專利名稱：任意波形超寬帶脈沖產(chǎn)生方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電子技術(shù)和光纖通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種在光載超寬帶(UWB)系 統(tǒng)、脈沖雷達系統(tǒng)以及光纖無線通信系統(tǒng)中的任意波形超寬帶脈沖產(chǎn)生的方法。
背景技術(shù)：
從二十世紀(jì)70年代起，超寬帶(Ultra Wide Band, UffB)技術(shù)被廣泛用于雷達、 傳感和軍用通訊之中。隨著2002年美國聯(lián)邦通信委員會(Federal Communications Commission, FCC)規(guī)定UWB技術(shù)可以被用于民用通信之中，UffB的系統(tǒng)可以接入并共享 3. 1 10. 6GHz之間總共7. 5GHz的帶寬，這項技術(shù)引起了廣泛的關(guān)注。目前，在頻域內(nèi)產(chǎn) 生的UWB脈沖信號一般相對帶寬較窄，效率不高，為了提高UWB脈沖的頻譜利用率，就需要 合理設(shè)計UWB脈沖的波形。但是，具有高頻譜利用率的UWB脈沖持續(xù)時間很短，脈沖波形也 較為復(fù)雜，由于微波電子器件對高頻信號的處理能力有限，利用現(xiàn)有技術(shù)在頻域內(nèi)產(chǎn)生任 意波形的UWB脈沖面臨很多技術(shù)困難和瓶頸。光載微波(Radio over Fiber, R0F)傳輸技 術(shù)是近年來發(fā)展起來的利用光學(xué)處理方法以及光纖來產(chǎn)生和傳輸微波信號的一種光纖無 線融合技術(shù)。ROF技術(shù)利用了光纖傳輸?shù)拇髮拵Ш偷蛽p耗特性，大大改善了微波傳輸信道。 同時光學(xué)處理器件也具有大帶寬的特性，可以實現(xiàn)傳統(tǒng)微波器件無法實現(xiàn)的超寬帶微波信 號處理功能?；诖?，光載超寬帶系統(tǒng)(UWB over fiber)的想法也應(yīng)運而生，并且成為未 來寬帶無線接入網(wǎng)絡(luò)的基本設(shè)想。UffB脈沖的產(chǎn)生是光載UWB系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，而任意波形UWB脈沖的產(chǎn)生使得脈沖 生成更加靈活，脈沖形狀可控并且能產(chǎn)生更加符合美國聯(lián)邦通信委員會頻譜規(guī)范的UWB脈 沖，從而提高頻譜利用率。近期國際上有一些研究機構(gòu)開展了應(yīng)用于UWB系統(tǒng)的脈沖的光 學(xué)產(chǎn)生方法，這種方法具有很寬的工作帶寬，波形容易調(diào)節(jié)并且易于在光纖中傳輸，可方便 的與光纖系統(tǒng)融合。因此，這種方法為未來光載超寬帶應(yīng)用的一項技術(shù)基礎(chǔ)，有著廣泛的應(yīng) 用前景。目前，產(chǎn)生任意波形UWB脈沖的方法主要使用了光纖光柵、高非線性光纖或空間光 調(diào)制器，利用頻譜整形和色散延遲或脈沖疊加的方法實現(xiàn)，但是采用該方法產(chǎn)生的UWB脈 沖控制復(fù)雜不夠靈活，不易同時對其進行編碼和調(diào)制。由于美國聯(lián)邦通信委員會對于UWB室內(nèi)、室外輻射功率作了嚴(yán)格的限制，而UWB發(fā) 射信號的頻譜和單個脈沖波形有著直接的關(guān)系，因此UWB脈沖波形既要符合FCC規(guī)定的頻 譜掩蔽規(guī)則同時又要有較高的頻譜利用率。基于Parks-McClellan算法的UWB脈沖設(shè)計方 法中，利用超寬帶單周期脈沖延時疊加，得到UWB脈沖。其中，超寬帶單周期脈沖的中心頻 譜為6. 85GHz，脈沖之間的延遲時間為35. 7ps，利用65個這樣的單周期脈沖疊加得到的UWB 脈沖時域波形如圖1所示，其功率譜密度分布如圖2所示。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何產(chǎn)生任意波形的UWB脈沖，使得所生成的UWB脈沖波形既符合美國聯(lián)邦通信委員會規(guī)定的頻譜掩蔽規(guī)則又有高的頻譜利用率。( 二 )技術(shù)方案為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種任意波形超寬帶脈沖產(chǎn)生方法，其包括 以下步驟Sl 在頻域中利用任意波形發(fā)生器，產(chǎn)生寬帶時域脈沖信號；S2 利用步驟Sl中所述任意波形發(fā)生器的兩路輸出口分別產(chǎn)生所述寬帶時域脈 沖信號的正幅度部分和負(fù)幅度部分；S3:將所述寬帶時域脈沖信號的正幅度部分和負(fù)幅度部分分別調(diào)制為光脈沖信 號；S4 利用時域透鏡系統(tǒng)對所述兩路光脈沖信號壓縮；S5:將壓縮后的兩路光脈沖信號中的其中一路經(jīng)光學(xué)延遲后與另一路光脈沖信號 同時經(jīng)差分光電探測器檢測，獲得壓縮后的頻域上的超寬帶脈沖信號。其中，所述步驟S3中利用馬赫曾德調(diào)制器將所述寬帶時域脈沖信號的正幅度部 分和負(fù)幅度部分分別調(diào)制為光脈沖信號。其中，所述時域透鏡系統(tǒng)包括相位調(diào)制器和色散元件。其中，所述步驟S5中利用可調(diào)諧光學(xué)延遲線對所述其中一路光脈沖信號進行光 學(xué)延遲。其中，所述步驟S4中對所述兩路光脈沖信號壓縮時，在所述相位調(diào)制器上加上調(diào) 制電壓信號，所述調(diào)制電壓信號的周期特性為exp(jx) = exp[j (x+2n Ji)]，η = 0，士 1，士2· · ·用于對所述光脈沖信號提供平方相移。其中，所述色散元件為標(biāo)準(zhǔn)單模光纖。其中，所述加在相位調(diào)制器上的調(diào)制電壓信號和所述色散標(biāo)準(zhǔn)單模光纖長度根據(jù) 所述光脈沖信號壓縮比進行調(diào)整。(三)有益效果上述技術(shù)方案利用時域透鏡系統(tǒng)的壓縮特性，將頻域上產(chǎn)生的較寬脈沖壓縮為時 域較窄的脈沖，同時保持波形不發(fā)生畸變或只有很小的畸變。利用時域透鏡壓縮系統(tǒng)可以 非常靈活和方便的產(chǎn)生任意波形的窄脈沖信號，有效的克服了在頻域內(nèi)產(chǎn)生較窄的脈沖所 遇到的技術(shù)困難，并且有利于和光纖通信技術(shù)相融合，可以作為光學(xué)任意波形發(fā)生器的一 種實現(xiàn)方案，將會在未來的通信系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)以及傳感技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。


圖1是本發(fā)明中UWB脈沖時域波形圖；圖2是本發(fā)明中UWB脈沖的頻譜密度示意圖；圖3是本發(fā)明中時域透鏡壓縮系統(tǒng)原理圖；圖4是本發(fā)明中時域透鏡相位調(diào)制器驅(qū)動電壓信號示意圖；圖5是本發(fā)明中UWB脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖6是本發(fā)明中輸入時域透鏡壓縮系統(tǒng)的光脈沖信號；圖7是本發(fā)明中調(diào)制電壓信號隨時間的變化曲線；
圖8是本發(fā)明中壓縮后的光脈沖信號；圖9是本發(fā)明中經(jīng)過差分檢測產(chǎn)生的UWB脈沖信號；圖10是本發(fā)明中UWB脈沖信號的功率譜密度示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步詳細(xì)描述。以下實施 例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。如果在頻域內(nèi)直接產(chǎn)生背景技術(shù)中所述時域短脈沖信號，由于受到帶寬的限制將 會遇到許多技術(shù)困難，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度和實現(xiàn)成本。為了克服電子瓶頸的限制，提高信 號帶寬的處理能力，在頻域內(nèi)利用任意波形發(fā)生器(Arbitrary Waveform Generator,AffG) 產(chǎn)生與背景技術(shù)中所述UWB脈沖波形類似的較寬時域脈沖，然后利用光學(xué)的方法將其壓 縮，同時為了減小光脈沖在壓縮時產(chǎn)生的畸變，我們利用任意波形發(fā)生器分別產(chǎn)生UWB脈 沖波形的正幅度部分和負(fù)幅度部分，利用馬赫曾德調(diào)制器(MZM)將電信號調(diào)制到光上，經(jīng) 過時域透鏡系統(tǒng)后將光脈沖壓縮，時域透鏡的壓縮原理與一般意義上的光脈沖壓縮原理基 本一樣，光信號通過相位調(diào)制器后相位獲得一定的啁啾，然后經(jīng)過具有負(fù)色散的單模光纖 后，相當(dāng)于有一個啁啾補償?shù)倪^程，因此光脈沖包絡(luò)由于不同頻率分量在光纖中傳播的速 度不同，當(dāng)光脈沖包絡(luò)的后沿傳輸速度比前沿傳輸速度高時，就會產(chǎn)生壓縮的效果，壓縮后 正脈沖或負(fù)脈沖經(jīng)過可調(diào)諧光學(xué)延遲線后與另外一路光脈沖疊加，利用差分光電探測器檢 測后得到我們所需要的UWB脈沖，本發(fā)明方法中利用了平衡探測的方法，同時檢測到的兩 路光電流信號相減，即得到最終所需要的信息。時域透鏡壓縮系統(tǒng)原理如圖3所示。參照圖3，假設(shè)圖3中輸入的任意光脈沖波形為Ain(t)，時域透鏡(Time lens)所
加的相位調(diào)制信號為(其中，Φ “ fS時域透鏡引入的群延遲色散)，時域透鏡后的色散
元件(該色散元件為群速度色散，Group Velocity Dispersion,GVD)所引入的群延遲色散 為Φ" ”則經(jīng)時域透鏡壓縮系統(tǒng)后脈沖的表達式為Aout(t) = Ain(t) · H(t)*G(t)(1)其中，H(t)為時域透鏡的系統(tǒng)傳輸函數(shù)，G(t)為色散元件的系統(tǒng)傳輸函數(shù)，表達 式分別為 將式⑵和(3)代入式(1)中可得 其中，F(xiàn){. . . }表示函數(shù)的傅里葉變換，令
· F
-]α(ω-ω) ,
oc Γ Ai (co)-e 2 ω
J-OO
(5)
'JCtCO2
-jaco
oce丁「4 (份')義 2 ej咖ωdo)
-j αωι
2
'jaco
oceTf .Αιη(ω)·β 2 eja(oadco
其中Δ ω ‘是Ain(t) (Ain(ω ‘))頻譜的帶寬，如果其帶寬足夠窄時即 ,2
Ial-- π(6)
1 1 8
此時式(5)中積分號內(nèi)的積分項^^可以忽略，從而可得
AuXt)^ F
-Jaco1
AM-e
2φ} 2(f\
oce 2 Γ ,Ain(co)-eJ_dco
JAa
(7)
-jaco1
cce
·4 ωι,
又由式⑷可知ω=ι，代入式⑵中可得
-MjT)2 _Φι
,at、
<k
令M = l + |，￡ = M代入式(8)中可知， Φ a
(8)
Aml(t)cce
β2
(9)
因此由以上公式推導(dǎo)可知
AnAO =
1
β
2π \ φ/Φι
(10)
其中M 二 1 +1,并且當(dāng)0 < M < 1 (即-1 <予< ο時)時便可實現(xiàn)一個時域透鏡壓
Φι
￡
Φ'
6縮系統(tǒng)。通過相位調(diào)制器加到信號上的平方相移為口/，并且可知^的表達式為 當(dāng)Φ" f較小時，并且隨著信號持續(xù)時間的增加，就會需要很大的相移，從而導(dǎo)致 相位調(diào)制器需要很高的調(diào)制電壓，使實現(xiàn)較大的相移變得比較困難。為了避免采用過高的 驅(qū)動電壓，我們可以利用復(fù)指數(shù)函數(shù)的周期特性即exp(jx) = exp[j(x+2nJi)]，n = 0，士1，士2...(12)此時，相位調(diào)制器所需的驅(qū)動電壓就不會隨著時間而平方增長了，圖4中虛線表 示隨著時間平方增長的驅(qū)動電壓，實線表示提供相同相移時的驅(qū)動電壓信號，其中L表示 相位調(diào)制器的半波電壓，圖4中實線所示的驅(qū)動電壓信號可以通過AWG來產(chǎn)生。由式(10)可知，經(jīng)過時域透鏡系統(tǒng)壓縮后的光脈沖并非傅里葉變換極限脈沖，仍
然帶有一定的殘余平方相移(但是經(jīng)過光電探測器后只檢測出了光脈沖信號的強
度信息，因此并不影響我們所需要的超寬帶脈沖信號的產(chǎn)生，兩路光脈沖信號經(jīng)過差分光 電探測器檢測后即可得到頻域內(nèi)的UWB脈沖信號?；跁r域透鏡方法的任意波形UWB脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)實現(xiàn)方案如圖5所示。輸入的兩 路連續(xù)光信號，分別經(jīng)過由AWG控制的強度調(diào)制器后，調(diào)制為不同光脈沖波形，然后經(jīng)過相 位調(diào)制器(此處相位調(diào)制器的作用是為光信號添加平方相位信息，從其實現(xiàn)的功能來說， 相當(dāng)于一個時域透鏡)分別加上平方相移，兩路光脈沖信號再分別經(jīng)過一定長度的色散單 模光纖后得到壓縮，壓縮后的兩路光脈沖，其中一路經(jīng)過可調(diào)諧光延遲線后，與另外一路光 信號同時進入差分光電探測器檢測后，即可得到我們所需的UWB脈沖。圖5中輸入光源為 中心波長為1550nm的單縱模連續(xù)光激光器，MZM為馬赫曾德爾強度調(diào)制器，PM為相位調(diào)制 器，采取的色散介質(zhì)SSMF為標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，檢測方式為差分檢測。由上文中的原理分析可知，通過改變相位調(diào)制信號和色散光纖的長度可以控制時 域透鏡壓縮系統(tǒng)的壓縮比，從而產(chǎn)生符合要求的超寬帶脈沖信號。假設(shè)輸入的兩路光脈沖 信號如圖6所示，其中圖6(a)為脈沖的正幅度部分，圖6(b)為脈沖的負(fù)幅度部分，脈沖的 時域持續(xù)時間約為10ns，加到相位調(diào)制器上的調(diào)制電壓如圖7所示，利用其周期特性為光 脈沖提供了平方相移。當(dāng)M =1/4時，Φ" i/Φ" f =-3/4，此時經(jīng)過壓縮系統(tǒng)后脈沖寬度變?yōu)樵瓉淼?1/4。仿真計算時，我們設(shè)定相位調(diào)制器提供的群延遲色散(Φ “ f)為2667ps2，標(biāo)準(zhǔn)單模光 纖的長度為100km(cK β2· ，其中β2 =-20pS2/km，L為色散光纖的長度)，經(jīng)過時 域透鏡系統(tǒng)壓縮后的兩路光脈沖信號如圖8所示，其中圖8(a)為正幅度部分，圖8(b)為負(fù) 幅度部分，此時光脈沖的時域持續(xù)時間約為2. 5ns。其中一路光脈沖信號經(jīng)過大約20ps的 延時后，與另一路光脈沖同時進入差分光電探測器經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后，產(chǎn)生頻域內(nèi)的UWB脈沖 信號，其時域波形如圖9所示，頻譜密度分布如圖10所示。從圖9和圖10中可知，仿真分 析結(jié)果與理論計算結(jié)果較為吻合，所得UWB脈沖的時域波形雖然受到光纖傳輸和光電檢測 等因素的影響，產(chǎn)生了一定的畸變但是產(chǎn)生的波形基本滿足我們的要求。利用這種方法產(chǎn)生的超寬帶脈沖的中心頻率在5GHz左右，其-IOdB帶寬約為6. 5GHz，相對帶寬約為130%， 同時信號的低頻部分也得到了很好的抑制，基本滿足了 FCC的頻譜掩蔽的規(guī)則，而且具有 很高的頻譜利用率。利用時域透鏡壓縮系統(tǒng)可以非常靈活和方便的產(chǎn)生任意波形的窄脈沖 信號，有效的克服了在頻域內(nèi)產(chǎn)生較窄的脈沖所遇到的技術(shù)困難，并且有利于和光纖通信 技術(shù)相融合，可以作為光學(xué)任意波形發(fā)生器的一種技術(shù)路線，將會在未來的通信系統(tǒng)、雷達 系統(tǒng)以及傳感技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進和替換，這些改進和替換 也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
一種基于時域透鏡壓縮系統(tǒng)的任意波形超寬帶脈沖產(chǎn)生方法，其特征在于，包括以下步驟S1在頻域中利用任意波形發(fā)生器，產(chǎn)生寬帶時域脈沖信號；S2利用步驟S1中所述任意波形發(fā)生器的兩路輸出口分別產(chǎn)生所述寬帶時域脈沖信號的正幅度部分和負(fù)幅度部分；S3將所述寬帶時域脈沖信號的正幅度部分和負(fù)幅度部分分別調(diào)制為光脈沖信號；S4利用時域透鏡系統(tǒng)對所述兩路光脈沖信號壓縮；S5將壓縮后的兩路光脈沖信號中的其中一路經(jīng)光學(xué)延遲后與另一路光脈沖信號同時經(jīng)差分光電探測器檢測，獲得壓縮后的頻域上的超寬帶脈沖信號。
2.如權(quán)利要求1所述的基于時域透鏡壓縮系統(tǒng)的任意波形超寬帶脈沖產(chǎn)生方法，其特 征在于，所述步驟S3中利用馬赫曾德調(diào)制器將所述寬帶時域脈沖信號的正幅度部分和負(fù) 幅度部分分別調(diào)制為光脈沖信號。
3.如權(quán)利要求1所述的基于時域透鏡壓縮系統(tǒng)的任意波形超寬帶脈沖產(chǎn)生方法，其特 征在于，所述時域透鏡系統(tǒng)包括相位調(diào)制器和色散元件。
4.如權(quán)利要求1所述的基于時域透鏡壓縮系統(tǒng)的任意波形超寬帶脈沖產(chǎn)生方法，其特 征在于，所述步驟S5中利用可調(diào)諧光學(xué)延遲線對所述其中一路光脈沖信號進行光學(xué)延遲。
5.如權(quán)利要求3所述的基于時域透鏡壓縮系統(tǒng)的任意波形超寬帶脈沖產(chǎn)生方法，其特 征在于，所述步驟S4中對所述兩路光脈沖信號壓縮時，在所述相位調(diào)制器上加上調(diào)制電壓 信號，所述調(diào)制電壓信號的周期特性為exp (jx) = exp [ j (x+2n π)],η = 0, ±l,+2...用于對所述光脈沖信號提供平方相移。
6.如權(quán)利要求3所述的基于時域透鏡壓縮系統(tǒng)的任意波形超寬帶脈沖產(chǎn)生方法，其特 征在于，所述色散元件為標(biāo)準(zhǔn)單模光纖。
7.如權(quán)利要求5或6所述的基于時域透鏡壓縮系統(tǒng)的任意波形超寬帶脈沖產(chǎn)生方法， 其特征在于，所述加在相位調(diào)制器上的調(diào)制電壓信號和所述色散標(biāo)準(zhǔn)單模光纖長度根據(jù)所 述光脈沖信號壓縮比進行調(diào)整。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于時域透鏡壓縮系統(tǒng)的任意波形超寬帶脈沖產(chǎn)生方法，其包括以下步驟在頻域中利用任意波形發(fā)生器(AWG)產(chǎn)生寬帶時域脈沖信號；利用AWG的兩路輸出口分別產(chǎn)生寬帶時域脈沖信號的正幅度和負(fù)幅度部分；將所述正幅度和負(fù)幅度部分分別調(diào)制為光脈沖信號；利用時域透鏡系統(tǒng)對兩路光脈沖信號壓縮；將壓縮后的其中一路光脈沖信號經(jīng)光學(xué)延遲后與另一路經(jīng)差分光電探測器檢測，獲得超寬帶脈沖信號。本發(fā)明利用時域透鏡壓縮系統(tǒng)可靈活、方便的產(chǎn)生任意波形的窄脈沖信號，有效克服頻域內(nèi)產(chǎn)生較窄的脈沖所遇到的困難，并且有利于和光纖通信技術(shù)相融合，作為光學(xué)AWG的一種實現(xiàn)方案，在通信系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)以及傳感技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
文檔編號H04B1/69GK101908904SQ20101023375
公開日2010年12月8日 申請日期2010年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月19日
發(fā)明者李鵬霄, 王世光, 謝世鐘, 陳宏偉 申請人:清華大學(xué)