基于双驱动PDM-MZM的微波光子下变频方法

摘要

本发明公开了一种基于双驱动偏振复用马赫增德尔调制器PDM‑MZM的微波光子下变频方法，解决了现有技术稳定性和噪声性能较差的问题。本发明实现方法的步骤：输入光载波信号；产生射频信号和本振信号；设置子调制器的直流偏置电压；生成调制光信号；分束调制光信号；探测调制光信号；电相减器抑制噪声。本发明通过偏振复用马赫增德尔调制器PDM‑MZM双驱动一次调制以及电相减器作差抑制噪声，提高了稳定性和噪声性能。

说明书

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及一种通信技术领域中的基于双驱动偏振复用马赫增德尔调制器PDM-MZM(Polarization Division Multiplexing Mach-ZehnderModulator)的微波光子下变频方法。本发明可实现通信系统中接收机对射频信号的频率下变换。

背景技术

下变频技术是雷达、卫星、无线通信、电子侦查与对抗、深空探测等电子系统必不可缺的关键技术，它还广泛应用于矢量信号调制和解调、频谱分析、相位噪声测量、自动相位控制、锁相环等系统。传统微波下变频技术具有带宽受限、频率可调性差、隔离度差、电磁干扰严重等缺点，逐渐难以满足未来电子系统发展需要。微波光子学是一门结合了微波技术和光子技术优势的新型交叉学科，通过光学方法传输和处理微波信号，克服了传统微波系统在处理速度和传输带宽等方面的电子瓶颈。微波光子下变频技术可以直接在光域将微波的频率变换到中频,具有大带宽、宽频段可调谐、高隔离度、无电磁干扰等显著优势，且与其它微波信号光子学产生、传输、处理系统兼容，在未来电子系统中具有较大的应用前景。

北京邮电大学在其申请的专利文献“一种同时实现微波光子下变频和移相的方法”(公开号CN105763266A，申请号CN201610289164.X，申请日2016.05.04)中公开了一种同时实现微波光子下变频和移相的方法。该方法包括：双驱动马赫曾德尔调制器DMZM、光纤布拉格光栅FBG、光环形器OC、光电探测器PD、激光源。通过将射频信号和本振信号分别加载到DMZM的上下两臂的微波信号接口，直流偏压加载在直流接口。FBG反射射频信号和本振信号的一阶边带。经过光电探测器PD后，中频信号可以得到恢复，通过调整DMZM的偏压或控制激光器的波长实现中频信号相移操作。该方法存在的不足之处是，没有进行噪声抑制，噪声性能较差；相位调制的光信号需要经过光纤布拉格光栅FBG滤波才能被检测，下变频过程复杂，稳定性较差。

Vincent R.Pagan等人在其发表的论文“Linearized electrooptic microwavedownconversion using phase modulation and optical filtering”(Optics Express，2011，19(2)：883)中公开了一种级联相位调制器的微波光子下变频方法。该方法的具体步骤是，激光器产生连续的光信号，通过两个级联的相位调制器PM，将微波信号源产生的射频信号和本振信号加载到激光器产生的光信号上，得到被调制的光信号，经过光纤布拉格光栅FBG，滤除被调制的光信号中的光载波成分，再经过光电探测器PD进行光电转换，得到变频后的中频信号，实现射频信号下变频。该方法存在的不足之处是，需经过多次调制处理，方法复杂，稳定性较差；没有进行噪声抑制，噪声性能较差。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提出了一种基于双驱动偏振复用马赫增德尔调制器PDM-MZM的微波光子下变频方法，用于解决现有微波光子下变频方法中存在的噪声性能及稳定性较差的技术问题。

为实现上述目的，本发明的技术思路是：将射频信号和本振信号通过偏振复用马赫增德尔调制器PDM-MZM一次性调制到光载波信号上，直接用光电探测器进行光电转换，即可实现微波光子下变频，简化方法处理过程，提高方法稳定性；将光电探测器检测到的两路电信号，通过电相减器作差，使两路噪声相互抵消，提高方法噪声性能。本发明是在由一个激光器、两个微波信号源、包含两个子调制器的一个偏振复用马赫增德尔调制器PDM-MZM、一个光分束器、两个光电探测器和一个电相减器组成的链路中实现的。

本发明的具体步骤如下：

(1)输入光载波信号：

将激光器产生的光载波信号输入到偏振复用马赫增德尔调制器PDM-MZM中；

(2)两个微波信号源分别产生射频信号和本振信号；

(3)设置子调制器的直流偏置电压：

分别设置偏振复用马赫增德尔调制器PDM-MZM两个子调制器的直流偏置电压，使两个子调制器工作在其不同的传输点上；

(4)生成调制光信号：

将射频信号和本振信号同时输入到第一个子调制器和第二个子调制器中，进行光载波信号调制，生成含有本振信号边带和射频信号边带的调制光信号；

(5)光分束器利用分束公式，将生成的调制光信号分为上、下两路；

(6)探测调制光信号：

两个光电探测器利用光电转换公式，分别检测上、下两路调制光信号，得到两路中频信号；

(7)电相减器抑制噪声：

电相减器将两路信号噪声幅度相减，得到抑制噪声后的微波光子下变频的中频信号。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，本发明将射频信号和本振信号同时输入到第一个子调制器和第二个子调制器中，进行光载波信号调制，生成含有本振信号边带和射频信号边带的调制光信号，实现了光载波信号一次性调制，克服了现有技术需多次调制处理导致稳定性差的问题，使得本发明下变频方法简化，提高了稳定性。

第二，由于本发明利用电相减器将两路信号噪声幅度相减，得到抑制噪声后的微波光子下变频的中频信号，克服了现有技术缺少噪声抑制过程引起的噪声性能差的问题，使得本发明抵消了噪声，提高了噪声性能。

附图说明

图1是本发明适用的微波光子链路图；

图2是本发明的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的详细描述。

参照图1，本发明适用的微波光子链路包括：一个激光器CW laser、两个射频信号源S₁和S₀、包含两个子调制器MZM₁和MZM₂的一个偏振复用马赫增德尔调制器PDM-MZM、一个光分束器PBS、两个光电探测器PD₁和PD₂和一个电相减器。偏振复用马赫增德尔调制器PDM-MZM的光输入端口连接激光器CW>1和产生本振信号LO的微波信号源S₀。

参照图2，对本发明具体步骤作进一步的详细描述。

步骤1，输入光载波信号。

将激光器产生的光载波信号输入到偏振复用马赫增德尔调制器PDM-MZM中。

步骤2，产生射频信号和本振信号。

两个射频信号源分别产生射频信号和本振信号。

步骤3，设置子调制器的直流偏置电压。

分别设置偏振复用马赫增德尔调制器PDM-MZM两个子调制器的直流偏置电压，使两个子调制器工作在其不同的传输点上。

设置偏振复用马赫增德尔调制器PDM-MZM两个子调制器的直流偏置电压的具体步骤如下：

第1步，将第一个调制器的上、下两臂直流偏置电压设置为零，使调制器工作在最大传输点状态；

第2步，将第二个调制器的上、下两臂直流偏置电压设置为光信号产生π相位差时所需电压的一半，使调制器工作在最小传输点状态。

步骤4，生成调制光信号。

将射频信号和本振信号，同时输入到第一个子调制器和第二个子调制器进行光载波信号调制，生成含有本振信号边带和射频信号边带的调制光信号。

步骤5，光分束器利用下述分束公式，将生成的调制光信号分为上、下两路。

将上述分束公式利用贝塞尔函数展开，只保留一阶边带，得到下述近似公式

其中，E₁(t)表示上路光信号，t表示时间，E₂(t)表示下路光信号，E(t)表示上路调制光信号或下路调制光信号，t表示调制光信号的变化时间，表示开根号操作，P_c表示激光器输出光载波信号的强度，e表示以自然常数为底的指数操作，j表示虚数单位，ω_c表示光载波信号的频率，k表示调制光信号的位置，k＝0表示上路调制光信号，k＝1表示下路调制光信号，J₁(·)表示一阶第一类贝塞尔函数操作，m₁表示射频信号的调制指数，其取值为m₁＝πV₁/V_π，π表示圆周率，V₁表示射频信号的电压幅度，V_π表示两个子调制器中输入的光载波信号产生π相位差时所需电压幅度，ω₁表示射频信号的频率，m₀表示本振信号的调制指数，且m₀＝πV₀/V_π，V₀表示本振信号的电压幅度，ω₀表示本振信号的频率。

步骤6，探测光信号。

两个光电探测器利用下述光电转换公式，分别检测上、下两路调制光信号，得到两路中频信号。

i₁(t)＝RE₁(t)·E₁^*(t)

i₂(t)＝RE₂(t)·E₂^*(t)

将上述光电转换公式利用贝塞尔函数展开，只保留ω₀-ω₁边带，得到下述近似公式

其中，i₁(t)表示上路中频信号，i₂(t)表示下路中频信号，i(t)表示上路中频信号或下路中频信号，R表示光电探测器的响应度，x表示中频信号的位置，x＝0表示上路中频信号，x＝1表示下路中频信号。

步骤7，电相减器抑制噪声。

电相减器将两路信号噪声幅度相减，得到抑制噪声后的微波光子下变频的中频信号。