CN103795438A - 基于双驱动调制器的超宽带射频信号产生方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种通信领域的基于双驱动调制器的超宽带射频信号产生方法及装置，在双驱动调制器的两个相位调制器上各自调节对应的高斯脉冲信号，进而通过分别控制两个高斯脉冲信号之间的相对时延、信号幅度以及相对相移，使得经过偏振控制器的横电模由双驱动调制器产生超宽带射频信号；本发明可以产生四种不同UWB脉冲信号，其中包括一阶，二阶，三阶和高阶的UWB脉冲信号。同时产生的前三种型号均满足FCC给出的超宽带UWB脉冲信号的频谱占用范围，因此大大降低了灵活UWB脉冲信号产生装置的复杂程度，实现了低成本且简单灵活的UWB脉冲信号产生。

Description

基于双驱动调制器的超宽带射频信号产生方法及装置

技术领域

本发明涉及的是一种通信领域的方法，具体是一种通过双驱动调制器（DDMZM，Dual-Drive Mach Zehnder Modulator，也称作双臂马赫曾德调制器）得到多种超宽带（Ultrawideband，UWB）射频信号的方法及装置。

背景技术

无线通信技术给人类社会带来了翻天覆地的变化，随着无线技术的发展多种无线技术共存成为一种技术难点和趋势，UWB超宽带信号是一种低功率，高速率，但是它的传送距离较短。然而由于其自身可以跟其它无线系统进行兼容的特性，UWB技术在无线领域已经有很广泛的应用。

UWB无线通信信号主要分为两类：一类是超宽带正交频分复用信号（UWB-OFDM），它可以分割成多个OFDM子载波进行数据的传输；另外一种是超宽带脉冲（UWB impulse）信号，通过低重复率的脉冲信号来携带无线信号，由于脉冲重复率高，因此可以的到高的传输速率。然而UWB脉冲信号的传输距离只有十几米，因此需要延长其传输距离。UWBoF(UWB overfiber)，超宽带信号通过光纤来增加传输距离的技术被提出。通过将UWB脉冲信号调制在光域，然后通过光纤传输，在接收端通过光电探测将信号再转换回电域。由于产生UWB脉冲信号再进行电光调制较为复杂，因此在光域上直接产生UWB脉冲信号的技术被广泛研究。通过光信号本身的特性进行相应的处理，可以得到光域上的UWB波形，信号经过传输到接收端再被检测得到相应的电的UWB脉冲信号。采用此方案大大增加UWB脉冲信号的传输距离。因此光域技术来产生UWB脉冲信号有很广泛的应用前景。

经过对现有技术的检索发现，2011年IEEE Photonics Technology Letters，第23卷23期的论文：Yuan Yu，Jianji Dong，Xiang Li，and Xinliang Zhang，“Ultrawide band generationbased on cascaded Mach-Zehnder Modulators”华中科技大学余远等人提出，将通过单个激光器输入两个级联的马赫曾德尔调制器，然后两个信号分别被低重复率类高斯脉冲驱动，通过调制两个信号的相对时间延迟和偏置在马赫曾德尔调制的传输曲线的上升和下降沿，可以得到Monocycle形状的超宽带脉冲序列。但该技术只能产生Monocycle类型的UWB脉冲信号。

进一步的论文的检索发现，2012年发表的Photonics Journal中第4卷3期的论文：Pengxiao Li，Hongwei Chen，Minghua Chen，and ShizhongXie，“Gigabit/s Photonic generation，modulation，and transmission for a reconfigurable impulse radio UWB over fiber system，”清华大学的谢世忠课题组又提出，将两个光源分别输入不同的相位调制器，其中两个相位调制器分别被不同的来自于任意波形发射器的信号调制，再将双波长调制信号输入特定的鉴频滤波器件，从而可以将相位信息转换为强度信息，通过调整各个参数可以得到多种的调制码型和UWB脉冲信号的脉冲类型。该技术虽然可以产生几种UWB脉冲信号，然而系统需要双波长，任意波形发生器，两个相位调制器和鉴频器等，从而增加了产生UWB脉冲信号的复杂度。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于双驱动调制器的超宽带射频信号产生方法及装置，通过调节DDMZM两臂加载信号的类型，幅度和相对时延实现了多码型UWB脉冲信号的产生，同时大大减小了系统的复杂度。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于双驱动调制器的超宽带射频信号产生方法，在双驱动调制器(DDMZM)的两个相位调制器上各自调节对应的高斯脉冲信号，进而通过分别控制两个高斯脉冲信号之间的相对时延、信号幅度以及相对相移，使得经过偏振控制器（PC，Polarization Controller）的横电模（TE模式，即电矢量与传播方向垂直）由双驱动调制器产生超宽带射频信号。

所述的高斯脉冲信号是指：速率为12.5Gb/s，同时信号的序列为“1000000000000000”。因而，产生的信号重复率为781.25MHz，信号的占空比为1/16。

所述的相对时延通过移相器来实现，具体是通过调节两个高斯脉冲信号之间的传输距离来得到不同的相对时延。

所述的双驱动调制器包括两个分别独立调制的相位调制器（PM，Phase Modulator），两个相位调制器基于不同大小、相对位置以及类型的电信号（如高斯脉冲信号）进行驱动，并通过施加于双驱动调制器的偏置电压控制两个相位调制器输出光信号之间的相对相移，从而使两个相位调制的光信号在输出端口进行相干干涉，得到多种不同的UWB脉冲信号。

所述的超宽带射频信号包括：Monocycle形状的UWB超宽带信号、二阶UWB脉冲信号、三阶UWB脉冲信号以及高阶的UWB脉冲信号。

所述的超宽带射频信号是指：双驱动调制器输出的光场Eout，

其中：E_in为输入信号的光场，V_π为相位调制器的半波电压，V_dc为相位调制器的偏置电压，两个高斯脉冲信号V₁(t)＝A₁S(t)，V₂(t)＝A₂S(t-τ)，其中：S(t)为归一化的高斯脉冲，τ为信号的相对时延，A₁和A₂为高斯脉冲信号的幅度；该光场E_out的直流分量为：

其中：τ为两个脉冲信号之间的相对时延，V_dc为直流偏置电压，用于控制两路光信号之间的相对相位差，且当：

1）当A₁=A₂=0.5V_π，τ＝T_o，V_dc=0.5V_π，则双驱动调制器输出Monocycle形状的UWB超宽带信号，T_o为电脉冲信号的比特周期；

2）当A₁=1.5V_π，A₂=0和V_dc=0.5V_π，则双驱动调制器输出二阶（Doublet）的UWB脉冲信号；

3）当A₁=1.5V_π，A₂=0.5V_π，V_dc=0.5V_π和τ＝0.5T_o，则双驱动调制器输出三阶的（Triplet）UWB脉冲信号；

4）当A₁=1.5V_π，A₂=1.5V_π，V_dc=0.5V_π和τ＝0.5T_o，则双驱动调制器输出高阶的UWB脉冲信号。

该超宽带射频信号的最大幅度为2.5V。

本发明涉及一种实现上述方法的装置，包括：偏振控制器、双驱动调制器、信号发生器、电时延线、射频放大器以及直流偏置，其中：双驱动调制器的信号输入端与偏振控制器相连，信号发生器的两个输出端中，第一输出端依次经电时延线、第一射频放大器和直流偏置与双驱动调制器的第一射频端相连，第二输出端经第二射频放大器和双驱动调制器的第二射频端相连。

技术效果

本发明通过单个双驱动调制器实现了四种不同的UWB调制脉冲信号的产生，大大减少了产生信号过程的复杂度，并且提高了灵活性。

附图说明

图1为双驱动调制器结构的示意简图。

图2为产生不同UWB超宽带信号的原理示意图；

图中：a为Monocycle形状的UWB超宽带信号；b为二阶UWB脉冲信号；c为三阶UWB脉冲信号；d为高阶UWB脉冲信号。

图3为实施例1的流程示意图。

图4为实施例中的四种UWB脉冲信号的波形图和电谱；

图中：光源1、偏振控制器2、双驱动调制器3、信号发生器4、电时延线5、第一射频放大器6、第二射频放大器7、直流偏置电压8、高速光电探测器9、用于检测的电谱仪10和示波器11、电分路器12。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例如图3所述，通过信号发生器4产生的低重复率的脉冲信号通过电分路器12分为两路，分别放大加载到双驱动调制器3的两个射频端，其中：信号的相对位置通过电的时延线5控制。通过控制各个参数，输出信号干涉得到UWB脉冲信号经过示波器11和电谱仪10分别可以得到相应的信号波形和电谱。

所述的高斯脉冲信号分路器，将一个高斯脉冲信号分为能量相同，含有同样数据的两个高斯脉冲信号。

如图1所述的双驱动调制器3由两个可以分别独立调制的相位调制器3构成，半波电压为4V左右，两个相位调制器3可以用不同大小，幅度和类型高斯脉冲信号进行驱动调制，同时通过控制双驱动调制器3的偏置电压8可以有效的控制两个相位调制器3输出光信号之间的相对相移，从而使两个相位调制的光信号在输出端口进行相干干涉，得到多种不同的UWB脉冲信号。

所述的高斯脉冲信号是由信号发生器4产生的信号序列，信号发生器4的输出速率为12.5Gb/s，同时信号的序列为“1000000000000000”。因而，产生的信号重复率为781.25MHz，信号的占空比为1/16。同时输出信号的最大幅度为2.5V。

本实施例中涉及的实现上述方法的装置，包括：偏振控制器2、双驱动调制器3、信号发生器4、电时延线5、第一射频放大器6以及直流偏置，其中：双驱动调制器3的信号输入端与偏振控制器2相连，信号发生器4的两个输出端中，第一输出端依次经电时延线5、第一第一射频放大器6和直流偏置与双驱动调制器3的第一射频端相连，第二输出端经第二第一射频放大器6和双驱动调制器3的第二射频端相连。

所述的偏振控制器2控制进入双驱动调制器3的光信号的偏振态，使横电模进入双驱动调制器，从而使调制器输出的光信号能量最大。

所述的光源1发出来的光信号经过偏振控制器2（PC）得到相应的TE模式，然后进入双驱动调制器3。两个高斯脉冲信号经过不同的放大和时延控制加载到双驱动调制器3的两个射频端口，通过控制信号的幅度，相对位置和调制器3的偏置电压8，不同的UWB超宽带信号可以在输出端经过PD进行检测得到。

所述的第一射频放大器6将高斯脉冲信号从小幅度放大到需要的信号幅度，通过射频电路来放大相应的高斯脉冲信号，其增益为20dB。

所述的信号时间延迟主要通过电域的移相器来实现，具体是通过调节射频信号的传输距离来得到两路信号间的相对时延，最多可延迟200ps。

所述的偏振控制器2控制进入双驱动调制器3的光信号的偏振态，使横电模（TE）可以进入调制器3，从而使输出的光信号最大。

如图2和图3所示，双驱动调制器3的射频端分别接收两个放大后的高斯脉冲信号V₁(t)＝A₁S(t)和V₂(t)＝A₂S(t-τ)，其中：S(t)为归一化的高斯脉冲，τ为信号的相对时延，A₁和A₂为高斯脉冲信号的幅度。

双驱动调制器3输出的光场为

其中：E_in为输入信号的光场，V_π为相位调制器3的半波电压，V_dc为调制器3的偏置电压8；该输出的直流分量为： $i_{\mathrm{AC}}\∝\frac{{\left|E_{\mathrm{in}}\right|}^2}{2}\left\{\cos \right\{\frac{\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}[V_1\left(t\right)+V_{\mathrm{dc}}-V_2\left(t\right)]\left\}\right\},$ 即 $i_{\mathrm{AC}}\∝\frac{{\left|E_{\mathrm{in}}\right|}^2}{2}\left\{\cos \right\{\frac{\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}[A_{1}S\left(t\right)+V_{\mathrm{dc}}-A_{2}S(t-\mathrm{\τ})]\left\}\right\},$

通过调节相应的参数，本实施例可以产生四种不同的UWB码型：

1）当A₁=A₂=0.5V_π，τ＝T_o(电脉冲信号的比特周期)，和V_dc=0.5V_π，可以的到Monocycle形状的UWB超宽带信号；

2）当A₁=1.5V_π，A₂=0和V_dc=0.5V_π，信号可以得到二阶（Doublet）的UWB脉冲信号；

3）当A₁=1.5V_π，A₂=0.5V_π，V_dc=0.5V_π和τ＝0.5T_o三阶的（Triplet）UWB脉冲信号可以被产生；

4）当A₁=1.5V_π，A₂=1.5V_π，V_dc=0.5V_π和τ＝0.5T_o的时候可以得到高阶的UWB脉冲信号。

同时通过调节调制器3的偏置电压8可以得到极性相反的各种UWB脉冲信号，如图2中虚线5所示。

如图4所示，为对应上述产生的信号波形和电谱，通过调节各个参数根据图2中的原理。可以产生相应的四种UWB脉冲信号：

超宽带Monocycle信号，它的中心波长为4.69GHz，同时10dB的信号带宽为7.03GHz（从781MHz到7.81GHz），因此带宽系数（10dB带宽/中心带宽）为150%；

二阶和三阶UWB脉冲信号，它的中心波长为4.69GHz和5.47GHz，10dB的信号带宽为6.25GHz6.25GHz and10.2GHz，因此带宽系数为133%和186%。

上述三种UWB脉冲信号均符合FCC规定的带宽范围，10dB带宽大于中心波长的20%。

高阶UWB脉冲信号，中心波长为6.25GHz，10dB带宽为4.69GHz，因此带宽系数为75%。

Claims (6)

1.一种基于双驱动调制器的超宽带射频信号产生方法，其特征在于，在双驱动调制器的两个相位调制器上各自调节对应的高斯脉冲信号，进而通过分别控制两个高斯脉冲信号之间的相对时延、信号幅度以及相对相移，使得经过偏振控制器的横电模由双驱动调制器产生超宽带射频信号；

所述的高斯脉冲信号是指：速率为12.5Gb/s，同时信号的序列为1000000000000000；

所述的相对时延通过移相器实现。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的相对时延通过调节两个高斯脉冲信号之间的传输距离来得到不同的相对时延。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的双驱动调制器包括两个分别独立调制的相位调制器，两个相位调制器基于不同大小、相对位置以及类型的电信号进行驱动，并通过施加于双驱动调制器的偏置电压控制两个相位调制器输出光信号之间的相对相移，从而使两个相位调制的光信号在输出端口进行相干干涉，得到多种不同的超宽带射频信号。

4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征是，所述的超宽带射频信号包括：Monocycle形状的UWB超宽带信号、二阶UWB脉冲信号、三阶UWB脉冲信号以及高阶的UWB脉冲信号。

5.根据权利要求1或3所述的方法，其特征是，所述的超宽带射频信号是指：双驱动调制器输出的光场Eout，

其中：E_in为输入信号的光场，V_π为相位调制器的半波电压，V_dc为相位调制器的偏置电压，两个高斯脉冲信号V₁(t)＝A₁S(t)，V₂(t)＝A₂S(t-τ)，其中：S(t)为归一化的高斯脉冲，τ为信号的相对时延，A₁和A₂为高斯脉冲信号的幅度；该光场E_out的直流分量为：

其中τ为两个脉冲信号之间的相对时延，V_dc为直流偏置电压，用于控制两路光信号之间的相对相位差，且当：

1）当A₁=A₂=0.5V_π，τ＝T_o，V_dc=0.5V_π，则双驱动调制器输出Monocycle形状的UWB超宽带信号，T_o为电脉冲信号的比特周期；

2）当A₁=1.5V_π，A₂=0和V_dc=0.5V_π，则双驱动调制器输出二阶UWB脉冲信号；

3）当A₁=1.5V_π，A₂=0.5V_π，V_dc=0.5V_π和τ＝0.5To，则双驱动调制器输出三阶UWB脉冲信号；

4）当A₁=1.5V_π，A₂=1.5V_π，V_dc=0.5V_π和τ＝0.5T_o，则双驱动调制器输出高阶的UWB脉冲信号；

该超宽带射频信号的最大幅度为2.5V。

6.一种实现上述任一权利要求所述方法的装置，其特征在于，包括：偏振控制器、双驱动调制器、信号发生器、电时延线、射频放大器以及直流偏置，其中：双驱动调制器的信号输入端与偏振控制器相连，信号发生器的两个输出端中，第一输出端依次经电时延线、第一射频放大器和直流偏置与双驱动调制器的第一射频端相连，第二输出端经第二射频放大器和双驱动调制器的第二射频端相连。

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