CN101908904B - 任意波形超宽带脉冲产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时域透镜压缩系统的任意波形超宽带脉冲产生方法，其包括以下步骤：在频域中利用任意波形发生器(AWG)产生宽带时域脉冲信号；利用AWG的两路输出口分别产生宽带时域脉冲信号的正幅度和负幅度部分；将所述正幅度和负幅度部分分别调制为光脉冲信号；利用时域透镜系统对两路光脉冲信号压缩；将压缩后的其中一路光脉冲信号经光学延迟后与另一路经差分光电探测器检测，获得超宽带脉冲信号。本发明利用时域透镜压缩系统可灵活、方便的产生任意波形的窄脉冲信号，有效克服频域内产生较窄的脉冲所遇到的困难，并且有利于和光纤通信技术相融合，作为光学AWG的一种实现方案，在通信系统、雷达系统以及传感技术等科学领域发挥重要作用。

Description

任意波形超宽带脉冲产生方法

技术领域

本发明属于光电子技术和光纤通信技术领域，涉及一种在光载超宽带(UWB)系统、脉冲雷达系统以及光纤无线通信系统中的任意波形超宽带脉冲产生的方法。

背景技术

从二十世纪70年代起，超宽带(Ultra Wide Band，UWB)技术被广泛用于雷达、传感和军用通讯之中。随着2002年美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission，FCC)规定UWB技术可以被用于民用通信之中，UWB的系统可以接入并共享3.1～10.6GHz之间总共7.5GHz的带宽，这项技术引起了广泛的关注。目前，在频域内产生的UWB脉冲信号一般相对带宽较窄，效率不高，为了提高UWB脉冲的频谱利用率，就需要合理设计UWB脉冲的波形。但是，具有高频谱利用率的UWB脉冲持续时间很短，脉冲波形也较为复杂，由于微波电子器件对高频信号的处理能力有限，利用现有技术在频域内产生任意波形的UWB脉冲面临很多技术困难和瓶颈。光载微波(Radio over Fiber，ROF)传输技术是近年来发展起来的利用光学处理方法以及光纤来产生和传输微波信号的一种光纤无线融合技术。ROF技术利用了光纤传输的大宽带和低损耗特性，大大改善了微波传输信道。同时光学处理器件也具有大带宽的特性，可以实现传统微波器件无法实现的超宽带微波信号处理功能。基于此，光载超宽带系统(UWB over fiber)的想法也应运而生，并且成为未来宽带无线接入网络的基本设想。

UWB脉冲的产生是光载UWB系统的关键技术，而任意波形UWB脉冲的产生使得脉冲生成更加灵活，脉冲形状可控并且能产生更加符合美国联邦通信委员会频谱规范的UWB脉冲，从而提高频谱利用率。近期国际上有一些研究机构开展了应用于UWB系统的脉冲的光学产生方法，这种方法具有很宽的工作带宽，波形容易调节并且易于在光纤中传输，可方便的与光纤系统融合。因此，这种方法为未来光载超宽带应用的一项技术基础，有着广泛的应用前景。目前，产生任意波形UWB脉冲的方法主要使用了光纤光栅、高非线性光纤或空间光调制器，利用频谱整形和色散延迟或脉冲叠加的方法实现，但是采用该方法产生的UWB脉冲控制复杂不够灵活，不易同时对其进行编码和调制。

由于美国联邦通信委员会对于UWB室内、室外辐射功率作了严格的限制，而UWB发射信号的频谱和单个脉冲波形有着直接的关系，因此UWB脉冲波形既要符合FCC规定的频谱掩蔽规则同时又要有较高的频谱利用率。基于Parks-McClellan算法的UWB脉冲设计方法中，利用超宽带单周期脉冲延时叠加，得到UWB脉冲。其中，超宽带单周期脉冲的中心频谱为6.85GHz，脉冲之间的延迟时间为35.7ps，利用65个这样的单周期脉冲叠加得到的UWB脉冲时域波形如图1所示，其功率谱密度分布如图2所示。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何产生任意波形的UWB脉冲，使得所生成的UWB脉冲波形既符合美国联邦通信委员会规定的频谱掩蔽规则又有高的频谱利用率。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种任意波形超宽带脉冲产生方法，其包括以下步骤：

S1：在频域中利用任意波形发生器，产生宽带时域脉冲信号；

S2：利用步骤S1中所述任意波形发生器的两路输出口分别产生所述宽带时域脉冲信号的正幅度部分和负幅度部分；

S3：将所述宽带时域脉冲信号的正幅度部分和负幅度部分分别调制为光脉冲信号；

S4：利用时域透镜系统对所述两路光脉冲信号压缩；

S5：将压缩后的两路光脉冲信号中的其中一路经光学延迟后与另一路光脉冲信号同时经差分光电探测器检测，获得压缩后的频域上的超宽带脉冲信号。

其中，所述步骤S3中利用马赫曾德调制器将所述宽带时域脉冲信号的正幅度部分和负幅度部分分别调制为光脉冲信号。

其中，所述时域透镜系统包括相位调制器和色散元件。

其中，所述步骤S5中利用可调谐光学延迟线对所述其中一路光脉冲信号进行光学延迟。

其中，所述步骤S4中对所述两路光脉冲信号压缩时，在所述相位调制器上加上调制电压信号，所述调制电压信号的周期特性为：

exp(jx)＝exp[j(x+2nπ)]，n＝0，±1，±2...

用于对所述光脉冲信号提供平方相移。

其中，所述色散元件为标准单模光纤。

其中，所述加在相位调制器上的调制电压信号和所述色散标准单模光纤长度根据所述光脉冲信号压缩比进行调整。

(三)有益效果

上述技术方案利用时域透镜系统的压缩特性，将频域上产生的较宽脉冲压缩为时域较窄的脉冲，同时保持波形不发生畸变或只有很小的畸变。利用时域透镜压缩系统可以非常灵活和方便的产生任意波形的窄脉冲信号，有效的克服了在频域内产生较窄的脉冲所遇到的技术困难，并且有利于和光纤通信技术相融合，可以作为光学任意波形发生器的一种实现方案，将会在未来的通信系统、雷达系统以及传感技术等科学领域发挥重要的作用。

附图说明

图1是本发明中UWB脉冲时域波形图；

图2是本发明中UWB脉冲的频谱密度示意图；

图3是本发明中时域透镜压缩系统原理图；

图4是本发明中时域透镜相位调制器驱动电压信号示意图；

图5是本发明中UWB脉冲产生系统结构图；

图6是本发明中输入时域透镜压缩系统的光脉冲信号；

图7是本发明中调制电压信号随时间的变化曲线；

图8是本发明中压缩后的光脉冲信号；

图9是本发明中经过差分检测产生的UWB脉冲信号；

图10是本发明中UWB脉冲信号的功率谱密度示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如果在频域内直接产生背景技术中所述时域短脉冲信号，由于受到带宽的限制将会遇到许多技术困难，增加了系统的复杂度和实现成本。为了克服电子瓶颈的限制，提高信号带宽的处理能力，在频域内利用任意波形发生器(Arbitrary Waveform Generator，AWG)产生与背景技术中所述UWB脉冲波形类似的较宽时域脉冲，然后利用光学的方法将其压缩，同时为了减小光脉冲在压缩时产生的畸变，我们利用任意波形发生器分别产生UWB脉冲波形的正幅度部分和负幅度部分，利用马赫曾德调制器(MZM)将电信号调制到光上，经过时域透镜系统后将光脉冲压缩，时域透镜的压缩原理与一般意义上的光脉冲压缩原理基本一样，光信号通过相位调制器后相位获得一定的啁啾，然后经过具有负色散的单模光纤后，相当于有一个啁啾补偿的过程，因此光脉冲包络由于不同频率分量在光纤中传播的速度不同，当光脉冲包络的后沿传输速度比前沿传输速度高时，就会产生压缩的效果，压缩后正脉冲或负脉冲经过可调谐光学延迟线后与另外一路光脉冲叠加，利用差分光电探测器检测后得到我们所需要的UWB脉冲，本发明方法中利用了平衡探测的方法，同时检测到的两路光电流信号相减，即得到最终所需要的信息。时域透镜压缩系统原理如图3所示。

参照图3，假设图3中输入的任意光脉冲波形为A_in(t)，时域透镜(Time lens)所加的相位调制信号为

(其中，φ″_f为时域透镜引入的群延迟色散)，时域透镜后的色散元件(该色散元件为群速度色散，Group Velocity Dispersion，GVD)所引入的群延迟色散为φ″₁，则经时域透镜压缩系统后脉冲的表达式为：

A_out(t)＝A_in(t)·H(t)*G(t)                    (1)

其中，H(t)为时域透镜的系统传输函数，G(t)为色散元件的系统传输函数，表达式分别为：

$H\left(t\right)=e^{\frac{{\mathrm{jt}}^2}{2{\mathrm{\φ}}_f^{\′\′}}}---\left(2\right)$

$G\left(t\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\πj}{\mathrm{\φ}}_1^{\′\′}}}{e}^{\frac{{\mathrm{jt}}^2}{e^{2{\mathrm{\φ}}_1^{\′}}}}---\left(3\right)$

将式(2)和(3)代入式(1)中可得：

$A_{\mathrm{out}}\left(t\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}{A}_{\mathrm{in}}\left(\mathrm{\τ}\right)\·e^{\frac{j{\mathrm{\τ}}^2}{2{\mathrm{\φ}}_f^{\′\′}}}\·e^{\frac{j{(t-\mathrm{\τ})}^2}{2{\mathrm{\φ}}_1^{\′\′}}}$

$=e^{\frac{{\mathrm{jt}}^2}{2{\mathrm{\φ}}_1^{\′\′}}}\·{\∫}_{-\∞}^{\∞}{A}_{\mathrm{in}}\left(\mathrm{\τ}\right)\·e^{j{\mathrm{\τ}}^2/(\frac{1}{2{\mathrm{\φ}}_f^{\′\′}}+\frac{1}{2{\mathrm{\φ}}_1^{\′\′}})}\·e^{\frac{-\mathrm{jt\τ}}{{\mathrm{\φ}}_1^{\′\′}}}\mathrm{d\τ}---\left(4\right)$

$=e^{\frac{{\mathrm{jt}}^2}{2{\mathrm{\φ}}_1^{\′\′}}}\·F\{A_{\mathrm{in}}\left(\mathrm{\τ}\right)\·e^{j{\mathrm{\τ}}^2/(\frac{1}{2{\mathrm{\φ}}_f^{\′\′}}+\frac{1}{2{\mathrm{\φ}}_1^{\′\′}})}{\}}_{\mathrm{\ω}=\frac{t}{{\mathrm{\φ}}_1^{\′\′}}}$

其中，F{...}表示函数的傅里叶变换，令

可知，

$F\{A_{\mathrm{in}}\left(\mathrm{\τ}\right)\·e^{j{\mathrm{\τ}}^2/(\frac{1}{2{\mathrm{\φ}}_f^{\′\′}}+\frac{1}{2{\mathrm{\φ}}_1^{\′\′}})}\}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\·A_{\mathrm{in}}\left(\mathrm{\ω}\right)*\sqrt{2\mathrm{\πj\α}}\·e^{\frac{-\mathrm{j\α}{\mathrm{\ω}}^2}{2}}$

$\∝{\∫}_{-\∞}^{\∞}{A}_{\mathrm{in}}\left({\mathrm{\ω}}^{\′}\right)\·e^{\frac{-\mathrm{j\α}(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}^{\′})}{2}}d{\mathrm{\ω}}^{\′}---\left(5\right)$

$\∝e^{\frac{-\mathrm{j\α}{\mathrm{\ω}}^2}{2}}{\∫}_{-\∞}^{\∞}{A}_{\mathrm{in}}\left({\mathrm{\ω}}^{\′}\right)\·e^{\frac{-\mathrm{j\α}{\mathrm{\ω}}^{{\′}^2}}{2}}{e}^{\mathrm{j\α\ω}{\mathrm{\ω}}^{\′}}d{\mathrm{\ω}}^{\′}$

$\∝e^{\frac{-\mathrm{j\α}{\mathrm{\ω}}^2}{2}}{\∫}_{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ω}}^{\′}}{A}_{\mathrm{in}}\left({\mathrm{\ω}}^{\′}\right)\·e^{\frac{-\mathrm{j\α}{\mathrm{\ω}}^{{\′}^2}}{2}}{e}^{\mathrm{j\α\ω}{\mathrm{\ω}}^{\′}}d{\mathrm{\ω}}^{\′}$

其中Δω′是A_in(t)(A_in(ω′))频谱的带宽，如果其带宽足够窄时即：

$\left|\mathrm{\&alpha;}\right|\&CenterDot;\frac{\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&omega;}}^{{\&prime;}^2}}{8}<<\mathrm{\&pi;}---\left(6\right)$

此时式(5)中积分号内的积分项

可以忽略，从而可得：

$A_{\mathrm{out}}\left(t\right)\&Proportional;F\{A_{\mathrm{in}}\left(\mathrm{\&tau;}\right)\&CenterDot;e^{j{\mathrm{\&tau;}}^2/(\frac{1}{2{\mathrm{\&phi;}}_f^{\&prime;\&prime;}}+\frac{1}{2{\mathrm{\&phi;}}_1^{\&prime;\&prime;}})}\}$

$\&Proportional;e^{\frac{-\mathrm{j\&alpha;}{\mathrm{\&omega;}}^2}{2}}{\&Integral;}_{\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&omega;}}^{\&prime;}}{A}_{\mathrm{in}}\left({\mathrm{\&omega;}}^{\&prime;}\right)\&CenterDot;e^{\mathrm{j\&alpha;\&omega;}{\mathrm{\&omega;}}^{\&prime;}}d{\mathrm{\&omega;}}^{\&prime;}---\left(7\right)$

$\&Proportional;e^{\frac{-\mathrm{j\&alpha;}{\mathrm{\&omega;}}^2}{2}}\&CenterDot;A_{\mathrm{in}}\left(\mathrm{\&tau;}\right){|}_{\mathrm{\&tau;}=\mathrm{\&alpha;\&omega;}}$

又由式(4)可知

代入式(7)中可得：

$A_{\mathrm{out}}\left(t\right)\&Proportional;e^{\frac{-\mathrm{j\&alpha;}{\left(\frac{t}{{\mathrm{\&phi;}}_1^{\&prime;\&prime;}}\right)}^2}{2}}\&CenterDot;A_{\mathrm{in}}\left(\frac{\mathrm{\&alpha;t}}{{\mathrm{\&phi;}}_1^{\&prime;\&prime;}}\right)---\left(8\right)$

令

代入式(8)中可知，

$A_{\mathrm{out}}\left(t\right)\&Proportional;e^{\frac{-{\mathrm{jt}}^2}{2M{\mathrm{\&phi;}}_1^{\&prime;\&prime;}}}\&CenterDot;A_{\mathrm{in}}\left(\frac{t}{M}\right)---\left(9\right)$

因此由以上公式推导可知：

$A_{\mathrm{out}}\left(t\right)=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}\&CenterDot;\sqrt{\frac{{\mathrm{\&phi;}}_f^{\&prime;\&prime;}}{{\mathrm{\&phi;}}_f^{\&prime;\&prime;}+{\mathrm{\&phi;}}_1^{\&prime;\&prime;}}}\&CenterDot;e^{\frac{{\mathrm{jt}}^2}{2{\mathrm{\&phi;}}_f^{\&prime;\&prime;}M}}\&CenterDot;A_{\mathrm{in}}\left(\frac{t}{M}\right)---\left(10\right)$

其中

并且当0＜M＜1(即时)时便可实现一个时域透镜压缩系统。

通过相位调制器加到信号上的平方相移为

并且可知的表达式为：

当φ″_f较小时，并且随着信号持续时间的增加，就会需要很大的相移，从而导致相位调制器需要很高的调制电压，使实现较大的相移变得比较困难。为了避免采用过高的驱动电压，我们可以利用复指数函数的周期特性即：

exp(jx)＝exp[j(x+2nπ)]，n＝0，±1，±2...            (12)

此时，相位调制器所需的驱动电压就不会随着时间而平方增长了，图4中虚线表示随着时间平方增长的驱动电压，实线表示提供相同相移时的驱动电压信号，其中V_π表示相位调制器的半波电压，图4中实线所示的驱动电压信号可以通过AWG来产生。

由式(10)可知，经过时域透镜系统压缩后的光脉冲并非傅里叶变换极限脉冲，仍然带有一定的残余平方相移

但是经过光电探测器后只检测出了光脉冲信号的强度信息，因此并不影响我们所需要的超宽带脉冲信号的产生，两路光脉冲信号经过差分光电探测器检测后即可得到频域内的UWB脉冲信号。

基于时域透镜方法的任意波形UWB脉冲产生系统实现方案如图5所示。输入的两路连续光信号，分别经过由AWG控制的强度调制器后，调制为不同光脉冲波形，然后经过相位调制器(此处相位调制器的作用是为光信号添加平方相位信息，从其实现的功能来说，相当于一个时域透镜)分别加上平方相移，两路光脉冲信号再分别经过一定长度的色散单模光纤后得到压缩，压缩后的两路光脉冲，其中一路经过可调谐光延迟线后，与另外一路光信号同时进入差分光电探测器检测后，即可得到我们所需的UWB脉冲。图5中输入光源为中心波长为1550nm的单纵模连续光激光器，MZM为马赫曾德尔强度调制器，PM为相位调制器，采取的色散介质SSMF为标准单模光纤，检测方式为差分检测。

由上文中的原理分析可知，通过改变相位调制信号和色散光纤的长度可以控制时域透镜压缩系统的压缩比，从而产生符合要求的超宽带脉冲信号。假设输入的两路光脉冲信号如图6所示，其中图6(a)为脉冲的正幅度部分，图6(b)为脉冲的负幅度部分，脉冲的时域持续时间约为10ns，加到相位调制器上的调制电压如图7所示，利用其周期特性为光脉冲提供了平方相移。

当M＝1/4时，φ″₁/φ″_f＝-3/4，此时经过压缩系统后脉冲宽度变为原来的1/4。仿真计算时，我们设定相位调制器提供的群延迟色散(φ″_f)为2667ps²，标准单模光纤的长度为100km(φ″₁＝β₂·L，其中β₂＝-20ps²/km，L为色散光纤的长度)，经过时域透镜系统压缩后的两路光脉冲信号如图8所示，其中图8(a)为正幅度部分，图8(b)为负幅度部分，此时光脉冲的时域持续时间约为2.5ns。其中一路光脉冲信号经过大约20ps的延时后，与另一路光脉冲同时进入差分光电探测器经光电转换后，产生频域内的UWB脉冲信号，其时域波形如图9所示，频谱密度分布如图10所示。从图9和图10中可知，仿真分析结果与理论计算结果较为吻合，所得UWB脉冲的时域波形虽然受到光纤传输和光电检测等因素的影响，产生了一定的畸变但是产生的波形基本满足我们的要求。利用这种方法产生的超宽带脉冲的中心频率在5GHz左右，其-10dB带宽约为6.5GHz，相对带宽约为130％，同时信号的低频部分也得到了很好的抑制，基本满足了FCC的频谱掩蔽的规则，而且具有很高的频谱利用率。利用时域透镜压缩系统可以非常灵活和方便的产生任意波形的窄脉冲信号，有效的克服了在频域内产生较窄的脉冲所遇到的技术困难，并且有利于和光纤通信技术相融合，可以作为光学任意波形发生器的一种技术路线，将会在未来的通信系统、雷达系统以及传感技术等科学领域发挥重要的作用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于时域透镜压缩系统的任意波形超宽带脉冲产生方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在频域中利用任意波形发生器，产生宽带时域脉冲信号；

S2：利用步骤S1中所述任意波形发生器的两路输出口分别产生所述宽带时域脉冲信号的正幅度部分和负幅度部分；

S3：将所述宽带时域脉冲信号的正幅度部分和负幅度部分分别调制为光脉冲信号；

S4：利用时域透镜系统对所述两路光脉冲信号压缩；

S5：将压缩后的两路光脉冲信号中的其中一路经光学延迟后与另一路光脉冲信号同时经差分光电探测器检测，获得压缩后的频域上的超宽带脉冲信号。

2.如权利要求1所述的基于时域透镜压缩系统的任意波形超宽带脉冲产生方法，其特征在于，所述步骤S3中利用马赫曾德调制器将所述宽带时域脉冲信号的正幅度部分和负幅度部分分别调制为光脉冲信号。

3.如权利要求1所述的基于时域透镜压缩系统的任意波形超宽带脉冲产生方法，其特征在于，所述时域透镜系统包括相位调制器和色散元件。

4.如权利要求1所述的基于时域透镜压缩系统的任意波形超宽带脉冲产生方法，其特征在于，所述步骤S5中利用可调谐光学延迟线对所述其中一路光脉冲信号进行光学延迟。

5.如权利要求3所述的基于时域透镜压缩系统的任意波形超宽带脉冲产生方法，其特征在于，所述步骤S4中对所述两路光脉冲信号压缩时，在所述相位调制器上加上调制电压信号，所述调制电压信号的周期特性为：

exp(jx)＝exp[j(x+2nπ)]，n＝0，±1，±2...

用于对所述光脉冲信号提供平方相移。

6.如权利要求3所述的基于时域透镜压缩系统的任意波形超宽带脉冲产生方法，其特征在于，所述色散元件为标准单模光纤。

7.如权利要求5或6所述的基于时域透镜压缩系统的任意波形超宽带脉冲产生方法，其特征在于，所述加在相位调制器上的调制电压信号和所述色散标准单模光纤长度根据所述光脉冲信号压缩比进行调整。

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