CN101556377B - 超宽带高斯单周脉冲的光学生成装置 - Google Patents

Abstract

超宽带高斯单周脉冲的光学生成装置，涉及光纤通信领域，该装置包括：激光器(1)、高斯脉冲生成装置(2)、光分路器(3)、第一电光相位调制器(41)、第二电光相位调制器(42)、偏置电压发生器(5)、电加法器(6)、光纤时延线(7)、光合路器(8)和光电二极管(9)，利用电加法器将第二电光相位调制器的高斯调制信号进行偏置，然后通过调整高斯调制脉冲参数和光纤时延线的延时参数，得到符合美国电信联盟FCC定义的超宽带脉冲。本发明不涉及复杂且昂贵的设备，仅仅采用标准的光通信器材，利用两个电光相位调制器和一个光纤时延线，生成了超宽带高斯单周脉冲，具有很强的可调性，主要用于军用雷达、定位和通信系统中。

Description

超宽带高斯单周脉冲的光学生成装置

技术领域

本发明涉及光纤通信、超宽带脉冲生成技术，主要用于军用雷达、定位和通信系统中。

背景技术

超宽带技术UWB(Ultra-wideband)是一种无线载波通信技术，不采用正弦波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，具有传输速率高、抗多径能力强、功耗低、成本低、穿透能力强、低截获概率、与现有其他无线通信系统共享频谱等特点，主要用于军用雷达、定位和通信系统中。2002年2月，美国联邦通信委员会(FCC)批准了UWB技术用于民用，按照FCC的规定，从3.1GHz到10.6GHz之间的7.5GHz的带宽频率为UWB所使用的频率范围，规定UWB信号的10dB最小带宽500MHz，相对带宽大于20％，最大功率谱密度(PSD)限制为-41.3dBm/MHz以提高UWB信号的抗截获能力。但是功率谱密度的限制同样也缩小了UWB信号的覆盖范围，UWB-over-fiber技术能够解决这个问题，即中心站与基站之间通过光纤连接，光纤具有损耗低以及带宽大的优点，利用光纤传输UWB信号能够轻易的将UWB信号传送到数百公里之外，这项技术已经成为个人无线局域网的首选技术。

普遍应用于UWB-over-fiber技术的UWB脉冲波形有高斯单周脉冲和高斯双胶合透镜脉冲两种，分别是高斯脉冲的一次和二次积分形式，相比其他类型脉冲，高斯单周脉冲和高斯双胶合透镜脉冲具有高比特速率和抗多径效应等特性。目前光学生成高斯单周脉冲的方法有微波微分器法和应用单边带调制和光学频移键控方法等。但是这些方法都普遍存在结构复杂，成本高和可调节性能低的缺点。

发明内容

本发明提供一种结构简单，成本低且具有较强可调性能的方案，其核心器件是光纤时延线和两个电光相位调制器，分别为第一电光相位调制器和第二电光相位调制器，利用偏置电路将第二电光相位调制器的高斯调制信号进行偏置，然后通过调整高斯调制脉冲参数和光纤时延线的延时参数，得到符合美国电信联盟FCC定义的超宽带脉冲。

本发明的技术方案：

超宽带高斯单周脉冲的光学生成装置，该装置包括：激光器、高斯脉冲生成装置、光分路器、第一电光相位调制器、第二电光相位调制器、偏置电压发生器、电加法器、光纤时延线、光合路器和光电二极管。

具体连接为：

激光器输出端接光分路器输入端。

光分路器的一个输出端接第一电光相位调制器的光载波输入端，光分路器的另一个输出端接第二电光相位调制器的光载波输入端。

第一电光相位调制器的输出端接光合路器的一个光输入端，第一电光相位调制器的电信号输入端接高斯脉冲生成装置的一个电信号输出端。

第二电光相位调制器的电信号输入端接电加法器电信号输出端，光相位调制器的输出端接光纤时延线输入端。

电加法器一个信号输入端接高斯脉冲生成装置的另一个电信号输出端，电加法器另一个信号输入端接偏置电压发生器的电压输出端。

光纤时延线的输出端接光合路器的另一个光输入端，光合路器的输出端接光电二极管的光输入端。

设置第一电光相位调制器的调相系数β₁和第二电光相位调制器的调相系数β₂，满足β₁＝β₂＝β。

设置高斯脉冲生成装置的输出高斯脉冲振幅A_p和偏置电压发生器的输出偏置电压V_bias，满足A_p×β＝V_biax×β＝π/2。

设置激光器输出激光的中心频率f_c和光纤时延线的延时参数τ满足f_c×τ＝k，其中k为正整数。

由光电二极管输出信号含有高斯单周脉冲sin[β(g(t)-g(t-τ))]的成分。

超宽带高斯单周脉冲的光学生成装置，具体调节方法：高斯调制脉冲 $g\left(t\right)=A_p{e}^{-\frac{1}{2}{\left(\frac{t}{T_{\mathrm{FWHM}}}\right)}^{2N}},$ A_p为脉冲振幅，T_FWHM为半最大值全波时间40ps～80ps，N为高斯脉冲的阶数N＝1；τ为光纤时延线的延时参数20ps～80ps，按美国电信联盟定义的超宽带脉冲标准，调节高斯调制脉冲g(t)的脉冲参数和调节光纤时延线的延时参数，由光电二极管输出高斯单周脉冲sin[β(g(t)-g(t-τ))]，为符合美国电信联盟定义的超宽带高斯单周脉冲。

超宽带高斯单周脉冲的光学生成装置的工作原理：

1)根据具体连接方式，由第一电光相位调制器输出光场E₁(t)和第二电光相位调制器输出光场E₂(t)为

E₁(t)＝E_in(t)exp[j·β₂·g(t)]

E₂(t)＝E_in(t)exp[j·β₂·g(t)+j·β₂·V_bias]

其中E_in(t)为输入光波电场E_in(t)＝E_cexp(j2πf_ct)，E_c为光波电场的振幅，f_c为光波中心频率，V_bias为偏置电压，g(t)为调制高斯调制脉冲，表达式为

$g\left(t\right)=A_p{e}^{-\frac{1}{2}{\left(\frac{t}{T_{\mathrm{FWHM}}}\right)}^{2N}}$

其中A_p为高斯脉冲幅度，T_FWHM为半最大全波时间，N为高斯脉冲阶数。

2)设置第一电光相位调制器的调相系数β₁和第二电光相位调制器的调相系数β₂，满足β₁＝β₂＝β，通过光纤时延线的光场可以表示为

E(t)＝E₁(t)+E₂(t-τ)

利用光电二级管的平方率检波特性，得到光电流为

$i\left(t\right)=R{\left|E\left(t\right)\right|}^2={\mathrm{RE}}_c^2\{1+\cos [\mathrm{\β}(g\left(t\right)-g(t-\mathrm{\τ}))-\mathrm{\β}{V}_{\mathrm{bias}}+2\mathrm{\π}{f}_c\mathrm{\τ}\left]\right\}$

3)设置高斯脉冲生成装置的输出高斯脉冲振幅A_p和偏置电压发生器的输出偏置电压V_bias，满足A_p×β＝A_bias×β＝π/2，设置激光器输出激光的中心频率f_c和光纤时延线的延时参数τ满足f_c×τ＝k，其中k为正整数，光电流可以表示为

$i\left(t\right)={\mathrm{RE}}_c^2\{1+\sin [\frac{\mathrm{\π}}{2}(e^{-\frac{1}{2}{\left(\frac{t}{T_{\mathrm{FWHM}}}\right)}^{2N}}-e^{-\frac{1}{2}{\left(\frac{t-\mathrm{\τ}}{T_{\mathrm{FWHM}}}\right)}^{2N}})\left]\right\}$

调节由高斯脉冲生成装置产生的高斯脉冲g(t)的参数和调节光纤时延线的延时参数τ，使光电流表示的脉冲为符合由美国电信联盟定义的UWB高斯单周脉冲信号。

本发明的有益效果具体如下：

本发明不涉及复杂且昂贵的设备，仅仅采用标准的光通信器材，利用两个电光相位调制器和一个光纤时延线，生成了超宽带高斯单周脉冲，具有很强的可调性，是一种经济适用的光学生成超宽带脉冲装置。

附图说明

图1超宽带高斯单周脉冲的光学生成装置原理示意图。

图2高斯单周脉冲波形变化示意图。

图3高斯单周脉冲频谱变化示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

超宽带高斯单周脉冲的光学生成装置，见图1，其特征在于：该装置包括：激光器1、高斯脉冲生成装置2、光分路器3、第一电光相位调制器41、第二电光相位调制器42、偏置电压发生器5、电加法器6、光纤时延线7、光合路器8和光电二极管9；具体连接为：

激光器1输出端接光分路器3输入端；

光分路器3的一个输出端接第一电光相位调制器41的光载波输入端，光分路器3的另一个输出端接第二电光相位调制器42的光载波输入端；

第一电光相位调制器41的输出端接光合路器8的一个光输入端，第一电光相位调制器41的电信号输入端接高斯脉冲生成装置2的一个电信号输出端；

第二电光相位调制器42的电信号输入端接电加法器6电信号输出端，光相位调制器42的输出端接光纤时延线7输入端；

电加法器6一个信号输入端接高斯脉冲生成装置2的另一个电信号输出端，电加法器6另一个信号输入端接偏置电压发生器5的电压输出端；

光纤时延线7的输出端接光合路器8的另一个光输入端，光合路器8的输出端接光电二极管9的光输入端；

设置第一电光相位调制器41的调相系数β₁和第二电光相位调制器42的调相系数β₂，满足β₁＝β₂＝β；

设置高斯脉冲生成装置2的输出高斯脉冲振幅A_p和偏置电压发生器5的输出偏置电压V_bias，满足A_p×β＝V_bias×β＝π/2；

设置激光器1输出激光的中心频率f_c和光纤时延线7的延时参数τ满足f_c×τ＝k，其中k为正整数；

由光电二极管9输出信号含有高斯单周脉冲sin[β(g(t)-g(t-τ))]的成分；

按美国电信联盟定义的超宽带脉冲标准，调节高斯调制脉冲g(t)的脉冲参数和调节光纤时延线7的延时参数，由光电二极管9输出高斯单周脉冲sin[β(g(t)-g(t-τ))]，为符合美国电信联盟定义的超宽带高斯单周脉冲。

所采用的器件均为市售产品。

超宽带高斯单周脉冲的光学生成装置的调节方法：

一、由高斯脉冲生成装置2产生的高斯调制脉冲 $g\left(t\right)=A_p{e}^{-\frac{1}{2}{\left(\frac{t}{T_{\mathrm{FWHM}}}\right)}^{2N}},$ 脉冲振幅A_p＝1，半最大值全波时间T_FWHN＝40ps，高斯脉冲的阶数N＝1，相位调制器的调相系数β＝π/2，偏置电压V_bias＝11，光纤时延线7的延时参数τ＝20ps，由光电二极管9输出信号中sin[β(g(t)-g(t-τ))]信号脉冲为高斯单周脉冲，波形示意图911如图2所示，频域示意图921如图3所示，超宽带高斯单周脉冲10dB带宽为7.88GHz，相对带宽165％，符合美国电信联盟对超宽带脉冲的定义。

二、由高斯脉冲生成装置2产生的高斯调制脉冲 $g\left(t\right)=A_p{e}^{-\frac{1}{2}{\left(\frac{t}{T_{\mathrm{FWHM}}}\right)}^{2N}},$ 脉冲振幅A_p＝1，半最大值全波时间T_FWHN＝50ps，高斯脉冲的阶数N＝1，相位调制器的调相系数β＝π/2，偏置电压V_bias＝1，光纤时延线7的延时参数τ＝35ps，由光电二极管9输出信号中sin[β(g(t)-g(t-τ))]信号脉冲为高斯单周脉冲，波形示意图912如图2所示，频域示意图922如图3所示，超宽带高斯单周脉冲10dB带宽为6.05GHz，相对带宽172％，符合美国电信联盟对超宽带脉冲的定义。

三、由高斯脉冲生成装置2产生的高斯调制脉冲 $g\left(t\right)=A_p{e}^{-\frac{1}{2}{\left(\frac{t}{T_{\mathrm{FWHM}}}\right)}^{2N}},$ 脉冲振幅A_p＝1，半最大值全波时间T_FWHN＝60ps，高斯脉冲的阶数N＝1，相位调制器的调相系数β＝π/2，偏置电压V_bias＝1，光纤时延线7的延时参数τ＝45ps，由光电二极管9输出信号中sin[β(g(t)-g(t-τ))]信号脉冲为高斯单周脉冲，波形示意图913如图2所示，频域示意图923如图3所示，超宽带高斯单周脉冲10dB带宽为5.23GHz，相对带宽164％，符合美国电信联盟对超宽带脉冲的定义。

四、由高斯脉冲生成装置2产生的高斯调制脉冲 $g\left(t\right)=A_p{e}^{-\frac{1}{2}{\left(\frac{t}{T_{\mathrm{FWHM}}}\right)}^{2N}},$ 脉冲振幅A_p＝1，半最大值全波时间T_FWHN＝70ps，高斯脉冲的阶数N＝1，相位调制器的调相系数β＝π/2，偏置电压V_bias＝1，光纤时延线7的延时参数τ＝60ps，由光电二极管9输出信号中sin[β(g(t)-g(t-τ))]信号脉冲为高斯单周脉冲，波形示意图914如图2所示，频域示意图924如图3所示，超宽带高斯单周脉冲10dB带宽为4.66GHz，相对带宽174％，符合美国电信联盟对超宽带脉冲的定义。

五、由高斯脉冲生成装置2产生的高斯调制脉冲 $g\left(t\right)=A_p{e}^{-\frac{1}{2}{\left(\frac{t}{T_{\mathrm{FWHM}}}\right)}^{2N}},$ 脉冲振幅A_p＝1，半最大值全波时间T_FWHN＝80ps，高斯脉冲的阶数N＝1，相位调制器的调相系数β＝π/2，偏置电压V_bias＝1，光纤时延线7的延时参数τ＝80ps，由光电二极管9输出信号中sin[β(g(t)-g(t-τ))]信号脉冲为高斯单周脉冲，波形示意图915如图2所示，频域示意图925如图3所示，超宽带高斯单周脉冲10dB带宽为4.24GHz，相对带宽177％，符合美国电信联盟对超宽带脉冲的定义。

Claims (1)

1.超宽带高斯单周脉冲的光学生成装置，其特征在于，该装置包括：激光器(1)、高斯脉冲生成装置(2)、光分路器(3)、第一电光相位调制器(41)、第二电光相位调制器(42)、偏置电压发生器(5)、电加法器(6)、光纤时延线(7)、光合路器(8)和光电二极管(9)；具体连接为：

激光器(1)输出端接光分路器(3)输入端；

光分路器(3)的一个输出端接第一电光相位调制器(41)的光载波输入端，光分路器(3)的另一个输出端接第二电光相位调制器(42)的光载波输入端；

第一电光相位调制器(41)的输出端接光合路器(8)的一个光输入端，第一电光相位调制器(41)的电信号输入端接高斯脉冲生成装置(2)的一个电信号输出端；

第二电光相位调制器(42)的电信号输入端接电加法器(6)电信号输出端，光相位调制器(42)的输出端接光纤时延线(7)输入端；

电加法器(6)一个信号输入端接高斯脉冲生成装置(2)的另一个电信号输出端，电加法器(6)另一个信号输入端接偏置电压发生器(5)的电压输出端；

光纤时延线(7)的输出端接光合路器(8)的另一个光输入端，光合路器(8)的输出端接光电二极管(9)的光输入端；

设置第一电光相位调制器(41)的调相系数β₁和第二电光相位调制器(42)的调相系数β₂，满足β₁＝β₂＝β；

设置高斯脉冲生成装置(2)的输出高斯脉冲振幅A_p和偏置电压发生器(5)的输出偏置电压V_bias，满足A_p×β＝V_bias×β＝π/2；

设置激光器(1)输出激光的中心频率f_c和光纤时延线(7)的延时参数τ满足f_c×τ＝k，其中k为正整数；

由光电二极管(9)输出信号含有高斯单周脉冲sin[β(g(t)-g(t-τ))]的成分；

高斯脉冲A_p为脉冲振幅，T_FWHM为半最大值全波时间40ps～80ps，N为高斯脉冲的阶数N＝1；τ为光纤时延线(7)的延时参数20ps～80ps；

按美国电信联盟定义的超宽带脉冲标准，调节高斯脉冲g(t)的脉冲参数和调节光纤时延线(7)的延时参数，由光电二极管(9)输出高斯单周脉冲sin[β(g(t)-g(t-τ))]，为符合美国电信联盟定义的超宽带高斯单周脉冲。

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