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基于電帶通濾波器的光學超寬帶信號發生器.pdf

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基于 帶通濾波器 光學 寬帶 信號發生器
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摘要
申請專利號:

CN201210137368.3

申請日:

2012.05.04

公開號:

CN102694576B

公開日:

2015.01.28

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):H04B 1/7163申請日:20120504|||公開
IPC分類號: H04B1/7163(2011.01)I; H04B1/7176(2011.01)I 主分類號: H04B1/7163
申請人: 華中科技大學
發明人: 董建績; 張新亮; 楊婷; 羅博文
地址: 430074 湖北省武漢市洪山區珞瑜路1037號
優先權:
專利代理機構: 華中科技大學專利中心 42201 代理人: 李智
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201210137368.3

授權公告號:

102694576B||||||

法律狀態公告日:

2015.01.28|||2012.11.21|||2012.09.26

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種基于電帶通濾波器的超寬帶信號發生器,包括依次相接的碼流發生器、電帶通濾波器和馬赫曾德爾調制器,另有激光器與馬赫曾德爾調制器相接;碼流發生器產生電信號,電帶通濾波器對電信號濾波得到電的超寬帶信號,馬赫曾德爾調制器利用超寬帶信號作為調制信號對激光器產生的探測光進行調制,得到并輸出光學超寬帶信號。本發明結構簡單、成本低、容易實現,且功效高、功耗低、系統穩定。

權利要求書

1.基于電帶通濾波器的超寬帶信號發生器,包括依次相接的碼流發生
器(1)、電帶通濾波器(2)和馬赫曾德爾調制器(5),另有激光器(4)
與馬赫曾德爾調制器(5)相接;碼流發生器(1)產生電信號,電帶通濾
波器(2)對電信號濾波得到電的超寬帶信號,馬赫曾德爾調制器(5)利
用超寬帶信號作為調制信號對激光器(4)產生的探測光進行調制,得到并
輸出光學超寬帶信號。
2.根據權利要求1所述的超寬帶信號發生器,其特征在于,所述電帶
通濾波器(2)的帶寬分布在3.1~10.6GHz之間。
3.根據權利要求1所述的超寬帶信號發生器,其特征在于,所述電帶
通濾波器(2)與馬赫曾德爾調制器(5)之間串接有功率放大器(3)。
4.根據權利要求1所述的超寬帶信號發生器,其特征在于,所述碼流
發生器(1)產生的電信號的3dB帶寬大于10GHz。
5.根據權利要求1所述的超寬帶信號發生器,其特征在于,所述馬赫
曾德爾調制器(5)為電吸收調制器。

說明書

基于電帶通濾波器的超寬帶信號發生器

技術領域

本發明涉及一種超寬帶信號發生器,特別涉及一種基于電帶通濾波器
的高功效光學超寬帶信號發生器。

背景技術

超寬帶(UWB:Ultra-Wideband)是一種新型的無線通信技術,它通過
對具有很陡上升和下降時間的沖激脈沖進行直接調制,使信號具有GHz量
級的帶寬。超寬帶技術解決了困擾傳統無線技術多年的有關傳播方面的重
大難題,它具有對信道衰落不敏感、發射信號功率譜密度低、低截獲能力、
系統復雜度低、能提供數厘米的定位精度等優點。有人稱它為無線電領域
的一次革命性進展,認為它將成為未來短距離無線通信的主流技術。作為
室內通信用途,美國聯邦通信委員會(FCC:Federal?Communications?
Commission)已經將3.1~10.6GHz頻帶段向UWB通信開放。

UWB系統由于具有抗干擾性能強、數據傳輸率高、功耗低以及在短距
離無線通信中抗多徑衰減等多方面的優勢,近年來已經得到了人們極大的
關注。然而,由于極低的輻射功率(小于-43.3dBm/MHz),UWB信號只能
傳輸很短的距離(小于幾十米)。一個可行的辦法則是采用光纖傳輸UWB
技術,它利用極低損耗的光纖長距離地傳輸UWB信號。因此對UWB信號
的光學操縱(包括產生、傳輸和調制)是非常有吸引力的,因為它可以很
容易地被融入到光纖傳輸UWB網絡中去。

光學UWB系統的關鍵性挑戰之一是UWB射頻(RF:Radio?Frequency)
頻譜的功率效率。根據FCC頻譜模板規定,在3.1~10.6GHz頻段內最大輻
射功率要低于-41.3dBm/MHz,而在全球定位系統(GPS)頻段(0.91~
1.63GHz)內最大輻射功率要低于-75dBm/MHz。傳統的UWB脈沖,例如
高斯脈沖的一階導數和二階導數(monocycle和doublet),大多數都違反標
準FCC模板在GPS頻段的規定,除非其總功率被大大衰減。但降低發射功
率將會極大地降低其性能。為了獲得一個無需衰減總功率的高功效的UWB
波形,大多數研究人員試圖根據傅里葉變換理論來設計特定的UWB波形,
以使其RF頻譜能量可以高功率效率地充分填充到標準FCC模板上。

目前最流行的方法之一是通過不同步地結合幾個時域的monocycle波
形(基本單元)以獲得高功效的UWB波形。如使用一個非線性的半導體光
放大器將三個不同權重的monocycle波形結合得到高功效的UWB波形(J.
Dong,B.Luo,D.Huang,and?X.Zhang,“Photonic?Generation?of?
Power-Efficient?FCC-Compliant?Ultra-wideband?Waveforms?using?SOAs:
Theoretical?Analysis?and?Experiment?Verifications,”Chinese?physics?B,2012)。
又如香港大學的學者采用高非線性光纖產生兩個不對稱的monocycle波形,
然后將其結合成一個高功效的UWB波形。也可使用兩個相位調制器代替高
非線性光纖的辦法(P.Li,H.Chen,M.Chen,and?S.Xie,“A?power-efficient?
photonic?OOK?and?BPSK?modulated?Gigabit/s?IR-UWB?over?fiber?system,”in?
Asia-Pacific,MWP/APMP,254-257,2011)。這些方案都能產生很高功效的
UWB波形,但由于需要用到很多激光器和非線性光電器件使得這些系統都
非常的昂貴。而且,每一路monocycle波形的延遲時間和權重都需要精確的
調整,因此,系統對外界環境不穩定。也有較低成本的解決方案(S.T.Abraha,
C.M.Okonkwo,E.Tangdiongga,and?A.M.J.Koonen,″Power-efficient?
impulse?radio?ultrawideband?pulse?generator?based?on?the?linear?sum?of?
modified?doublet?pulses,″Opt.Lett.,vol?36,pp.2363-2365,2011),通過使用一
個均衡探測器(BPD)對經調整過的doublet脈沖相加。然而,經過BPD
檢測后產生的高功效脈沖實際上是一個電信號,它并不能使用光纖傳輸。

另外一種流行的方法則是使用一個切趾光纖布拉格光柵(FBG)在頻
域設計一個高功效的形狀,然后再采用頻時映射技術。因為操縱頻域形狀
要比操縱時域形狀容易的多,但是由于FBG是熱敏感器件,且整個系統仍
然非常體積龐大,所以依然存在一些問題。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足之處,提供一種基于電帶通濾
波器的超寬帶信號發生器,解決現有UWB系統功效低、結構復雜、成本高
以及不穩定的問題。

基于電帶通濾波器的超寬帶信號發生器,包括依次相接的碼流發生器
1、電帶通濾波器2和馬赫曾德爾調制器5,另有激光器4與馬赫曾德爾調
制器5相接;碼流發生器1產生電信號,電帶通濾波器2對電信號濾波得
到電的超寬帶信號,馬赫曾德爾調制器5利用超寬帶信號作為調制信號對
激光器4產生的探測光進行調制,得到并輸出光學超寬帶信號。

進一步地,所述電帶通濾波器2與馬赫曾德爾調制器5之間串接有功
率放大器3。

進一步地,所述電帶通濾波器2的通頻帶為3.1~10.6GHz。

進一步地,所述碼流發生器1產生的電信號的3dB帶寬大于10GHz。

進一步地,所述馬赫曾德爾調制器5為電吸收調制器。

所述基于電帶通濾波器的超寬帶信號發生器的工作原理如下:首先碼
流發生器1產生一個帶寬足夠大(一般產生的電信號的3dB帶寬大于
10GHz)的任意波形的電信號,然后將其通過電帶通濾波器2,電帶通濾波
器2的通頻帶為3.1~10.6GHz,用來提取輸入脈沖的電譜。因此,輸出的
電信號將是一個高功效的UWB電信號,因為其頻譜正好完全符合FCC的
標準:3.1~10.6GHz頻率段被保留,其它的頻率成分被完全消除。激光器4
產生的探測光被馬赫曾德爾調制器5調制后產生UWB光信號,實現電信號
到光信號的轉換以適合光纖傳輸。調節加載在馬赫曾德爾調制器5上的直
流偏置電壓使其工作在線性傳輸區時,馬赫曾德爾調制器5將會輸出高功
效的光學UWB信號。通過改變直流偏置電壓可使馬赫曾德爾調制器5工作
在正的或負的線性傳輸區,從而能產生一對極性相反的UWB信號。

本發明的技術效果體現在:

1.本發明使用的電帶通濾波器的通頻帶為3.1~10.6GHz,最后產生的
光學UWB信號的頻譜正好完全符合FCC的標準:3.1~10.6GHz頻率段被
保留,而其它的頻率成分被完全消除,因此本發明具有很高的功率效率。

2.本發明只用到了一個激光器,只有一個光載波,因此產生的光學
UWB信號在用單模光纖(SMF)傳輸時,有好的光纖色散容忍上限,能傳
輸10km以上。

3.本發明能產生雙極性的UWB波形,能被用作二進制相移鍵控
(BPSK)調制,改善信噪比。

4.本發明僅包含了一個激光器,一個電帶通濾波器以及一個強度調制
器,因此結構簡單、成本低、容易實現,且功耗低、系統穩定。

附圖說明

圖1為本發明一種實施例的結構示意圖;

圖2為模擬的當改變輸入高斯脈沖脈寬時輸出的UWB信號的波形和電
譜的變化示意圖,其中2(a)~2(c)分別為當高斯脈沖脈寬為5ps時的輸
入高斯脈沖波形、電帶通濾波器2的輸出波形和電帶通濾波器2的輸出頻
譜,2(d)~2(f)分別為當高斯脈沖脈寬為50ps時的輸入高斯脈沖波形、
電帶通濾波器2的輸出波形和電帶通濾波器2的輸出頻譜;

圖3為模擬得到的功率效率隨高斯脈沖脈寬變化的曲線圖;

圖4為模擬得到的UWB信號持續時間隨電帶通濾波器的帶寬變化的曲
線圖;

圖5為使用的兩個電帶通濾波器樣品的頻率響應圖;

圖6為使用通頻帶為3.1~10.6GHz的電帶通濾波器,高斯脈沖脈寬分
別為25ps和50ps時得到的UWB信號的波形圖及電譜圖,其中6(a)和6
(b)為當高斯脈沖脈寬為50ps時,得到的極性相反的光學UWB脈沖,6
(e)和6(f)為其相應的電譜,6(c)和6(d)為當高斯脈沖脈寬為25ps
時,得到的極性相反的光學UWB脈沖,6(g)和6(h)為其相應的電譜;

圖7為測得的經10km長單模光纖傳輸后的UWB信號的圖和電譜圖,
其中7(a)和7(b)為測得的經10km長單模光纖6傳輸后的UWB信號,
7(c)和7(d)則為傳輸前后相應的電譜;

圖8為使用通頻帶為8~10GHz的電帶通濾波器時得到的UWB信號的
波形圖和電譜圖,其中8(a)和8(c)為測得的使用8~10GHz的電帶通濾
波器時得到的極性相反的UWB波形,8(b)和8(d)分別為其相應的電
譜。

具體實施方式

圖1給出了本發明一種實施例的結構示意圖。激光器4輸出波長為
1560nm的探測光,注入到帶寬為40GHz的馬赫曾德爾調制器5中。碼流
發生器1產生一個高斯脈沖,其后接一個電帶通濾波器2和一個電的功率
放大器3,分別對高斯脈沖進行濾波和放大。經濾波和放大后得到的UWB
電信號驅動馬赫曾德爾調制器5,對探測光進行調制以產生一個高功效的光
學UWB波形。UWB信號經10km長的單模光纖6傳輸后由光電探測器7
接收并由一個電頻譜分析儀8(Anritsu?MS2668C)或者直接使用數字通信
分析儀9(Agilent?DCA86100C)測量。

1、本發明的理論模擬分析如下:

假設碼流發生器1產生一個高斯形的電脈沖,表示為g(t)。假設電帶通
濾波器2的頻率響應函數為H(f)=u(f-flow)-u(f-fup),其中u表示單位階躍
函數,flow和fup分別表示電帶通濾波器2的起始頻率和截止頻率。根據傅里
葉逆變換,電帶通濾波器2的脈沖響應可表示為h(t)=fBWsinc(fBWt)cos(2πf0t),
其中fRW和f0分別表示電帶通濾波器2的帶寬和中心頻率。因此,電帶通濾
波器2輸出的時域波形是高斯脈沖輸入與電帶通濾波器2脈沖響應的卷積,
表示為

Eout(t)=g(t)*[fBWsinc(fBWt)cos(2πf0t)]??(1)

公式(1)描述了電帶通濾波器2產生的UWB電信號的特點。如果輸
入的高斯脈沖是一個超短脈沖(小于10ps),則具有寬頻譜,從而g(t)可以
看作是一個單位沖擊函數δ(t)。因此輸出波形就僅取決于sinc函數和余弦函
數的乘積。若fBW=7.5GHz,f0=6.85GHz,即意味著電帶通濾波器2涵蓋了
3.1GHz至10.6GHz的頻段。

如圖2所示,針對圖1所示實例,模擬了當改變輸入高斯脈沖脈寬時
輸出的UWB電信號的波形和頻譜的變化,其中(a)~(c)分別為當高斯
脈沖脈寬為5ps時的輸入高斯脈沖波形、電帶通濾波器2的輸出波形和電帶
通濾波器2的輸出頻譜。從圖2(c)中可以看出,輸出頻譜幾乎為一個矩
形,為高功效的UWB頻譜。圖2(d)~(f)分別為當高斯脈沖脈寬為50ps
時的輸入高斯脈沖波形、電帶通濾波器2的輸出波形和電帶通濾波器2的
輸出頻譜。從圖中可以看出,當高斯脈沖脈寬為50ps時,輸出頻譜在高頻
率急劇下降,功率效率很低,且輸出波形也展寬了許多。這是因為50ps的
高斯脈沖具有較窄的帶寬。而且g(t)和h(t)的卷積也使得輸出波形變化平滑。
因此高斯脈沖的脈寬同時影響了電帶通濾波器2的輸出的頻域特性和時域
特性。

光譜功率效率定義為脈沖在理想頻段(3.1~10.6GHz)的平均功
率與FCC模板在同頻段可接受的總功率的比值,表示為


其中flow=3.1GHz,fup=10.6GHz,PFCC(f)為FCC模板的頻譜密度,Y(f)為UWB
脈沖的功率譜密度。根據公式(2),以高斯脈沖脈寬為函數計算了產生的
UWB信號的功率效率,如圖3所示。功率效率隨脈寬的增加而急劇下降。
如果將功率效率大于50%的定義為高功效的UWB信號,則在本發明中高
斯脈沖的脈寬應小于30ps。從圖中可以看出,UWB信號的持續時間隨高斯
脈沖脈寬的增大而增大。模擬得到monocycle和doublet的功率效率分別為
0.12%和1.38%(M.Abtahi,M.Dastmalchi,S.LaRochelle,and?L.A.Rusch,
“Generation?of?Arbitrary?UWB?Waveforms?by?Spectral?Pulse?Shaping?and?
Thermally-Controlled?Apodized?FBGs,”J.Lightwave?Technol.vol.27,pp.5276
-5283,2009),高功效如63.6%和57%的方案也已經被報道了。然而,假如
高斯脈沖脈寬為5ps,使用本發明方案能使功效高達97%。

圖4給出了電帶通濾波器2的帶寬與產生的UWB信號的持續時間的關
系,其中電帶通濾波器2的中心頻率固定為6.85GHz,高斯脈沖脈寬固定為
25ps。從中可以看出,UWB信號的持續時間隨電帶通濾波器2的帶寬的增
加而減小。這可以用公式(1)解釋,當電帶通濾波器2的帶寬增加時,公
式(1)中的sinc函數的時域包絡變窄,因此,UWB的持續時間下降。所
以,為了以高比特率傳輸UWB信號,需要較大帶寬的電帶通濾波器。

2、本發明具體實施得到的結果如下:

在圖1所示實例實施的過程中先后使用了兩個不同通頻帶的電帶通濾
波器,其中一個的通頻帶為3.1~10.6GHz,另一個的通頻帶為8~10GHz,
它們頻率響應如圖5所示。通頻帶為8~10GHz的電帶通濾波器顯現出了良
好的帶阻特性,其邊沿頻率下降速度為100dB/GHz。而通頻帶為
3.1~10.6GHz的電帶通濾波器在低頻段具有較低的邊沿頻率下降速度,為
22dB/GHz。而這可能在一定程度上降低輸出性能。

當使用的電帶通濾波器2的通頻帶為3.1~10.6GHz時。首先,碼流發
生器1產生一個脈寬為50ps的高斯脈沖。通過調節馬赫曾德爾調制器5上
的直流偏置電壓,能觀察到一對極性相反的光學UWB脈沖,分別如圖6(a)
和(b)所示。其相應的電譜如圖6(e)和(f)所示。該UWB波形的持續
時間為580ps。這些UWB波形其尾部存在一些紋波,這主要是由于電帶通
濾波器2腔內的反射導致的。測得的電譜在GPS頻段有些小溢出,原因主
要在于電帶通濾波器2在低頻段帶阻的不完美。若使用一個具有較好帶阻
性能的電帶通濾波器2能消除在GPS頻段的溢出。根據圖6(e)和(f)中
計算得到的功率效率分別為27.6%和28%。將高斯脈沖的脈寬變為25ps,
得到另一對極性相反的光學UWB脈沖,分別如圖6(c)和(d)所示。UWB
波形的持續時間變為550ps,在尾部也存在一些紋波。UWB波形相應的電
譜如圖6(g)和(h)所示,相應的功率效率分別為57.6%和53%。由此
證明,可以通過使用窄的高斯脈沖輸入能獲得更高的功率效率,這也正好
與模擬得到的結論相符合。

為了探討光學UWB信號的傳輸性能,將高斯脈沖的脈寬固定為25ps。
圖7(a)和(b)為測得的經10km長單模光纖6傳輸后的UWB信號。可
以看出波形與傳輸前的UWB波形類似,且波形的持續時間仍為550ps。圖
7(c)和(d)則為傳輸前后相應的高功效電譜。這證明了使用我們的方案
產生的光學UWB信號具有較大的光纖色散容忍上限。

進一步地,為了探討電帶通濾波器2的帶寬對UWB波形的影響,改使
用通頻帶為8~10GHz的電帶通濾波器2來實現在圖1所示實例。圖8(a)
和(c)為測得的使用8~10GHz的電帶通濾波器2時得到的一對極性相反的
UWB波形。UWB波形的持續時間約為900ps,支持高達1Gb/s的比特率。
圖8(b)和(d)分別為其電譜圖。可以看出光譜正好完全覆蓋8~10GHz
頻段,與FCC模板正好符合。由于日本在2008年規定通帶為7.25~10.25GHz
的UWB頻帶給未授權的用戶使用,使用8~10GHz的電帶通濾波器時的發
明實施例可用于日本的UWB應用中。

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