫曾德尔干涉仪输出的分开的两个子载波光信号引入延 时差后，两个子载波光信号互相干涉得到光强度互补的两路光信号输出；其中：第一级 马赫曾德尔干涉仪中引入的延时差为τ₁＝1/(4f_RF)，f_RF为微波信号源产生的单频微波信 号频率；所述第二级马赫曾德尔干涉仪中引入的延时差为τ₂＝1/B，B为编码信号产生器 产生的二值编码信号的速率；第二级马赫曾德尔干涉仪输出的光强度互补的两路光信号 分别送至平衡光电探测器的两个输入端；平衡光电探测器的输出即为差分相位编码的微 波信号。

进一步的，利用相位调制器将编码信号产生器产生的二值编码信号相位调制于两个 子载波光信号上，其中相位调制器的调制深度为π。

一种差分相位编码的微波信号产生装置，包括：激光器、第一电光调制器、第二电 光调制器、级联马赫曾德尔干涉仪、平衡光电探测器、微波信号源和编码信号产生器； 所述平衡光电探测器中设置有两个宽带光电探测器；所述激光器的输出端连接第一电光 调制器的输入端；所述第一电光调制器的输出端连接第二电光调制器的输入端；沿第二 电光调制器的信号输出方向依次连接级联马赫曾德尔干涉仪和平衡光电探测器；所述微 波信号源的输出端与第一电光调制器的驱动信号输入端连接；所述编码信号产生器的输 出端与第二电光调制器的驱动信号输入端连接。

进一步的，所述第一电光调制器采用宽带马赫曾德尔调制器。

进一步的，所述第二电光调制器为宽带电光相位调制器。

有益效果：本发明提供的一种差分相位编码的微波信号产生方法及装置：

(1)最终产生的差分相位编码微波信号载频为驱动第一电光调制器的微波源信号 频率的二倍，因而能利用低频器件产生高频微波信号。

(2)无需电域差分编码模块，能利用原始的编码信号作为系统输入直接产生具有 差分相位编码的微波信号。

(3)通过平衡光电探测获得差分输出，可以去除输出信号中的低频背景噪声干扰， 并增大相位编码微波信号的功率。

附图说明

图1为本发明中差分相位编码的微波信号产生装置的结构示意图；

图2为通过实施例产生差分相位编码的微波信号的实验结果：

图2(a)为产生的差分相位编码信号的归一化波形；

图2(b)为原始二值编码信号波形；

图2(c)为经过延时τ₂后的二值编码信号波形；

图2(d)为依据希尔伯特变换从产生的相位编码微波信号中提取出的相位信息。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

一种差分相位编码的微波信号产生装置，包括：激光器、第一电光调制器、第二电 光调制器、级联马赫曾德尔干涉仪、平衡光电探测器、微波信号源和编码信号产生器； 所述激光器的输出端连接第一电光调制器的输入端；所述第一电光调制器的输出端连接 第二电光调制器的输入端；沿第二电光调制器的信号输出方向依次连接级联马赫曾德尔 干涉仪和平衡光电探测器；所述微波信号源的输出端与第一电光调制器的驱动信号输入 端连接；所述编码信号产生器的输出端与第二电光调制器的驱动信号输入端连接。

第一电光调制器优选为宽带马赫曾德尔调制器，其偏置电压对应马赫曾德尔调制器 的强度调制传递函数最低点；所述第二电光调制器优选为宽带电光相位调制器，由编码 信号产生器产生的二值编码信号驱动，实现相位调制深度为π，即对应二值编码信号的 不同电平，第二电光调制器输出的光信号的相位相差π；所述级联马赫曾德尔干涉仪由 两级马赫曾德尔干涉仪构成，该级联马赫曾德尔干涉仪具有一个光信号输入端口与两个 光信号输出端口，其中第一级马赫曾德尔干涉仪的两个干涉臂对输入光信号的延时差为 τ₁＝1/(4f_RF)(f_RF为驱动第一电光调制器的单频微波信号频率，单位为Hz)，所述延时差 是指级联马赫曾德尔干涉仪中的干涉臂对光信号的延时的差，假设在第一级马赫曾德尔 干涉仪中一个干涉臂上延时量为(A+τ₁)，另一个干涉臂延时量为A，两个干涉臂的延 时差即为τ₁。第二级马赫曾德尔干涉仪的两个干涉臂对第一级马赫曾德尔干涉仪输出的 光信号引入的延时差为τ₂＝1/B(B为驱动第二电光调制器的二值编码信号速率，单位为 bit/s)，同理：假设第二级马赫曾德尔干涉仪中的一个干涉臂上延时量为(Q+τ₂)，另一 个干涉臂延时量为Q，即第二级马赫曾德尔干涉仪中的两个干涉臂的延时差为τ₂；所述 平衡光电探测器包含两个宽带光电探测器，该平衡光电探测器的输出信号为两个宽带光 电探测器输出电信号的差。

本发明中具有差分相位编码的微波信号产生方法具体为：利用第一电光调制器将激 光器产生的直流光信号进行抑制载波双边带调制得到两个子载波光信号，再利用第二电 光调制器将编码信号产生器产生的二值编码信号同时相位调制于以上两个子载波光信 号上，其中相位调制深度为π，即对应二值编码信号的不同电平，第二电光调制器输出 光信号的相位相差π；第二电光调制器输出的光信号输入到级联马赫曾德尔干涉仪的输 入端，级联马赫曾德尔干涉仪由第一级马赫曾德尔干涉仪和第二级马赫曾德尔干涉仪构 成；第二电光调制器输出的光信号经过第一级马赫曾德尔干涉仪后，两个子载波被分开 并分别通过第一级马赫曾德尔干涉仪的两个输出端输出；第一级马赫曾德尔干涉仪输出 的两路光信号经过第二级马赫曾德尔干涉仪引入与二值编码信号速率相关的延时差后， 互相干涉得到光强度互补的两路光信号输出；第二级马赫曾德尔干涉仪输出的光强度互 补的两路光信号输入到平衡光电探测的两个光信号输入端，平衡光电探测器的输出即为 差分相位编码的微波信号。

本发明产生的差分相位编码的微波信号具有0，π的二值相位信息，其载波频率为 2f_RF(f_RF为驱动第一电光调制器的微波信号频率)。本发明实现的微波信号相位编码， 与原始二值编码信号相比为差分编码形式，即：当原始二值编码信号相邻比特相同时输 出的微波信号相位为0，当原始二值编码信号相邻比特不同时输出的微波信号相位为π。

为了使公众理解本发明技术方案，下面对上述装置的原理以第一电光调制器为宽带 马赫曾德尔调制器、第二电光调制器为宽带电光相位调制器为例进行介绍：

激光器产生的直流光信号为E_c(t)＝E₀exp(j2πf₀t)，其中E₀为幅度，f₀为频率。该直流 光输入第一电光调制器，即马赫曾德尔调制器，马赫曾德尔调制器的驱动信号为微波源 产生的单频微波信号。通过调节马赫曾德尔调制器的偏置电压对应于马赫曾德尔调制器 的强度调制传递函数的最低点，实现对直流光信号的抑制载波双边带调制，得到的±1 阶两个光调制边带作为两个子载波光信号。设微波信号源产生的单频微波信号为 E_RF(t)＝Vcos(2πf_RFt)，其中V为幅度，f_RF为单频微波信号的频率，马赫曾德尔调制器输出 的两个子载波光信号为：

E₁(t)＝E₁exp[j2π(f₀-f)t]+E₁exp[j2π(f₀+f)t]       (1)

其中E₁为两个子载波的幅度。马赫曾德尔调制器输出的两个子载波信号输入到第二电 光调制器，即电光相位调制器，利用编码信号产生器产生的二值编码信号对两个子载波 同时进行相位调制。假设编码信号产生器产生的二值编码信号为g(t)，其取值为‘0’或 ‘1’，速率为B bit/s。调节二值编码信号的幅度，使相位调制器的调制深度为π，则经 电光相位调制器输出的光信号为：

其中为电光相位调制导致的光信号相位变化，并且

电光相位调制器输出的光信号输入到级联马赫曾德尔干涉仪。第一级马赫曾德尔干 涉仪的两个干涉臂对光信号的延时差为τ₁＝1/(4f_RF)，则第一级马赫曾德尔干涉仪的两输 出端的光强度传递函数分别为：

$t_1\left(f\right)=\frac{1}{2}[1-\cos \left(2{\mathrm{\pi \tau }}_{1}f\right)]=\frac{1}{2}[1-\cos \left(\pi \frac{f}{2f_{\mathrm{RF}}}\right)]---\left(3\right)$

$t_2\left(f\right)=\frac{1}{2}[1+\cos \left(2{\mathrm{\pi \tau }}_{1}f\right)]=\frac{1}{2}[1+\cos \left(\pi \frac{f}{2f_{\mathrm{RF}}}\right)]---\left(4\right)$

其中f为输入第一级马赫曾德尔干涉仪的光信号的频率。通过式(3)、(4)可以发 现第一级马赫曾德尔干涉仪的两个输出端具有互补的梳状滤波特性。因此，利用第一级 马赫曾德尔干涉仪可以将经相位调制的两个子载波光信号分开，并且分别从第一级马赫 曾德尔干涉仪的两个输出端输出，得到的两路光信号为：

第一级马赫曾德尔干涉仪的两个输出端与第二级马赫曾德尔干涉仪的两个干涉臂连接。 第二级马赫曾德尔干涉仪的两臂的光延时差为τ₂＝1/B，第二级马赫曾德尔干涉仪的两个 输出端的光信号分别为：

将式(7)和式(8)两路光信号输入到平衡光电探测器。平衡光电探测器由两个光电探 测器构成，此两个平衡光电探测器的输出电流分别为：

其中α为平衡光电探测器的响应率。最终从平衡光电探测器的输出的电流信号为式(9) 与式(10)的差：

由式(11)可知，平衡光电探测器输出为载波频率是2f_RF的微波信号，相位由 决定：当编码信号产生器产生的二值编码信号相邻码元相同时输出的微波 信号相位为0，不同时输出的微波信号相位为π，即实现了差分相位编码。由式(11) 还可以发现，得到的差分相位编码微波信号无低频干扰信号，并且信号幅度是采用单个 光电探测器时得到信号的2倍。由于第一电光调制器、第二电光调制器均为宽带电光调 制器、平衡光电探测器为宽带平衡光电探测器，本发明装置能产生高载波频率、大带宽 的相位编码微波信号。

图2为通过以上实施例产生差分相位编码的微波信号的实验结果。实验中驱动第一 电光调制器的微波源信号频率为8.7GHz，编码信号产生器产生的二值编码信号速率 1.036Gb/s，编码方式为“11001100”。第一级马赫曾德尔干涉的两臂延时为28.7ps，第 二级马赫曾德尔干涉仪的两臂延时为965ps。产生的相位编码微波信号的载频为 17.4GHz，其波形如图2(a)所示。为了便于观测，图2(b)、(c)分别为编码信号产 生器产生的二值编码信号波形和二值编码信号经过延时τ₂后的波形示意图。图2(d) 为依据希尔伯特变换原理，通过Matlab计算软件提取出相位编码微波信号的相位信息。 可以发现，对应于初始的编码信号“11001100”，产生的微波信号相位为“0π0π0π0π”， 即实现了差分相位编码。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也 应视为本发明的保护范围。