一种基于强度调制器和MZI级联的光电混合FSK信号生成系统及方法与流程

一种基于强度调制器和mzi级联的光电混合fsk信号生成系统及方法
技术领域
1.本发明涉及一种基于强度调制器和mzi级联的光电混合fsk信号生成系统及方法，属于微波光子技术领域。


背景技术：

2.在通信系统中，通信用信道多为带通信道，不能直接传输数字基带信号，必须用基带信号对载波波形的某些参量进行控制，使载波的这些参量随基带信号变化而变化，其中频移键控(fsk)通过对不同载波信号进行变换使其成为数字信号进行信息传输，即用载波频率的变化表征被传信息状态，且被调载波的频率随基带信号变化而变化，具有实现容易，抗噪声和抗衰减性能好等诸多优势，可有效提升通信系统容量和抗干扰性能。
3.在常见的fsk调制系统中，两个不同的射频频率承载二进制1和0的信号，即幅度恒定不变的信号通过不同的射频信号传递二进制的1和0。可分为频率键控法和直接调频法两种方式，其中频率键控法根据输入数据流的比特位是0还是1，在不同的正弦振荡器之间切换，具有频率稳定性好，不存在过度频率的优点，广泛用于数字通信系统中。然而，随着无线通信、宽带雷达及电子系统高速宽带大容量的需求，要想传递高速数据信号，这无疑要求具有高频正弦振荡器实现，大大增加了系统实现的难度和复杂度。此外，随着光通信技术的发展，光fsk信号作为一种光域数字调制码型，可生成受二进制编码序列控制的光载波，该光载波既可以用作光通信中的光载信号，又可作为射频信号的调制光载波，进一步结合多波长光源实现高频可调谐的fsk信号生成，扩展性强。
4.当前基于微波光子技术的fsk信号生成主要通过微波光子开关或者微波光子滤波器结合电光调制器实现，前者通过受二进制编码序列控制的微波光子开关完成光偏振态的选择或者光路径选择后，采用并联电光调制器完成射频信号的加载及边带信号的生成，通过光电探测器进行光边带信号拍频及电光转换，获得所需的电fsk信号。这种方法一般需要额外的偏振调制器或者相位调制器结合光耦合器构建光开关，且所生成的fsk信号频率最高为二倍频信号，频率提升有限。后者首先通过电光调制器进行射频信号的加载及边带信号的生成后，利用受二进制编码序列控制的微波光子滤波器进一步滤出所需光边带信号，通过光电探测器进行光边带信号拍频及电光转换，获得所需的电fsk信号。该方法通常采用相位调制器结合sgnac环路或者微环滤波器进行微波光子滤波，相位调制器结合sgnac环路结构复杂，微波滤波器则需要热调谐方式完成滤波功能，易受环境影响，不够稳定。此外，无论是微波光子开关结合电光调制器生成fsk信号，还是微波光子滤波器结合电光调制器生成fsk信号，均只考虑了光边带获取及拍频，进而实现电fsk信号生成，并未考虑光fsk信号生成方法。


技术实现要素：

5.本发明的技术解决问题是：针对传统电fsk信号生成技术信号频段及跳频速度受
限问题以及光fsk信号生成需求，提出了一种基于强度调制器和mzi级联的光电混合fsk信号生成方法，通过单射频驱动结合偏置点控制使得强度调制器工作在最大点或最小点，按需输出电fsk信号生成或光fsk信号生成所需的调制光信号；通过可调光纤延迟线结合受二进制编码控制的相位调制器组成的mzi结构，按需实现根据二进制编码信息的可调谐光滤波，生成电fsk信号所需的光信号或光fsk信号；所生成的电fsk信号频率为射频驱动信号频率两倍或4倍的电fsk信号，即仅需低频率驱动即可获得高频fsk信号，克服了传统电fsk信号生成难度；所生成的光fsk信号则可直接用于全光数字通信中，大大提升了系统的兼容性。
6.本发明的技术解决方案是：
7.一种基于强度调制器和mzi级联的光电混合fsk信号生成系统，该信号生成系统包括激光器ld、信号源msg、脉冲波形发生器ppg、直流源dc、强度调制器im、mzi单元和光电探测器pd；
8.其中，mzi单元用于实现由二进制编码信息控制的可调谐光滤波功能，包括两个50:50的光耦合器oc1、oc2、一个相位调制器pm和一根光纤延迟线dl；
9.激光器ld输出的连续光信号送至强度调制器im的光输入端，信号源msg输出的射频驱动信号送至强度调制器im的射频输入端，直流源dc输出的直流偏置电压加载至强度调制器im的直流端，通过调整直流源dc的输出电压，使得强度调制器im按需工作在最大点或者最小点；
10.强度调制器im输出的光信号送至mzi单元，在mzi单元中根据脉冲波形发生器ppg输入的二进制编码信息，实现强度调制器im输出光边带信号的按需滤波，得到电fsk信号所需的光信号或光fsk信号；mzi单元输出的信号进一步送至光电探测器pd进行光电转换，拍频输出倍频电fsk信号；
11.电fsk信号的生成方法为：当强度调制器im工作在最大点时，强度调制器im输出抑制奇数阶的光边带信号，在小信号模型下，2阶以上的光边带因为功率过小可以忽略，则强度调制器im输出光信号包括光载波和
±
2阶边带光信号，该强度调制器im输出光信号随后进入mzi单元，使得光载波和
±
2阶边带光信号的幅度都受到mzi单元的调制，且当加载至mzi单元的二进制编码信息比特位为“1”时，mzi输出光信号仅包含
±
2阶边带光信号，当加载至mzi单元的二进制编码信息比特位为“0”时，mzi输出光信号输出光载波和-2阶边带光信号；由光电探测器拍频输出电fsk信号，且当加载至mzi单元的二进制编码信息比特位为“1”时，光电探测器输出信号频率为射频驱动频率的4倍，当加载至mzi单元的二进制编码信息比特位为“0”时，光电探测器输出信号频率为射频驱动频率的2倍；所生成电fsk信号的频率转换速度由二进制编码信息比特速度决定；
12.光fsk信号的生成方法为：当强度调制器im工作在最小点时，强度调制器im输出抑制偶数阶的光边带信号，在小信号模型下强度调制器im输出仅包括
±
1阶边带光信号。该强度调制器im输出光信号随后进入mzi单元，使得
±
1阶边带光信号的幅度都受到mzi单元的调制，且当加载至mzi单元的二进制编码信息比特位为“1”时，mzi单元输出光信号仅包含+1阶边带光信号，当加载至mzi单元的二进制编码信息比特位为“0”时，mzi单元输出光信号仅包含-1阶边带光信号；这样mzi单元输出受二进制编码信息控制的光fsk信号，所生成光fsk信号的频率转换速度由二进制编码信息比特速度决定。
13.一种基于强度调制器和mzi级联的光电混合fsk信号生成方法，该方法的步骤包括：
14.第一步，激光器ld输出的连续光信号加载至强度调制器im的光输入端。
15.第二步，信号源msg输出的射频驱动信号送至强度调制器im的射频输入端，直流源dc输出的直流偏置电压加载至强度调制器im的直流端，通过调整直流源dc的输出电压，使得强度调制器im按需工作在最大点或者最小点，当需要生成电fsk信号时，im工作在最大点；当需要生成光fsk信号时，im工作在最小点；im输出光信号随后送至mzi单元中的oc1；
16.第三步，mzi单元中的oc1将接收到的im输出光信号分为上下两个支路，上支路送至光纤延迟线dl的光输入端，下支路送至相位调制器pm的光输入端；
17.第四步，光纤延迟线dl的光输出端输出的光信号送至mzi单元中oc2的一个光输入端口；
18.第五步，将脉冲波形发生器ppg输出的二进制编码信息加载mzi单元中的相位调制器pm的射频输入端，相位调制器pm输出的光信号随后送至mzi单元中oc2的另一个光输入端口；
19.第六步，光纤延迟线dl的光输出端输出的光信号和相位调制器pm输出的光信号一起送至mzi单元中的oc2，由oc2合为一路光信号。当需要生成光fsk信号时，oc2直接输出受ppg输出二进制码信息控制的+1阶或-1阶光信号即光fsk信号；当需要生成电fsk信号时，oc2输出受ppg输出二进制码信息控制的+2阶&-2阶或光载波&-2阶光信号，该信号随后送至送至后续的pd。
20.第七步，pd经光电转换后输出电fsk信号，完成基于强度调制器和mzi级联的光电混合fsk信号的生成。
21.本发明与目前背景技术相比，有以下实质性不同及进步：
22.(1)和现有基于光开关方式的信号生成方法相比，该发明对pm结合可调光延迟线构造的mzi单元进行一定的控制，具体利用二进制编码信息对pm进行工作状态控制，同时通过光纤延迟线的适当参数控制，使的mzi单元根据编码信息按需输出电fsk信号所需的光信号或光fsk信号，在同一个结构上实现了光电混合的fsk信号生成，同时该mzi单元易于实现芯片集成，具有实现简单、性能稳定，通用性好等优点。
23.(2)和现有的基于微波光子技术的信号生成方法相比，本发明通过单射频驱动结合偏置点控制使得强度调制器工作在最大点或最小点，按需输出电fsk信号生成或光fsk信号生成所需的调制光信号；通过可调光纤延迟线结合受二进制编码控制的相位调制器(pm)组成的mzi结构，按需实现二进制编码信息控制的可调谐光滤波，生成电fsk信号所需的光信号或光fsk信号；所生成的电fsk信号频率射频驱动信号频率两倍或4倍的电fsk信号，即仅需低频率驱动即可获得高频fsk信号，克服了传统电fsk信号生成难度；所生成的光fsk信号则可直接用于全光数字通信中，实现全频段覆盖的fsk信号光域输出，大大提升了系统的兼容性。且光电混合fsk信号输出频率的切换速度为二进制编码信息的速度，可达ns级。
24.(3)本发明涉及一种光电混合fsk信号生成系统及方法，属于微波光子技术领域。本发明提出了一种基于强度调制器和mzi级联的光电混合fsk信号生成方法，通过单射频驱动结合偏置点控制使得强度调制器工作在最大点或最小点，按需输出电fsk信号生成或光fsk信号生成所需的调制光信号；通过可调光纤延迟线结合受二进制编码控制的相位调制
器组成的mzi结构，按需实现根据二进制编码信息的可调谐光滤波，生成电fsk信号所需的光信号或光fsk信号；所生成的电fsk信号频率射频驱动信号频率两倍或4倍的电fsk信号。
附图说明
25.图1为本发明的系统组成示意图；
26.图2为本发明倍频电fsk信号生成仿真结果；
27.图3为本发明针对倍频电fsk信号的10ghz相干解调仿真结果；
28.图4为本发明针对倍频电fsk信号的20ghz相干解调仿真结果；
29.图5为本发明光fsk信号生成仿真结果；
30.图6为本发明针对光fsk信号的5ghz相干解调仿真结果；
31.图7为本发明针对光fsk信号的15ghz相干解调仿真结果。
具体实施方式
32.本发明主要技术内容是提出一种基于强度调制器和mzi级联的光电混合fsk信号生成方法。该发明通过单射频驱动结合偏置点控制使得强度调制器工作在最大点或最小点，按需输出倍频电fsk信号生成或光fsk信号生成所需的调制光信号；通过可调光纤延迟线结合受二进制编码控制的相位调制器组成的mzi单元，按需实现二进制编码信息控制的可调谐光滤波，生成倍频电fsk信号所需的光信号或光fsk信号；通过光电探测器获得频率为射频驱动信号频率两倍或4倍的电fsk信号。倍频电fsk信号生成仿真结果如图2所示；
33.具体实施方式一是基于强度调制器和mzi级联的光电混合fsk信号生成方法，如图1所示。主要由激光器ld、信号源msg、脉冲波形发生器ppg、直流源dc、强度调制器im、mzi单元和光电探测器pd组成。其中mzi实现由二进制编码信息控制的可调谐光滤波功能，主要包括两个50:50的光耦合器oc1、oc2，一个相位调制器pm和一根光纤延迟线dl。激光器与强度调制器的光输入端相连，强度调制器光输出端与mzi单元中的50:50光耦合器oc1的输入端相连，mzi中50:50光耦合器oc1的一个输出端与mzi单元的光延迟线dl连接，mzi中的50:50光耦合器oc1的另一个输出端与mzi单元的pm连接，pm和dl的输出端与分别于光耦合器oc2的输入端相连，光耦合器的oc2的输出端即为mzi单元的光输出端，mzi单元的光输出端与光电探测器pd的光输入端相连。
34.激光器输出的连续光信号送至强度调制器im的光输入端，msg输出的射频驱动信号送至im的射频输入端，dc输出的直流偏置电压加载至im的直流端，通过调整dc的输出电压，使得im按需工作在最大点或者最小点。im输出的光信号送至mzi单元，在mzi单元中根据ppg输入的二进制编码信息，实现im输出光边带信号的按需滤波，得到电fsk信号所需的光信号或光fsk信号；mzi单元输出的信号进一步送至光电探测器进行光电转换，拍频输出电fsk信号。
35.具体实施方式二是倍频电fsk信号的生成。具体步骤为：
36.步骤一：根据图1，光源输出的光信号经送至强度调制器im的光输入端，msg输出的射频信号送至im的射频输入端，dc输出的直流偏置电压加载至im的直流端。
37.步骤二：根据图1，强度调制器输出的光信号送至mzi单元的50:50光耦合器oc1的输入端，oc1分为两路，一路送至光纤延迟线，另一路送至相位调制器pm，相位调制器由01编
码的二进制编码信息进行控制，该二进制编码信息由ppg给出，这样相当于通过相位调制器引入一个附加相位θ，其取值由“0”、“1”编码信息所决定。
38.激光器输出的连续光信号送至(mzi单元的光输入端口，通过适当调整im直流工作点及光延迟线延时，mzi可按需输出可调谐的高倍频fsk信号。假定msg输出的微波信号表达式为：
[0039]vrf
(t)＝v sinωt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0040]
其中，v是微波信号的幅值，ω是微波信号的角频率。假定由直流偏置电压引入的im两臂相位差为当im工作在最大传输点即时，im输出光场表达式为
[0041][0042]
式中jn(
·
)为一类n阶贝塞尔函数，为im的调制系数，v
π
为im的半波电压，从上式可以看出，im输出抑制奇数阶的光信号，在小信号模型下，2阶以上的光边带因为功率过小可以忽略，则im输出光信号包括光载波和
±
2阶边带光信号。
[0043]
im输出的光信号随后送至mzi单元，mzi单元的传输函数表示为：
[0044][0045]
式中，φ＝πs(t)/v
pm
表示相位调制器(pm)引入的相位偏移，s(t)为ppg所生成过的二进制编码信息序列，v
pm
为mzi单元中相位调制器的半波电压，τ表示光纤延迟线的延迟量，ω
′
为mzi单元输入光信号的中心角频率。
[0046]
则mzi单元输出的光信号为
[0047][0048]
从上式可以看出，光载波和
±
2阶边带光信号的幅度都受到了mzi单元的调制。
[0049]
一方面，当参数设置满足以下条件时：
[0050][0051]
从上式可以看出，光载波幅度为0，即光载波得到了抑制。此时mzi单元输出光信号仅包含
±
2阶边带光信号，该
±
2阶边带光信号随后进入pd进行拍频得到：
[0052][0053]
可以看出，在pd输出端得到了频率为4ω的微波信号。
[0054]
另一方面，当参数设置满足以下条件时：
[0055][0056]
从上式可以看出，+2阶光边带的幅度为0，即+2阶光边带信号得到了抑制。此时mzi单元输出光信号仅包含光载波和-2阶边带光信号，该光载波和-2阶边带光信号随后进入pd进行拍频，得到：
[0057][0058]
可以看出，在pd输出端得到了频率为2ω的微波信号。
[0059]
根据上述分析，通过合理地调整参数，便可以得到频率为2ω和4ω的微波fsk信号。例如，当光载波频率为ωc＝193.1thz，微波信号频率为ω＝5ghz，光纤延迟线的延迟量τ＝25ps时，通过调制二进制编码信息序列s(t)的幅值，使得
[0060][0061]
则pd的输出端可得到
[0062][0063]
通过调制微波信号的幅值来调节调制器的调制系数m，即可使得两个频率分量的幅度相等，其中m＝πv/v
π
为调制器的调制系数，v
π
为im的半波电压。
[0064]
由上式可知，光电探测后输出的电信号为fsk信号，且当加载至mzi单元的二进制编码信息比特位为“1”时，光电探测器输出信号频率为射频驱动频率的4倍，当加载至mzi单元的二进制编码信息比特位为“0”时，光电探测器输出信号频率为射频驱动频率的2倍；所生成电fsk信号的频率转换速度由二进制编码信息比特速度决定。
[0065]
假定光工作频率为193.1thz，输出功率为20dbm，数字序列信号的比特率为1gbit/
s，im的消光比为30db，im的半波电压为5v，pm的消光比为30db，pm的半波电压为4v。输入射频信号的工作频率为5ghz，光纤延迟线的延迟量为25ps。设置ppg输出的二进制编码信息s(t)＝
‘
01010011’，按照本发明所示得到的倍频电fsk信号输出结果如图3所示，输出信号包括10ghz和20ghz两个频率分量，且这两个频率分量由ppg输出的二进制编码信息决定。用10ghz正弦波相干解调，解调输出信号如图4所示。用20ghz正弦波相干解调，解调输出信号如图5所示。从图中可以看出，解调输出后的码序列为“01010011”，解调信号与输入的二进制编码信息相符，因此该基于强度调制器和mzi级联的光电混合fsk信号生成方法可生成倍频电fsk信号。
[0066]
具体实施方式三是光fsk信号的生成，如图1所示。具体步骤为：
[0067]
步骤一：根据图1，光源输出的光信号经送至强度调制器im的光输入端，msg输出的射频信号送至im的射频输入端，dc输出的直流偏置电压加载至im的直流端。
[0068]
步骤二：根据图1，强度调制器输出的光信号送至mzi的50:50光耦合器oc1的输入端，oc1分为两路，一路送至光纤延迟线dl，另一路送至相位调制器pm，相位调制器由01编码的二进制编码信息进行控制，该二进制编码信息由ppg给出，这样相当于通过相位调制器引入一个附加相位取值由“0”、“1”编码信息所决定的附加相位。
[0069]
同理，假定由直流偏置偏移引入的im两臂相位差为当im工作在最小传输点即时，im输出光场表达式为
[0070][0071]
从上式可以看出，im输出抑制偶数阶的光信号，在小信号模型下，2阶以上的光边带因为功率过小可以忽略，则im输出
±
1阶边带光信号。
[0072]
那么mzi单元输出的光信号为
[0073][0074]
式中，jn(
·
)为一类n阶贝塞尔函数，为im的调制系数，v
π
为im的半波电压；φ＝πs(t)/v
pm
表示相位调制器(pm)引入的相位偏移，s(t)为ppg所生成过的二进制编码信息序列，v
pm
为mzi单元中相位调制器的半波电压，τ表示光纤延迟线的延迟量。
[0075]
从上式可以看出，
±
1阶边带光信号的幅度都受到了mzi单元的调制。
[0076]
一方面，当参数设置满足以下条件时：
[0077][0078]
从上式可以看出，+1阶边带光信号受到了抑制。此时mzi单元输出光信号仅包含-1阶边带光信号。
[0079]
另一方面，当参数设置满足以下条件时：
[0080][0081]
从上式可以看出，-1阶光边带的幅度为0，即-1阶光边带信号得到了抑制。此时mzi单元输出光信号仅包含+1阶边带光信号。根据上述分析，通过合理地调整参数便可以得到光fsk信号。例如，当光载波频率为ωc＝193.1thz，微波信号频率为ω＝5ghz，光纤延迟线的延迟量τ＝25ps时，通过调制二进制编码信息序列s(t)的幅值，使得
[0082][0083]
通过调整微波信号的幅值来调节调制指数m，即可使得两个频率分量的幅度相等。从上式可以看出，光fsk信号得以有效生成。
[0084]
当光工作频率为193.1thz、光输出功率为20dbm、二进制编码信息的比特率为1gbit/s、im的消光比为30db、im的半波电压为5v、pm的消光比为30db、pm的半波电压为4v时，设置输入射频信号的工作频率为5ghz，光纤延迟线的延迟量为25ps，ppg输出的二进制编码信息s(t)＝
‘
01010011’，按照本发明所示得到的光fsk信号输出结果如图5所示，从图中可以看出输出信号包括+1阶和-1阶光边带两个分量，且这两个边带的选择由ppg输出的二进制编码信息s(t)所决定。mzi单元输出光信号随后与频率为193.11thz的激光器进行拍频后，可得到频率为5ghz和15ghz的fsk电信号。用5ghz正弦波相干解调，解调输出信号如图6所示。用15ghz正弦波相干解调，解调输出信号如图7所示。从图中可以看出，解调输出后的码序列为“01010011”，解调信号与输入的二进制编码信息相符合，因此可生成频率分别为5ghz和15ghz的fsk信号，即该基于强度调制器和mzi级联的光电混合fsk信号生成方法可有效生成光fsk信号。