微波光子信號(hào)產(chǎn)生與分析案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u24830微波光子信號(hào)產(chǎn)生與分析案例概述 1255791.1基于電光外調(diào)制的任意波形微波信號(hào)產(chǎn)生方法與分析 1201871.1.1任意波形微波信號(hào)產(chǎn)生原理 1235701.1.2仿真結(jié)果分析 337851.2基于電光調(diào)制的寬帶啁啾脈沖微波信號(hào) 8231011.2.1其工作原理 8135751.2.2數(shù)學(xué)模型 8269771.2.3仿真結(jié)果與分析 111.1基于電光外調(diào)制的任意波形微波信號(hào)產(chǎn)生方法與分析1.1.1任意波形微波信號(hào)產(chǎn)生原理根據(jù)Fourier級(jí)數(shù)理論，正交余弦循環(huán)函數(shù)與余弦循環(huán)函數(shù)的線性組合可以精確地表示無(wú)環(huán)余弦函數(shù)。在一定范圍內(nèi)（T0，T0，t），三角平流表達(dá)式的三角函數(shù)f（t）為：f(t)=α式中，αnbn其中，ω=2π/T表示基波角頻率。通過(guò)合并諧波分量，式(3-1)可以簡(jiǎn)化為:f(t)=α其中，An=an2+E(t)=√2其中,e0和分別可以表示光波和載波的不同振幅和角頻率,V分別表示兩個(gè)半波段的電壓,vms分別表示激光調(diào)制器,振幅和角頻率分別代表同時(shí)應(yīng)用于激光調(diào)制器的兩個(gè)正弦載波信號(hào)，Vbias表示施加到IMV的偏置，它可以通過(guò)光電探測(cè)器（PD）的光電轉(zhuǎn)換獲得:I(t)=（3-6）其中，?表示光電探測(cè)器的響應(yīng)度。

利用Bessel函數(shù)展開(kāi)上式，可以得到:I(t)=（3-7）上面的公式包含了直流項(xiàng)和無(wú)限次的多次諧波，可以知道，如果能控制產(chǎn)生的微波信號(hào)的每個(gè)步長(zhǎng)分量的幅度和相位，可以構(gòu)造出對(duì)應(yīng)于任何波形微波信號(hào)的頻譜。任何波形的微波信號(hào)都是在時(shí)域上產(chǎn)生的。1.1.2仿真結(jié)果分析一般來(lái)說(shuō)，微波信號(hào)是通過(guò)光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的。通過(guò)光電轉(zhuǎn)換，各諧波分量分別來(lái)自光載波、鐘形帶和拍頻帶。然而，光強(qiáng)度調(diào)制信號(hào)的正和負(fù)序列是對(duì)稱相位帶，并且可以重復(fù)由它們之間的拍頻產(chǎn)生的諧波分量。它們之間的傳輸將增加諧波分量的復(fù)雜性，以及控制諧波分量幅度的難度。因此，本部分主要采用載波和單邊帶產(chǎn)生任意波形微波信號(hào)。具體方案如圖1.1所示。由激光二極管（LD）產(chǎn)生的單波長(zhǎng)光學(xué)載波通過(guò)光學(xué)耦合器（OC）被分成兩個(gè)通道。光學(xué)載體的相位和幅度由移相器（PS）和摻鉺光纖放大器（EDFA）控制;在下行鏈路中，光學(xué)載波由（MZM）調(diào)制的強(qiáng)度，以及a點(diǎn)的光載波和一系列邊帶輸出，在（OBPF）之后，僅在點(diǎn)B處保留正整數(shù)側(cè)帶。然后，通過(guò)OC組合，光學(xué)信號(hào)和固定相位差獲得處理的光學(xué)載波和側(cè)帶。在點(diǎn)C.然后，通過(guò)將MZM的偏置電壓的幅度和外部微波的幅度設(shè)定為PD，將光信號(hào)和側(cè)帶在點(diǎn)C.然后，光學(xué)信號(hào)通過(guò)PD轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。和外部微波的幅度，產(chǎn)生DC組件和無(wú)限數(shù)量的諧波分量信號(hào)（MS）和諧波功率比通過(guò)調(diào)節(jié)光載波的相移來(lái)控制諧波分量之間的相對(duì)初始相位。然后構(gòu)造一個(gè)對(duì)應(yīng)于預(yù)期的微波波形的光譜，以實(shí)現(xiàn)所需的微波波形。圖1.1微波信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)的原理示意圖(LD:激光器;OC:光輻合器;MS:微波信號(hào);MZM:Mach-Zehnder調(diào)制器;OBPF:光帶通濾波器;PS:移相器;EDFA:摻餌光纖放大器;PD:光電探測(cè)器)在該值下，可以通過(guò)以下公式描述道路上的光載體的光場(chǎng):En其中E1是EDFA的輸出端處的光學(xué)載波的幅度，其表示由移相器（PS）引入的載波相移。首先，Bessel函數(shù)用于擴(kuò)展強(qiáng)度調(diào)制信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式下行鏈路,可以得到:E1如果E2是MZM輸入光信號(hào)的幅度，則JN是第一姿勢(shì)函數(shù)的系數(shù)，Z是調(diào)制器的調(diào)制系數(shù)。并且OBPF濾波器過(guò)濾出光學(xué)載體并可以獲得負(fù)邊緣頻段:E1假設(shè)光學(xué)載波的功率遠(yuǎn)大于邊帶的功率，基本上考慮由光學(xué)載波和邊界產(chǎn)生的微波諧波分量射擊而產(chǎn)生的，從PD輸出輸出的微波信號(hào)的表達(dá)式如下:

I(t)≈A+2?式中，a表示直流分量。根據(jù)該公式，系統(tǒng)產(chǎn)生的微波信號(hào)包括直接分布和無(wú)限次諧波。此外，諧波分量的幅度和相位可以如下：首先，控制電壓和PS引入的載波相位轉(zhuǎn)移，然后，根據(jù)公式（3-11），研究了上述任意波形微波信號(hào)產(chǎn)生方案在三角形和矩形微波信號(hào)中的實(shí)現(xiàn)。三角形微波脈沖產(chǎn)生給出了周期三角波的三角花:f(t)=C其中n是正整數(shù)，C1和C2是常數(shù)，表示角頻率。根據(jù)該公式，周期三角波由直流分量的余弦形式和無(wú)窮多個(gè)奇次諧波分量組成。

通過(guò)對(duì)比，只要滿足以下三個(gè)條件:(1)Vbias=Vπ，(2)φ=0,(3)

Jn(z)J表1.1第n階與第1階第一類Bessel函數(shù)系數(shù)的比值z(mì)JJJJ1.511111應(yīng)注意，第一類貝塞爾函數(shù)的系數(shù)與一階貝塞爾函數(shù)的系數(shù)之間的比例關(guān)系不滿足于相同調(diào)制系數(shù)中第一類貝塞爾函數(shù)的系數(shù)之間的比例關(guān)系。因此，只能選擇滿足比例關(guān)系的有限次諧波分量，才能選擇近似三角波。這將不可避免地導(dǎo)致波形失真。然而，由于高級(jí)諧波分量的幅度的快速衰減因子，高階諧波分量對(duì)波形的影響是相對(duì)較小的。因此，可以容忍由具有有限諧波分量的近似三角波引起的波形失真：I(t)≈A?2?圖1.2脈沖重復(fù)頻率為l0GHz的三角形微波脈沖:(a)頻譜;（b）時(shí)域波形根據(jù)計(jì)算得到的微波三角形利用微波信號(hào)脈沖調(diào)制信號(hào)的發(fā)射頻譜和使用時(shí)域表示波形,如下表圖1.2所示從圖1.2（a）相對(duì)功率的5倍和7倍的情況可以看出，相對(duì)功率。對(duì)產(chǎn)生的波形的貢獻(xiàn)可以忽略。因此，產(chǎn)生的波形頻譜只能包含一次諧波和三次諧波分量，由圖1.2（b）可以看出，雖然產(chǎn)生的三角波與理想波形有區(qū)別，但它具有三角波的基本形狀特征，為了測(cè)量近似波形和理想波形之間的差異，我們還計(jì)算了它們之間的根均衡誤差:σ=i=1n[I(n)?矩形微波脈沖產(chǎn)生圖1.3矩形微波脈沖的脈沖重復(fù)率為1GHz：（a）時(shí)域波形，b）時(shí)域波形/>周期性矩形波的三角傅里葉級(jí)數(shù)為:f(t)=D其中d1和d2是常數(shù)，周期性矩形波由無(wú)限奇數(shù)諧波元件的正弦疊加組成，只要滿足以下三個(gè)條件:(1)Vbias=Vπ;(2)?=π2(3)J表1.2第n階與第1階第一類Bessel函數(shù)系數(shù)的比值z(mì)JJJJ2.31111類似于三角波的產(chǎn)生，在相同的調(diào)制系數(shù)下，每個(gè)順序的如表1.2所示，不能滿足第一貝塞爾函數(shù)的系數(shù)和第一貝塞爾函數(shù)的系數(shù)之間的比例關(guān)系，因此，只有有限的諧波分量可以形成近似矩形波，在此種問(wèn)題下，矩形波的近似表達(dá)式可以如下寫(xiě)入：I(t)≈A?2?根據(jù)公式產(chǎn)生的矩形微波脈沖信號(hào)的頻譜和時(shí)域波形如圖1.3（a）所示。該方案產(chǎn)生的矩形波主要由一次諧波和三次諧波組成。矩形波引起的高次諧波分量振幅的滾離系數(shù)不大，近似波形與如圖1.3（b）所示，計(jì)算了近似波形與理想波形的根誤差，其近似值為0.128。

通過(guò)比較三角波和矩形波的均方根，可以看出前者的均方根誤差遠(yuǎn)小于后者的移動(dòng)平均誤差，因此，該方案可以直接用于產(chǎn)生三角微波脈沖信號(hào)，附加處理需要附加處理來(lái)調(diào)整光學(xué)邊帶信號(hào)以獲得可用于進(jìn)一步減小均方根誤差的高次諧波分量。

盡管上述方案可以產(chǎn)生任意波形微波脈沖信號(hào)，但由于光學(xué)載波的存在和色帶的傳輸路徑不同，容易受到光載波和色帶產(chǎn)生、相位差變化等環(huán)境因素的影響，這將極大地影響生成波形的質(zhì)量。1.2基于電光調(diào)制的寬帶啁啾脈沖微波信號(hào)1.2.1其工作原理基于電光調(diào)制的啁啾脈沖寬帶信號(hào)由一個(gè)激光發(fā)生器、一個(gè)光電導(dǎo)體、兩個(gè)光耦合器、一個(gè)燈柱調(diào)制器和一個(gè)光電探測(cè)器組成。如圖1.4所示。圖1.4發(fā)電結(jié)構(gòu)啁啾基于電光外調(diào)制的脈沖寬帶信號(hào)上述結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生一個(gè)啁啾脈寬的微波信號(hào)，其特點(diǎn)是系統(tǒng)的光載波利用兩個(gè)不同的啁啾光信號(hào)產(chǎn)生一系列連續(xù)的階數(shù)，在電光呼叫中用高功率正弦信號(hào)對(duì)光載波進(jìn)行調(diào)制，得到調(diào)制系數(shù)較大的光相位調(diào)制信號(hào)，此時(shí)，相位調(diào)制信號(hào)將通過(guò)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x。其主要完成光學(xué)相位調(diào)制信號(hào)的干擾疊加及其自身相對(duì)延遲信號(hào)通過(guò)設(shè)備中的可調(diào)光延遲模塊。最后，通過(guò)光電檢測(cè)器轉(zhuǎn)換Modem實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，從而得到正交調(diào)制的寬帶微波信號(hào)。除此之外，上圖中的結(jié)構(gòu)還利用光強(qiáng)度調(diào)制器形成脈沖強(qiáng)度時(shí)域開(kāi)關(guān)，1.2.2數(shù)學(xué)模型該數(shù)學(xué)模型可以很好地估計(jì)單波長(zhǎng)連續(xù)激光子波的強(qiáng)度由以下索引函數(shù)表示： （3-17）上式中的的含義是光載波的光場(chǎng)振幅，是指光載波的頻率。在電光相位調(diào)制器中，使用具有相對(duì)高功率的具有相對(duì)高功率的光載波來(lái)產(chǎn)生顯示出調(diào)制系數(shù)較大的光相位調(diào)制脈沖信號(hào)可以表示為： （3-18）式中的是電光調(diào)制器調(diào)制系數(shù)，為。是電光相位調(diào)制器的半波電壓。、指的是微波信號(hào)1的幅度和頻率。利用可調(diào)光延遲模塊，實(shí)現(xiàn)了光調(diào)制信號(hào)與相對(duì)延遲信號(hào)的疊加。在時(shí)域上產(chǎn)生： （3-19）上式中的光學(xué)變量延遲線引入的光學(xué)相位調(diào)制信號(hào)與其自身相對(duì)延遲信號(hào)之間的時(shí)間延遲，如果光學(xué)調(diào)制信號(hào)直接引入光電探測(cè)器，則產(chǎn)生正弦頻率調(diào)制脈沖微波信號(hào)，并且其表達(dá)式可以表示為： （3-20）上式中的指光電探測(cè)器的靈敏度，并且A指的是DC分量的系數(shù)。通過(guò)在上述公式中獲得相位術(shù)語(yǔ)，我們得出了信號(hào)瞬時(shí)功率的表達(dá)， （3-21）由產(chǎn)生的瞬時(shí)功率，該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的微波信號(hào)是由周期性啁啾變化產(chǎn)生的寬帶微波信號(hào)。其缺點(diǎn)是在結(jié)構(gòu)中加入了周期性的脈沖強(qiáng)度時(shí)域，通過(guò)不同的相位調(diào)制間隔完成開(kāi)關(guān)的疊加和傳輸，從而實(shí)現(xiàn)了啁啾微波脈沖信號(hào)的高參數(shù)精度。圖1.5脈沖型的強(qiáng)度時(shí)域開(kāi)關(guān)函數(shù)工作圖可以通過(guò)在正交傳輸點(diǎn)中使用電光強(qiáng)度調(diào)制器作業(yè)完成強(qiáng)度時(shí)域切換功能，如果添加外部正弦信號(hào)，則在上面示出了工作原理，如圖2所示。如果對(duì)生成輻射強(qiáng)度調(diào)制器的應(yīng)用將產(chǎn)生周期性的脈沖強(qiáng)度時(shí)域開(kāi)關(guān)，我們可以導(dǎo)出其傳輸功能。如果您使用并指示頻率和初始階段微波信號(hào)2，我們可以導(dǎo)出以下內(nèi)容： （3-22）因此，如果將脈沖型強(qiáng)度時(shí)域開(kāi)關(guān)添加到結(jié)構(gòu)中，則光電探測(cè)器的輸出部分將產(chǎn)生周期性啁啾脈沖微波信號(hào)，這可以在下面描述： （3-23）根據(jù)等式（3-21）和（3-23），由于傳統(tǒng)的微波信號(hào)發(fā)生器，我們可以從兩個(gè)額外的微波信號(hào)的幅度和頻率推斷由結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的啁啾脈沖寬帶微波信號(hào)的參數(shù)幅度和分辨率一般約為和Hz，因此，實(shí)現(xiàn)了高精度啁啾脈沖信號(hào)的產(chǎn)生和控制。1.2.3仿真結(jié)果與分析在本部分中，通過(guò)仿真結(jié)果表明了該方法的有效性，仿真中采用了啁啾脈沖微波信號(hào)主要數(shù)值如下表1.3。表1.1結(jié)構(gòu)模擬參數(shù)圖1.6給出了上述啁啾脈沖寬帶微波信號(hào)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果。如果輸入微波信號(hào)1，電光調(diào)制器不具有強(qiáng)度時(shí)域切換功能，說(shuō)明系統(tǒng)產(chǎn)生的微波信號(hào)是周期性正弦啁啾調(diào)頻信號(hào)。當(dāng)微波信號(hào)2輸入時(shí)，光載波不進(jìn)行電光相位調(diào)制，說(shuō)明該結(jié)構(gòu)輸出為脈沖強(qiáng)度時(shí)域開(kāi)關(guān)，占空比接近一半，其時(shí)域波形是返回零代碼脈沖信號(hào)。開(kāi)關(guān)可以在時(shí)間軸上的不同時(shí)間域中選擇正弦頻率調(diào)制信號(hào)。當(dāng)同時(shí)輸入微波信號(hào)1和微波信號(hào)2，啁啾脈沖寬帶微波信號(hào)將由結(jié)構(gòu)產(chǎn)生。上述三種病例的分辨率如圖1.6所示的（a），（b）和（c）所示。圖1.6仿真結(jié)果由于脈沖強(qiáng)度時(shí)域開(kāi)關(guān)的寬度很寬。開(kāi)關(guān)的頻域包括線性頻帶和非線性頻帶，圖1.4所示為1GHz和2GHz，級(jí)聯(lián)的兩個(gè)占空比為50%的強(qiáng)度時(shí)域開(kāi)關(guān)，從而產(chǎn)生約2GHz的重復(fù)頻率和約25%的占空比。圖1.7脈沖型強(qiáng)度時(shí)域開(kāi)關(guān)使用強(qiáng)度時(shí)域開(kāi)關(guān)時(shí)，請(qǐng)選擇線性調(diào)頻區(qū)的正弦調(diào)頻微波信號(hào)，如圖1.6（a）所示。對(duì)從圖中可以看出，所產(chǎn)生信號(hào)的瞬時(shí)頻率可以分為兩個(gè)區(qū)域，一個(gè)在0.35ns和0.5ns之間，另一個(gè)在0.5ns和0.65ns之間，在0.35納秒范圍內(nèi)和0.5ns，瞬時(shí)頻率可視為線性衰減，當(dāng)瞬時(shí)頻率為0.5ns時(shí)，達(dá)到0GHz的最小頻率，瞬時(shí)功率可視為第二范圍內(nèi)的線性衰減。所以存在正功率和負(fù)功率啁啾信號(hào)中的速率。圖1.8系統(tǒng)生成的線性啁啾微波脈沖然后，對(duì)該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的啁啾脈沖寬帶微波信號(hào)的重復(fù)頻率的可調(diào)諧性進(jìn)行了仿真。在圖1.9中，不同電光相位調(diào)制因子對(duì)啁啾寬帶微波信號(hào)啁啾率的影響是基于上述結(jié)構(gòu)，同時(shí)保持其他重要參數(shù)不變。假設(shè)具有電光相調(diào)制器的微波信號(hào)1的幅度分別為48V，60V，76V和84V，相應(yīng)的相位調(diào)制系數(shù)Z為z1=37.68、z2=31.4、z3=25.12以及z4=41.96。因此，在這種狀態(tài)下，可以得到啁啾微波脈沖產(chǎn)生的時(shí)域波形和瞬態(tài)頻率。圖1.9在不同的相位調(diào)制系數(shù)下，該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生啁啾微波脈沖(a)z1=25.12(b)z2=31.4(c)z3=37.68(d)z4=41.96我們得到啁啾率是，，和，因此，如果微波信號(hào)1的功率改變，則啁啾利率啁啾對(duì)產(chǎn)生的脈寬微波信號(hào)進(jìn)行精確調(diào)制和控制。在