受激布里渊散射光电振荡环路和高速毫米波跳频通信方法与流程

1.本发明属于微波光子学技术领域，具体涉及受激布里渊散射光电振荡环路和高速毫米波跳频通信方法。


背景技术：

2.毫米波拥有更宽的频谱资源，具备大带宽、高可靠、高安全性的应用潜力。然而，电子器件带宽瓶颈使得毫米波在实现宽带信号调制、混频、滤波和跳频抗干扰等操作成本高昂。微波光子技术充分发挥了光学器件和电子器件的技术优势，通过光外差拍频、微波光子下变频等电光-光电转化手段，可实现毫米波信号产生、调制和解调。
3.军事应用拓展对无线通信容量需求不断攀升，跳频抗干扰能力也是军事应用中不可或缺的。尽管微电子领域已经开始了毫米波跳频器件的研究，但电子器件带宽范围有限，实现毫米波超高速跳频能力成本高昂，超宽带信号调制、频率快速跟踪和解调需求也会进一步提高传统无线通信系统的成本。光子辅助技术与无线射频技术融合的微波光子技术是实现毫米波超高速跳频通信的必由之路。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是：提供受激布里渊散射光电振荡环路和高速毫米波跳频通信方法，用于产生超高速毫米波跳频信号。
5.本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：受激布里渊散射光电振荡环路，包括按光的传播方向依次连接的外腔激光器ecl、光相位调制器pm，光相位调制器pm的输出尾纤通过光耦合器oc分别连接光隔离器iso和可调光滤波器tof；光隔离器iso通过一段光纤连接光环形器cir的第二端口，直调激光器dml连接光环形器cir的第一端口，光环形器cir的第三端口依次连接光电探测器pd、低噪声射频放大器lna、射频功率放大器pa、光相位调制器pm；可调光滤波器tof的输出尾纤连接微波光子射频系统mwp rf sys。
6.按上述方案，微波光子射频系统mwp rf sys包括按光的传播方向依次连接的光iq调制器iq mod、第二光电探测器pd2和第二射频功率放大器pa2。
7.高速毫米波跳频通信方法，包括以下步骤：
8.s1：构建基于受激布里渊散射的光电振荡环路；包括按光的传播方向依次连接的外腔激光器ecl、光相位调制器pm，光相位调制器pm的输出尾纤通过光耦合器oc分别连接光隔离器iso和可调光滤波器tof；光隔离器iso通过一段光纤连接光环形器cir的第二端口，直调激光器dml连接光环形器cir的第一端口，光环形器cir的第三端口依次连接光电探测器pd、低噪声射频放大器lna、射频功率放大器pa、光相位调制器pm；可调光滤波器tof的输出尾纤连接微波光子射频系统mwp rf sys；微波光子射频系统mwp rf sys包括按光的传播方向依次连接的光iq调制器iq mod、第二光电探测器pd2和第二射频功率放大器pa2；
9.s2：采用不同幅度的电信号驱动直调激光器使直调激光器产生啁啾效应，从而改变输出的光波长、产生光波长的跳变；光电振荡环路中的布里渊频移光波长跟随作为泵浦
光的直调激光器输出光波长的变化而变化，通过光电振荡环路产生两路相位相关的光波长；
10.s3：将一路光波长作为信号光经过电光调制实现基带信号调制，与另一路作为本振光的光波长合路，在光电探测器处进行光外差，产生频率为信号光与本振光的频率差的电信号，且电信号的频率随信号光与本振光的频率差的改变而跳变，实现毫米波无线跳频通信。
11.进一步的，所述的步骤s2中，具体步骤为：
12.s21：外腔激光器ecl产生频率为f
c1
的连续光波，依次通过光相位调制器pm、光耦合器oc、光隔离器iso注入一段光纤；
13.s22：通过控制驱动电信号的幅度控制直调激光器dml产生频率为f
c2
的连续光波，通过光环形器cir的第一端口注入同一段光纤；
14.s23：基于受激布里渊散射效应，光纤中产生频率为f
c2-f
sbs
的布里渊散射光；
15.s24：光纤中频率为f
c1
的连续光波和频率为f
c2-f
sbs
的布里渊散射光通过光环形器cir的第二端口传输到连接第三端口的光电探测器pd进行拍频，产生频率为δf＝|f
c2-f
sbs-f
c1
|的射频信号；
16.s25：频率为δf＝|f
c2-f
sbs-f
c1
|的射频信号依次经过低噪声射频放大器lna和射频功率放大器pa饱和放大后注入到光相位调制器pm；
17.s26：光相位调制器pm输出频率间隔为δf的多载波构成完整的光电振荡环路，通过振荡环路在光耦合器oc的输出端得到稳定的光多载波信号。
18.进一步的，所述的步骤s3中，具体步骤为：
19.s31：光电振荡环路产生的光多载波信号通过可调光滤波器tof选出所需的两束光波长注入微波光子射频系统mwp rf sys；
20.s32：将其中一束频率为fs δf的光作为光外差的本振光，fs＝f
c1
±
nδf，δf＝nδf＝n|f
c2-f
sbs-f
c1
|；
21.s33：将另一束频率为fs的光经过光iq调制器iq mod调制后作为信号光；
22.s34：两束光耦合后进入第二光电探测器pd2进行光外差，再经过第二射频功率放大器pa2放大后通过天线发射频率为δf的射频信号。
23.进一步的，所述的步骤s3中，具体步骤为：
24.毫米波射频信号跳变的频率范围为khz到数十khz；
25.基带信号调制方式有不同的阶数，包括qpsk、8psk、16qam调制；
26.还包括使用直调激光器实现光波长跳频。
27.一种计算机存储介质，其内存储有可被计算机处理器执行的计算机程序，该计算机程序执行如权利要求1至权利要求6中任意一项所述的高速毫米波跳频通信方法。
28.本发明的有益效果为：
29.1.本发明的受激布里渊散射光电振荡环路和高速毫米波跳频通信方法，通过幅度变化的电信号驱动直调激光器产生啁啾效应，实现直调激光器输出光波长的跳变，用该光波长作为光电振荡环路中的泵浦光，基于受激布里渊散射效应和光电环路谐振效应得到两路光波长，再经过光外差得到频率跳变的毫米波，实现了产生超高速毫米波跳频信号的功能。
30.2.本发明采用基于直调激光器啁啾控制和受激布里渊散射振荡环路结合的方式生成双光波长，联合光外差技术，实现了生成超高速毫米波射频信号的功能，用于支撑毫米波无线跳频通信，原理简洁，方案简单高效，具有较强的应用价值。
31.3.本发明可应用于对带宽和频率跳变速度有较高要求的毫米波跳频通信系统中。
附图说明
32.图1是本发明实施例的受激布里渊散射光电振荡环路的原理框图。
33.图2是本发明实施例的多幅度电信号驱动激光器实现波长调谐示意图。
34.图3是本发明实施例的受激布里渊散射光谱示意图。
35.图4是本发明实施例的微波光子射频系统原理图。
36.图中：ecl：外腔激光器；pm：光相位调制器；oc：光耦合器；iso：光隔离器；fiber：光纤；cir：光环形器；dml：直调激光器；pd：光电探测器；lna：低噪声射频放大器；pa：射频功率放大器；tof：可调光滤波器；mwp rf sys：微波光子射频系统；iq mod：光iq调制器。
具体实施方式
37.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
38.参见图1，本发明实施例的受激布里渊散射光电振荡环路包括按光的传播方向依次连接的外腔激光器ecl、光相位调制器pm，光相位调制器pm的输出尾纤通过光耦合器oc分别连接光隔离器iso和可调光滤波器tof；光隔离器iso通过光纤环连接光环形器cir的输入尾纤，直调激光器dml连接到光环形器cir的另一个输入尾纤，光环形器cir的输出尾纤依次连接光电探测器pd、低噪声射频放大器lna、射频功率放大器pa、光相位调制器pm；可调光滤波器tof的输出尾纤连接微波光子射频系统mwp rf sys。
39.参见图4，微波光子射频系统mwp rf sys包括按光的传播方向依次连接的光iq调制器iq mod、第二光电探测器pd2和第二射频功率放大器pa2。
40.本发明采用基于直调激光器啁啾控制和受激布里渊散射振荡环路结合的方式生成双光波长，联合光外差技术生成超高速毫米波射频信号，用于支撑毫米波无线跳频通信：
41.(1)基于直调激光器啁啾效应的光波长控制：采用不同幅度的电信号直接驱动直调激光器，依据直调激光器的啁啾效应改变激光器输出的光波长，实现光波长的跳变；图2是通过本发明实施例的双幅度电信号驱动激光器实现波长调谐的示意图，其中图2(a)的vpp＝0.9v，图2(b)的vpp＝1v。
42.(2)基于受激布里渊散射的光电振荡环路：构建基于受激布里渊散射的光电振荡环路，泵浦光采用直调激光器输出光波长，因此当直调激光器输出波长变化时，布里渊频移光波长也会发生改变，通过光电振荡环路产生两路相位相关的光波长；图3是本发明实施例的受激布里渊散射光谱示意图，其中左侧曲线为受激布里渊散射光，右侧曲线为原激光。
43.(3)基于光外差的毫米波跳频信号产生：一路光波长作为信号光经过电光调制实现基带信号调制，与另一路作为本振光的光波长合路，在光电探测器处进行光外差，产生的电信号频率为信号光和本振光的频率差，且信号频率随着两路光波长频率差的改变而跳变。
44.本发明实施例中的超高速是指：毫米波射频信号跳变速度较快，通常在khz到数十
khz范围。
45.本发明实施例的高速毫米波跳频通信方法，包括以下步骤：
46.s1：由ecl产生的连续光波f
c1
注入pm后注入到一段光纤中，此时来自dml产生的波长为f
c2
的连续波也通过cir端口1进入到这段光纤中，dml产生的光波长由其驱动电信号的幅度控制，如图2所示。由于光纤中的受激布里渊散射效应，光纤中会产生f
c2-f
sbs
频率的布里渊散射光，如图3所示。至此，光纤中的f
c1
和f
c2-f
sbs
两束光通过cir的端口2传输到位于cir端口3的pd进行拍频，产生频率为δf＝|f
c2-f
sbs-f
c1
|的射频信号，该信号再经过lna和pa饱和放大后注入到pm，pm会输出频率间隔为δf的多载波，就此构成了一个完整的光电振荡环路，通过振荡环路我们在oc输出端能得到稳定的光多载波信号。
47.s2：环路产生的多载波通过tof选出所需的两束光波长，进入到mwp rf sys，其中一束光fs δf作为光外差的本振光,其中fs＝f
c1
±
nδf,δf＝nδf,另外一束光fs经过iq调制器调制后作为信号光，两束光耦合后进入pd进行光外差，再放大后便可通过天线发射带信号的频率为δf的射频信号，其原理如图4所示。
48.根据上述描述可知δf＝nδf＝n|f
c2-f
sbs-f
c1
|，其中f
c1
和f
sbs
均为定值，通过控制dml的驱动电源改变f
c2
产生频率跳变的射频信号，且因为受激布里渊散射和光电振荡环路的特性，产生的是稳定的跳频信号。
49.上述实施方案仅为本发明的典型应用，不同阶数的基带信号调制方式(如qpsk、8psk、16qam调制等)、使用直调激光器实现光波长跳频等均为本发明的具体实现。
50.需要指出，根据实施的需要，可将本技术中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
51.以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。