二次外差法范文

二次外差法范文（精选3篇）

二次外差法 第1篇

随着对ROF系统研究的发展,光学生成毫米波技术可归纳为四类:直接强度调制技术、外部强度调制技术[3,4,5]、上变频技术、光学自外差技术[6]。这些毫米波生成技术的实现方式各不相同,存在着各自的优缺点[8]。直接强度调制技术是最简单、最直接的一种调制技术,将射频信号直接调制激光器得到已调制的光信号,这种方法简化了基站的复杂程度[7]。外部强度调制技术是将射频信号通过一个外部光学调制器调制到光载波上。使用最多的外部光学调制器是Mach-Zehnder调制器(MZM)。外部强度调制技术结构简单,能工作在高频系统[3]。上变频技术是在中心站将中频信号作为副载波,先将数据信息调制在中频信号上,再用已调制的中频信号直接调制光波,上变频技术在光纤链路中传输的是中频信号,受光纤色散的影响小[6]。光学自外差技术就是利用两束不同频率光波差频,从而得到需要的射频信号。

目前已有的光学生成毫米波技术中,直接强度调制技术整个系统都存在射频信号,系统对激光器的线宽和光电检测器的响应速度都有很高的要求,不适合高频率的射频信号传输[9]、外部强度调制接收灵敏度较低[8]、光学自外差技术对光源性能要求较高,远端差频时,两束光波的非相干性及色散效应的作用,会产生很大的相位噪声[9]、上变频技术基站中需要毫米波本振源和毫米波混频器,基站设备比较复杂[9]。这些毫米波生成方式具有各自的优缺点。在二次外差的基础之上,提出一种改进的基于二次外差法八倍频产生毫米波的方案,对该方案的设计原理、产生毫米波的性能及仿真结果等进行分析,并证明了该方案的可行性及优越性。

1 八倍频毫米波生成系统

方案利用中频振荡源信号产生毫米波信号,系统结构原理如图1。CW1、CW2为两个相互独立的连续波激光器,具有相位噪声φ1、φ2。DP-MZM为双平行的马赫曾德尔调制器,调制器所对应的三个子调制单元分别置于MATP、MATP、和MITP[10],使得其工作状态为光载波抑制(OCS)调制。CI、FPG为环行器和光纤布拉格光栅,其作用是将经过OCS调制的光信号滤波分为上下两路光信号。PD为光电探测器,上下两路信号分别经由PD进行光电转换得到电信号,两路信号进行混频,得到的信号经滤波器进行滤波,得到纯净的毫米波信号。相比文献[10],在进行信号分路时,采用环行器和光纤布拉格光栅代替原方案中光交叉波分复用器,解决了文献[10]中生成的毫米波频率受光交叉波分复用器自身特性的限制,而且光纤光栅具有廉价特性,波长可灵活调节,降低了系统的成本,更容易生成预期频率的毫米波。

如图1,两个独立的激光器CW1、CW2产生光源的中心频率分别为f1、f2,相位噪声分别为φ1(t)、φ2(t),输入双平行马赫曾德尔调制器光信号可表示为

E1、E2分别为光信号的振幅,令E1=E2=E0。将双平行马赫曾德尔调制器所对应的三个子调制单元分别至于最大、最大和最小传输点,且DP-MZM上下两个子调制单元偏置电压为0,主调制单元偏置电压为Vπ(半波电压),本振源输出射频信号角频率为ωRF,m为调制系数(m=πVRF/2Vπ),调节本振源输出电信号的幅度VRF可以改变调制系数m。调制器对输入光信号Ein进行OCS调制,输出光信号为

对式(2)进行贝塞尔展开,有下式

其中,an=[jn+jn(-1)n-(-1)n-1]Jn(m)是各阶光边带幅度加权值;Jn(∙)为n阶第一类贝塞尔函数[7]。当m=π时,J2(m)、J6(m)、J10(m)的值分别为0.484、0.014 5和2.009x10-5,J6(m)、J10(m)的值相对于J2(m)比较小,可忽略不计,仅考虑J2(m)的影响,式(3)可有下式

式(4)中输出的光信号Eout有4个频率的分量,分别为f1-fRF,f1+fRF,f2-fRF,f2+fRF,w1=2πf1,w2=2πf2。将光纤布拉格光栅设置合适的中心频率和带宽,包含四个频率分量的输出光信号被滤波为两路信号,边带f1-fRF、f2+fRF为上路信号E1,边带f1+fRF,f2-fRF为下路信号E2,有下式

上下两路信号分别通过PD进行拍频,得到的电信号分别为i1(t)、i2(t),公式如下

其中,i01、i02分别为直流分量;式(7)、式(8)中上下两路电信号之间,信号频率间隔为8 wRF,具有相同的相位噪声φ2(t)-φ1(t),由于相位噪声的存在,上下两路信号都不能作为最后的毫米波信号来使用,继续对i1(t)、i2(t)两路信号进行混频,消除相位噪声的干扰,得到的电信号为

由式(9)可知,拍频后得到的电信号8 wRF分量与相位噪声无关,得到的电信号经过带通滤波器滤波,得到纯净的8 wRF频谱电信号,即通过本方案,获得了八倍频于本振信号毫米波信号,且该信号的频率只与射频信号的频率相关。

2 系统性能分析及仿真

系统中生成的毫米波信号性能受多种因素的影响,器件稳定性、激光器线宽、光纤色散、光链路延时失配等,本方案重点分析激光器线宽和光纤色散对信号的影响,并通过matlab进行仿真理论分析。虽然毫米波光子发生器能和光纤链路兼容性比较强,但是光纤色散仍是影响光子学方法产生毫米波性能的一个重要的因素。色散的影响在系统中,表现在使不同频率的光信号在光纤中具有不同的传输速率,在实际链路中不同频率分量具有不同的时间延迟,系统图1中,在马赫曾德尔干涉仪和环行器间连接单模光纤,光边带1、2、3、4到达环行器的时延分别为t1、t2、t3、t4,则经OCS调制的输出信号为

基于式(7)、式(8)、式(9)相同原理,得到的八倍频毫米波电信号为

且已知Δφ(t)是零均平稳高斯过程[12],由零均平稳高斯过程性能得知下式

可知得到的八倍频毫米波信号为

生成毫米波的功率代价为

其中,δ1、δ2为两个激光器的线宽;L、D、c分别是色散光纤的长度、色散系数和光速且,由已知光学原理,有下式

通过matlab仿真,分析光线色散、激光器线宽对毫米波功率代价的影响。参数设置如下:D为17 ps/km.nm、本振频率fRF取7.5 GHz,f1、f2分别取193.41 THz、193.45 THz,单模光纤的传输损耗忽略不计,L取四组值50 km、100 km、150 km、200 km,考虑δ1δ2相等的情况下,ΔP随着激光器线宽δ1δ2的变化曲线如图2。由图中变化曲线可知,随着激光器线宽的增大,毫米波功率代价也会提高,激光器线宽的变化会带来毫米波信号功率不同程度的衰落。

仿真分析光纤色散对毫米波功率代价ΔP的影响,考虑两个激光器线宽δ1=δ2=δ时的情况,δ取三组值50 MHz、150 MHz、250 MHz,改变光纤长度L,观察毫米波功率代价随L的变化情况。图3为毫米波功率代价受单模光纤长度的影响变化图。

如图所示,随着光纤色散(光纤长度L)的增大,生成毫米波的功率代价随之增大,同时,变化趋势受激光器线宽的影响,当激光器线宽较小时,生成毫米波功率代价的衰落程度降低。

3 仿真验证

采用Opti System 9.0软件对系统进行仿真,仿真图如图4所示。

系统仿真图中,激光器光源CW1、CW2的频率分别采用1 550.03 nm(193.41 THz)和1 549.71 nm(193.45 THz),输出功率10 d Bm,线宽10 MHz。射频本振信号的频率fRF取7.5 GHz。双平行的马赫曾德尔调制器消光比25 d Bm,半波电压4 V,MZ-a,MZ-b,MA-c的偏置电压分别取0、0、4V[10],调制系数为π。对应仿真原理图,系统各点仿真频谱结果如图5。

图5a表示经过光载波抑制调制后的信号,包含四组频率分量,分别为193.395 THz、193.425 THz、193.435 THz、193.465 THz。光纤光栅中心频率取193.43 THz,带宽16 GHz,反射率0.999,四组频率分量的光信号由光纤布拉格光栅和环行器进行滤波,将中间两边带与旁边两边带分离。滤波后,光信号分为两路,上支路信号如频谱图5b,下支路信号如频谱图如图5c。上下两个支路分别通过PD拍频,上支路得到包含70 GHz的频率分量,光谱图如图5d,下支路得到包含10 GHz的频率分量,光谱图如图5e。

上下支路分别包含相位噪声φ2-φ1,不能作为有效的毫米波光源,将上下两路混频,拍频得到的信号将相位噪声项抵消,将拍频后的信号通过频率60 GHz,带宽200 MHz的低通滤波器,得到纯净的60 GHz的毫米波,与射频本振信号7.5 GHz相比,得到了60 GHz毫米波,如图6所示。验证了本方案八倍频产生60 GHz毫米波原理的正确性。

为了进一步验证方案原理的正确性,采用非归零伪随机码对10 GHz、70 GHz、60 GHz三个频率点的信号进行强度调制(OO K键控调制),并采用200 Mbps的伪随机码去调制7.5 GHz的本振信号源,并在接收端对三个频率点分别进行相干解调。

根据系统原理中式(7)、式(8),70 GHz、10 GHz的两个频率分量的信号中都存在相位噪声φ2-φ1的影响,信号频率不稳定,不能解调出数据,而60 GHz的频率分量,参照式(9),通过拍频得到了不受相位噪声影响的纯净信号,可解调出伪随机码,在Opti System7中进行仿真验证,得到的数据图如图7~图10所示。

根据仿真数据,图8、图9为70 GHz、10 GHz频谱点处解调数据所得图形,观察图形可以发现,解调数据信号幅度、变化趋势均与200 Mbps调制信号不符,但图8、图9情况基本一致,验证了两个频率分量中具有相同的相位噪声φ2-φ1的影响。观察图10中数据信号幅度,信号变化情况与图7基本吻合,忽略由于系统不稳定等其他因素引起的信号幅度的抖动,可看出,在60 GHz处,解调出了原始的基带数据,验证了60 GHz频率点处不受相位噪声的影响,此系统中得到了较为纯净的60 GHz毫米波信号。通过仿真数据,验证了本方案基于二次外差法产生八倍频毫米波信号的正确性。

将解调出的基带信号和传输前信号相比较,得到了系统的误码率及体现系统性能的眼图,如图11所示。

当激光器线宽δ1=δ2=δ=5 MHz时,误码率为1.306 32×10-11,线宽为15 MHz时,误码率为1.331 92×10-6,线宽为25 MHz时,误码率为3.038 61×10-5,随着线宽的增大,系统的误码率明显增大,体现在眼图上,眼图也逐渐变得模糊。证实了激光器线宽对系统的影响。通过仿真解调出60 GHz的信号并得到不同线宽下系统的误码率,验证了仿真实验与理论分析的一致性。此系统能够八倍频得到60 GHz的毫米波信号,并且激光器的线宽影响着整个系统的性能,窄线宽有利于降低该系统的误码率。

4 结论

提出了一种基于二次外差法八倍频产生毫米波的方案,方案中采用相互独立的激光器光源与7.5 GHz的本振信号通过双平行的马赫增的调制器进行光载波抑制调制,得到四个频率分量的信号通过光纤布拉格光栅和环行器进行滤波,滤波后得到两组信号分别进行拍频,拍频后的两组信号具有相同的相位噪声,为了抵消相位噪声的影响,将两组信号混频,并通过低通滤波器滤波,得到了八倍频于本振源并且不受相位噪声影响的60 GHz毫米波信号。光栅和环行器的使用,增强了系统的灵活性,降低了成本。文中理论分析并仿真了激光器线宽、光纤色散(光纤长度)对生成毫米波功率代价的影响,分析了影响毫米波性能的因素。同时通过Opti System9.0软件仿真出了60 GHz的毫米波。通过调制解调10 GHz、70 GHz、60 GHz的信号,证实了八倍频60 GHz毫米波不受相位噪声的影响,验证了此方案的可行性。

摘要：随着光载无线通信(ROF)的发展,为了得到60 GHz的毫米波信号,提出了一种改进的基于二次外差法八倍频产生毫米波的方案,给出了生成毫米波系统的完整模型,理论分析了系统的可行性及激光器线宽和光纤色散对系统性能的影响。通过Opti System软件,对系统进行仿真,调制解调出60 GHz毫米波,验证了方案的正确性。并仿真得到系统的眼图,得到了激光器线宽对系统误码率的影响曲线,证实了窄激光器线宽有利于降低系统的误码率。

关键词：ROF,毫米波,二次外差法,光纤通信

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超外差收音机实习报告 第2篇

一． 超外差收音机工作原理

1.概述

超外差式收音机的特点是，它不直接放大广播信号，而是通过一个叫变频级的电路将接收的任何一个频率的广播电台信号变成一个固定中频信号(我国规定中频频率是465 KHz)，由中频放大器进行放大，然后进行检波，得到音频信号，最后通过功率放大推动扬声器工作。其优点是灵敏度高，选择性好，音质好（通频带宽），工作稳定（不容易自激），同时也有缺点，比如镜像干扰（比接收频率高两个中频的干扰信号）、假响应（变频电路的非线性）等。目前调频式或调幅式收音机，一般都采用超外差式。

2.电路的工作原理

超外差收音机原理图如图下所示。

1）输入调谐电路

输入调谐电路由双连可变电容器的CA和T 1的初级线圈Lab组成，是一并联谐振电路，T l是磁性天线线圈，从天线接收进来的高频信号，通过输入调谐电路的谐振选出需要的电台信号，电台信号频率是f=l／2πLabCA，当改变CA时，就能收到不同频率的电台信号，最低535KHz，最高1605KHz。2）变频电路

本机振荡和混频合起来称为变频电路。变频电路是以VT1为中心，它的作用是把通过输入调谐电路收到的不同频率电台信号(高频信号)变换成固定的465KHz的中频信号。因为接收到的信号强度较弱，所以VT1同时起到高频放大的作用。

3）中频放大电路

中频放大电路主要由VT2、VT3组成的两级中频放大器。第一中放电路中的VT2负载是中频变压器T4，T4的线圈和内部电容构成并联谐振电路，谐振频率是465KHz，起到再次选频的作用。第二中放电路中的VT3既起到再次放大的作用，将信号从发射级送出，由R4提供静态工作电压。

与直放式收音机相比，超外差式收音机灵敏度和选择性都提高了许多，主要原因是有了中频放大电路，它比高频信号更容易调谐和放大。

4）检波和自动增益控制电路（AGC）

中频信号经一级中频放大器充分放大后由T4耦合到检波管VT3，VT3既起放大作用，又是检波管，VT3构成三极管检波电路，这种电路检波效率高，有较强的自动增益控制(AGC)作用。

检波级的主要任务是把中频调幅信号还原成音频信号，C5起滤去残余的中频成分的作用，保留低频分量，输入到下一级。5）前置低频放大电路

检波滤波后的音频信号由电位器RP送到前置低放管VT4，经过低放可将音频信号电压放大几十到几百倍，但是音频信号经过放大后带负载能力还很差，不能直接推动扬声器工作，还需进行功率放大。旋转电位器RP，改变RP的阻值，从而可以改变VT4的基极对地的信号电压的大小，可达到控制音量的目的。6）功率放大器电路(OTL)功率放大器的任务是不仅要输出较大的电压，而且能够输出较大的电流。本电路采用无输出变压器功率放大器，可以消除输出变压器引起的失真和损耗，频率特性好，还可以减小放大器的体积和重量。

二．收音机调试及修理

1）调试前的检查

①检查三极管及其管脚是否装错，振荡变压器是否错装中频变压器，各中频变压器是否前后倒装，是否有漏装的元件。

②天线线圈初次级接入电路位置是否正确。③电路中电解电容正负极性是否有误。

④印刷线路是否有断裂、搭线，各焊点是否确实焊牢，正面元件是否相互碰触。

2）统调

①调节C2，调出焦作台，同时调B3,B4,使该台响亮而清晰。②调节C2至828Hz，调节B2，将焦作台调出。【调中频】 ③调节C2至500~600Hz，调节天线和C3,使郑州台响亮而清晰。【调低频段】 ④调节C2至1200~1300Hz，调节拉线电容，使中央台清晰而响亮，固定天线位置。【调高频段】

3）维修

①调节电压值为4.4v，采用碰触法，正常电流应为0.01~0.03A,若电流过大，则为短路，若过小，则为断路。②直流测试法，测管脚电压。③交流测试法。

三．实习心得体会

在这次组装收音机的实习中，我理解了超外差收音机的原理及相关知识。超外差收音机的引入是因为放大器的频率响应只对某一频率的信号进行放大，所以不同电台信号要想同时放大，接收有最好的效果，就引入了超外差收音机。

因为在组装收音机的时候工具有限，所以没有太多的统调过程。最后经过粗略的调试，收音机也算是能够正常工作，并收到了一些电台的信号，但只有几个电台的信号比较清楚。但最重要的是理解了超外差收音机的工作原理，对于电路中各个元件的功能有了一定的了解，相信通过这次实习我也能够做到举一反三，将收音机各部分的原理应用到其它电路中去，从而更好地理解与运用。

光学外差干涉法检测激光超声振动 第3篇

随着超精密检测技术的发展,对激光外差干涉仪的测量精度提出了更高的要求[6]。由于环境振动以及移频装置的频率漂移都会造成干涉信号的不稳定[7],系统信噪比低,且通常所使用的干涉系统中使用移频装置的驱动电信号作为参考,对系统的测量精度会有很大影响。所以本文在传统外差干涉系统的基础上进行改进,提高系统的检测性能。

1 检测原理

1.1 超声信号检测原理

实验未使用具有稳定频差的双频激光器作为光源,而是使用具有移频作用的声光调制器来完成激光器输出光频的改变。根据电磁场理论,频率分别为f0+fB和f0的1级光与0级光(频差为fB),其电场矢量可表示为

以上两式分别为两束光的电场矢量随时间t的变化情况,Es和Er为振幅,Φs0和Φr0为初始相位。

用1级光照射测试表面,0级光不做处理,干涉场中的瞬时光强为

式(3)中,第3、4、5项为光频项,由于光频变化超出光电探测器的响应范围,所以这三项的响应都为0,也即参考光路光电探测器的输出为

式(4)中,g为比例系数,Φ0为Φs0与Φr0之和。若探测表面(样品表面)有超声位移δ(t),则由于多普勒效应[7],会产生(4π/λ)δ(t)的相位移动(λ为激光波长)。所以光电探测器2输出的具有相位调制的电流信号表达式为[8]

由式(5)可知,光电探测器输出的是一个相位调制信号,样品超声位移δ(t)包含在信号相位中,所以经过解调后可以得到。

1.2 外差干涉系统组成

本文所设计的外差干涉系统如图1所示,使用DH-HN350P氦氖激光器作为光源,它是线偏振激光器,光波长为632.8 nm。激光经过声光调制器后产生频差为80 MHz的两束衍射光。两束光经过偏振分光棱镜PBS分为透射光和反射光。根据差分原理,让反射光的1级光进入棱镜BS1中,透射光的0级光经直角棱镜M1和反射镜R1也进入BS1中,两束光在此重合,经过检偏器1后发生干涉,并由光电探测器1接收作为参考光信号;另外一方面,反射光的0级光由反射镜M3直接引入BS2中,透射光1级光经过组合透镜后射在样品(铝板)上,经样品表面反射再次进入组合透镜,再由直角棱镜M2引入BS2中,此时BS2中的两束光重合,经过检偏器2后干涉,并由光电探测器2接收作为探测信号。激励激光器使用YAG脉冲激光器。

1.3 对传统方法的改进

传统外差干涉系统中,只有一路光信号,没有参考光信号,而把移频器件的驱动电信号作为参考,造成探测光信号幅值与驱动电信号幅值差别过大,甚至不在一个量级,所以对系统测量精度产生很大影响。此外,传统方法中,激光在样品(铝板)表面反射前没有使用聚焦透镜,使光斑较大,降低了样品的反射效果,最后导致0级光与1级光不能充分干涉,一方面降低了探测信号的幅度,另一方面又对系统的检测性能产生影响。

本文在传统外差干涉的基础上做如下改进:

第一,利用差分原理实现双光路,使光路中不仅有探测信号,还有参考光信号,大大缩小了参考信号与探测信号的强度差,使之处于理想范围。

第二,使用组合透镜对激光进行聚焦。将三组透镜共轴放置,前端两组透镜均为普通双凸透镜,其焦点重合。第三组透镜为Thorlabs公司生产的空气间隔消色差双合透镜,它由两个镜片组成,具有优越的球差和色差矫正功能,配合两组双凸透镜使用可将光斑大小聚焦到非常小的范围,克服了激光发散角的问题,提高干涉效率。另外,双合透镜表面镀有350~700 nm的增透膜,其基底玻璃对紫外光的透过率非常低,所以在很大程度上消除了杂散光对实验的影响,提高了测量精度。

第三,在两组光信号的干涉过程中,P光与S光均没有使用玻片来改变偏振态,而是在两束光重合之后使用检偏器来产生干涉。这样,一方面消除了使用玻片带来的线性误差[9],另一方面降低了成本,且不增加操作难度。

第四,使用精度较高的TSGMN-5型声光调制器,将信号加载到80 MHz的高频范围,有效避免环境中低频噪声的干扰。

图2为整个系统的实物图。

2 实验结果分析

将光路调整到最佳,先使用压电陶瓷模拟振动情况,图3为示波器拍频图。从图中可以看出,参考光路信号幅值为784 m V,探测光路信号幅值为648m V。探测信号幅值与传统方法的几十m V相比有了10倍左右的提升,光路改进效果比较明显,且参考光幅值与探测光幅值差别不大,保证了实验的精确度。

使用Matlab软件对压电陶瓷振动情况进行解调。图4为当压电陶瓷模拟振动频率为6 k Hz,幅值为1 V的正弦振动时的解调情况。

从图4中可以看出,解调出的振动波形失真度较小,信号主频为6 k Hz,噪声频率与主频相比非常微弱,在很大程度上抑制了噪声。

在激光激励实验中所使用的激励激光器是YAG脉冲激光器,激光脉冲能量150 m J,波长为1 064 nm,脉冲宽度为8 ns。图5为Matlab解调出的样品位移情况。从解调后的样品位移信号可以明显看出有3处回波,说明样品(铝板)内部存在缺陷,超声波经过铝板缺陷后反射回来,并由激光多普勒效应作用在探测点上。

实验得到超声频率在4.5 MHz左右。传统方法得到的激光超声,噪声信号幅度在0.2 V左右,信噪比往往小于10。本文所设计的检测系统其噪声幅度小于0.03 V,信噪比115,提升了12倍左右,且干扰震荡时间较传统方法减少很多,对位移的分辨率可达到0.03 nm。

3 结论

经过对传统外差干涉系统的改进,使用线偏振激光器并实现差分双光路,提高了系统对环境的抗干扰能力,并将两路信号强度差控制在较小范围;以空气间隔消色差双合透镜为主组成的的组合透镜将光斑大小控制在理想范围,提高了系统的测量精度。探测到的超声信号清晰明显,而且信噪比高,对于检测纳米量级的超声微位移以及后续的激光超声无损探伤都具有很重要的帮助。

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