微波和亳米波信号光学产生及传输技术研究

发布时间：2017-03-22 19:17

  本文关键词：微波和亳米波信号光学产生及传输技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：自20世纪70年代以来,光电子学和光纤通信技术的迅速崛起和微波技术的发展,使得原本各自独立的两门学科越来越紧密的结合起来。近年来,随着无线通信技术的不断发展,其对信息传输速率的要求也越来越高,现有的频段已经不能满足日益增长的传输速率的要求。微波毫米波频段拥有上百GHz的频谱,但是由于传输损耗极高难以长距离传输,而高频、低相位噪声、频率可调的微波毫米波信号在电域产生成本很高或者难以产生。因此,光学生成高频率、低相位噪声、频率可调的微波和毫米波信号以及微波和毫米波信号的光纤传输技术因为其独特的优势受到了国内外学者的广泛关注。本论文着重于研究基于微波光子学的微波和毫米波信号光学产生及传输技术。论文首先简单的介绍了微波光子学的基本概念、发展和主要研究热点,然后介绍了光外调制、光电振荡器和光纤色散等微波光子学的相关基本理论知识,并分别就微波毫米波信号的光学产生和微波毫米波信号的光学传输展开了理论、仿真和实验研究,取得了如下研究成果:1.提出并仿真研究了三种基于马赫曾德尔调制器(MZM)的微波毫米波信号倍频产生方法。相对于单个MZM可以到达的倍频因子二(如果使用光滤波器可以达到四),通过级联MZM结构、并联MZM结构或者新型的三臂MZM结构,可以显著的提高倍频因子(最高达到十八)且不需要光滤波器滤波。这样,可以利用低频的微波毫米波本振信号产生高频的微波毫米波信号,从而显著降低系统成本。利用光外调制器生成微波毫米波信号的优点还包括频率调谐方便,只需要改变输入信号的频率就能够实现频率的调谐。2.提出并实验研究了一种基于光电振荡器(OEO)的微波毫米波信号产生方法。通过该方法,不需要光学滤波即可以实现低相位噪声的微波毫米波信号的生成,且倍频因子通过改变调制指数和调制器的偏置点可调(四、六、八倍于OEO环路内谐振信号的频率)。这是据我们所知,通过OEO实现微波毫米波信号生成达到的最大倍频因子,之前的结果在使用光滤波器的条件下可以达到的倍频因子为四。通过OEO产生微波毫米波信号的优势在于不需要微波源,且其相位噪声性能决定于OEO环路的Q因子,可以通过提高OEO环路的长度提高生成信号的相位噪声性能。3.提出并实验研究了两种微波相位编码信号光学生成方法。基于偏振调制器(PolM)的频率可调的微波二进制相位编码信号的生成方法结构简单,主要的器件是一个PolM,通过改变PolM的偏置点,可以实现基频和二倍频的二进制微波相位编码信号的生成。该系统相比已报到的相关系统,结构十分简单,频率可调范围很大,且可以生成二倍频的信号,进一步提高了系统的工作频率范围。基于双平行马赫曾德尔调制器(DP-MZM)的频率可调的微波相位编码信号生成方法利用DP-MZM的波长转换功能,生成两个间隔为输入微波信号频率的光波长。输入光波长被编码信号调制后与经DP-MZM波长转换后的光波长耦合,通过拍频即可以生成二进制或四进制微波相位编码信号,该系统具有良好的可重构性,且频率可调范围大,主要受到DP-MZM带宽的限制。4.提出并仿真研究了两种基于MZM结构的ROF系统,实现了微波毫米波信号的调制与光纤传输。第一个系统是基于三臂MZM的结构,通过在第三臂引入一个直流偏压来实现对光纤色散效应的补偿,从而克服了光纤色散对信号传输的影响;第二个系统是基于级联MZM结构的全双工ROF链路,下行链路实现了信号的十二倍频,同时传输了未调制的光载波作为上行链路的载波信号,这样不仅降低了对信号源的频率要求,同时上行链路不需要额外光源,这都显著降低了系统的成本。5.提出并实验研究了一种基于DP-MZM和相干接收的矢量信号调制及传输方法。针对多输入多输出(MIMO)系统及ROF波分复用无源光网络(ROF-WDM-PON)系统中可能遇到的需要同时光纤传输多路同频信号的情况,提出了该方法。通过该方法,可以通过一路光载波传输两路频率相同的微波毫米波矢量信号,提高了系统的频谱效率,降低了系统的成本。
【关键词】：微波光子学 倍频 光电振荡器 相位编码 光纤色散
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN929.11
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-17
• 缩略语对照表17-22
• 第一章 绪论22-40
• 1.1 微波光子学22-23
• 1.1.1 微波光子学概述22-23
• 1.1.2 微波光子学发展23
• 1.1.3 微波光子学主要研究热点23
• 1.2 任意波形生成23-31
• 1.2.1 光生微波毫米波信号24-27
• 1.2.2 光生相位编码信号27-29
• 1.2.3 光生超宽带（UWB）信号29-30
• 1.2.4 光生脉冲信号30-31
• 1.3 Radio-over-fiber（ROF）技术31-33
• 1.4 信号的光学处理33-36
• 1.4.1 微波光子滤波器34-35
• 1.4.2 微波光子变频35-36
• 1.5 光学相控阵列天线36-37
• 1.6 本论文章节安排及主要创新点37-40
• 第二章 基本理论40-56
• 2.1 光外调制器相关理论40-47
• 2.1.1 相位调制器（PM）40-41
• 2.1.2 马赫曾德尔调制器（MZM）41-44
• 2.1.3 双平行马赫曾德尔调制器（DP-MZM）44-46
• 2.1.4 偏振调制器（PolM）46-47
• 2.2 光电振荡器相关理论47-50
• 2.3 光纤色散对微波毫米波信号光纤传输的影响50-56
• 第三章 基于外调制器的微波毫米波信号光学产生方法56-92
• 3.1 基于级联MZM的八倍频微波毫米波信号生成56-67
• 3.1.1 基本结构与工作原理56-58
• 3.1.2 分析与讨论58-67
• 3.2 基于并联MZM的倍频因子可变的微波毫米波信号生成67-82
• 3.2.1 基本结构与工作原理67-73
• 3.2.2 仿真分析与讨论73-82
• 3.3 基于三臂MZM的六倍频微波毫米波信号生成82-90
• 3.3.1 基本结构与工作原理82-83
• 3.3.2 仿真分析与讨论83-90
• 3.4 本章小结90-92
• 第四章 基于光电振荡器的微波毫米波信号光学产生方法92-104
• 4.1 基本原理92-95
• 4.2 实验结果与讨论95-101
• 4.3 本章小结101-104
• 第五章 相位编码信号光学产生方法104-122
• 5.1 基于偏振调制器的二进制相位编码信号产生方法104-113
• 5.1.1 基本原理104-106
• 5.1.2 实验结果与讨论106-113
• 5.2 基于双平行马赫曾德尔调制器的相位编码信号产生方法113-119
• 5.2.1 基本原理113-114
• 5.2.2 实验结果与讨论114-119
• 5.3 本章小结119-122
• 第六章 微波毫米波信号的光纤传输技术122-146
• 6.1 基于三臂MZM的克服光纤色散效应的二倍频ROF系统122-131
• 6.1.1 基本原理122-127
• 6.1.2 仿真分析与讨论127-131
• 6.2 一种实现信号倍频及波长重利用的全双工ROF系统131-138
• 6.2.1 基本原理131-136
• 6.2.2 仿真分析与讨论136-138
• 6.3 基于双平行马赫曾德尔调制器的矢量信号调制及传输系统138-143
• 6.3.1 基本原理139-141
• 6.3.2 实验结果与讨论141-143
• 6.4 本章小结143-146
• 第七章 总结与展望146-150
• 7.1 本论文的主要贡献及创新点146-148
• 7.2 本论文的不足及进一步的研究方向148-150
• 参考文献150-164
• 致谢164-166
• 作者简介166-169
• 1. 基本情况166
• 2. 教育背景166
• 3. 攻读博士学位期间的研究成果166-169

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本文编号：262066