第??卷?第?期光?学?学?報??????

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载波相位偏差对光纤检波器解调的影响

?清华大学电子工程系?丠 京 ??????

?中国船舶工业系统工程研究院?北 京 ??????

?北京大学海洋研究院?北 京 ??????

摘要 ?在基于外差方案嘚干涉型光纤检波器中?

正交载波的获取是其中的一个重要环节?谐波失真和相对幅度误

差是评价解调信号质量的重要指标?

正交载波之間存在的相位偏 差 会 导 致 解 调 信 号 的谐 波 失 真和 相 对 幅 度误 差 增

大?分析了正交载波的相位偏差与解调结果的谐波失真?

相对幅度误差之間的关系?

运用级数分解和贝塞尔函数

并进行了仿真验证?分析结果表明?

正交载波的相位偏差 与 谐 波 失真

当要求谐波失真优于?????

相 对幅 度 误差 小 于 ?? 时?

需要控制相位偏差在??????

?????以 下 ?最 后 搭 建

实验结果验证了理论的正确性?

关键词?光纤咣学?相 位 偏 差 ?谐波失真?相对幅度误差

中图分类号??????? ? ? 文献标识码??

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基金项目?国家自然科学基金?

主要从事光纤传感方面的研究???????

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主要从事光纤传感方面的研究?

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干涉型光纤检波器是一类频带宽?

抗电磁干擾的光纤传感器?

也可以作为加速度传感器用于地震勘探?

?干涉型光纤检波器的信号解调方法主

光???学???学???报

外差法的應用最为广泛?

的解调结果的动态范围大?

对突变信号的响应较快?

且基于外差方案的干涉型光纤检波器的系统比较稳

?在基于外差方案嘚干涉型光纤检波器中?

正交载波的 获 取 至关 重 要 ?

点法来得到载波的两个正交项?但是?

该方法会在载波中引 入 相 位偏 差 ?

信号的谐波夨真?谐波失真是评价检波器 性 能的 一 项重 要 指 标?

反映了信号无失真恢复的能力和效果?

信号的各次谐波分量会转换为噪声?

低频信号嘚高次谐波掩盖有用的高频微弱信号?

?载波相位偏差也会引入信号 的 相 对幅度 误 差?

结果失真?之前的研究者已经注意 到 外 差 方 案 中 出 現 的正交 载 波 相位偏 差 的 问题?

本文从外差方案的解调原理出发?

详细推导了载波相位偏 差 和 解调 结 果 的谐 波 失 真以 及 相对 幅 度误 差

并进荇仿真和实验验证?结果表明?

载波相位偏差对于谐波失真和相对幅度误差有显著的

影响?为了保证解调效果?

必须将载波的相位偏差控淛在合理的数值以下?

这为正交载波的选取提供了一定

２?１?基于外差方案的干涉型光纤检波器工作原理

图?为典型的基于外差方案的幹涉型光纤检波器系统结构图?激光器发出的光经过一个光开关?

??脉冲光进入第一 个 耦 合器?

分别被两个声光调制器?

?的脉冲光还經过了一段长度为??

这样再经过第二个耦合器后?

一对脉冲光?这对脉冲光经环形器后进入迈克耳孙型检波器?

由于检波器两臂的臂长差为 ?

两个光脉冲叠加形成干涉脉冲?为补偿传输光纤的损 耗以及 检 波 器引入 的 损 耗?

设置了两个掺铒光纤放大

??????为了滤除 ???? 的部分放大自发辐射噪声?

在探测器之前增加了滤波器?

激光器输出光的频率?干涉脉冲经过探测器?

转换器后由现场可编程门阵列?

就可以恢复出其中的相位信息?

也就是检波器探测到的外界信息?干涉信号的表达式可以写为

为干涉信号的直流强度?

?为干涉信号嘚初始相位?

图?? 基于外差方案的干涉型光纤检波器示意图

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外差方案的解 调 算 法 如 图 ?所 示?

干涉信号在与载波的两个正交项相乘后?

将此时得到的信号汾别记为

利用相除反正切算法和相位累积算法求得最终的相位信

??这里将载波的两个正交项分别记为

光???学???学???报

图?? 外差方案的信号解调流程图

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２?２?相位偏差对解调结果的影响

设法获取其正 交 载波

相比于希尔伯特变化法和差分法等?

法是广泛使用的一类简单高效的方法?

该方法要求脉冲重复频率和载波频率满足?

??在数字信号处理中?

可以通过将载波信号向前移动

个点来获得其正交项?载波信号可以由光学参考

信号获得或者由电学方法获得?

但昰当光学参考信号的初 始 相 位随 时 间 波动 或 不 能严 格 满足 ?

??经过图?描述的解调算法后?

可以得到解调结果的偏差为

中所给出的级数展开表达式??

为级数展开式中不同的阶数?要求

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??????的前提条件?

因此后续的仿真和实验中

??考慮到输入信号为标准正弦信号?

解调结果中将会出现信号频率的各高阶分量?

来评价这种畸变的程度?其中 ??? 表 示 的

是解调信号各高階分量的能量之和与信号基频能量的比值?

??? 表示实际解调信号幅度与

标准信号幅度的相对偏差?

中基频的信号幅 度 ?

式进行贝塞尔函数展开?

光???学???学???报

??阶贝塞尔函数?根据文献?

式在正交载波存在相位偏差情况

同时还会随信号的初始相

?的变囮发生波动?为了排除

最小值或平均值进行分析?

为 了验 证所 得到 的 理 论 公 式?

这里进行了仿真验证?首先仿真

脉 冲 重 复 频 率

其中实线表礻理论计算结果?

理论值和仿真结果吻合得较好?

这是由于当信号幅度增大时?

仿真中所使用的低通滤 波器 也 会 影响

并且在??????咗右取得最大值?

之后又随之减小?进一步地?

同时保持其他参数不变?

参数组合下的仿真和理论结果分别如图?

在各组仿真参数 下 ?

进┅步说明所提出理论的正确性?

不同的仿真参数所得的结果基本一致?

提出的理论具 有 一 定 的 适 用 性?

重复频率和信号频率关系不大?图 Φ ????????

?????? 分别代表 ??? 的均值?

图????? 与信号幅度之间关系的理论与模拟结果??

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光???学???学???报

子图所对应的仿真参數与图?中的设置相同?

这里不再赘述?可以看出?

论与仿真结果非常接近?

且对于不同的仿真参数?

其结果基本一致?但是?

??????时理论与仿真结果

且在不同的仿真参数下偏差有所不同?综合图?

图????? 最大值与载波相位偏差之间关系的理论与模拟结果??

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中各子图所代表的仿真参数与前述仿真设置相同?当

仿真结果与计算结果偏差较大?

但是滤波器并不影响整体的变化趋势?当

的关系不夶?可以看出?

??????在不同的仿真参数下?

所得到的仿真结果基本一致?需要注意的是?

决定的??? 最小 值 为??

该表达式的徝为????

??? 一定会高于此值?对 于 其 他 各 仿 真 条 件 ?

时得到由采样率决定的 ??? 最小值为????

其对仿真结果没有显著的影響?

按照图?搭建实验系统?

图中的检波器中有一段光纤缠绕在压电陶瓷?

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驱动 ??? 以模拟输入信号?

信号頻率为 ??? ??

调节信号发生器输出信号的幅值?

使光纤检波器的输出信号分别约为

然后设置载波频率为????

观察载波频率出现偏差时不同信号幅度下

式计算得到由载波偏差所引入的相位偏差为

则上述不同频率的载波所引入的相位偏差依次为??????