專利名稱：一種具有高效數(shù)字編碼輸出的光子型微波測頻方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微波檢測、微波光子學(xué)、光子濾波領(lǐng)域，尤其是光子技術(shù)型數(shù)字微波頻率檢測技術(shù)。
背景技術(shù)：
針對微波信號和微波系統(tǒng)進(jìn)行有效的量值測定與分析的檢測技術(shù)是器件、系統(tǒng)和設(shè)備研究、生產(chǎn)、維護(hù)中不可缺少的檢測手段和工具，應(yīng)用十分廣泛；并且，當(dāng)前微波技術(shù)的迅速發(fā)展給檢測技術(shù)帶來了巨大沖擊。以微波信號為例，檢測內(nèi)容延伸到包括頻率、幅度、 信號類型、調(diào)制制式、到達(dá)方向等在內(nèi)的多維參量，檢測范圍、檢測精度與響應(yīng)時(shí)間上的性能要求也在不斷提高。其中，頻率參數(shù)作為反映信號時(shí)變特性的參量首當(dāng)其沖地受到廣泛關(guān)注，尤其是面對各種微波技術(shù)及應(yīng)用中采用頻段的節(jié)節(jié)攀升，微波頻率測量面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。隨著微波光子學(xué)的興起，光子技術(shù)型微波頻率測量在解決寬帶瞬時(shí)、低損耗、抗電磁干擾方面有著明顯的優(yōu)勢。目前，已報(bào)道的光子技術(shù)型微波測頻方案主要包括掃描型、頻率-時(shí)域映射、頻率-功率(強(qiáng)度)映射、頻率-空間映射等幾種類型，諸如1). H. Chi, X. Zou, and J. Yao, "An approach to the measurement of microwave frequency based on optical power monitoring,，，[J] IEEEPhotonics Technology Letters, vol. 20, no. 14, pp. 1249-1251, 2008 ；2). S. Τ. ffinnall, Α. C. Lindsay, Μ. W. Austin, J. Canning, and A. Mitchell, "A microwave channelizer and spectroscope based on an integrated optical Bragg-grating Fabry-Perot and integrated hybrid Fresnel lens system,，，[J] IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,vol. 54,no. 2,868-892, 2006.)。需要指出的是上述諸多方案的測頻輸出結(jié)果是模擬信號；而當(dāng)前數(shù)字化測頻輸出更為人們所期待數(shù)字測頻輸出易于與日益普遍的數(shù)字信號處理/分析軟件和數(shù)字儀表設(shè)備兼容， 便于進(jìn)一步分析和處理，同時(shí)也便于長期存儲(chǔ)。這方面的探索還較為少見，比如最近的報(bào)道 (X. Zou,W. Pan,B. Luo, and L. Yan,"Instantaneous frequency measurement with digital outputs based on an optical filter array，，，[C]0FC/NF0EC 2011, Paper JWA047, USA, Mar. 2011)給出了移相型梳狀濾波器的數(shù)字測量結(jié)果；但是其中的數(shù)字輸出結(jié)果為 circular codeliji^^J^ (R. van de Plassche, CMOS integrated analog-to-digital and digital-to-analog converters(2nd ed)[M]· Boston, MA :Kluwer,2003, pp. 114-115),比如4-比特輸出的實(shí)際有效編碼個(gè)數(shù)為8個(gè)(即2X4)；因而編碼效率較低，未能有效利用 4-比特輸出的所以編碼個(gè)數(shù)(32，即24)。為提高具光子技術(shù)型方案的數(shù)字輸出的編碼效率，本發(fā)明公布了一種新穎的測頻方法和裝置。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上陳述的已有方案在數(shù)字編碼輸出上不足，本發(fā)明旨在提供一種具有高效編碼輸出的光子型微波測頻方法和裝置，使其充分發(fā)揮光子型、數(shù)字輸出型的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的目的通過如下手段來實(shí)現(xiàn)。—種具有高效數(shù)字編碼輸出的光子型微波測頻裝置，由連續(xù)激光光源10，載波抑制型單邊帶調(diào)制模塊20，光耦合器30，梳狀濾波器模塊40，參考臂50，光探測模塊60，判決模塊70構(gòu)成；所述梳狀濾波器模塊40由η個(gè)梳狀濾波器并聯(lián)構(gòu)成，形成頻域上的循環(huán)編碼組合，并滿足1)第1個(gè)梳狀濾波器與第2個(gè)梳狀濾波器的濾波響應(yīng)具有相同的自由頻譜區(qū)，第2個(gè)梳狀濾波器以后第i個(gè)濾波器的自由頻譜區(qū)分別是第i_l個(gè)濾波器的自由頻譜區(qū)的一半，即 FSIi1 = FSR2 = 2FSR3 = 22FSR4 =A= 2n"2FSRn ；2)以連續(xù)激光光源(10)的輸出頻率為初始相位參考點(diǎn)，第1個(gè)濾波器的濾波響應(yīng)與第2個(gè)濾波器的濾波響應(yīng)的初始相位之間存在一個(gè)η /2的相對相移，其它濾波器的濾波響應(yīng)的初始相位與第2個(gè)濾波器的初始相位相同。在上述裝置的基礎(chǔ)上，本發(fā)明也提供了一種具有高效數(shù)字編碼輸出的光子型微波測頻方法，采用如下的步驟獲得數(shù)字編碼輸出的微波頻率表示待測微波信號經(jīng)載波抑制型單邊帶調(diào)制模塊20加載到連續(xù)激光光源10上生成單個(gè)一階光邊帶，再并行輸入到梳狀濾波器模塊40和參考臂50中，然后經(jīng)光探測模塊60、判決模塊70后獲得循環(huán)二進(jìn)制編碼的η比特?cái)?shù)字測頻結(jié)果，有效碼字個(gè)數(shù)為2η。梳狀濾波器模塊40由η個(gè)梳狀濾波器構(gòu)成，它們的梳狀濾波響應(yīng)構(gòu)成頻域上的循環(huán)二進(jìn)制編碼(又可稱之為格雷碼，Gray code)組合第1個(gè)梳狀濾波器的濾波響應(yīng)與第 2個(gè)梳狀濾波器的濾波響應(yīng)具有相同的自由頻譜區(qū)，但存在η /2的相對相移量；第3個(gè)梳狀濾波器的濾波響應(yīng)的自由頻譜區(qū)為第2個(gè)梳狀濾波器的濾波響應(yīng)的自由頻譜區(qū)的1/2， 但相對相位一致；第4個(gè)梳狀濾波器的濾波響應(yīng)的自由頻譜區(qū)為第3個(gè)梳狀濾波器的濾波響應(yīng)的自由頻譜區(qū)的1/2，但相對相位一致，以此類推下去。待測微波信號經(jīng)載波抑制型單邊帶調(diào)制模塊加載到連續(xù)光源上生成單個(gè)一階光邊帶，再輸入到梳狀濾波模塊和和參考臂中，然后經(jīng)光探測模塊、判決模塊獲得數(shù)字化測頻結(jié)果數(shù)字輸出結(jié)果為η比特的循環(huán)二進(jìn)制編碼或格雷碼，有效編碼個(gè)數(shù)為2"個(gè)；相比于先前報(bào)道的circular code，有效編碼個(gè)數(shù)為 2n 個(gè)(X. Zou,W. Pan,B. Luo, and L. Yan,"Instantaneous frequency measurement with digital outputs based on an optical filter array, " [C]0FC/NF0EC 2011, Paper JWA047, USA, Mar. 2011)，極大地提高了編碼效率。執(zhí)行過程為如圖1所示，待測微波信號經(jīng)載波抑制型單邊帶調(diào)制模塊對激光光源的輸出光信號進(jìn)行外調(diào)制，生成單個(gè)一階光邊帶；這個(gè)光邊帶并行耦合進(jìn)入梳狀濾波器模塊中多個(gè)梳狀濾波器、以及一個(gè)參考臂中。本發(fā)明方法的核心是采用能夠在頻域上構(gòu)成循環(huán)二進(jìn)制編碼(或格雷編碼)方式的梳狀濾波器模塊，它由η個(gè)并行的梳狀濾波器構(gòu)成， 它們的濾波響應(yīng)表示如下。第1個(gè)梳狀濾波器與第2個(gè)梳狀濾波器的濾波響應(yīng)具有相同的自由頻譜區(qū)，然后后一個(gè)濾波器的濾波相移依次是前一個(gè)梳狀濾波器濾波響應(yīng)的一半；同時(shí)，以連續(xù)激光光源的輸出頻率為初始相位參考點(diǎn)，第1個(gè)梳狀濾波器的濾波響應(yīng)與其它梳狀濾波器濾波響應(yīng)之間存在一個(gè)η/2的相對相移。這里分別采用方波濾波包絡(luò)的梳狀濾波器和正弦函數(shù)包絡(luò)的梳狀濾波器來加以描述。當(dāng)濾波包絡(luò)為方波時(shí)以η = 4為例(可以拓展到其他較大的正整數(shù))，此時(shí)構(gòu)成頻域上循環(huán)編碼的梳狀濾波響應(yīng)的組合如圖2所示，第i個(gè)(1 < i < η)梳狀濾波器的濾波響應(yīng)對應(yīng)的自由頻譜區(qū)FSIii滿足(1)式FSR1 = FSR2 = 2FSR3 = 22FSR4 =A= 2n_2FSRn (1)其中第1個(gè)濾波器的濾波響應(yīng)與第2個(gè)濾波器的濾波響應(yīng)的初始相位之間存在一個(gè)η /2的相對相移，其它濾波器的濾波響應(yīng)的初始相位與第2個(gè)濾波器的初始相位相同。當(dāng)濾波包絡(luò)為正弦函數(shù)時(shí)(比如采用單級時(shí)延干涉儀)，第i個(gè)(1 < i彡η)梳狀
濾波器的濾波響應(yīng)可表述為廠(/)= 0.5 χ [l-sin(l^)](2-a)
PSR1F2 (/) = 0.5 χ [1 -+ W 2)](2 .b)
FSR2F3 (/) = 0.5 χ [1 -+ W 2)](2.c)
PSR3FXf) = 0.5 χ [1 - sin(-^- + W 2)](2.d)
ρ SK
η其中f為光頻率(單位為Hz)，F(xiàn)SRi分別為第i個(gè)(1彡i彡η)梳狀濾波器響應(yīng)的自由頻譜區(qū)，滿足圖4及表達(dá)式(3)FSR1 = FSR2 = 2FSR3 = 22FSR4 =A= 2n_2FSRn (3) 單個(gè)光邊帶經(jīng)梳狀濾波器模塊濾波后，微波頻率信息轉(zhuǎn)換成光功率信息；在光探測模塊中，采用并聯(lián)的光探測器檢測參考臂和各梳狀濾波器的輸出光功率，然后在判決模塊中進(jìn)行對比，得到對應(yīng)于第i(l ^N)個(gè)梳狀濾波響應(yīng)的光功率比值函數(shù)氏(&)。對于方波濾波包絡(luò)濾波響應(yīng)，其光功率比值函數(shù)如圖4所示；對于正弦函數(shù)包絡(luò)濾波響應(yīng)，其
光功率比值函數(shù)氏(4)可表述為代(/)= 0.5 χ [l-sin(l)](4.a)
PSR1R2 (/) = 0.5 X [1 - sin(|^- + π!2)](4.b)
FSR2R,if) = 0.5 X [1 - Sin(|^- + W 2)](4.c)
PSR3R (/) = 0.5X [1 - Sind + W2)](4.d)其中fm為待測微波頻率(單位為Hz)。在判決模塊中，對(4. a) (4. d)式η個(gè)光功率比值函數(shù)進(jìn)行判決，從而獲得數(shù)字編碼的測頻結(jié)果測頻的數(shù)字輸出結(jié)果為循環(huán)二進(jìn)制編碼。經(jīng)過上述設(shè)計(jì)后，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)采用頻域上構(gòu)成循環(huán)二進(jìn)制碼或格雷碼組合的梳狀濾波器模塊，獲得了具有數(shù)字輸出的測頻結(jié)果，可以直接與數(shù)字信號處理軟件和模塊兼容，并便于長期存儲(chǔ)；更為重要的是，數(shù)字輸出為循環(huán)二進(jìn)制編碼(而非circular code)，極大地提高了編碼效率，實(shí)現(xiàn)了錯(cuò)誤最小化，以及在相同比特長度的輸出下，提高了測頻分辨率。


圖1.本發(fā)明方法的系統(tǒng)框圖。
圖2.方波濾波包絡(luò)時(shí)梳狀濾波器模塊的濾波響應(yīng)(n = 4)。
圖3.正弦濾波包絡(luò)時(shí)梳狀濾波器模塊的濾波響應(yīng)(n = 4)。
圖4.方波濾波包絡(luò)時(shí)獲得的光功率比值分布。
圖5.正弦濾波包絡(luò)時(shí)獲得的光功率比值分布。
圖6.方波濾波包絡(luò)時(shí)獲得的循環(huán)二進(jìn)制編碼數(shù)字輸出(n =4)。
圖7.正弦函數(shù)濾波包絡(luò)時(shí)獲得的循環(huán)二進(jìn)制編碼數(shù)字輸出(n =
圖8.方波濾波包絡(luò)時(shí)獲得的循環(huán)二進(jìn)制編碼數(shù)字輸出(n =5)。
圖9.正弦函數(shù)濾波包絡(luò)時(shí)獲得的循環(huán)二進(jìn)制編碼數(shù)字輸出(n =
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施作進(jìn)一步的描述。如圖1所示，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方案的裝置由連續(xù)激光光源10，載波抑制型單邊帶調(diào)制模塊20，光耦合器30，梳狀濾波器模塊40，參考臂50，光探測模塊60、判決模塊70構(gòu)成。從激光光源10出發(fā)，其輸出光進(jìn)入載波抑制型單邊帶調(diào)制模塊20，其功能是將待測微波信號(頻率為fm)以外調(diào)制方式加載到連續(xù)光源上，僅得到單個(gè)一階光邊帶。該模塊由載波抑制型光外調(diào)制器件(抑制光載波)、具有階越響應(yīng)的帶通或帶阻光濾波器(從兩個(gè)光邊帶中濾除一個(gè)邊帶)組成。此單個(gè)光邊帶經(jīng)過耦合器30同時(shí)注入到梳狀濾波器模塊40和參考臂50 (可以一段光纖或一個(gè)可調(diào)諧光衰器)中。梳狀濾波器模塊40由η (η為正整數(shù))個(gè)梳狀濾波器并聯(lián)構(gòu)成，形成頻域上的循環(huán)編碼組合，滿足如下特征1)第1個(gè)梳狀濾波器與第2個(gè)梳狀濾波器的濾波響應(yīng)具有相同的自由頻譜區(qū)，第2個(gè)梳狀濾波器以后第i個(gè)濾波器的自由頻譜區(qū)分別是第i_l個(gè)濾波器的自由頻譜區(qū)的一半，即FSR1 = FSR2 = 2FSR3 = 22FSR4 =A= 2n"2FSRn ；2)以連續(xù)激光光源(10)的輸出頻率為初始相位參考點(diǎn)，第1個(gè)濾波器的濾波響應(yīng)與第2個(gè)濾波器的濾波響應(yīng)的初始相位之間存在一個(gè)η /2的相對相移，其它濾波器的濾波響應(yīng)的初始相位與第2個(gè)濾波器的初始相位相同。當(dāng)梳狀濾波通帶為方波包絡(luò)時(shí)，以η = 4為例，梳狀濾波器模塊的濾波響應(yīng)如圖3所示。當(dāng)梳狀濾波通帶為正弦波包絡(luò)時(shí)，也以η = 4為例，梳狀濾波器模塊的濾波響應(yīng)如圖4和(2. a) (2. d)表達(dá)式所示。當(dāng)連續(xù)激光光源10的輸出頻率λ ^按照圖3、圖4的位置對準(zhǔn)各個(gè)梳狀濾波器的濾波相位位置時(shí)，經(jīng)梳狀濾波器模塊40濾波處理、光探測模塊60(由一系列光探測器組成) 檢測、判決模塊70 (由一系列除法器和判決器組成)的比較后，分別獲得第i(l ^ i ^n) 個(gè)濾波器對應(yīng)的與頻率相關(guān)的光功率比值函數(shù)。以η = 4為例，當(dāng)梳狀濾波通帶為方波包絡(luò)時(shí)，光功率比值如圖5所示；當(dāng)梳狀濾波通帶為正弦波包絡(luò)時(shí)，梳狀濾波器模塊的濾波響應(yīng)如圖6和(4. a) (4. d)表達(dá)式所示?；趫D5、圖6或公式(4. a) (4. d)描述的光功率比值函數(shù)，在判決模塊70中利用判決器(以0. 5為判決閾值)進(jìn)行數(shù)字編碼。其過程如下基于閾值進(jìn)行判決；光功率比值小于0. 5判決為數(shù)字“0”，光功率比值大于0. 5判決為數(shù)字“1” ；最終n個(gè)梳狀濾波器形成η比特?cái)?shù)字二進(jìn)制循環(huán)編碼。
首先，以η = 4為例對二進(jìn)制循環(huán)編碼的數(shù)字輸出加以說明。在方波包絡(luò)下數(shù)字判決編碼的過程如圖7所述，在正弦函數(shù)包絡(luò)下數(shù)字判決編碼的過程如圖8所述；它們的共性為整個(gè)無模糊測量范圍為？5札或？51 2，這個(gè)測量范圍劃分為24個(gè)頻率區(qū)間，每個(gè)頻率區(qū)間對應(yīng)的測頻輸出為4比特的循環(huán)編碼(分別為“0000、0001、0011、0010、0110、0110、0111、 0101、0100、1100、1101、1111、1110、1010、1011、1001、1000”)，對應(yīng)的測頻分辨率為 FSRi/24 或者FSR2/24，測量范圍為0 FSR115此時(shí)，4比特的循環(huán)編碼對應(yīng)的M個(gè)編碼都得到了利用(不存在空閑或無效的碼字)，因而數(shù)字輸出具有高效的編碼特性，并且測頻分辨率與 "circular code”相比得到了明顯的提高。與此同時(shí)二進(jìn)制循環(huán)編碼的數(shù)字輸出，相鄰的兩個(gè)碼字之間只有1個(gè)比特發(fā)生變化，因而在測頻編碼過程中還具有錯(cuò)誤最小化的特點(diǎn)。這里需指出的是n的取值并不局限于4，還可以選取其它正整數(shù)；η的值越大，獲得頻率測量分辨率越好。下面再以η = 5為例加以說明。在方波包絡(luò)濾波響應(yīng)和正弦函數(shù)包絡(luò)濾波響應(yīng)下，頻率測量的數(shù)字編碼輸出分別見圖8和圖9，都得到了 5比特的二進(jìn)制循環(huán)編碼(分別為 “00000、00001、00011、00010、00110、00110、00111、00101、00100、01100、 01101、01111、01110、01010、01011、01001、01000、11000、11001、11011、11010、11110、 11111、11101、11100、10100、10101、10111、10110、10011、10001、10000”)，碼字的個(gè)數(shù)為 25， 此時(shí)的測頻分辨率提高為FSRi/25或者FSR2/25，測量范圍為0 FSRp綜合以上陳述，本發(fā)明具有如下特征。1).采用具有頻域上二進(jìn)制循環(huán)編碼組合的梳狀濾波器實(shí)施光子技術(shù)型微波測頻，測頻結(jié)果直接為數(shù)字輸出，而且是二進(jìn)制循環(huán)編碼的數(shù)字輸出；2).本發(fā)明方法及裝置實(shí)現(xiàn)了二進(jìn)制循環(huán)編碼數(shù)字輸出，在編碼效率、錯(cuò)誤最小化、提高測頻分辨率方面優(yōu)勢明顯。以上所陳述的僅僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，在不脫離本發(fā)明方案的前提下，在實(shí)際實(shí)施中可以做出若干更改和潤色也應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種具有高效數(shù)字編碼輸出的光子型微波測頻裝置，由連續(xù)激光光源(10)，載波抑制型單邊帶調(diào)制模塊(20)，光耦合器(30)，梳狀濾波器模塊(40)，參考臂(50)，光探測模塊 (60)、判決模塊(70)構(gòu)成；所述梳狀濾波器模塊GO)由η個(gè)梳狀濾波器并聯(lián)構(gòu)成，形成頻域上的循環(huán)二進(jìn)制編碼組合，并滿足1)第1梳狀濾波器與第2梳狀濾波器的濾波響應(yīng)具有相同的自由頻譜區(qū)，第2梳狀濾波器以后第i個(gè)濾波器的自由頻譜區(qū)分別是第i_l個(gè)濾波器的自由頻譜區(qū)的一半，即FSIi1 = FSR2 = 2FSR3 = 22FSR4 =A= 2n^FSRn ；2)以連續(xù)激光光源(10)的輸出頻率為初始相位參考點(diǎn)，第1濾波器的濾波響應(yīng)與第2濾波器的濾波響應(yīng)的初始相位之間存在一個(gè)η /2的相對相移，其它濾波器的濾波響應(yīng)的初始相位與第2濾波器的初始相位相同。
2.一種具有高效數(shù)字編碼輸出的光子型微波測頻方法，在權(quán)利要求一所述的裝置的基礎(chǔ)上采用如下的步驟獲得數(shù)字編碼輸出的微波頻率表示待測微波信號經(jīng)載波抑制型單邊帶調(diào)制模塊(20)，以外調(diào)制方式加載到連續(xù)激光光源(10)上，僅得到單個(gè)一階光邊帶；此單個(gè)光邊帶經(jīng)過耦合器(30)同時(shí)注入到梳狀濾波器模塊GO)和參考臂(50)中，然后經(jīng)光探測模塊(60)、判決模塊(70)后獲得循環(huán)二進(jìn)制編碼的η比特?cái)?shù)字測頻結(jié)果，有效碼字個(gè)數(shù)為2η。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有高效數(shù)字編碼輸出的光子型微波測頻方法和裝置。待測微波信號經(jīng)載波抑制型單邊帶調(diào)制模塊加載到連續(xù)激光光源上，生成單個(gè)光邊帶；所述光邊帶經(jīng)光耦合器分光后輸入梳狀濾波器模塊中；該濾波模塊包含n個(gè)并行的梳狀濾波器，它們?yōu)V波響應(yīng)的自由頻譜區(qū)和相對相移量構(gòu)成循環(huán)二進(jìn)制編碼組合；對n個(gè)梳狀濾波器及參考臂的輸出光功率進(jìn)行檢測、對比和判決后，獲得n比特循環(huán)二進(jìn)制編碼的數(shù)字測頻輸出。本發(fā)明在實(shí)現(xiàn)具有數(shù)字輸出的光子型微波頻率測量的基礎(chǔ)上，大為改善了數(shù)字編碼的效率，具有錯(cuò)誤最小、測頻分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H04B10/155GK102263596SQ201110188538
公開日2011年11月30日 申請日期2011年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月7日
發(fā)明者盧冰, 潘煒, 羅斌, 鄒喜華, 閆連山 申請人:西南交通大學(xué)