基于光譜整形的微波光子信號產(chǎn)生及處理技術(shù)研究.pdf

1、隨著微波技術(shù)在雷達系統(tǒng)、無線通信、射頻天文學(xué)等多個應(yīng)用領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，對高頻微波信號進行實時的產(chǎn)生、處理和操控成為目前學(xué)術(shù)界及工業(yè)界共同面臨的問題。微波光子學(xué)正是針對這一發(fā)展需求所產(chǎn)生的新興交叉學(xué)科，它旨在利用光學(xué)技術(shù)的高速、高帶寬及低損耗等固有優(yōu)勢，解決傳統(tǒng)微波技術(shù)所面臨的帶寬及速率瓶頸問題。本論文針對于微波光子學(xué)領(lǐng)域中的國際研究熱點，圍繞微波光子信號產(chǎn)生技術(shù)及光載無線信號處理技術(shù)兩方面展開研究。一方面探索新型的波形構(gòu)造方法，提高基于

2、全光器件任意波形產(chǎn)生技術(shù)的靈活性;另一方面旨在解決光載無線系統(tǒng)中的性能損傷問題，通過全光處理技術(shù)提高光載微波信號的傳輸性能。
　　在微波信號的光學(xué)產(chǎn)生方面，本論文基于偏光干涉濾波器單元，提出了兩種結(jié)構(gòu)方式以構(gòu)建具有三角形濾波響應(yīng)的全光濾波器，進而結(jié)合頻域到時域映射技術(shù)實現(xiàn)了三角形微波信號的產(chǎn)生;接著，將串聯(lián)結(jié)構(gòu)的光譜構(gòu)造模型推廣到任意波形產(chǎn)生領(lǐng)域，并通過理論和實驗共同證明了該模型的有效性;進一步通過光譜濾波器結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化設(shè)計實現(xiàn)了

3、參數(shù)可調(diào)的微波信號產(chǎn)生。在光載微波信號的處理方面，搭建了光載無線系統(tǒng)的下行傳輸線路系統(tǒng)，提出了解決功率衰落效應(yīng)及調(diào)制深度問題的預(yù)失真技術(shù)，有效增加了系統(tǒng)的接收靈敏度。本文主要的研究內(nèi)容和成果如下:
　　(1)提出了基于并聯(lián)結(jié)構(gòu)的三角微波脈沖產(chǎn)生方法。結(jié)合保偏光纖及偏振片設(shè)計了基于偏光干涉的梳狀濾波器結(jié)構(gòu)，從理論上分析了該濾波器的實現(xiàn)原理，并給出了濾波響應(yīng)函數(shù)隨保偏光纖長度的變化趨勢。隨后，基于傅里葉級數(shù)展開原理，分析了三角波函數(shù)的

4、諧波分量構(gòu)成，并探討了諧波分量階數(shù)對三角波形質(zhì)量的影響。在忽略高階諧波影響的情況下，通過并聯(lián)的偏光干涉濾波器產(chǎn)生了對應(yīng)基波及三次諧波的兩路正弦形光譜。引入偏振合束器實現(xiàn)了兩路正弦光譜的強度疊加，完成了三角光譜構(gòu)造。最后，研究了頻時域映射的理論基礎(chǔ)及應(yīng)用條件，實現(xiàn)了三角光譜到脈沖的映射過程。實驗結(jié)果表明，產(chǎn)生的三角脈沖頻率及脈寬可以通過保偏光纖長度及光纖色散大小調(diào)節(jié)，符合理論模型期望。
　　(2)設(shè)計了基于串聯(lián)型偏光干涉濾波器的任意

5、微波波形產(chǎn)生系統(tǒng)。首先分析了輸入光偏振控制對偏光干涉濾波器濾波響應(yīng)函數(shù)的影響，探討了輸出正弦形光譜的消光比系數(shù)可調(diào)范圍。構(gòu)建了基于串聯(lián)型偏光干涉濾波模塊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，推導(dǎo)了該結(jié)構(gòu)的輸出光譜理論模型。推導(dǎo)公式表明，串聯(lián)型的偏光干涉濾波模塊能產(chǎn)生傅里葉級數(shù)式的多分量光譜組合。另外，通過合理的調(diào)節(jié)模塊中各級濾波器的偏振關(guān)系，可以實現(xiàn)對各光譜分量的幅度控制，從而完成任意光譜輸出。通過仿真證明，輸出光譜精確度與濾波器級聯(lián)個數(shù)有關(guān)。而級聯(lián)個數(shù)的增加又

6、提高了控制算法復(fù)雜度，因此，利用遺傳算法解決了各級濾波器偏振關(guān)系的復(fù)雜計算。實驗中使用三級級聯(lián)結(jié)構(gòu)的偏光干涉濾波器實現(xiàn)了正弦形、三角形及矩形光譜的產(chǎn)生。同樣利用色散光纖及高速光電探測器組成的頻時域映射模塊結(jié)合上述串聯(lián)型構(gòu)造器實現(xiàn)了三角形微波信號的產(chǎn)生。
　　(3)通過加入可調(diào)光器件對偏光干涉濾波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，以實現(xiàn)二維可調(diào)的微波信號產(chǎn)生。取代保偏光纖的可調(diào)差分群時延模塊用于控制輸出光譜的自由譜范圍，并采用帶寬及波長可調(diào)的光學(xué)

7、濾波器用以控制輸出光譜帶寬。基于該光譜構(gòu)造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并結(jié)合頻時域映射機制，理論推導(dǎo)了輸出微波波形與差分群時延及后級濾波器帶寬的關(guān)系，并通過實驗證明了該理論正確性。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)方案能實現(xiàn)頻率范圍為4GHz-30GHz、信號寬度為0.7nm-3nm的微波信號生成。
　　(4)通過在偏光干涉濾波器中引入差分群時延擾動以實現(xiàn)相位編碼的微波信號產(chǎn)生?；谄飧缮鏋V波器中差分群時延與輸出光譜自由譜范圍的關(guān)系，利用相位調(diào)制器引入額外的相位

8、延時，以實現(xiàn)輸出光譜的頻移調(diào)制，結(jié)合頻時域映射技術(shù)將頻移調(diào)制轉(zhuǎn)換為輸出微波信號的相位調(diào)制。實驗產(chǎn)生了頻率為10GHz的相位編碼信號，并證明了輸出微波信號相位與相位調(diào)制器射頻輸入電壓成正比關(guān)系。
　　(5)提出了用于提高光載無線信號系統(tǒng)傳輸性能的光學(xué)預(yù)失真技術(shù)。首先從理論上分析了光載無線系統(tǒng)中雙邊帶信號及單邊帶信號的最優(yōu)載波邊帶比，并根據(jù)理論結(jié)果，通過實驗比較了具有最優(yōu)化載波邊帶比的雙邊帶信號及單邊帶信號傳輸性能，證明了前者具有1.