一种产生倍频光载毫米波FSK信号的方法及其装置

本发明涉及光电信号处理，尤其涉及一种产生倍频光载毫米波fsk信号的方法及其装置。

背景技术：

1、微波频移键控fsk信号具有零码间串扰和抗干扰等固有特性，因而成为了一种广泛应用于无线通信、雷达和电子对抗系统的重要信号。对于无线通信系统，fsk信号可以在不引入干扰的情况下显著提高系统容量。传统的微波fsk信号是通过电子器件在电域中产生的，然而众所周知的电子瓶颈限制了电子器件的工作带宽和可达频率，从而导致电子微波fsk信号发生器的频移范围相对较小(仅限于ghz)。此外，电子微波fsk信号发生器的频移速度也被限制在khz量级。因此，传统的微波fsk信号发生器已不能满足新应用对大频移范围和高频移速度的要求。

2、近年来，利用现代光子学所提供的低损耗、大带宽、高工作频率和抗电磁干扰的优点，微波信号的光子产生成为人们研究的热点。微波光子学也为微波fsk信号的产生提供了一种很有前途的解决方案，克服了传统电子微波fsk信号发生器的缺点，适应了频移技术在新应用中的快速发展。近年来，人们提出了几种不同的光子产生微波fsk信号的方案：(1)通过控制马赫曾德尔调制器(mzm)的偏置电压来产生fsk信号[光电子激光，2017,28(11):1198-1204]；(2)mzm调制器+偏振调制器+保偏光纤光栅的方法[ieeephotonicjournal,2018,10(3):5501108-1-8]；(3)偏振复用并联集成mzm调制器+可调光滤波器的方法[ieeeaccess,2021,9:109865-109874]。

3、然而，上述产生微波fsk信号的方法存在一些不足。方案1和2产生的fsk信号频率仅为fm和2fm，其中fm是驱动信号频率，另外方案2需要保持偏振来获得高质量的微波fsk信号，这样会增加系统的复杂度而降低系统的稳定性。方案3能够产生倍频fsk信号其信号频率为2fm和4fm，但其采用的偏振复用并联集成mzm调制器结构复杂成本高。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种产生倍频光载毫米波fsk信号的方法及其装置。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、一种产生倍频光载毫米波fsk信号的装置，包括激光器、射频信号发生器、移相器、并行马赫曾德尔调制器、光电探测器；

4、所述激光器输出端安装并行马赫曾德尔调制器，所述并行马赫曾德尔调制器包括mzm1调制器及mzm2调制器，激光器发出的光波经过并行马赫曾德尔调制器被射频信号发生器发出的频率为fm的射频信号调制，mzm1和mzm2的射频驱动信号之间的相位差以及这两个调制器上下两臂射频驱动信号之间的相位差都由移相器实现；

5、mzm1调制器及mzm2调制器同时也被二进制数据信号驱动，设置数据信号的幅度为并行马赫曾德尔调制器的半波电压，当数据比特为‘0’时，并行马赫曾德尔调制器的输出主要为-2,+2阶光载毫米波边带，这两个边带在光电探测器pd拍频产生频率为4fm的四倍频微波信号；当数据比特为‘1’时，并行马赫曾德尔调制器的输出主要为-1,+1阶光载毫米波边带，这两个边带在光电探测器pd拍频产生频率为2fm的二倍频微波信号，数据为‘0’和‘1’时，分别产生了频率为4fm和2fm的两个不同频率的微波信号，即产生了倍频光载毫米波fsk信号。

6、优选的，所述激光器输出光波经过并行马赫曾德尔调制器(mzm1调制器和mzm2调制器)被角频率为ωm(ωm＝2πfm)射频信号调制，mzm1调制器和mzm2调制器的半波电压都为vπ。

7、优选的，所述mzm1调制器和mzm2调制器的射频驱动信号之间的相位差为π/3，两个调制器上下两臂射频驱动信号之间的相位差都为π。

8、本发明另一方面公开一种产生倍频光载毫米波fsk信号的装置的方法，包括以下步骤：

9、激光器输出端连接并行马赫曾德尔调制器，所述并行马赫曾德尔调制器包括mzm1调制器及mzm2调制器，由移相器实现将激光器发出的光波经过并行马赫曾德尔调制器被频率为fm的射频信号调制，激光器输出光波经过并行马赫曾德尔调制器，mzm1调制器和mzm2调制器被角频率为ωm(ωm＝2πfm)射频信号调制，mzm1调制器和mzm2调制器的半波电压都为vπ，mzm1调制器和mzm2调制器的射频驱动信号之间的相位差为π/3，两个调制器上下两臂射频驱动信号之间的相位差都为π；

10、mzm1调制器和mzm2调制器同时也被幅度为vπ的二进制数据信号d(t)驱动，它们的驱动电压分别为v1(t)＝vmsinωmt+vπd(t)和v2(t)＝vmsin(ωmt+π/3)+vπd(t)，mzm1调制器和mzm2调制器的初始偏置电压都为0；

11、并行马赫曾德尔调制器(4)上下两路的输出可以分别表示为：

12、

13、

14、上下两路信号相加可得并行调制器的输出为：

15、

16、数据比特为‘0’或‘1’时(d(t)＝0或1)，上式可以表示为：

17、

18、忽略4阶及以上高阶分量后，并行调制器的输出可以简化为：

19、

20、优选的，所述射频信号(2)的振幅为vm，mzm1调制器(41)及mzm2调制器(42)的调制指数为m＝πvm/vπ，jn是n阶贝塞尔函数。

21、优选的，所述并行马赫曾德尔调制器在数据比特为‘0’时，其输出角频率为2ωm和-2ωm正负2阶光载毫米波边带，所述并行马赫曾德尔调制器(4)在数据比特为‘1’时，其出角频率为ωm和-ωm正负1阶光载毫米波边带。

22、优选的，所述光电探测器采用平方律探测，其拍频的隔直流输出微波信号的频率分别为4fm和2fm，即产生了倍频fsk信号。

23、本发明的有益效果是：

24、1、本发明能产生高频宽带的光载毫米波频移键控fsk信号，相较于传统电域产生微波fsk信号的方法，具有现代光子学所提供的低损耗、大带宽、高频率和抗电磁干扰的优点；

25、2、本发明产生频率分别为2fm和4fm的倍频fsk信号，可以降低对射频器件和mzm调制器带宽的要求，如仅需20ghz的射频信号发生器和调制器即可产生40ghz和80ghz的高频fsk信号；

26、3、本发明产生倍频fsk信号仅需普通的并行马赫曾德尔mzm调制器，结构简单成本低而更具实用性和稳定性。

技术特征：

1.一种产生倍频光载毫米波fsk信号的装置，包括激光器(1)、射频信号发生器(2)、移相器(3)、并行马赫曾德尔调制器(4)、光电探测器(5)；

2.根据权利要求1所述的一种产生倍频光载毫米波fsk信号的装置，其特征在于，所述激光器(1)输出光波经过并行马赫曾德尔调制器(4)，mzm1调制器(41)和mzm2调制器(42)被角频率为ωm(ωm＝2πfm)射频信号调制，mzm1调制器(41)和mzm2调制器(42)的半波电压都为vπ。

3.根据权利要求1所述的一种产生倍频光载毫米波fsk信号的装置，其特征在于，所述mzm1调制器(41)和mzm2调制器(42)的射频驱动信号之间的相位差为π/3，两个调制器上下两臂射频驱动信号之间的相位差都为π。

4.一种产生倍频光载毫米波fsk信号的方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的一种产生倍频光载毫米波fsk信号的方法，其特征在于，所述射频信号(2)的振幅为vm，mzm1调制器(41)及mzm2调制器(42)的调制指数为m＝πvm/vπ，jn是n阶贝塞尔函数。

6.根据权利要求4所述的一种产生倍频光载毫米波fsk信号的方法，其特征在于,所述并行马赫曾德尔调制器(4)在数据比特为‘0’时，其输出角频率为2ωm和-2ωm正负2阶光载毫米波边带，所述并行马赫曾德尔调制器(4)在数据比特为‘1’时，其出角频率为ωm和-ωm正负1阶光载毫米波边带。

7.根据权利要求4所述的一种产生倍频光载毫米波fsk信号的方法，其特征在于,所述光电探测器(5)采用平方律探测，其拍频的隔直流输出微波信号的频率分别为4fm和2fm，即产生了倍频fsk信号。

技术总结
本发明涉及光电信号处理技术领域，尤其涉及一种产生倍频光载毫米波FSK信号的方法及其装置，包括激光器、射频信号发生器、移相器、并行马赫曾德尔调制器、光电探测器，所述激光器输出端连接并行马赫曾德尔调制器，所述并行马赫曾德尔调制器包括MZM1调制器及MZM2调制器，激光器发出的光波经过并行马赫曾德尔调制器被射频信号发生器发出的频率为f<subgt;m</subgt;的射频信号调制，由移相器实现，本发明能产生高频宽带的光载毫米波频移键控FSK信号，相较于传统电域产生微波FSK信号的方法，具有现代光子学所提供的低损耗、大带宽、高频率和抗电磁干扰的优点，本发明产生频率分别为2f<subgt;m</subgt;和4f<subgt;m</subgt;的倍频FSK信号，可以降低对射频器件和MZM调制器带宽的要求。

技术研发人员：陈小刚,夏璐
受保护的技术使用者：常州工学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12