CN111555808A - 一种用于信号高速无线接入的uwb波形光域转换系统及方法 - Google Patents

一种用于信号高速无线接入的uwb波形光域转换系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及网络信息技术领域，具体是涉及一种用于信号高速无线接入的UWB波形光域转换系统及方法，本方法主要采用OPoF‑UWBA系统构想，主要包括光纤传输部分、波形转换部分和光电转换部分；与传统的信息无线接入方法方案相比，本发明能够在光域实现对高速光数字信号的时域处理，将原有的光数字信号序列转换为UWB信号序列；与目前已提出的UWB信号转换、传输以及接入系统构想相比，本发明将光纤用于承载高速率光信号的远距离传输，仅在光纤末端对光脉冲进行时域波形变换处理，从而获得能够无线传输的UWB信号序列，以实现信号的无线接入。

Description

一种用于信号高速无线接入的UWB波形光域转换系统及方法
技术领域
本发明涉及网络信息技术领域，具体是涉及一种用于信号高速无线接入的UWB波形光域转换系统及方法。
背景技术
在网络信息领域，由光纤构成的主干网络支撑着海量数据的高速交换，随着光纤通信方法的发展，光纤已经能够灵活部署并延伸至室内，从而为用户提供更高速率的信号接入服务。
为实现信号的接入，用户必须采用解调设备将光信号转换成为电信号，而后利用有线或者无线的方式将数字信息接入用户终端。与有线接入相比，无线接入具有更高的灵活性，能够为移动计算机、平板电脑、手机等移动终端提供数据服务，以方便用户的使用。
为了满足用户的数据无线接入服务，目前已经提供了多种点选方式：无线上网(wifi)方法；超宽带信号(Ultra-Wideband，UWB)接入方法；蓝牙方法。
UWB信号接入方法是一种时域通信方法，具有低成本、低功耗、高效率的特征，具有较的抗干扰能力和多途径能力，但基于以下原因，该方法现应用较少：信号的处理需在电域完成；信号接入速率受限；系统复杂度高；无法充分利用光纤资源。
针对上述一些列问题，现在亟需一种用于光数字脉冲信号接入前的时域处理，能够将光纤中原有的脉冲序列转换成能够无线传输的UWB信号序列的数字脉冲信号时域处理方案。
发明内容
为了实现以上目的，本发明提供了一种用于信号高速无线接入的UWB波形光域转换系统及方法，具体方案以光纤到户广泛应用为背景，面向未来高速通信技术的需求与发展，旨在突破信息接入速率的限制。与传统的信息无线接入技术方案相比，本方案能够在光域实现对高速光数字信号的时域处理，将原有的光数字信号序列转换为UWB信号序列。
与目前已提出的UWB信号转换、传输以及接入系统构想相比，本方案力主采用OPoF-UWBA(Optical Pulses over Fiber-UWB Access,OPoF-UWBA)系统构想，即光纤用于承载高速率光信号的远距离传输，仅在光纤末端对光脉冲进行时域波形变换处理，获得能够无线传输的UWB信号序列，以实现信号的无线接入；方案能够支撑高速率光数字信号传输，并实现高速率无线接入，此外还具有硬件结构简单，便于集成处理，功耗相对较低的优势。具体的技术方案如下：
一、系统构成
本发明所涉及系统结构如图1所示。系统分为三个部分，包括光纤传输部分、波形转换部分以及光电转换部分。光纤传输部分主要由光纤链路构成，目前光纤已经能够灵活部署在建筑物内，直接接入用户室内；波形转换部分的关键部件为一个DFB激光器，用于实现光信号的时域波形转换，另外还配备有一个光学滤波器，用于实现信号的进一步处理；光电转换部分的核心组件为光电检测器(photodiode,PD)，用于实现信号的光电转换。
二、信号时域特征
为充分利用光纤资源，提升信号的传输速率，在光纤中传输的信号通常为复用信号，复用方式主要包括波分复用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)和时分复用(Time Division Multiplexing,TDM)两种。波分复用是将多种不同波长的光载波信号在发送端经复用器汇合在一起，并耦合到同一要光纤中进行传输的技术，在接收端对信号进行解复用发送至用户，波分复用的实现主要依靠波分复用/解复用器(如图2所示)，经复用后的信号光谱示意图如图3所示。
TDM是采用同一物理连接的不同时段来传输不同的用户信号，也能达到多路传输的目的。TDM以时间作为信号的分割参量，故必须使各路信号在时域上不重叠，TDM就是将提供给整个信道传输信息的时间划分为若干时隙，并将时隙分配给每一个用户使用，信号复用示意图如图4所示。
光纤输出端的信号是经解复用以后获得的光窄脉冲序列，而本发明所针对的信号即这类窄光脉冲信号，可以用以下表达式来模拟其波形：
Figure BDA0002426842030000031
在上述公式中，I0为脉冲幅值，t0为脉冲延时，W为脉冲半高全宽(Full Width atHalf Maximum,FWHM)，当W＝20ps时，脉冲波形如图5所示。
如果将图5所示的光脉冲注入DFB激光器腔体内，那么DFB激光器的半导体腔体将为注入其内部的脉冲光提供增益，使得DFB激光器被等效调制，那么等效调制信号波形可用公式(2)表述：
Figure BDA0002426842030000032
在上述公式中，Ib为DFB激光器偏置电流，Im是因信号注入而产生的等效电流波动，与图5所示信号参数对应，DFB激光器的等效信号波形如图6所示。
三、波形转换部分
如图1所示，本发明中的波形转换部分的核心部件为一个未加装隔离器的DFB激光器，另还配备一个光学滤波器用于进一步修正其波形。具体的操作方法是将脉冲信号注入激光器腔体内，并利用XGM效应等效调制激光器，同时利用DFB激光器的张弛振荡峰，实现脉冲波形的转换。
1、数学模型
DFB激光器的调制特性可用耦合非线性速率方程来进行分析，数学方程组如下所示：
Figure BDA0002426842030000041
Figure BDA0002426842030000042
Figure BDA0002426842030000043
在以上公式中，N(t)表示瞬态载流子密度，S(t)表示瞬态光子密度，e表示电子电荷，V表示光器有源区体积，Ieq(t)为等效驱动电流，τn和τp分别表示腔体内的载流子寿命和光子寿命，g0为增益系数，N0为透明载流子密度，ε为增益压缩因子(非线性增益系数)，Г为光限制因子，β为自发辐射耦合因子(表示自发辐射光中耦合成谐振模的比率)，α为激光器的线宽增强因子，
Figure BDA0002426842030000044
为激光器输出光的相位。激光器的输出光功率可表示为：
Figure BDA0002426842030000051
式(6)中，ν为激光器输出的光频率，η为微分量子效率，h为普朗克常量；激光器经直调后输出光的频率啁啾Δν可表示为：
Figure BDA0002426842030000052
激光器的输出光信号的复振幅用U(t)表示，其表达式为：
Figure BDA0002426842030000053
当激光器偏置电流Ib处于阈值电流附近时，由于载流子密度N很小，受激辐射可以忽略，且光子数变化也可以近似等于0，因此由式(4)可得到：
Figure BDA0002426842030000054
在公式(8)中，Nth为在阈值电流时对应的载流子密度，利用公式8，可以计算获得DFB激光器的阈值电流：
Figure BDA0002426842030000055
为便于后续的论证，激光器在脉冲注入下输出的脉冲波形仿真计算所涉及到的参数数值采用表1中的数值：
Figure BDA0002426842030000056
Figure BDA0002426842030000061
2、数值计算
在图6所示等效调制信号的作用下，DFB激光器输出的时域凹陷与张弛振荡峰相结合即可获得UWB monocycle信号波形，经解算获得的信号时域波形如图7所示。
如果图6所示的UWB信号波形与注入光信号相结合，那么DFB激光器输出的信号波形为UWB doublet信号波形，数值分析结果如图8所示。
如果采取光滤波器抑制注入脉冲光的功率成分，那么注入信号与DFB激光器输出UWB波形相结合，还可生成UWB triplet信号波形，数值分析结果如图9所示。
四、光电转换部分
光电转换部分的主要部件为光电检测器，它的主要功能是将光信号检测成为电信号，通常光电检测器的光电转换效率有限，因此可利用配备有跨阻放大器(Trans-impedance amplifier,TIA)的光电检测器以提高电信号输出功率，光电检测器的带宽则对输出电信号的时域宽度产生影响，通常带宽越窄，光电检测获得的电信号时域宽度越宽。此外，根据先前的数值及实验分析可知，本发明无法在光域生成双极性UWB信号波形，因此，如需产生两种极性的UWB信号，则须借助光电检测器的差分效应。
与传统的信号处理方法相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明提供的方法可在光域实现信号的处理，摆脱传统信号处理方法存在的电子瓶颈问题，提升信号的处理速率。
(2)本发明提供的方法可以将无法无线传输的基带信号转换成为能够无线传输的UWB信号。
(3)本发明提供的方法能够实现对高速率信号的波形变换。
(4)本发明提供的方法所用核心器件为一个商用的DFB激光器，具有低成本的特点，便于集成化处理。
附图说明
图1是本发明的信号处理系统结构图；
图2是本发明使用的波分复用器/解复用器外观示意图；
图3是本发明的波分复用信号光谱示意图；
图4是本发明的两时隙TDM信号波形示意图；
图5是本发明的2.5Gbps全“1”脉冲码形；
图6是本发明的等效调制信号；
图7是本发明等效调制下DFB激光器输出的UWB monocycle信号波形；
图8是本发明DFB激光器输出波形与注入脉冲结合形成的UWB doublet信号；
图9是本发明通过抑制注入脉冲功率而获得的UWB triplet信号；
图10是本发明DFB激光器脉冲注入效果；
图11是本发明经光电检测获得的信号波形与频谱特性；
图12是本发明注入功率约3dBm下经光电检测获得的UWB脉冲信号序列；
图13是本发明低幅值脉冲用作为“0”码下经光电检测获得的UWB脉冲信号序列；
图14是本发明展宽后的光脉冲信号波形以及与之对应的等效调制信号；
图15是本发明DFB激光器输出的信号波形；
图16是本发明光信号经传输以后获得的UWB monocycle信号波形。
图1中：PC为光偏振控制器，OC为光环行器，DFB为(分布反馈式半导体)激光器，PD为光电检测器；
图10中：(a)为注入脉冲波形，(b)为DFB激光器自身的输出信号波形，(c)为与注入脉冲相结合产生的信号波形，(d)为通过抑制注入脉冲光功率而产生的信号波形；
图11中：(a)为UWB monocycle信号波形，(b)为UWB monocycle信号频谱特点，(c)为UWB doublet信号波形，(d)为UWB doublet信号频谱特点，(e)为UWB triplet信号波形，(f)为UWB triplet信号频谱特点；
图12中：(a)为UWB monocycle信号序列，(b)为UWB doublet信号序列，(c)为UWBtriplet信号序列；
图13中：(a)为UWB monocycle信号序列，(b)为UWB doublet信号序列，(c)为UWBtriplet信号序列。
图16中：(a)为3dB带宽为40G的光电检测器检测获得的波形，(b)为3dB带宽为10G的光电检测器检测获得的波形。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明所采取的方式和取得的效果，下面将结合附图对本发明的方法方案进行清楚和完整地描述。
实施例一
一种用于信号高速无线接入的UWB波形光域转换系统及方法，所述系统主要采用OPoF-UWBA系统构想，主要包括光纤传输部分、波形转换部分和光电转换部分。所述光纤传输部分主要由光纤链路构成；所述波形转换部分主要包括用以实现光信号的时域波形转换的DFB激光器，以及用以实现信号的进一步处理的光学滤波器；所述光电转换部分主要包括用以实现信号光电转换的光电检测器。
为证明本系统构想的技术可实现性，这里利用一个未置入隔离器的DFB激光器验证注入效果，如图10所示。实验系统中的DFB激光器为一个腔体长度为250nm的普通商用激光器，而脉冲光为2.5Gbps的全“1”光脉冲，通过增益开关激光器获得，因此具有较窄的FWHM。由图10可见，DFB激光器输出的信号波形与图7、图8和图9所示的波形基本一致。
实验例一
本实验例是以实施例一中的系统结构为基础，用以验证本发明具备极高的灵活性且能够支撑高速率光数字信号的波形转换。
针对图10所示的光信号时域波形，采用3dB带宽为40G的光电检测器检测光信号，那么系统获得的UWB信号波形以及与之对应的频谱特征如图11所示。由图可见，随着信号阶数的增加，信号的频谱成分向高频移动。同时，由于能够产生一至三阶UWB信号，因此系统具备极高的灵活性且能够支撑高速率光数字信号的波形转换。
实验例二
本实验例是以实施例一中的系统结构为基础，用以在信号调制方面验证本发明的有效性。
系统所产生UWB信号的调制决定于注入脉冲光的调制模式，如果将开关键控调制(On-Off Keying,OOK)后的光数字信号注入DFB激光器，注入功率约3dBm。此时，在XGM效应和激光器张弛振荡的作用下，同时借助光电检测器能够获得UWB信号序列，经检测获得的OOK调制信号如图12所示。
如果注入光脉冲为脉冲幅度调制(Pulse Amplitude Modulation,PAM)信号，即采用低幅值脉冲用作为“0”码，那么系统能够PAM调制UWB信号序列，信号波形如图13所示。
由于本系统可用于获得OOK和PAM调制的UWB信号波形，因此本发明能够支撑多重移幅键控调制(Multiple Amplitude Shift Keying,MASK)光数字信号的波形变换，从而进一步提升信号的接入速率。
由此可见，经光电检测获得的信号时域波形与数值分析结果基本一致，从而从实践上证明了本发明的有效性。
实验例三
本实验例是以实施例一中的系统结构为基础，通过数值仿真和系统测试两种方式来说明脉冲展宽对UWB信号波形带来的影响。
与先前提出的UWBoF系统不同，在本系统中，光纤中传输的信号为光数字脉冲信号，而UWB信号则在系统末端产生。光信号在光纤中传输的过程中将受到光纤色散带来的影响，这将使得信号时域宽度随着传输距离的增加而展宽，而光脉冲的展宽无疑将对UWB信号的波形产生影响，这里以UWB monocycle信号为例，并通过数值仿真和系统测试两种方式来说明脉冲展宽对UWB信号波形带来的影响。
1、数值仿真
利用三.1中提出的数学模型进行解算，光信号经过传输以后，其时域宽度会因色散而展宽，假设其FWHM为100ps，仍采用公式(1)表征信号的时域波形，那么，此时脉冲波形以及等效调制信号波形如图14所示。
2、系统测试
经计算获得的DFB激光器输出的时域波形如图15所示。与图7相比，图15中的UWB信号波形中的时域凹陷发生了一定程度的展宽，使得UWB信号的波形不对称性有所增强，但是能够证明波形的展宽不妨碍UWB信号的产生。
系统测试。我们引入一段长度为200m的光纤来验证光纤传输对UWB信号波形带来的影响，图10(a)所示的光脉冲经传输以后注入DFB激光器，如仍采用40G带宽光电检测器检测光信号，那么获得的UWB monocycle信号波形如图16(a)所示；若采用10G带光电检测器，那么系统输出的信号波形如图16(b)所示。
由图16(a)可见，经40G光电检测器检测获得的UWB信号波形与图15所示的经数值计算获得的信号波形基本一致。虽然UWB时域波形的不对称可以通过利用窄带宽光电检测器实现补偿，如图16(b)所示。但是时域上的展宽仍然不利于提升信号的接入速率，因此，在使用本发明时，应当适当考虑光纤色散带来的影响，尽量压缩数字信号的“1”码脉冲宽度。

Claims (9)

1.一种用于信号高速无线接入的UWB波形光域转换系统，其特征在于，所述系统主要采用OPoF-UWBA系统构想，主要包括光纤传输部分、波形转换部分和光电转换部分；
所述光纤传输部分主要由光纤链路构成；
所述波形转换部分主要包括用以实现光信号的时域波形转换的DFB激光器，以及用以实现信号的进一步处理的光学滤波器；
所述光电转换部分主要包括用以实现信号光电转换的光电检测器。
2.如权利要求1所述的一种用于信号高速无线接入的UWB波形光域转换系统，其特征在于，所述光纤链路包括光偏振控制器和光环行器。
3.如权利要求1所述的一种用于信号高速无线接入的UWB波形光域转换系统，其特征在于，当光纤输入端的光脉冲信号注入所述DFB激光器腔体内，使其被等效调制时，等效调制信号波形可用以下公式表述：
Figure FDA0002426842020000011
其中，Ib为DFB激光器偏置电流，Im是因信号注入而产生的等效电流波动，W为脉冲半高全宽。
4.如权利要求1所述的一种用于信号高速无线接入的UWB波形光域转换系统，用以分析所述DFB激光器的数学模型可用以下数学方程组表示：
Figure FDA0002426842020000012
Figure FDA0002426842020000013
Figure FDA0002426842020000021
其中，N(t)表示瞬态载流子密度，S(t)表示瞬态光子密度，e表示电子电荷，V表示光器有源区体积，Ieq(t)为等效驱动电流，τn和τp分别表示腔体内的载流子寿命和光子寿命，g0为增益系数，N0为透明载流子密度，ε为增益压缩因子，Г为光限制因子，β为自发辐射耦合因子，α为激光器的线宽增强因子，
Figure FDA0002426842020000022
为激光器输出光的相位。
5.如权利要求1所述的一种用于信号高速无线接入的UWB波形光域转换系统，所述光电检测器配备有用以提高电信号输出功率的跨阻放大器。
6.利用权利要求1所述的系统进行UWB波形光域转换的方法，其特征在于，使用光纤承载高速率光信号的远距离传输，仅在光纤末端通过所述DFB激光器以及光学滤波器对光信号进行时域波形变换处理，从而获得能够无线传输的UWB信号序列。
7.如权利要求6所述的一种用于信号高速无线接入的UWB波形光域转换方法，其特征在于，在所述DFB激光器的等效调制信号作用下，DFB激光器输出的时域凹陷与张弛振荡峰相结合，可获得UWB monocycle信号波形。
8.如权利要求6所述的一种用于信号高速无线接入的UWB波形光域转换方法，其特征在于，当所述DFB激光器的等效调制信号与注入光信号相结合，可得到UWB doublet信号波形。
9.如权利要求6所述的一种用于信号高速无线接入的UWB波形光域转换方法，其特征在于，当采取所述光学滤波器抑制注入光信号的功率，注入光信号与DFB激光器输出UWB波形相结合，可生成UWB triplet信号波形。
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