阅读说明：本技术 基于整数阶时域Talbot效应的任意波形产生装置及其方法 (Arbitrary waveform generating device and method based on integer-order time domain Talbot effect ) 是由 胡淑云 唐向宏 池灏 杨波 欧军 杨淑娜 翟彦蓉 于 2020-06-05 设计创作，主要内容包括：本发明涉及信号处理和信号产生领域,具体为一种基于整数阶时域Talbot效应的任意波形产生装置,射频信号发生器与推挽式马赫-曾德尔调制器连接；窄线宽连续光激光器产生的高斯光脉冲序列与射频信号发生器产生的周期模拟射频信号同时加入推挽式马赫-曾德尔调制器；高斯光脉冲序列对周期模拟射频信号采样获得周期模拟射频信号瞬时频率的周期光脉冲序；周期光脉冲序列进入一阶色散系数满足整数阶时域Talbot效应的色散光纤；经色散光纤输出光脉冲序列。本发明根据输出的光脉冲序列与输入的周期模拟射频信号之间的关系,产生预期理想的输出时间波形。(The invention relates to the field of signal processing and signal generation, in particular to an arbitrary waveform generating device based on an integral-order time domain Talbot effect, wherein a radio frequency signal generator is connected with a push-pull type Mach-Zehnder modulator; a Gaussian optical pulse sequence generated by a narrow-linewidth continuous optical laser and a periodic analog radio frequency signal generated by a radio frequency signal generator are simultaneously added into a push-pull type Mach-Zehnder modulator; sampling the periodic analog radio frequency signal by the Gaussian optical pulse sequence to obtain a periodic optical pulse sequence of the instantaneous frequency of the periodic analog radio frequency signal; the periodic optical pulse sequence enters a dispersion optical fiber with a first-order dispersion coefficient meeting an integral-order time domain Talbot effect; and outputting the optical pulse sequence through the dispersive optical fiber. The invention generates the expected ideal output time waveform according to the relation between the output optical pulse sequence and the input periodic analog radio frequency signal.)

基于整数阶时域Talbot效应的任意波形产生装置及其方法

技术领域

本发明涉及信号处理和信号产生领域，具体涉及一种基于整数阶时域Talbot效应的任意波形产生装置及其方法。

背景技术

随着科学信息技术不断地高速发展，相应地，获得高效的信号产生和处理的方式也成了当务之急。可编程包络的高速光脉冲序列在全光信号的处理、任意波形的产生也有了很大的应用场景。传统的逐行脉冲频谱整形往往受限于光学器件的光谱分辨率。由于现代光学器件最高频谱分辨率是10GHZ，因此在处理10GHZ以下的光脉冲的过程是十分困难的；而利用高速电光调制器和宽带任意波形发生器结合的系统结构来产生任意时间波形具有能源利用率不高的缺点，相同地，这种结构也会因为电光调制器带宽受限而影响信号的处理和产生。

18世纪Talbot发现空间衍射中存在自成像现象，即一束相干光传输通过一个周期性的光栅，在距离光栅一定距离处会生成与光栅相同的图样，并且这些特殊的位置呈周期性分布。根据时空对偶性，我们发现在时间域也存在Talbot效应，一个重复周期的高斯光脉冲序列经过特定大小的色散光纤，它可以输出与输入信号相同或者输出增加脉冲重复率的周期信号，且单个脉冲序列的特征保持不变，即时域Talbot效应。其中，时域Talbot效应分为整数阶和分数阶效应。整数阶是对输入信号的复制，而分数阶效应具有增加输入光脉冲序列重复频率的作用。该系统具有结构配置简单，易操作的优势，更重要的是该结构的能量利用率较高，损耗较低。2019年香港的Chaster Shu提出在分数阶时域Talbot效应的结构中，将一个重复周期的光脉冲序列经过离散信号调制，接着通过一个满足分数阶Talbot效应的色散光纤，最后输出的光脉冲的振幅由调制信号的振幅决定，即调制信号的离散傅里叶变换与输出信号的振幅成比例，且输出的光脉冲序列重复频率增加整数倍，这对任意波形的产生具有重要的意义。

本发明提出了一种基于整数阶时域Talbot效应的任意波形产生装置，它是在整数阶时域Talbot效应的结构下，利用高斯光脉冲序列对周期模拟射频信号产生的输入模拟信号进行采样，经过一阶色散系数满足整数阶时域Talbot效应的色散光纤后输出的光脉冲序列是周期的，每个周期内的高斯脉冲沿着所在周期内的中心位置对称，且每对光脉冲距离中心位置的距离与输入模拟信号的频率大小有关，每个周期内脉冲幅值又由输入模拟信号的幅度决定。根据输入模拟信号与系统输出脉冲的波形之间的关系，利用高斯脉冲串对周期模拟射频信号产生的输入模拟信号进行采样，然后经过一阶色散系数与采样周期有关的色散光纤，系统输出脉冲的时间间隔可以变为原来的分数倍，这解决了由于光脉冲序列速率过高调制难的问题，在较低速率下输出预想的高速光脉冲时间波形。利用这种系统结构对任意时间波形产生具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中光脉冲速率过快，调制预期信号困难的问题，提出了一种基于整数阶时域Talbot效应的任意波形产生装置及其方法。本发明提供一种采用光子学的方法去产生任意预编码的时间波形，应用于信号的处理和信号的产生中，能提高信号的能量利用率，降低损耗。本发明通过对周期模拟射频信号采样，然后经过满足整数阶时域Talbot效应的色散光纤。根据周期模拟射频信号的频率和幅度分别与系统输出的光脉冲序列所处位置和幅值之间的关系进行任意时间波形的预编码，同时系统输出脉冲的重复频率变为原来的整数倍，获得高速率的输出信号。

为实现以上技术目的，本发明采用以下技术方案：

基于整数阶时域Talbot效应的任意波形产生装置，包括窄线宽连续光激光器、射频信号发生器、推挽式马赫-曾德尔调制器、色散光纤以及光电探测器；窄线宽连续光激光器、推挽式马赫-曾德尔调制器、色散光纤、光电探测器顺次相连；射频信号发生器与推挽式马赫-曾德尔调制器连接；窄线宽连续光激光器产生的高斯光脉冲序列与射频信号发生器产生的周期模拟射频信号同时加入推挽式马赫-曾德尔调制器；推挽式马赫-曾德尔调制器内，高斯光脉冲序列对周期模拟射频信号采样获得周期模拟射频信号瞬时频率的周期光脉冲序；周期光脉冲序列进入一阶色散系数满足整数阶时域Talbot效应的色散光纤；经色散光纤输出光脉冲序列，光电探测器显示输出的光脉冲序列的光功率。

进一步地，周期模拟射频信号的频率小于或等于窄线宽连续光激光器产生的高斯脉冲串重复频率1/2倍。

进一步地，周期模拟射频信号的频率

其中，Δt₂为输出的光脉冲序列，每对光脉冲距离中心位置的距离；

为色散光纤的一阶色散系数；周期模拟射频信号幅度m_r＝2h_r；其中，h_r为输出的光脉冲序列，每个周期内脉冲幅值。

进一步地，推挽式马赫-曾德尔调制器对周期模拟射频信号的调制是部分载波抑制调制；其中，推挽式马赫-曾德尔调制器用以对周期模拟射频信号部分载波抑制的双边带调制获得对称的时间波形；推挽式马赫-曾德尔调制器用以对周期模拟射频信号部分载波抑制的单边带调制获得非对称的时间波形。

进一步地，色散光纤的一阶色散系数

其中，T₀为高斯光脉冲序列的重复周期。

本发明还提供一种基于整数阶时域Talbot效应的任意波形产生方法，包括以下步骤，

S1：窄线宽连续光激光器产生的高斯光脉冲序列与射频信号发生器产生的周期模拟射频信号同时加入推挽式马赫-曾德尔调制器；

S2：推挽式马赫-曾德尔调制器内，高斯光脉冲序列对周期模拟射频信号采样获得周期模拟射频信号瞬时频率的周期光脉冲序；推挽式马赫-曾德尔调制器对周期模拟射频信号部分载波抑制调制；

S3：周期光脉冲序列进入一阶色散系数满足整数阶时域Talbot效应的色散光纤；

S4：经色散光纤输出光脉冲序列，光脉冲序列的光功率在光电探测器显示。

进一步地，步骤S1中，周期模拟射频信号的频率小于或等于窄线宽连续光激光器产生的高斯脉冲串重复频率1/2倍。

进一步地，步骤S1中，周期模拟射频信号的频率

其中，Δt₂为输出的光脉冲序列，每对光脉冲距离中心位置的距离；

为色散光纤的一阶色散系数；周期模拟射频信号幅度m_r＝2h_r；其中，h_r为输出的光脉冲序列，每个周期内脉冲幅值。

进一步地，步骤S2中，对周期模拟射频信号部分载波抑制的双边带调制，获得对称的时间波形；对周期模拟射频信号部分载波抑制的的单边带调制，获得非对称的时间波形。

进一步地，步骤S3中，色散光纤的一阶色散系数为其中，T₀为高斯光脉冲序列的重复周期。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果为：

本发明与已有的任意波形产生的方案相比，一方面，其解决了传统电光调制器带宽受限导致对产生高速率信号困难的瓶颈，同时提高了能量利用率；另一方面，根据输出的光脉冲序列与输入的周期模拟射频信号之间的关系，产生预期理想的输出时间波形，经计算得到周期模拟射频信号的频率和幅度，计算简单，便于操作，降低了任意信号产生的复杂度。

附图说明

图1为本发明提供的基于整数阶时域Talbot效应的任意波形产生装置结构示意图；

图2为本发明提供的基于整数阶时域Talbot效应的任意波形产生装置利用matlab产生周期模拟射频信号被高斯脉冲序列采样后的仿真图；

图3为本发明提供的于整数阶时域Talbot效应的任意波形产生装置利用matlab产生脉冲序列包络为周期三角波的仿真图。

图中，1窄线宽连续光激光器、2射频信号发生器、3推挽式马赫-曾德尔调制器、4色散光纤、5光电探测器。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步地描述，但本发明的保护范围并不仅仅限于此。

实施例一

如图1所示，本实施例基于整数阶时域Talbot效应的任意波形产生装置，包括窄线宽连续光激光器1、射频信号发生器2、推挽式马赫-曾德尔调制器3、色散光纤4以及光电探测器5。窄线宽连续光激光器1、推挽式马赫-曾德尔调制器3、色散光纤4、光电探测器5顺次相连。射频信号发生器2与推挽式马赫-曾德尔调制器3连接。窄线宽连续光激光器1不断产生重复周期的高斯光脉冲序列。射频信号发生器2产生多路不同频率的周期模拟射频信号。高斯光脉冲序列与周期模拟射频信号同时加入推挽式马赫-曾德尔调制器3。推挽式马赫-曾德尔调制器3内，高斯光脉冲序列对周期模拟射频信号采样获得周期模拟射频信号瞬时频率的周期光脉冲序，周期光脉冲序的波形如图2所示。周期光脉冲序列进入一阶色散系数满足整数阶时域Talbot效应的色散光纤4，经色散光纤4输出光脉冲序列。光电探测器5显示输出的光脉冲序列的光功率。其中，推挽式马赫-曾德尔调制器3由上臂相位调制器、下臂较上臂相移180度的相位调制器组成。本实施例中周期模拟射频信号为输入模拟信号，也可称之为输入信号或模拟信号。经色散光纤4输出光脉冲序列为输出信号。本实施例构成了一个用微波光子学的方法实现任意波形产生的方法，相比于已有的方案，提出了一种利用整数阶时域Talbot效应的方法产生任意光脉冲时间波形，解决了已有方案中输入信号是离散信号的问题，并且操作简单，效率较高。

本实施例在整数阶时域Talbot效应的结构下，利用高斯光脉冲序列对周期模拟射频信号产生的输入模拟信号进行采样，经过一阶色散系数满足整数阶时域Talbot效应的色散光纤4后输出的光脉冲序列是周期的，在时间域上，每个周期内的高斯脉冲沿着所在周期内的中心位置对称，且每对光脉冲距离中心位置的距离与输入模拟信号的频率大小有关，每个周期内脉冲幅值又由输入模拟信号的幅度决定。利用本实施例输出光脉冲串所处位置和幅值分别与输入的周期模拟射频信号的频率和幅值的关系，即通过计算预想的输出波形所需输入信号的频率和振幅，可以输出任意时间波形。本实施例为光脉冲序列的任意时间波形的产生和处理提出了新方法，增加任意信号产生的灵活性；系统输出脉冲的时间间隔可以变为原来的分数倍，可以解决由于光脉冲序列速率过高调制难的问题，具有系统框架结构简单，能量利用率高的优势。

根据输入模拟信号与系统输出脉冲的波形之间的关系，利用高斯脉冲串对周期模拟射频信号产生的输入模拟信号进行采样，然后经过一阶色散系数与采样周期有关的色散光纤4，系统输出脉冲的时间间隔可以变为原来的分数倍，这解决了由于光脉冲序列速率过高而调制难的问题，在较低速率下输出预想的高速光脉冲时间波形，对任意时间波形产生具有重要意义。本实施例和已有的任意波形产生的方案相比，一方面解决了传统电光调制器带宽受限导致对产生高速率信号困难的瓶颈，同时提高了能量利用率；另一方面根据输出脉冲信号与输入模拟信号之间的关系，产生预期理想的输出时间波形，经计算得到周期模拟射频信号频率和幅度，计算简单，便于操作，降低了任意信号产生的复杂度。

周期模拟射频信号的频率小于或等于窄线宽连续光激光器1产生的高斯脉冲串重复频率1/2倍。射频信号发生器2产生的周期模拟射频信号的频率和幅度由所需预期波形决定。具体为周期模拟射频信号的频率

Δt₂为输出的光脉冲序列，每对光脉冲距离中心位置的距离；为色散光纤4的一阶色散系数。周期模拟射频信号幅度m_r＝2h_r，h_r为输出的光脉冲序列，每个周期内脉冲幅值。为了获得包络为周期三角波的脉冲序列，根据周期模拟射频信号的频率、幅度分别与色散介质后输出的光脉冲序列，每对光脉冲距离中心位置的距离、每个周期内脉冲幅值的关系，计算获得多路周期模拟射频信号的频率及幅值。通过本实施例传输，产生包络为周期三角波的脉冲序列如图3所示。

推挽式马赫-曾德尔调制器3对周期模拟射频信号的调制是部分载波抑制调制，是为了保证每个周期中心位置由直流成分造成的输出脉冲光功率受控。推挽式马赫-曾德尔调制器3用以对周期模拟射频信号部分载波抑制的双边带调制获得对称的时间波形。推挽式马赫-曾德尔调制器3用以对周期模拟射频信号部分载波抑制的单边带调制获得非对称的时间波形。

色散光纤4的一阶色散系数满足整数阶时域Talbot效应的条件，与高斯脉冲序列的重复周期T₀有关，高斯脉冲序列的重复周期与采样信号的周期相等。具体为色散光纤4的一阶色散系数T₀为高斯光脉冲序列的重复周期。

实施例二

对应于上述一种基于整数阶时域Talbot效应的任意波形产生装置，本实施例还提供一种基于整数阶时域Talbot效应的任意波形产生方法，包括以下步骤，

S1：窄线宽连续光激光器产生的高斯光脉冲序列与射频信号发生器产生的周期模拟射频信号同时加入推挽式马赫-曾德尔调制器；

S2：推挽式马赫-曾德尔调制器内，高斯光脉冲序列对周期模拟射频信号采样获得周期模拟射频信号瞬时频率的周期光脉冲序；推挽式马赫-曾德尔调制器对周期模拟射频信号部分载波抑制调制；

S3：周期光脉冲序列进入一阶色散系数满足整数阶时域Talbot效应的色散光纤；

S4：经色散光纤输出光脉冲序列，光脉冲序列的光功率在光电探测器显示。即经过光电探测器后输出时域上光脉冲序列的光功率，周期高斯脉冲串的时间包络满足预期的时间波形。

其中，步骤S1中，周期模拟射频信号的频率小于或等于窄线宽连续光激光器产生的高斯脉冲串重复频率1/2倍。周期模拟射频信号的频率和幅度由所需预期波形决定。具体为周期模拟射频信号的频率Δt₂为输出的光脉冲序列，每对光脉冲距离中心位置的距离；为色散光纤的一阶色散系数。周期模拟射频信号幅度m_r＝2h_r，h_r为输出的光脉冲序列，每个周期内脉冲幅值。步骤S2中，对周期模拟射频信号部分载波抑制的双边带调制，可以获得对称的时间波形；对周期模拟射频信号部分载波抑制的的单边带调制，可以获得非对称的时间波形。步骤S3中，色散光纤的一阶色散系数大小与高斯光脉冲序列的重复周期T₀有关。具体为色散光纤的一阶色散系数为

T₀为高斯光脉冲序列的重复周期。

实施例一与实施例二的原理如下：

窄线宽连续光激光器产生单个光脉冲为高斯型，单个高斯型光脉冲用g(t)表示，

g(t)＝exp(-t²/2τ₀ ²)

其中，τ₀为高斯光脉冲最大幅值1/e处的半宽度，t为时间。

高斯光脉冲序列用g_T(t)表示，用Fourier级数展开表示为，

其中，g_k是脉冲串的离散傅里叶系数，T₀为高斯光脉冲序列的重复周期；j为相位相差90度；k为脉冲序列的顺序。

然后将高斯脉冲序列g_T(t)和周期模拟射频信号同时加入到推挽式马赫-曾德尔调制器中。调制输出的周期光脉冲序经过色散光纤，色散光纤对应的脉冲响应用h(t)表示，

其中，

表示它的一阶色散系数，与采样信号的周期T₀有关，即

系统输出的光脉冲序列用e_D(t)表示，

其中，e_M(t)为周期模拟射频信号经过高斯光脉冲序列采样后的信号，即e_M(t)＝m_rcos(ω_mt)·g_T(t)，*表示信号之间的卷积，ω_m表示输入模拟信号的频率，m_r表示周期模拟射频信号的幅度。

经过卷积的性质，最终的输出输出的光脉冲序列可以化简为：

上述公式可以发现，输入的周期高斯脉冲串经过色散光纤后的脉冲会生成两个按照所在周期内中心位置对称的脉冲对，在时间域上也会有的延迟。因此通过改变输入周期模拟射频信号的幅度和频率，以便分别对输出脉冲对应幅值和所在位置进行控制。增加多路周期模拟射频信号，经过该系统可以对脉冲进行预编码，产生任意的时间波形。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。