(福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，福建 福州 350116)

1 引言

在如今的通信、雷達(dá)及電子戰(zhàn)等領(lǐng)域中，微波信號的檢測與分析發(fā)揮著重要的作用。它主要包括微波信號的各種參數(shù)測量，包括頻率、幅度、脈沖寬度和相位等。其中，頻率信息反映了微波信號的調(diào)制特性，這為后續(xù)的信號處理方面奠定了基礎(chǔ)，受到了人們的廣泛關(guān)注。使用電子學(xué)方法來進(jìn)行微波信號的頻率測量雖然能夠提供較高的精度以及較大的動態(tài)范圍，但是由于受限于“電子瓶頸”，測量范圍只能集中在0.5～18GHz。隨著通信和雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，待測的微波信號頻率已經(jīng)跨越到更高的頻段范圍內(nèi)，這時傳統(tǒng)的電子學(xué)檢測方法已經(jīng)不能滿足帶寬要求?；诠庾訉W(xué)的微波信號頻率測量技術(shù)可以在大瞬時帶寬、寬頻率覆蓋、低頻依賴損耗以及對電磁干擾的強抗擾性方面提供卓越的性能[1]。目前微波光子頻率測量技術(shù)被廣泛研究，這其中具有非常高的研究價值。

本文創(chuàng)新性提出一種基于相位調(diào)制與強度調(diào)制相結(jié)合的微波頻率測量技術(shù)，在光纖中利用色散所致的射頻功率衰落效應(yīng)，能獲得單調(diào)變化的頻率-幅度映射關(guān)系，通過幅度比較函數(shù)fACF來實現(xiàn)未知信號的頻率測量，該仿真方案的測量范圍可以達(dá)到0.5～53GHz，測量誤差可以小于±200MHz。另外，本文通過結(jié)合理論分析與模擬仿真，進(jìn)一步實現(xiàn)測頻范圍與測頻精確度的優(yōu)化。

2 測頻技術(shù)近況

近年來，國內(nèi)外開展了多種基于光子學(xué)技術(shù)的微波頻率測量研究，并取得了顯著的成果。這些技術(shù)大致可分為三類：第一種方法是基于時間參數(shù)，通過測量微波調(diào)制光載波的兩個邊帶在經(jīng)過一段色散介質(zhì)后產(chǎn)生的時延差的大小來獲得頻率值[2]。它可以測量同時發(fā)生的兩個微波信號，但測量范圍會受到高速示波器和脈沖信號發(fā)生器的限制，而且測量誤差較大，甚至超過lGHz。第二種方法是基于空間參數(shù)，利用光載波通過一些特殊的光學(xué)通道時，經(jīng)過的通道不同來測量微波頻率的大小。這種光學(xué)通道可以是啁啾布拉格光柵[3]、自由空間衍射光柵[4]、集成波導(dǎo)濾波器[5]或者光柵和棱鏡的組合[6]等。這類方法的不足之處在于所采用的器件需要特殊設(shè)計和加工工藝，這就常使得測量系統(tǒng)顯得笨重和昂貴，而且其測量的誤差取決于光學(xué)通道的分辨率，通常會超過800MHz。第三種方法是基于頻率和功率的對應(yīng)關(guān)系，這是目前光子學(xué)頻率測量技術(shù)的主要研究方向。這類方法通常引入幅度比較函數(shù)(Amplitude comparison function，fACF)[7]，通過對由色散引起的微波功率衰減后的比值函數(shù)的分析得到微波信號頻率值，其測量精度能達(dá)到200 MHz，并且通過結(jié)合了光子濾波器[8]、保偏光纖和高色散光纖組合[9]、雙邊帶載波抑制調(diào)制[10]等方式，從而達(dá)到了在低頻附近降低測量誤差的效果，為實時頻率測量提供了一種低成本光子學(xué)的解決方案。

3 軟件可靠性驗證

本方案全程采用VPI Transmission Maker 8.6光學(xué)仿真軟件完成監(jiān)測系統(tǒng)的搭建、調(diào)試和仿真工作。VPI Transmission Maker是由德國著名光通信仿真軟件廠商VPI photonics公司研發(fā)，其由一個強大的圖形界面、一個復(fù)雜且穩(wěn)定的仿真調(diào)度程序和大量逼真的仿真模型組成，其設(shè)計開發(fā)的仿真軟件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于光通信中的各個領(lǐng)域，成為工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的仿真權(quán)威。VPI中包含多種性能強大的模塊，如各種信號發(fā)生器、光纖、光/電功率計、摻餌光纖放大器、衰減器、光譜儀等等，各個模塊中的多種關(guān)鍵參數(shù)可調(diào)，使得使用者可以根據(jù)自己的需求搭建不同的傳輸系統(tǒng)。

為了驗證該仿真軟件的可靠性，額外引入一個光性能監(jiān)測方案[11]作為參考，在系統(tǒng)框架與器件參數(shù)完全一致的情況下，將VPI仿真得到的結(jié)果分別與實際實驗得到的結(jié)果和Rsoft OptSim仿真軟件得到的結(jié)果進(jìn)行對比，從而可以驗證出軟件的可靠性。如圖1所示，在輸入信號功率不同的情況下，VPI仿真結(jié)果與實際實驗結(jié)果的相對誤差比(仿真結(jié)果和實驗結(jié)果之間的平均偏差程度)分別為9.92%和8.25%，如圖2所示，在輸入信號的格式和傳輸速率不同的情況下，VPI仿真結(jié)果與Rsoft OptSim仿真軟件得到的結(jié)果的相對誤差比(不同仿真軟件所得結(jié)果的平均偏差程度)分別為1.82%和1.53%。由于相對誤差比都在合理范圍內(nèi)，所以可以證明VPI仿真軟件得到的數(shù)據(jù)結(jié)果是具有可靠性的。

圖1 VPI仿真軟件與實際實驗所得結(jié)果比較

圖2 不同仿真軟件所得結(jié)果比較

4 仿真結(jié)構(gòu)及原理分析

所提出的測頻方案由圖3所示，該系統(tǒng)采用波長為1550nm的單一連續(xù)波光源(CW)，通過耦合器將入射光分成上下兩臂。把未知頻率的待測信號分別加載到馬赫曾德爾調(diào)制器(MZM)和相位調(diào)制器(PM)中，然后兩臂的調(diào)制信號分別進(jìn)入兩段長距離的單模光纖(SMF)，光纖中的色散值為34ps/nm，由于色散所致的射頻功率衰落效應(yīng)，可以獲得單調(diào)變化的頻率-幅度映射關(guān)系，從而通過光電探測器(PD)的輸出信號功率比來得到fACF。

圖3 基于光子技術(shù)的瞬時頻率測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

對于上臂中的強度調(diào)制的雙邊帶(DSB)光信號，頻率響應(yīng)是低通的，而對于下臂的相位調(diào)制的DSB光信號，頻率響應(yīng)是帶通的。因此，兩個PD輸出處的輸出功率分別由公式(1)、(2)所示[12]：

(1)

(2)

其中，f是指未知微波信號的頻率，Li(i=1,2)是指方案中上下部分的SMF長度，D是指SMF的色散系數(shù)，λc和c是指光載波的波長和光速常量，最后Ri(i=1,2)是指方案中上下部分包括耦合器、調(diào)制器、SMF和PD的總損耗。

由PD探測到的兩部分功率得到的功率比作為fACF，表達(dá)式如公式(3)所示：

(3)

通過校準(zhǔn)和處理，可以將R1=R2，并且當(dāng)方案中上下臂的SMF長度保存一致時，設(shè)置為L=2km，可以將ACF轉(zhuǎn)換成公式(4)，這樣就可以通過計算ACF來得到未知微波信號的頻率。

(4)

5 仿真結(jié)果及分析

經(jīng)過一系列的仿真，如圖4所示的是根據(jù)仿真得到fACE圖象，根據(jù)單調(diào)變化的頻率-幅度的映射關(guān)系，可以得到未知微波信號的頻率。測量范圍可以達(dá)到0.5～53GHz，這里的靈敏度定義為每GHZ的頻率變化所引起的fACE變化量，在靈敏度≥0.03dB時，可以通過常用的光功率計來進(jìn)行準(zhǔn)確測頻[13]，雖然圖象在20～45GHz的中間部分較為平坦，但仍然滿足靈敏度≥0.03dB的特點，總體測頻效果良好。接下來將進(jìn)一步通過仿真分析來實現(xiàn)測頻范圍與測頻精確度的優(yōu)化。

5.1 不同長度對ACF影響

如圖5所示的是不同長度SMF下的fACF圖像，當(dāng)SMF長度為2km、5km和10km時，所對應(yīng)的測頻范圍分別可以達(dá)到23GHz、33GHz和53GHz?？梢缘弥S著SMF長度的增大導(dǎo)致測頻范圍減小，所以測頻范圍與SMF長度有關(guān)，通過適當(dāng)縮小SMF的長度可以有效地擴大測頻范圍。

5.2 不同色散對ACF影響

如圖6所示的是不同色散下的fACF圖像，當(dāng)色散為24ps/nm、34ps/nm和44ps/nm時，所對應(yīng)的測頻范圍分別可以達(dá)到61GHz、53GHz和46GHz?？梢缘弥S著色散的增大導(dǎo)致測頻范圍減小，所以測頻范圍與色散有關(guān)，通過適當(dāng)減小色散可以有效擴大測頻范圍。

圖4 所測得ACF圖象

圖5 不同長度SMF下的ACF圖象

圖6 不同色散下的ACF圖象

5.3 不同光載波波長對ACF影響

如圖7所示的是不同光載波波長下的fACE圖象，當(dāng)光載波波長為1530nm、1550nm和1570nm時，所對應(yīng)的測頻范圍分別可以達(dá)到49GHz、53GHz和56GHz?？梢缘弥S著光載波波長的增大導(dǎo)致測頻范圍增大，所以測頻范圍與光載波波長有關(guān)，通過適當(dāng)增大光載波波長可以有效擴大測頻范圍。

圖7 不同光載波波長下的ACF圖象

5.4 多頻測量

由于光纖中色散所引起的射頻功率衰落效應(yīng)，通過單調(diào)變化的頻率-幅度映射關(guān)系，根據(jù)幅度比較函數(shù)fACE來進(jìn)行測頻。在多頻測量方面，將多種不同頻率的射頻信號引入到方案中，再從光電探測器的輸出端后經(jīng)過后期處理可以得到多個點，最后根據(jù)fACE圖象對相應(yīng)的各點進(jìn)行一一對應(yīng)就可以實現(xiàn)對不同頻率的信號進(jìn)行測量。

5.5 誤差分析

測量誤差也是體現(xiàn)該方案是否合理的一個判斷標(biāo)準(zhǔn)，將實際輸入頻率值與該方案所測得的仿真頻率值進(jìn)行比較，可以得到相應(yīng)的測量誤差。如圖8所示的是RF信號實際輸入頻率與仿真頻率的結(jié)果，可以看出在實際輸入的頻率范圍為0.5～53GHz時，其值與仿真頻率值大致相同，雖然存在一些測量誤差，但是測量效果仍然良好。

如圖9所示的是RF信號實際輸入頻率與仿真輸出頻率的誤差結(jié)果，可以看出在實際輸入的頻率范圍為0.5～53GHz時，測量的頻率精度不超過±200MHz。所產(chǎn)生的測量誤差是由于系統(tǒng)器件級聯(lián)產(chǎn)生的損耗和器件產(chǎn)生的噪聲所造成的。

圖8 RF信號實際輸入頻率與仿真頻率的結(jié)果

圖9 RF信號實際輸入頻率與仿真輸出頻率的誤差結(jié)果

6 結(jié)論

本文提出了一種基于相位調(diào)制與強度調(diào)制相結(jié)合的瞬時頻率測量的仿真方法。通過幅度比較函數(shù)能夠快速精準(zhǔn)地測量出未知信號的頻率，并分析其測量特性從而提高測量范圍以及精準(zhǔn)度。頻率測量范圍可以達(dá)到0.5～53GHz，測量誤差小于±200MHz。該方案結(jié)構(gòu)簡易，可靠性強，適用于微波信號的檢測和分析，在未來的通信、雷達(dá)及電子戰(zhàn)等領(lǐng)域中都有著極大的前景。