基于光子學(xué)產(chǎn)生射頻頻移鍵控信號的方法
【專利摘要】一種信息通信領(lǐng)域的單個強(qiáng)度調(diào)制器的光子學(xué)產(chǎn)生射頻頻移鍵控信號的方法，將脈沖信號源產(chǎn)生的振幅鍵控信號與射頻源產(chǎn)生的時鐘信號進(jìn)行混頻，再與振幅鍵控信號進(jìn)行疊加，得到包含兩個幅度不同正弦信號的方波信號，將該方波信號放大后輸出至馬赫曾德爾調(diào)制器的射頻輸入端，并在馬赫曾德爾調(diào)制器的控制端上施加偏置電壓，使得馬赫曾德爾調(diào)制器輸出射頻頻移鍵控信號，實(shí)現(xiàn)電信號與光信號的轉(zhuǎn)換。本發(fā)明通過光子學(xué)的技術(shù)可以將射頻信號的頻率增加到二倍頻，用簡單的一個馬赫曾德爾調(diào)制器強(qiáng)度調(diào)制器來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的CMOS芯片工藝的同樣功能，大大降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度。
【專利說明】基于光子學(xué)產(chǎn)生射頻頻移鍵控信號的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種信息通信領(lǐng)域的方法，具體是一種采用單個強(qiáng)度調(diào)制器的基于光子學(xué)產(chǎn)生射頻頻移鍵控信號(Frequency shifting key，F(xiàn)SK)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在無線通信領(lǐng)域，信息與通信技術(shù)給人類社會帶來了翻天覆地的變化，隨著各種大數(shù)據(jù)，視頻和網(wǎng)絡(luò)會議等大流量數(shù)據(jù)對于系統(tǒng)的影響，接入網(wǎng)系統(tǒng)所需要的帶寬急劇增力口，因此需要新的技術(shù)來提升無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的容量。傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)包括很多調(diào)制碼型，包括:開關(guān)鍵控信號(On-off key, 00K)，相位調(diào)制信號(Phase-shifting-key，PSK)，正交幅度調(diào)制(Quadrature amplitude modulation, QAM),頻移鍵控信號(Frequency shiftingkey, FSK)等調(diào)制碼型。頻率調(diào)制信號FSK有自身特有的優(yōu)勢，它可以有效的提升無線系統(tǒng)的容量，然而受限于射頻信號的頻率產(chǎn)生的FSK信號所能攜帶的數(shù)據(jù)率不能過高，要得到Gb/s的傳輸數(shù)據(jù)率才能提升系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的潛力。
[0003]FSK信號(Frequency-shifting keying)是通信中傳輸中常用的一種調(diào)制碼型，抗噪聲與抗衰減的性能較好，并且容易實(shí)現(xiàn)。在常見的FSK調(diào)制系統(tǒng)中兩個不同的射頻頻率承載二進(jìn)制I和O的信號。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，很多通信就是通過FSK調(diào)制信號進(jìn)行傳輸?shù)?。傳輸時把二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成FSK信號傳輸，同時在接收端再將接收到的其解調(diào)成二進(jìn)制數(shù)據(jù)，在二進(jìn)制頻移鍵控中，幅度恒定不變的信號通過不同的射頻信號傳遞二進(jìn)制的I和O。常用產(chǎn)生FSK信號的方案是根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)比特是O還是I，在不同的射頻振蕩器之間切換。采用這種方法產(chǎn)生的波形在切換的時刻相位是不連續(xù)的，因此這種FSK信號稱為不連續(xù)FSK信號。由于要傳遞高速的數(shù)據(jù)信號，因此載波的頻率需求逐漸增加，因此只有通過高頻的射頻振蕩器才能滿足需求，這樣大大的增加了產(chǎn)生高速FSK信號的成本和相應(yīng)的復(fù)雜度。因此通過光子學(xué)的技術(shù)來產(chǎn)生高速的FSK信號成為一個很重要的產(chǎn)生方案，可以有效降級復(fù)雜度和成本。
[0004]經(jīng)過對于現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，2010年的VLSI Circuits (VLSIC)會議論文:Huaide Wang;Meng-Hsiung Hung;Yu-Ching Yeh 和 Jri Lee, “A60-GHz FSK transceiverwith automatically-calibrated demodulator in90_nm CMOS,，，由 Huaide Wang 提出用CM0S90nm工藝水平生產(chǎn)的射頻芯片產(chǎn)生60GHz的FSK信號但是受限于射頻信號調(diào)制速率的限制，其數(shù)據(jù)率只能達(dá)到500Mb/s，同時產(chǎn)生的芯片相對復(fù)雜，這樣大大增加產(chǎn)生FSK調(diào)制信號所需的成本。
[0005]進(jìn)一步檢索發(fā)現(xiàn),2013年Optics Express第21卷I期的論文:PengXiang, Xiaoping Zheng, Hanyi Zhang, Yuquan Li 和 Yinfang Chen,“A novel approachto photonic generation of RF binary digital modulation signals,，，清華大學(xué)的Peng Xiang人提出，將重復(fù)率為GHz的皮秒(ps)信號,通過進(jìn)行偏振調(diào)制(Polarizationmodulation)然后在兩個偏振態(tài)上分別進(jìn)行不同的時間延時自相干處理，因此在每個偏振態(tài)上可以產(chǎn)生不同的調(diào)制信號，產(chǎn)生不同的射頻頻率同時兩路數(shù)據(jù)相反，因此實(shí)現(xiàn)了高頻高速的FSK信號的產(chǎn)生，然而方案中需要昂貴的ps激光器，外相位調(diào)制，偏振控制和多次的次延遲相干處理，因此十分復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種單個強(qiáng)度調(diào)制器的光子學(xué)產(chǎn)生射頻頻移鍵控信號的方法，實(shí)現(xiàn)了頻移鍵控信號產(chǎn)生的簡便性和可調(diào)節(jié)性。
[0007]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明將脈沖信號源產(chǎn)生的振幅鍵控信號與射頻源產(chǎn)生的時鐘信號進(jìn)行混頻，再與振幅鍵控信號進(jìn)行疊加，得到包含兩個幅度不同正弦信號的方波信號，將該方波信號放大后輸出至馬赫曾德爾調(diào)制器的射頻輸入端，并在馬赫曾德爾調(diào)制器的控制端上施加偏置電壓，使得馬赫曾德爾調(diào)制器輸出射頻頻移鍵控信號，實(shí)現(xiàn)電信號與光信號的轉(zhuǎn)換。
[0008]所述的方波信號表示為=Dma(tWRF0 cos( uy) I Data{t)Vm；l cos(wft>，其中:Vkfci 和 Vkfi
分別為正弦信號的幅度，Data(t)為振幅鍵控信號，Wf為時鐘信號的角頻率，通過控制各個方波信號的幅度和偏置電壓的幅度，使得當(dāng)方波信號比特為I的時候信號幅度V.和Vkfi等于兩倍的馬赫曾德爾調(diào)制器的半波電壓Vpi，當(dāng)方波信號比特為O的時候信號幅度Vkfci和Vkfi等于馬赫曾德爾調(diào)制器的半波電壓Vpi。
[0009]所述的時鐘信號的頻率為IOGHz或20GHz。
[0010]所述的混頻是指針對時鐘信號和ASK信號的頻率的乘法運(yùn)算，疊加是指混頻的信號與振幅鍵控信號的頻率進(jìn)行加法運(yùn)算。
[0011]所述的馬赫曾德爾調(diào)制器的光模式為橫電模式(TE)，其調(diào)制曲線的特性參數(shù)滿足:當(dāng)時鐘信號偏置在調(diào)制曲線的最低點(diǎn)時產(chǎn)生載波抑制信號，偏置在調(diào)制曲線的最高點(diǎn)時斜邊上產(chǎn)生類線性調(diào)制的效果。
[0012]所述的控制馬赫曾德爾調(diào)制器的偏置電壓具體實(shí)現(xiàn)方式為:當(dāng)信號比特為I時偏置在調(diào)制曲線的最低點(diǎn)，信號比特為O時偏置在調(diào)制曲線的線性點(diǎn)。
[0013]本發(fā)明涉及一種實(shí)現(xiàn)上述方法的裝置，包括:激光器、偏振控制器、馬赫曾德爾調(diào)制器、光電探測的接收機(jī)、射頻源、脈沖信號源、混頻器、加法器、放大器和偏置控制器，其中:激光器產(chǎn)生的光載波經(jīng)過偏振控制器傳輸至馬赫曾德爾調(diào)制器，脈沖信號源產(chǎn)生不同數(shù)據(jù)率的振幅鍵控信號和射頻源產(chǎn)生的時鐘信號傳輸至混頻器進(jìn)行混頻，混頻器的輸出端與振幅鍵控信號進(jìn)行疊加從而得到相應(yīng)的正弦信號，該正弦信號經(jīng)過射頻放大器的放大后輸入至馬赫曾德爾調(diào)制器，偏置控制器與馬赫曾德爾調(diào)制器相連控制正弦信號的偏置從而得到的射頻頻移鍵控信號，射頻頻移鍵控信號由接收機(jī)接收。
[0014]本發(fā)明通過將高速的數(shù)據(jù)信號和高頻的射頻信號進(jìn)行混頻再和同步的數(shù)據(jù)信號進(jìn)行疊加，通過馬赫曾德爾調(diào)制器自身的傳輸曲線，可以將電信號轉(zhuǎn)換為光信號。當(dāng)電信號分別在兩個不同的比特周期時，電信號分別偏置在調(diào)制曲線的最高點(diǎn)和正交點(diǎn)，從而分別產(chǎn)生同頻率和兩倍頻的射頻信號，由于信號的位置相反幅度相同，數(shù)據(jù)相反，從而得到射頻頻移鍵控信號。
技術(shù)效果
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過光子學(xué)的技術(shù)可以將射頻信號的頻率增加到二倍頻，用簡單的一個馬赫曾德爾調(diào)制器強(qiáng)度調(diào)制器來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的CMOS芯片工藝的同樣功能，大大降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明原理示意圖；
[0017]圖2為數(shù)據(jù)信號和射頻信號混頻，然后和同樣的數(shù)據(jù)信號進(jìn)行疊加，疊加得到要加載在馬赫曾德爾調(diào)制器上的電信號；
[0018]圖3為電信號在加載到光域上后在兩個不同的偏置點(diǎn)被不同幅度的射頻信號調(diào)制從而得到射頻頻移鍵控信號的過程；
[0019]圖4為實(shí)施例1效果示意圖；
[0020]圖中:左側(cè)為加載的電信號，右側(cè)為光信號輸出，其中:中射頻信號為10GHz，數(shù)據(jù)信號為625Mb/s的電域波形和產(chǎn)生的時域波形，時域分辨率分別為1000ps/div(即皮秒/格)和 500ps/div ；
[0021]圖5為實(shí)施例2效果示意圖；
[0022]圖中:左側(cè)為加載的電信號，右側(cè)為光信號輸出，其中:中射頻信號為10GHz，數(shù)據(jù)信號為1.25Gb/s的電域波形和產(chǎn)生的時域波形，時域分辨率分別為lOOOps/div和500ps/div ；
[0023]圖6為實(shí)施例3效果示意圖；
[0024]圖中:左側(cè)為加載的電信號，右側(cè)為光信號輸出，其中:中射頻信號為10GHz，數(shù)據(jù)信號為2.5Gb/s的電域波形和產(chǎn)生的時域波形，時域分辨率分別為lOOOps/div和500ps/
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【具體實(shí)施方式】
[0025]下面對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
實(shí)施例1
[0026]如圖1所示，本實(shí)施例包括:激光器1、偏振控制器2、馬赫曾德爾調(diào)制器3、光電探測的接收機(jī)4、射頻源5、脈沖信號源6、混頻器7、加法器8、放大器9、偏置控制器10。
[0027]本實(shí)施例通過將脈沖信號源產(chǎn)生的振幅鍵控信號與射頻源產(chǎn)生的時鐘信號進(jìn)行混頻，再與振幅鍵控信號進(jìn)行疊加，得到包含兩個幅度不同正弦信號的方波信號，將該方波信號放大后輸出至馬赫曾德爾調(diào)制器的射頻輸入端，并在馬赫曾德爾調(diào)制器的控制端上施加偏置電壓，使得馬赫曾德爾調(diào)制器輸出射頻頻移鍵控信號，實(shí)現(xiàn)電信號與光信號的轉(zhuǎn)換。
[0028]所述的方波信號表示為4，= DataitfΛΠ,οοφν,η I DataitWm cofi(w,f),其中:VEF0 和 Vefi
分別為正弦信號的幅度，Data(t)為振幅鍵控信號，Wf為時鐘信號的角頻率，通過控制各個信號的幅度和相對位置因素，通過調(diào)節(jié)信號本身的幅度和偏置電壓并控制使得當(dāng)方波信號比特為I的時候信號幅度V.和Vkfi等于兩倍的馬赫曾德爾調(diào)制器的半波電壓Vpi，當(dāng)方波信號比特為O的時候信號幅度V.和Vkfi等于馬赫曾德爾調(diào)制器的半波電壓Vpi。
[0029]所述的時鐘信號的頻率為10GHz。
[0030]所述的馬赫曾德爾調(diào)制器的光模式為橫電模式，其調(diào)制曲線的特性參數(shù)滿足:類似正弦信號的傳遞特性，當(dāng)時鐘信號偏置在調(diào)制曲線的最低點(diǎn)時產(chǎn)生載波抑制信號，偏置在調(diào)制曲線的最高點(diǎn)時斜邊上產(chǎn)生類線性調(diào)制的效果。
[0031 ] 所述的控制兩個正弦信號的大小具體是指:比特I和O信號幅度分別為2Vpi和Vpi，Vpi表示調(diào)制器的半波電壓。
[0032]所述的控制馬赫曾德爾調(diào)制器的偏置電壓具體實(shí)現(xiàn)方式為:比特I和O信號分別2Vpi 和 V
[0033]所述的激光器I是一種能產(chǎn)生窄線寬的光載波的激光器1，可以用于將電信號轉(zhuǎn)移到光上面。
[0034]所述的偏振控制器2是一種控制輸入馬赫曾德爾調(diào)制器3偏振模式的器件，只允許橫電模式進(jìn)入調(diào)制器，得到最大的輸出功率。
[0035]所述的馬赫曾德爾調(diào)制器3是一種有電光效應(yīng)的調(diào)制器，主要用于將電上面的信號調(diào)制到光域中進(jìn)行傳輸，本實(shí)施例中的偏置針對兩個信號分別在正交點(diǎn)和最高點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換，進(jìn)而最終得到射頻頻移鍵控信號。
[0036]所述電混頻器7主要是將一個時鐘信號和電的數(shù)據(jù)信號進(jìn)行混頻的過程，主要起到乘法器的作用。
[0037]所述的電加法器8是將兩路不同的電信號進(jìn)行疊加，從而組合輸出最終的電信號主要起到加法器8的作用。
[0038]如圖1所示，激光器I的1550nm的光輸入單驅(qū)動的調(diào)制器，在此之前光載波通過偏振控制器2，使進(jìn)入馬赫曾德爾調(diào)制器3的光的模式調(diào)整為橫電模式，使輸出光功率最大。同時由脈沖信號源6 產(chǎn)生數(shù)據(jù)率的可變強(qiáng)度鍵控信和高頻的射頻信號進(jìn)行混頻，同時數(shù)據(jù)信號和混頻后的信號進(jìn)行疊加，然后經(jīng)過射頻信號放大器9放大到合適的幅度。將放大后的電信號加載到馬赫曾德爾調(diào)制器3的射頻調(diào)制端口，然后合理的控制信號的幅度和偏置電壓的幅度，就可以分別在兩個不同的比特時，電信號分別偏置在調(diào)制曲線的最高點(diǎn)和正交點(diǎn)，從而分別產(chǎn)生同頻率和兩倍頻的射頻信號，由于信號的位置相反幅度相同，進(jìn)過光電探測器可以得到射頻頻移鍵控信號。
[0039]如圖2所示，最后加載到光調(diào)制器上的電信號，將單極性的數(shù)據(jù)偏置到強(qiáng)度分別為2，I和O的強(qiáng)度鍵控信號，通過電的混頻器7將包含數(shù)據(jù)的電信號和射頻信號混頻輸出，相當(dāng)于進(jìn)行了乘法運(yùn)算，得到輸出的波形。接著混頻后的信號和包含數(shù)據(jù)的同樣的電信號進(jìn)行加法，從而得到最后需要的電信號。
[0040]如圖3所示，疊加后電信號對于馬赫曾德爾調(diào)制器3調(diào)制曲線的相應(yīng)位置，其中高電平的信號在偏置的作用下作用于馬赫曾德爾調(diào)制器3的最高點(diǎn)，同時其本身有較高的幅度，從而可以得到載波抑制調(diào)制的光信號，經(jīng)過光電探測應(yīng)了雙倍2?的射頻信號頻率。對于低電平的信號，信號將被偏置在馬赫曾德爾調(diào)制曲線的正交點(diǎn)，從而在較小的正弦驅(qū)動電信號下得到相應(yīng)的同頻率fo的正弦信號。兩者綜合因此輸出的電信號為射頻頻移鍵控信號調(diào)制的射頻信號，通過合理控制各個信號的幅度和加載在馬赫曾德爾調(diào)制器3上的偏置電壓信號，可以得到幅度平坦的射頻頻移鍵控信號。
[0041]如圖4所示，當(dāng)脈沖信號源6的輸出數(shù)據(jù)率為625Mb/s，電的射頻信號為IOGHz的射頻信號，當(dāng)兩個信號經(jīng)過射頻混頻和同樣的數(shù)據(jù)信號疊加，可以得到如左邊圖中給出的相應(yīng)的電信號，其中時間軸的分辨率分別為lOOOps/div和500ps。當(dāng)將信號加載到馬赫曾德爾調(diào)制器3的射頻輸入端，合理的調(diào)節(jié)各個信號的幅度和偏置就能得到頻率為同頻率/兩倍頻的射頻頻移鍵控信號。右邊的圖片相應(yīng)給出了時間軸的分辨率分別為lOOOps/div和500ps的最終輸出的電信號。
實(shí)施例2
[0042]如圖5所示，當(dāng)脈沖信號源6的輸出數(shù)據(jù)率為1.25Gb/s,電的射頻信號為IOGHz的射頻信號，合理調(diào)節(jié)各個參數(shù)可以得到射頻頻移鍵控信號，左邊圖中給出的相應(yīng)的電信號，其中時間軸的分辨率分別為lOOOps/div和500ps。右邊的圖片相應(yīng)給出了時間軸的分辨率分別為lOOOps/div和500ps的最終輸出的電信號。
實(shí)施例3
[0043]如圖6所示，當(dāng)脈沖信號源6的輸出數(shù)據(jù)率為2.5Gb/s,電的射頻信號為IOGHz的射頻信號，合理調(diào)節(jié)各個參數(shù)可以產(chǎn)生射頻頻移鍵控信號，左邊圖中給出的相應(yīng)的電信號，其中時間軸的分辨率分別為lOOOps/div和500ps/div。右邊的圖片相應(yīng)給出了時間軸的分辨率分別為lOOOps/div和500ps/div的最終輸出的電信號。
【權(quán)利要求】
1.一種單個強(qiáng)度調(diào)制器的光子學(xué)產(chǎn)生射頻頻移鍵控信號的方法，其特征在于，將脈沖信號源產(chǎn)生的振幅鍵控信號與射頻源產(chǎn)生的時鐘信號進(jìn)行混頻，再與振幅鍵控信號進(jìn)行疊加，得到包含兩個幅度不同正弦信號的方波信號，將該方波信號放大后輸出至馬赫曾德爾調(diào)制器的射頻輸入端，并在馬赫曾德爾調(diào)制器的控制端上施加偏置電壓，使得馬赫曾德爾調(diào)制器輸出射頻頻移鍵控信號，實(shí)現(xiàn)電信號與光信號的轉(zhuǎn)換。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述的方波信號表示為Em=Dakntr?Acos(w,-) I Da_)VRFi Cosiwl),其中:VRF(| 和 VRn 分別為正弦信號的幅度，Data(t)為振幅鍵控信號，Wf為時鐘信號的角頻率，通過控制各個方波信號的幅度和偏置電壓的幅度，使得當(dāng)方波信號比特為I的時候信號幅度V.和Vkfi等于兩倍的馬赫曾德爾調(diào)制器的半波電壓Vpi，當(dāng)方波信號比特為O的時候信號幅度Vkfci和Vkfi等于馬赫曾德爾調(diào)制器的半波電壓Vpi。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述的馬赫曾德爾調(diào)制器的光模式為橫電模式，其調(diào)制曲線的特性參數(shù)滿足:當(dāng)時鐘信號偏置在調(diào)制曲線的最低點(diǎn)時產(chǎn)生載波抑制信號，偏置在調(diào)制曲線的最高點(diǎn)時斜邊上產(chǎn)生類線性調(diào)制的效果。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征是，所述的控制馬赫曾德爾調(diào)制器的偏置電壓具體實(shí)現(xiàn)方式為:當(dāng)信號比特為I時偏置在調(diào)制曲線的最低點(diǎn)，信號比特為O時偏置在調(diào)制曲線的線性點(diǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征是，所述的時鐘信號的頻率為IOGHz或20GHz 。
6.一種基于上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述方法的裝置，包括:激光器、偏振控制器、馬赫曾德爾調(diào)制器、光電探測的接收機(jī)、射頻源、脈沖信號源、混頻器、加法器、放大器和偏置控制器，其中:激光器產(chǎn)生的光載波經(jīng)過偏振控制器傳輸至馬赫曾德爾調(diào)制器，脈沖信號源產(chǎn)生不同數(shù)據(jù)率的振幅鍵控信號和射頻源產(chǎn)生的時鐘信號傳輸至混頻器進(jìn)行混頻，混頻器的輸出端與振幅鍵控信號進(jìn)行疊加從而得到相應(yīng)的正弦信號，該正弦信號經(jīng)過射頻放大器的放大后輸入至馬赫曾德爾調(diào)制器，偏置控制器與馬赫曾德爾調(diào)制器相連控制正弦信號的偏置從而得到的射頻頻移鍵控信號，射頻頻移鍵控信號由接收機(jī)接收。
【文檔編號】H04L27/12GK103812809SQ201410075541
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年3月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月4日
【發(fā)明者】曹攀, 胡小鋒, 潘聽, 吳佳旸, 蘇翼凱 申請人:上海交通大學(xué)