基于光子时间拉伸的信号获取与生成技术研究

发布时间：2020-05-15 02:57

【摘要】：微波信号的获取及合成在雷达、无线通信等领域发挥着重要作用。传统的电子学方法在获取及合成高频、大带宽信号时,会受限于器件带宽,而利用光子学大带宽、低损耗、抗电磁干扰等优势,可实现高频率和大带宽的微波信号获取及合成,因而通过光子学方法产生及处理微波信号具有非常重要的应用价值。本论文研究了通过光子时间拉伸技术进行微波信号获取及合成的关键技术,建立了光子时间拉伸系统理论模型,开展了系统各项性能指标的研究,在此基础上通过仿真和实验对理论进行了验证;本论文提出一种实时的频谱感知系统,并通过抑制输出信号的三阶交调分量,提高了频谱感知系统的无杂散动态范围;本论文提出了多通道时间交织的连续信号获取方案,建立了系统的数学模型,并分析了系统噪声系数随频率变化的特点,并通过仿真和实验验证了系统的性能;本论文提出了一种多通道的时分复用的矢量信号合成方案,并对信号的性能进行了分析。本论文的主要创新点和学术贡献如下:为了能够深入理解光子时间拉伸系统,本文建立了严格理论模型,分别推导了将单频、双频信号输入到系统时,输出信号的各阶谐波分量、互调分量的解析表达式。在此理论模型的基础上,对影响系统性能的参数进行研究,如系统带宽、信号增益、噪声系数、三阶截点、无杂散动态范围等,并利用数值仿真进行了验证。为了能够对宽频段的微波信号的频谱信息进行识别和提取,本文提出了 一种利用光子时间拉伸的频谱感知方案,实现了对输入信号频谱的实时感知,系统的拉伸比达到158,反应时间小于70ms。另一方面,本文提出了提高系统无杂散动态范围的改进方案,利用双平行马赫增德尔调制器上下两臂的光强度以及相位差的调整,使光电探测器电流输出的两部分三阶交调分量幅度相同、相位相反,从而抑制输出信号的三阶交调分量。通过理论分析确定了调制器偏置点所需要满足的特殊条件,实验验证了这一方案与单臂马赫增德尔调制方式相比较,无杂散动态范围提升23 dB。为了能够对高频率大带宽的连续微波信号进行获取,本文提出了一种多通道的时间交织的连续信号获取方案,建立了系统的理论模型,并通过理论分析,得出了系统设计时关键参数所需要满足的特殊条件,讨论了该系统的噪声系数与输入信号频率的相互关系,同时实验实现了四通道连续信号获取系统,分别对模拟信号和数字信号的获取质量进行了分析,同时噪声系数与输入信号频率的关系符合理论预测。为了能够合成高频率的宽带微波信号,本文提出了 一种多通道的时分复用的矢量信号合成方案,建立了相关系统模型,在此基础上,讨论了几个关键参数对于系统性能的影响;同时实验实现了双通道时分复用的矢量信号的合成,同时对合成的信号质量进行了分析和讨论。
【图文】：

一种主流方案。当砷化镓／砷化铝镓激光器产生的激光的波长在８５０邋ｎｍ附近时，梯度折射逡逑率的多模光纤具有较小的损耗；当激光波长在１３００邋ｎｍ或者１５５０邋ｎｍ附近时，单模光纤具有逡逑较低的损耗和色散。基本的微波光子链路如图１．１所示，一个或多个微波频率的模拟电信逡逑号通过光纤或光子链路传输，分别在光子链路的发射和接收侧进行电光和光电转换。与同逡逑轴电缆或波导等常规电传输系统相比，微波光子链路的主要优点包括：尺寸小，重量轻，逡逑成本低，在整个微波和毫米波调制频率范围内衰减小且基本不变，抗电磁干扰能力强，低逡逑色散和高数据传输能力。与同轴电缆相比，微波光子链路在重量和衰减优势特别引人注逡逑目：当传输信号频率在２ＧＨｚ的时候，同轴电缆的重量为５６７邋ｋｇ／ｋｍ，损耗为３６０ｄＢ／ｋｍ，而逡逑石英光纤重量通常为１．７邋ｋｇ／ｋｍ和０．５邋ｄＢ／ｋｍ。即使考虑在早期的微波光子链路中，由于光逡逑电和电光转换的转化效率所带来的功率损耗高达４０邋ｄＢ，徵波光子链路在长距离的信号传逡逑输和处理中仍然有着显著的优势。逡逑自２０世纪７０年代后期以来

体的调制器从功能上可以分成相位调制器和强度调制器两种。其中相位调制器通过外加逡逑电压到电光晶体的一个光轴上，使通过晶体的光的一个偏振方向产生相位变化，而强度逡逑调制器则多通过马赫增德尔（Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ，邋ＭＺ）干涉原理制成。图１．２展示的就是以铌逡逑酸锂为衬底的ＭＺ干涉型强度调制器的基本结构，输入光信号经过在一个Ｙ型波导被分成逡逑功率相等的两束光，分别通过两个直波导传输，直波导的ｙ方向受到了外加电场的影响，逡逑使得经过直波导的光波的相位由于电光效应而发生变化。由于加在两个直波导上的电场逡逑不同，在经过第二个Ｙ型波导时，两束光信号产生干涉，最终实现光信号强度上的变化。逡逑这种ＭＺ干涉型强度调制器具有制作成本低，消光比高，插入损耗低、调制带宽大等优逡逑点，因此已经得到大规模的商用。现在商用的马赫增德尔调制器（Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ邋Ｍｏｄｕｌａｔｅｒ，逡逑ＭＺＭ）的３ｄＢ工作带宽已经可以超过４０ＧＨｚ［２４￣２６］。文献［２４］中，长度为２ｃｍ的ＭＺＭ的３ｄＢ逡逑工作带宽超过７０0１＾，，半波电压１４为５．１￥，插入损耗只有３（＾。文献［２７］表明，现在已经逡逑可以制造Ｋ小于２Ｖ
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN015;O43

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本文编号：2664364