阅读说明：本技术 基于dp-bpsk的双频段相位编码信号产生的方法及系统 (DP-BPSK-based method and system for generating dual-band phase encoding signal ) 是由 杨淑娜 怀宇继 池灏 杨波 李齐良 曾然 欧军 于 2021-07-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于DP-BPSK的双频段相位编码信号产生的方法及系统。系统包括LD光源、DP-BPSK调制器、码型信号发生器、第一射频信号发生器、第二射频信号发生器、光电探测器；DP-BPSK调制器包括第一DD-MZM、第二DD-MZM、90°偏振旋转器、偏振合束器；LD光源通过光纤与第一DD-MZM、第二DD-MZM相连；第一DD-MZM与偏振合束器相连,第二DD-MZM通过90°偏振旋转器与偏振合束器相连,偏振合束器与光电探测器相连；码型信号发生器产生的两路信号分别与第一DD-MZM的一个射频口、第二DD-MZM的一个射频口相连；第一射频信号发生器与第一DD-MZM的另一个射频口相连,第二射频信号发生器与第二DD-MZM的另一个射频口相连。本发明利用DP-BPSK调制器,通过将频率不同的射频信号在光域上进行相位编码,生成双频段相位编码信号。(The invention discloses a method and a system for generating a dual-band phase coding signal based on DP-BPSK. The system comprises an LD light source, a DP-BPSK modulator, a code pattern signal generator, a first radio frequency signal generator, a second radio frequency signal generator and a photoelectric detector; the DP-BPSK modulator comprises a first DD-MZM, a second DD-MZM, a 90-degree polarization rotator and a polarization beam combiner; the LD light source is connected with the first DD-MZM and the second DD-MZM through optical fibers; the first DD-MZM is connected with the polarization beam combiner, the second DD-MZM is connected with the polarization beam combiner through the 90-degree polarization rotator, and the polarization beam combiner is connected with the photoelectric detector; two paths of signals generated by the code pattern signal generator are respectively connected with one radio frequency port of the first DD-MZM and one radio frequency port of the second DD-MZM; the first radio frequency signal generator is connected to the other radio frequency port of the first DD-MZM, and the second radio frequency signal generator is connected to the other radio frequency port of the second DD-MZM. The invention utilizes a DP-BPSK modulator to perform phase coding on radio frequency signals with different frequencies in an optical domain to generate a dual-band phase coding signal.)

基于DP-BPSK的双频段相位编码信号产生的方法及系统

技术领域

本发明属于光通信信号产生技术领域，尤其涉及一种基于DP-BPSK(dual-polarization binary phase-shift keying，双极化二元相移键控调制器)的双频段相位编码信号产生的方法及系统。

背景技术

为了提高雷达的距离分辨力和速度分辨力，脉冲压缩技术被广泛应用于雷达系统中。作为脉冲压缩的一种重要微波波形，相位编码信号的产生得到了广泛的研究。传统技术中，相位编码信号是利用直接数字合成器(DDS)在电域上产生的。然而，随着雷达技术的发展，使用传统方法很难满足雷达对高频率、大带宽、以及大频率可调谐范围的需求。为了解决这些问题，技术人员开始将目光转向了光域，利用光域的频率操作范围大、传输损耗小、无电磁干扰、系统体积小、重量轻等优点来进行电域上所达不到的信号产生、处理、传输等操作。

近年来，光子学产生相位编码微波信号的方案不断提出。最早是通过光谱整形和频率-时间映射实现的，光谱整形由可编程空间光调制器(SLM)实现，该方案关键的优势在于其高可重构性，这可以实现可重构波形生成。然而，基于自由空间光学的系统通常损耗大且体积大。光子相位编码微波信号产生的第二种方法是通过控制两个相干光载波之间的相位差，然后在PD处进行频率外差来实现的，具有代表性的方案为2007年浙江大学池灏教授提出了一种利用全光纤元件产生高频相位编码射频脉冲。光子相位编码微波信号产生的第三种方法是基于矢量和的原理，通过两个矢量的叠加来实现相位编码信号的产生，其典型代表是Lei M等人提出的一种光子微波相位编码脉冲发生器，通过适当设置应用于特殊偏置PDM-MZM的数据序列，可生成不受背景信号影响的二进制和四进制相位编码微波脉冲。

随着对雷达功能要求的不断提高，人们提出了多波段雷达的概念，不同的波段可以在共用部分硬件平台的条件下完成不同的任务，因此近年来多波段相位编码信号的产生是一个研究热点。例如：Zhu D等人在2016年提出了基于偏振调制和平衡检测的光子多频相位编码微波信号产生；Wu D等人在2017年提出了一种基于双输出马赫-曾德尔调制器和平衡检测技术产生多频相位编码微波信号的光子方案。在实验演示中，演示了仅具有两个频率的多频带信号。此外，使用多波长激光源会增加系统的成本，并且，除非可以独立控制多波长激光源的每个单独波长的功率，否则难以单独控制每个频率分量的功率。

发明内容

针对上述现状，本发明利用DP-BPSK调制器，通过将频率不同的射频信号在光域上进行相位编码，生成双频段相位编码信号，提供了一种基于DP-BPSK的双频段相位编码信号产生的方法及系统。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

基于DP-BPSK的双频段相位编码信号产生的系统，其包括LD光源、DP-BPSK调制器、码型信号发生器、第一射频信号发生器、第二射频信号发生器、光电探测器；所述的DP-BPSK调制器包括第一DD-MZM、第二DD-MZM、90°偏振旋转器、偏振合束器；LD光源通过光纤与第一DD-MZM、第二DD-MZM相连；第一DD-MZM与偏振合束器相连，第二DD-MZM通过90°偏振旋转器与偏振合束器相连，偏振合束器与光电探测器相连；码型信号发生器产生的两路信号分别与第一DD-MZM的一个射频口、第二DD-MZM的一个射频口相连；第一射频信号发生器与第一DD-MZM的另一个射频口相连，第二射频信号发生器与第二DD-MZM的另一个射频口相连。

本发明系统结构简单，其仅由一个集成调制器实现了双频段相位编码信号的产生，突破了频段单一的限制；并且，本发明产生的双频段相位编码信号的相位仅与码型发生器产生的数字信号的极性相关，对数字信号和射频信号的功率没有要求，因此整个系统无需放大器。此外，由于本发明没有涉及到滤波器等波长相关器件，提升了系统的频率可调谐范围。

进一步的，光源为LD光源，所述半导体激光器出射的光波表示为：E_in(t)＝E₀ exp(jω_ct)，其中，E₀表示为输入光载波的电场幅度，ω_c为输入光载波的中心频率。

进一步的，DP-BPSK为一个集成调制器，内部由DD-MZM、DD-MZM、90°偏振旋转器和偏振合束器组成，共有四个射频口，两个直流偏置，上下两路分别处于不同的偏振态。

进一步的，第一射频信号发生器产生第一路射频信号为cos(2πf₁t)，其中，f₁为该射频信号的频率。由于本发明对射频信号的幅值无特殊要求。因此，射频信号无需放大。

进一步的，第二射频信号发生器产生第二路射频信号为cos(2πf₂t)，其中，f₂为该射频信号的频率，同样无需放大。

进一步的，码型信号发生器产生两路数字信号，其中，两路数字信号的速率一致且均为f₁/6。由于本发明相位编码信号的相位变化仅与数字信号的极性相关。因此，数字信号也无需放大。

进一步的，调制过后的信号经光电探测器后，光信号转化为电信号。

进一步的，DP-BPSK内部的两个DD-MZM直流偏置均偏置在最大传输点，即V_DC1＝V_DC2＝0。

本发明还公开了一种上述系统的双频段相位编码信号产生的方法，包括如下步骤：

S1.LD光源产生连续光波，经过光纤进入DP-BPSK调制器；

S2.第一射频信号发生器产生的射频信号加载于DP-BPSK调制器内部第一DD-MZM上；

S3.第二射频信号发生器产生的射频信号加载于DP-BPSK调制器内部第二DD-MZM上；

S4.码型信号发生器产生两路数字信号作为输入电压信号分别加载在DP-BPSK调制器的第一DD-MZM、第二DD-MZM上；

S5.通过DP-BPSK调制器内部的偏振合束器将输出的调制信号输入光电探测器。

与现有相位编码信号产生的技术方案相比，本发明基于DP-BPSK的双频段相位编码信号产生的方法及系统技术方案，其系统结构简单，同时满足了双频段相位编码信号的生成，在整个系统中无波长相关器件，频率可调谐范围大，并且相位编码信号的产生仅与数字信号的极性相关，与幅度无关。因此，整个系统中无需放大，简化了整个系统，生成的双频段相位编码信号在多波段雷达系统中有潜在的应用价值。

附图说明

图1是基于DP-BPSK的双频段相位编码信号产生的系统结构示意图；

图2是基于DP-BPSK的双频段相位编码脉冲信号产生的仿真结果图一。

图3是基于DP-BPSK的双频段相位编码脉冲信号产生的仿真结果图二。

其中，1.LD光源；2.DD-MZM(双驱动马赫曾德尔调制器)；3.DD-MZM(双驱动马赫曾德尔调制器)；4.90°偏振旋转器；5.偏振合束器；2、3、4、5共同组成DP-BPSK调制器；6.码型信号发生器；7.射频信号发生器；8.射频信号发生器；9.光电探测器。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

根据已有的相位编码信号产生技术，本发明利用了DP-BPSK调制器，通过内部集成的两路偏振态不同的DD-MZM完成了双频段相位编码信号的产生。

实施例1

如图1所示，本实施例基于DP-BPSK的双频段相位编码信号产生的系统，包括：LD光源1、DD-MZM2、DD-MZM3、90°偏振旋转器4、偏振合束器5、码型信号发生器6、射频信号发生器7、射频信号发生器8、光电探测器9。DD-MZM2、DD-MZM3、90°偏振旋转器4、偏振合束器5共同组成DP-BPSK调制器。

LD光源1通过光纤与DP-BPSK调制器的DD-MZM 2、DD-MZM3相连；DD-MZM2与偏振合束器5相连，DD-MZM3通过90°偏振旋转器4与偏振合束器5相连，偏振合束器5与光电探测器9相连，调制后的信号输至光电探测器9。DP-BPSK调制器内部分为两路偏振态不同的DD-MZM，码型信号发生器6产生的两路信号分别与两路DD-MZM的一个射频口相连；两台射频信号发生器7、8分别与两路DD-MZM的另一个射频口相连。

实施例2

本实施例基于实施例1系统的双频段相位编码信号产生的方法，具体步骤如下：

步骤S1，半导体激光器(LD)1产生的连续波光源，出射的光波表示为：E_in(t)＝E₀exp(jω_ct)，其中，E₀表示为输入光载波的电场幅度，ω_c为输入光载波的中心频率；

步骤S2，第一射频信号发生器7产生的射频信号加载于DP-BPSK调制器内部第一DD-MZM2上；

步骤S3，第二射频信号发生器8产生的射频信号加载于DP-BPSK调制器内部第二DD-MZM3上；

步骤S4，码型信号发生器6产生两路数字信号作为输入电压信号分别加载在DP-BPSK调制器的第一DD-MZM2、第二DD-MZM3上；

步骤S5，通过DP-BPSK调制器内部的偏振合束器5将输出的调制信号输入光电探测器9。

步骤S2～S5，为调制器的输入和输出过程，具体的理论推导如下：

其中，ω_c为LD输出光载波的中心频率，ω₁和ω₂分别为两台射频信号源产生的射频信号的频率，β₁和β₂为射频信号的调制深度β₁＝πV₁/V_π，β₂＝πV₂/V_π

V₁、V₂为输入射频信号的幅度，φ₁、φ₂为直流偏置引起的相位，γ₁、γ₂为输入的数字信号的调制深度，s₁(t)、s₂(t)为输入的数字信号。

将上述表达式利用贝塞尔函数展开得：

其中，J_n代表贝塞尔函数展开系数，由于是小信号调制，因此高阶边带可以忽略不计。

令φ₁＝φ₂＝0，调制后的信号经PD后可以表示为：

i₁＝E_x*E_x ^*αJ₁(β)cos(ω₁t)sin(γ₁s₁(t))+J₀(β)cos(γ₁s₁(t))

i₂＝E_y*E_y ^*αJ₁(β)cos(ω₂t)sin(γ₂s₂(t))+J₀(β)cos(γ₂s₂(t))

当s₁(t)＝{1,-1}，s₂(t)＝{1,-1}时经过PD后产生了双频段相位编码信号。

图2表示仿真产生的3GHz的相位编码信号，图3表示仿真产生的6GHz的相位编码信号。

本发明基于DP-BPSK的双频段相位编码信号的产生方法及系统技术方案，与现有相位编码信号产生的技术方案相比，其系统结构简单，同时满足了双频段的生成，在整个系统中无波长相关器件，频率可调谐范围大，并且相位编码信号的产生仅与数字信号的极性相关，与幅度无关，因此整个系统中无需放大，简化了整个系统，生成的双频段相位编码信号在多波段雷达系统中有潜在的应用价值。

上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。