基于可调光纤长度的微波光子测频仿真研究.doc

基于可调光纤长度的微波光子测频仿真研究 黄春云，黄清龙 （杭州电子科技大学，浙江 杭州 310018） 摘要： 本文提出了一个使用光纤通信仿真软件Optisystem建立的基于可调光纤长度的微波光子测频仿真模型，使用该模拟仿真测量了20GHz的微波正弦信号频率，观察到接收端微波信号功率随光纤长度周期变化的现象，变化曲线和实验文献一致。在此基础上，仿真研究了微波信号频率从1GHz到20GHz变化时测频误差的变化，发现微波信号为1GHz时相对误差达到19.9%，其它频率大于5GHz的微波信号测频误差均在3%以下，通过有无光纤损耗两种情况下的仿真对比与分析，发现造成低频时测频误差大的主要原因是光纤损耗。 关健词：微波频率测量；光子学；光纤长度；Optisystem 1 引言 当前微波/毫米波技术广泛应用于日常生产生活及国防军事，比如：无线通信及空间通信、雷达及电子战等领域。随着微波技术的应用，人们提出了测量微波信号参数并进行分析的需求。现代微波信号参数测量的困难主要有两个方面，一是内容广泛，包括频率、幅度、相位、信号类型、调制制式、到达方向、到达时间等，二是测量信号的频率跨度大，测量波段从2MHz到300GHz。受制于电子技术的固有限制，人们往往要在测量的频段覆盖范围、测量实时性、测量精度及测量系统复杂度上作为一定的取舍。近年来，人们开始在微波信号测频测量领域引入新兴的微波光子学方法，利用微波光子技术瞬时带宽大、质量 轻、传输损耗小、抗电磁干扰能力强等优点，设计了多种微波光子测频方案。目前国内为主要研究的微波光子测频方案主要有微波光子扫频方案、频率-幅度映射方案、频率-空间映射方案、频率-时间映射方案、光子压缩感知方案、数字化测频方案等。各种方案又可细分，比如本文探讨的微波光子扫频方案可细分为时域扫描方案和基于光波长的扫描方案。基于光波长的扫描方案就是把微波信号调制进两种不同波长的光载波并在一段色散光纤中传播，通过改变量波长的间隔或色散值或光纤长度，经光电转换后得到多组微波功率值，通过对得到的微波功率数据进行分析处理，得到待测微波信号频率。微波光子测频方案十分丰富，本文只研究基于光波长的扫描微波光子测频方案。 Optisystem是加拿大Optiwave公司推出的一款光纤通信仿真软件，该软件在国内外被广泛应用于光通信有关的教育培训和科学研究领域。Optisystem软件具有编程简单高效、器件库丰富、数据可视化及具有外部程序接口等优点。Optisystem软件基于图形化编程，编写模拟程序时只需把各功能模块从器件库拉入程序图纸并在各模块间连好线即可。双击器件模块可以方便的浏览和修改器件参数，并可针对特定器件的参数进行参数扫描或者设定某个指标进行参数优化。Optisystmen软件提供了较丰富的器件库，库中的器件按种类存放于一级一级的树形文件夹。器件库包括观察类虚拟仪器库、发射类器件库、WDM多路复用器件库、光纤器件库、放大器组件库、滤波器器件库、无源器件库、网络类器件库、接收端器件库、信号处理器件库、工具类器件库、纤缆接入器件库、自由空间光通信器件库、EDA协同仿真组件库及两个外部软件接口库（Opitwave软件接口库和MATLAB接口库）。Optisystem软件提供了丰富的数据可视化工具，比如有观察电域信号的可视化虚拟仪器包括示波器、射频频谱仪、眼图分析仪、误码率分析仪、电功率计、星座图仪和电载波仪，有观察光域信号的可视化虚拟仪器包括光时域分析仪、光谱仪、光功率计、WDM分析仪、双端口WDM分析仪、检偏仪、偏振仪表、光强分布仪、环形通量分析仪、光域滤波器分析仪、光子全参量分析仪及差模延迟分析仪。Optisystem软件提供了两种接口模块，一种和Optiwave系列软件的接口，这些软件包括OptiAmplifier、OptiGrating、WDM Phasar Mux Nx1、WDM Phasar Demux 1xN、OptiBPM Component NxM、Save Transverse Mode，另一种和Matlab接口，使其可以借用Matlab进行数值计算和数据分析。 本文提出了一种利用Optisystem软件和Matlab软件模拟研究基于光波长的扫描微波光子测频方案的方法，模拟研究得到了和文献[4]实验一致的结果，证明我们提出的模拟研究方法是正确可行的。 2 测量原理 激光器输出波长分别为λ1和λ2的光波，经光耦合器耦合后再进入马赫-曾德尔电光调制器被频率为f的微波信号调制，调制后的光载波经过一段色散光纤，最后光电探测器解调出的电信号功率被功率计探测。由于光纤的色散作用使得两路波长不同的光载波经光纤传播后产生相位差，被解调出的两路微波信号相互干涉，如果改变光纤的长度就会改变两路光载波的相位差，进而改变解调出的信