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基于电带通滤波器的光学超宽带信号发生器.pdf

摘要
申请专利号:

CN201210137368.3

申请日:

2012.05.04

公开号:

太阳城集团CN102694576B

公开日:

2015.01.28

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):H04B 1/7163申请日:20120504|||公开
IPC分类号: H04B1/7163(2011.01)I; H04B1/7176(2011.01)I 主分类号: H04B1/7163
申请人: 华中科技大学
发明人: 董建绩; 张新亮; 杨婷; 罗博文
地址: 430074 湖北省武汉市洪山区珞瑜路1037号
优先权:
专利代理机构: 华中科技大学专利中心 42201 代理人: 李智
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法律状态
申请(专利)号:

太阳城集团CN201210137368.3

授权太阳城集团号:

太阳城集团102694576B||||||

法律状态太阳城集团日:

太阳城集团2015.01.28|||2012.11.21|||2012.09.26

法律状态类型:

授权|||实质审查的生效|||公开

摘要

本发明公开了一种基于电带通滤波器的超宽带信号发生器,包括依次相接的码流发生器、电带通滤波器和马赫曾德尔调制器,另有激光器与马赫曾德尔调制器相接;码流发生器产生电信号,电带通滤波器对电信号滤波得到电的超宽带信号,马赫曾德尔调制器利用超宽带信号作为调制信号对激光器产生的探测光进行调制,得到并输出光学超宽带信号。本发明结构简单、成本低、容易实现,且功效高、功耗低、系统稳定。

权利要求书

1.基于电带通滤波器的超宽带信号发生器,包括依次相接的码流发生
器(1)、电带通滤波器(2)和马赫曾德尔调制器(5),另有激光器(4)
与马赫曾德尔调制器(5)相接;码流发生器(1)产生电信号,电带通滤
波器(2)对电信号滤波得到电的超宽带信号,马赫曾德尔调制器(5)利
用超宽带信号作为调制信号对激光器(4)产生的探测光进行调制,得到并
输出光学超宽带信号。
2.根据权利要求1所述的超宽带信号发生器,其特征在于,所述电带
通滤波器(2)的带宽分布在3.1~10.6GHz之间。
3.根据权利要求1所述的超宽带信号发生器,其特征在于,所述电带
通滤波器(2)与马赫曾德尔调制器(5)之间串接有功率放大器(3)。
4.根据权利要求1所述的超宽带信号发生器,其特征在于,所述码流
发生器(1)产生的电信号的3dB带宽大于10GHz。
5.根据权利要求1所述的超宽带信号发生器,其特征在于,所述马赫
曾德尔调制器(5)为电吸收调制器。

说明书

基于电带通滤波器的超宽带信号发生器

技术领域

本发明涉及一种超宽带信号发生器,特别涉及一种基于电带通滤波器
的高功效光学超宽带信号发生器。

背景技术

超宽带(UWB:Ultra-Wideband)是一种新型的无线通信技术,它通过
对具有很陡上升和下降太阳城集团的冲激脉冲进行直接调制,使信号具有GHz量
级的带宽。超宽带技术解决了困扰传统无线技术多年的有关传播方面的重
大难题,它具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、低截获能力、
系统复杂度低、能提供数厘米的定位精度等优点。有人称它为无线电领域
的一次革命性进展,认为它将成为未来短距离无线通信的主流技术。作为
室内通信用途,美国联邦通信委员会(FCC:Federal Communications 
Commission)已经将3.1~10.6GHz频带段向UWB通信开放。

UWB系统由于具有抗干扰性能强、数据传输率高、功耗低以及在短距
离无线通信中抗多径衰减等多方面的优势,近年来已经得到了人们极大的
关注。然而,由于极低的辐射功率(小于-43.3dBm/MHz),UWB信号只能
传输很短的距离(小于几十米)。一个可行的办法则是采用光纤传输UWB
技术,它利用极低损耗的光纤长距离地传输UWB信号。因此对UWB信号
的光学操纵(包括产生、传输和调制)是非常有吸引力的,因为它可以很
容易地被融入到光纤传输UWB网络中去。

光学UWB系统的关键性挑战之一是UWB射频(RF:Radio Frequency)
频谱的功率效率。根据FCC频谱模板规定,在3.1~10.6GHz频段内最大辐
射功率要低于-41.3dBm/MHz,而在全球定位系统(GPS)频段(0.91~
1.63GHz)内最大辐射功率要低于-75dBm/MHz。传统的UWB脉冲,例如
高斯脉冲的一阶导数和二阶导数(monocycle和doublet),大多数都违反标
准FCC模板在GPS频段的规定,除非其总功率被大大衰减。但降低发射功
率将会极大地降低其性能。为了获得一个无需衰减总功率的高功效的UWB
波形,大多数研究人员试图根据傅里叶变换理论来设计特定的UWB波形,
以使其RF频谱能量可以高功率效率地充分填充到标准FCC模板上。

目前最流行的方法之一是通过不同步地结合几个时域的monocycle波
形(基本单元)以获得高功效的UWB波形。如使用一个非线性的半导体光
放大器将三个不同权重的monocycle波形结合得到高功效的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)。
又如香港大学的学者采用高非线性光纤产生两个不对称的monocycle波形,
然后将其结合成一个高功效的UWB波形。也可使用两个相位调制器代替高
非线性光纤的办法(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)。这些方案都能产生很高功效的
UWB波形,但由于需要用到很多激光器和非线性光电器件使得这些系统都
非常的昂贵。而且,每一路monocycle波形的延迟太阳城集团和权重都需要精确的
调整,因此,系统对外界环境不稳定。也有较低成本的解决方案(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),通过使用一
个均衡探测器(BPD)对经调整过的doublet脉冲相加。然而,经过BPD
检测后产生的高功效脉冲实际上是一个电信号,它并不能使用光纤传输。

另外一种流行的方法则是使用一个切趾光纤布拉格光栅(FBG)在频
域设计一个高功效的形状,然后再采用频时映射技术。因为操纵频域形状
要比操纵时域形状容易的多,但是由于FBG是热敏感器件,且整个系统仍
然非常体积庞大,所以依然存在一些问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处,提供一种基于电带通滤
波器的超宽带信号发生器,解决现有UWB系统功效低、结构复杂、成本高
以及不稳定的问题。

基于电带通滤波器的超宽带信号发生器,包括依次相接的码流发生器
1、电带通滤波器2和马赫曾德尔调制器5,另有激光器4与马赫曾德尔调
制器5相接;码流发生器1产生电信号,电带通滤波器2对电信号滤波得
到电的超宽带信号,马赫曾德尔调制器5利用超宽带信号作为调制信号对
激光器4产生的探测光进行调制,得到并输出光学超宽带信号。

进一步地,所述电带通滤波器2与马赫曾德尔调制器5之间串接有功
率放大器3。

进一步地,所述电带通滤波器2的通频带为3.1~10.6GHz。

进一步地,所述码流发生器1产生的电信号的3dB带宽大于10GHz。

进一步地,所述马赫曾德尔调制器5为电吸收调制器。

所述基于电带通滤波器的超宽带信号发生器的工作原理如下:首先码
流发生器1产生一个带宽足够大(一般产生的电信号的3dB带宽大于
10GHz)的任意波形的电信号,然后将其通过电带通滤波器2,电带通滤波
器2的通频带为3.1~10.6GHz,用来提取输入脉冲的电谱。因此,输出的
电信号将是一个高功效的UWB电信号,因为其频谱正好完全符合FCC的
标准:3.1~10.6GHz频率段被保留,其它的频率成分被完全消除。激光器4
产生的探测光被马赫曾德尔调制器5调制后产生UWB光信号,实现电信号
到光信号的转换以适合光纤传输。调节加载在马赫曾德尔调制器5上的直
流偏置电压使其工作在线性传输区时,马赫曾德尔调制器5将会输出高功
效的光学UWB信号。通过改变直流偏置电压可使马赫曾德尔调制器5工作
在正的或负的线性传输区,从而能产生一对极性相反的UWB信号。

本发明的技术效果体现在:

1.本发明使用的电带通滤波器的通频带为3.1~10.6GHz,最后产生的
光学UWB信号的频谱正好完全符合FCC的标准:3.1~10.6GHz频率段被
保留,而其它的频率成分被完全消除,因此本发明具有很高的功率效率。

2.本发明只用到了一个激光器,只有一个光载波,因此产生的光学
UWB信号在用单模光纤(SMF)传输时,有好的光纤色散容忍上限,能传
输10km以上。

3.本发明能产生双极性的UWB波形,能被用作二进制相移键控
(BPSK)调制,改善信噪比。

4.本发明仅包含了一个激光器,一个电带通滤波器以及一个强度调制
器,因此结构简单、成本低、容易实现,且功耗低、系统稳定。

附图说明

图1为本发明一种实施例的结构示意图;

图2为模拟的当改变输入高斯脉冲脉宽时输出的UWB信号的波形和电
谱的变化示意图,其中2(a)~2(c)分别为当高斯脉冲脉宽为5ps时的输
入高斯脉冲波形、电带通滤波器2的输出波形和电带通滤波器2的输出频
谱,2(d)~2(f)分别为当高斯脉冲脉宽为50ps时的输入高斯脉冲波形、
电带通滤波器2的输出波形和电带通滤波器2的输出频谱;

图3为模拟得到的功率效率随高斯脉冲脉宽变化的曲线图;

图4为模拟得到的UWB信号持续太阳城集团随电带通滤波器的带宽变化的曲
线图;

图5为使用的两个电带通滤波器样品的频率响应图;

图6为使用通频带为3.1~10.6GHz的电带通滤波器,高斯脉冲脉宽分
别为25ps和50ps时得到的UWB信号的波形图及电谱图,其中6(a)和6
(b)为当高斯脉冲脉宽为50ps时,得到的极性相反的光学UWB脉冲,6
(e)和6(f)为其相应的电谱,6(c)和6(d)为当高斯脉冲脉宽为25ps
时,得到的极性相反的光学UWB脉冲,6(g)和6(h)为其相应的电谱;

图7为测得的经10km长单模光纤传输后的UWB信号的图和电谱图,
其中7(a)和7(b)为测得的经10km长单模光纤6传输后的UWB信号,
7(c)和7(d)则为传输前后相应的电谱;

图8为使用通频带为8~10GHz的电带通滤波器时得到的UWB信号的
波形图和电谱图,其中8(a)和8(c)为测得的使用8~10GHz的电带通滤
波器时得到的极性相反的UWB波形,8(b)和8(d)分别为其相应的电
谱。

具体实施方式

图1给出了本发明一种实施例的结构示意图。激光器4输出波长为
1560nm的探测光,注入到带宽为40GHz的马赫曾德尔调制器5中。码流
发生器1产生一个高斯脉冲,其后接一个电带通滤波器2和一个电的功率
放大器3,分别对高斯脉冲进行滤波和放大。经滤波和放大后得到的UWB
电信号驱动马赫曾德尔调制器5,对探测光进行调制以产生一个高功效的光
学UWB波形。UWB信号经10km长的单模光纤6传输后由光电探测器7
接收并由一个电频谱分析仪8(Anritsu MS2668C)或者直接使用数字通信
分析仪9(Agilent DCA86100C)测量。

1、本发明的理论模拟分析如下:

假设码流发生器1产生一个高斯形的电脉冲,表示为g(t)。假设电带通
滤波器2的频率响应函数为H(f)=u(f-flow)-u(f-fup),其中u表示单位阶跃
函数,flow和fup分别表示电带通滤波器2的起始频率和截止频率。根据傅里
叶逆变换,电带通滤波器2的脉冲响应可表示为h(t)=fBWsinc(fBWt)cos(2πf0t),
其中fRW和f0分别表示电带通滤波器2的带宽和中心频率。因此,电带通滤
波器2输出的时域波形是高斯脉冲输入与电带通滤波器2脉冲响应的卷积,
表示为

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

公式(1)描述了电带通滤波器2产生的UWB电信号的特点。如果输
入的高斯脉冲是一个超短脉冲(小于10ps),则具有宽频谱,从而g(t)可以
看作是一个单位冲击函数δ(t)。因此输出波形就仅取决于sinc函数和余弦函
数的乘积。若fBW=7.5GHz,f0=6.85GHz,即意味着电带通滤波器2涵盖了
3.1GHz至10.6GHz的频段。

如图2所示,针对图1所示实例,模拟了当改变输入高斯脉冲脉宽时
输出的UWB电信号的波形和频谱的变化,其中(a)~(c)分别为当高斯
脉冲脉宽为5ps时的输入高斯脉冲波形、电带通滤波器2的输出波形和电带
通滤波器2的输出频谱。从图2(c)中可以看出,输出频谱几乎为一个矩
形,为高功效的UWB频谱。图2(d)~(f)分别为当高斯脉冲脉宽为50ps
时的输入高斯脉冲波形、电带通滤波器2的输出波形和电带通滤波器2的
输出频谱。从图中可以看出,当高斯脉冲脉宽为50ps时,输出频谱在高频
率急剧下降,功率效率很低,且输出波形也展宽了许多。这是因为50ps的
高斯脉冲具有较窄的带宽。而且g(t)和h(t)的卷积也使得输出波形变化平滑。
因此高斯脉冲的脉宽同时影响了电带通滤波器2的输出的频域特性和时域
特性。

光谱功率效率定义为脉冲在理想频段(3.1~10.6GHz)的平均功
率与FCC模板在同频段可接受的总功率的比值,表示为


其中flow=3.1GHz,fup=10.6GHz,PFCC(f)为FCC模板的频谱密度,Y(f)为UWB
脉冲的功率谱密度。根据公式(2),以高斯脉冲脉宽为函数计算了产生的
UWB信号的功率效率,如图3所示。功率效率随脉宽的增加而急剧下降。
如果将功率效率大于50%的定义为高功效的UWB信号,则在本发明中高
斯脉冲的脉宽应小于30ps。从图中可以看出,UWB信号的持续太阳城集团随高斯
脉冲脉宽的增大而增大。模拟得到monocycle和doublet的功率效率分别为
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%的方案也已经被报道了。然而,假如
高斯脉冲脉宽为5ps,使用本发明方案能使功效高达97%。

图4给出了电带通滤波器2的带宽与产生的UWB信号的持续太阳城集团的关
系,其中电带通滤波器2的中心频率固定为6.85GHz,高斯脉冲脉宽固定为
25ps。从中可以看出,UWB信号的持续太阳城集团随电带通滤波器2的带宽的增
加而减小。这可以用公式(1)解释,当电带通滤波器2的带宽增加时,公
式(1)中的sinc函数的时域包络变窄,因此,UWB的持续太阳城集团下降。所
以,为了以高比特率传输UWB信号,需要较大带宽的电带通滤波器。

2、本发明具体实施得到的结果如下:

在图1所示实例实施的过程中先后使用了两个不同通频带的电带通滤
波器,其中一个的通频带为3.1~10.6GHz,另一个的通频带为8~10GHz,
它们频率响应如图5所示。通频带为8~10GHz的电带通滤波器显现出了良
好的带阻特性,其边沿频率下降速度为100dB/GHz。而通频带为
3.1~10.6GHz的电带通滤波器在低频段具有较低的边沿频率下降速度,为
22dB/GHz。而这可能在一定程度上降低输出性能。

当使用的电带通滤波器2的通频带为3.1~10.6GHz时。首先,码流发
生器1产生一个脉宽为50ps的高斯脉冲。通过调节马赫曾德尔调制器5上
的直流偏置电压,能观察到一对极性相反的光学UWB脉冲,分别如图6(a)
和(b)所示。其相应的电谱如图6(e)和(f)所示。该UWB波形的持续
太阳城集团为580ps。这些UWB波形其尾部存在一些纹波,这主要是由于电带通
滤波器2腔内的反射导致的。测得的电谱在GPS频段有些小溢出,原因主
要在于电带通滤波器2在低频段带阻的不完美。若使用一个具有较好带阻
性能的电带通滤波器2能消除在GPS频段的溢出。根据图6(e)和(f)中
计算得到的功率效率分别为27.6%和28%。将高斯脉冲的脉宽变为25ps,
得到另一对极性相反的光学UWB脉冲,分别如图6(c)和(d)所示。UWB
波形的持续太阳城集团变为550ps,在尾部也存在一些纹波。UWB波形相应的电
谱如图6(g)和(h)所示,相应的功率效率分别为57.6%和53%。由此
证明,可以通过使用窄的高斯脉冲输入能获得更高的功率效率,这也正好
与模拟得到的结论相符合。

为了探讨光学UWB信号的传输性能,将高斯脉冲的脉宽固定为25ps。
图7(a)和(b)为测得的经10km长单模光纤6传输后的UWB信号。可
以看出波形与传输前的UWB波形类似,且波形的持续太阳城集团仍为550ps。图
7(c)和(d)则为传输前后相应的高功效电谱。这证明了使用我们的方案
产生的光学UWB信号具有较大的光纤色散容忍上限。

进一步地,为了探讨电带通滤波器2的带宽对UWB波形的影响,改使
用通频带为8~10GHz的电带通滤波器2来实现在图1所示实例。图8(a)
和(c)为测得的使用8~10GHz的电带通滤波器2时得到的一对极性相反的
UWB波形。UWB波形的持续太阳城集团约为900ps,支持高达1Gb/s的比特率。
图8(b)和(d)分别为其电谱图。可以看出光谱正好完全覆盖8~10GHz
频段,与FCC模板正好符合。由于日本在2008年规定通带为7.25~10.25GHz
的UWB频带给未授权的用户使用,使用8~10GHz的电带通滤波器时的发
明实施例可用于日本的UWB应用中。

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基于 带通滤波器 光学 宽带 信号发生器
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