申请/专利权人：西藏大学

申请日：2017-07-17

公开（公告）日：2020-07-14

公开（公告）号：CN107395285B

主分类号：H04B10/50(20130101)

分类号：H04B10/50(20130101);H04B10/516(20130101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.07.14#授权;2017.12.22#实质审查的生效;2017.11.24#公开

摘要：本发明公开了一种基于级联DE‑MZM大范围可重构UWB的产生装置及方法，属于超宽带技术领域。目的是实现在不改变系统结构的情况下可以产生一阶到五阶的任意UWB信号，并且脉冲极性可调。装置包括激光器、光耦合器、第一级DE‑MZM、第二级DE‑MZM、高斯脉冲信号发生器、第一光电探测器、第二光电探测器、放大器，激光器连接光耦合器。方法为激光器产生的连续光经光耦合器后分成两路，高斯脉冲信号经过衰减和延时后分别输入到第一级DE‑MZM的两臂，第一级DE‑MZM内两臂的信号经过第一光电探测器转换成电脉冲，经过放大器的放大、衰减和延时后输入到第二级DE‑MZM的两臂中进行二次调制，调制后输出。

主权项：1.一种基于级联DE-MZM大范围可重构UWB的产生方法，其特征在于，所述方法为：激光器产生的连续光经光耦合器后分成两路，分别进入第一级DE-MZM、第二级DE-MZM中，在耦合器输出的上支路中，一路高斯脉冲信号被分成两路，经过衰减和延时后分别输入到第一级DE-MZM的两臂，以调制光载波，由于偏置电压的影响，第一级DE-MZM内两臂的信号发生干涉，完成相位到强度的转换，再经过第一光电探测器转换成电脉冲，接着，将第一级DE-MZM产生的信号经过放大器的放大、衰减和延时后输入到第二级DE-MZM的两臂中进行二次调制，调制后的信号通过第二光电探测器完成光电转换并输出；假设光载波为Eint，输入高斯信号为gt，上臂的衰减和延迟分别为Ai和τ，调制器半波电压和两臂的偏置电压差分别为Vπ和V1，则第一级DE-MZM的输出可以表示为E1＝12Eintexp{j[πA1gt-τVπ}+Eintexp{j[gt+V1]πVπ}公式一经过光电转换后输出的电信号表达式为i1∝12Ein2cos{π[A1gt-τ-gt+V1]Vπ}公式二同理，经过第二DE-MZM和光电转换后，输出的电信号表达式为i2∝12Ein2cos{π[i1t-A2i1t-τ+V2]Vπ}公式三式中，A2和V2分别为功率衰减和调制器两臂的偏置电压差；由公式二可知，当偏置电压位于0.5Vπ时，输出信号由两个极性相反的高斯脉冲叠加组成；当在第一级DE-MZM两臂中引入延迟，且上臂功率衰减A1为1时，即可产生一阶UWB信号，调制器应工作于正交偏置点；当第一级DE-MZM的输入分别为Agt-τ＝0，gt＝1.5Vπ，V1位于最小传输点或最大传输点附近时，可产生二阶UWB信号；此时，根据公式三，当第二级DE-MZM工作于正交偏置点，V2＝0.5Vπ，并且其中一臂的输入信号为零，对第一级DE-MZM产生的UWB信号实现透明输出，即i2∝i1，此时第二DE-MZM可输出一阶和二阶UWB脉冲；根据DE-MZM上下两臂信号极性相反的特点，将高阶UWB信号分解为两个极性相反、延迟不同的基本形状的非相干线性叠加；通过调节偏置电压、输入高斯信号的相对相位差和幅度差，即可产生所需要的波形；当第一级DE-MZM工作于正交偏置点，即V1＝2.5V，输入高斯脉冲的幅值为0.5Vπ时，上臂和下臂分别输出正、负高斯脉冲，此时调节延迟50ps，即1比特，非相干叠加后可得到一阶UWB脉冲；当第一级DE-MZM工作于最小传输点或最大传输点附近，即V1＝2V，输入调制器上臂的高斯脉冲幅值为1.5Vπ，即下臂无输入时，将会产生二阶UWB脉冲；当第二级DE-MZM处于正交偏置点，输入信号的幅值＜0.5Vπ，即只有一臂有输入时，第二级DE-MZM对输入信号实现透明传输，此时不需要进行任何延时叠加即可实现一阶和二阶UWB脉冲信号；当第二级DE-MZM仍工作于正交偏置点，但两个输入信号为二阶UWB脉冲，且延时1比特时，可获得三阶UWB信号；当调节输入信号的相对时延为60ns时，可得到负极性的三阶UWB脉冲；当第一级DE-MZM的直流偏置为2.5V，输入上臂信号为1.5Vπ，输入下臂的信号为0.5Vπ时，通过17ps，即13比特的延时叠加可得到近似三阶UWB信号，当第二级DE-MZM的偏置电压为6V，延迟设为1比特时，第二级DE-MZM输出信号为四阶UWB脉冲；当第一级DE-MZM的直流偏置为2.5V，输入调制器上臂的高斯脉冲幅值为2.7Vπ，即下臂无输入时，将会产生准四阶UWB信号，当第二级DE-MZM的偏置电压处于线性工作点，延时约为1比特时，系统可产生五阶UWB脉冲。

全文数据：基于级联DE-MZM大范围可重构UWB的产生装置及方法技术领域[0001]本发明具体涉及一种基于级联DE-MZM大范围可重构UWB的产生装置及方法，属于超宽带技术领域。背景技术[0002]在短距离大容量的无线通信系统和传感网络中，超宽带Ultra-Wideband，UWB技术由于其特有的优点，如大带宽、低功率谱密度以及抗多径衰落等，成为了各研究机构研宄的热点。而高阶UWB信号在低频处具备较低的功率，能够有效地降低对全球定位系统GlobalPositionSystem，GPS和军用通信网络的干扰，非常适用于室内无线通信等应用场景；而且阶数越高，脉冲的中心频率越高，能量谱密度也会向高端频率移动。但是，高阶UWB信号的产生由于具有复杂的波形结构和较高的成本而无法得到应用，现阶段常用的uwB信号包括一阶monocycle、二阶doublet和三阶triplet。[0003]目前，利用光学方法产生UWB信号主要有：（1利用半导体放大器或者高非线性光纤的非线性效应；（2利用光学滤波器的频谱构造和频谱塑形；（3利用频时映射原理；（4利用不同类型的调制器结构。其中，基于马赫曾德尔调制器Mach-ZehnderModulator，MZM的UWB信号产生方案由于结构简单、易于控制和可集成等优点，受到了广泛的关注，并展现出了良好的应用前景。但是，目前基于调制器的方案可调性和可重构性存在不足，并且缺乏产生高阶UWB脉冲的能力。例如，基于偏振调制器和基于相位调制器的方案最高仅能产生二阶UWB脉冲，而基于单个双驱动马赫曾德尔调制器Dual-ElectrodeMach-ZehnderModulator，DE-MZM的方案，虽然最高可产生四阶UWB信号，但是其三阶和四阶信号在脉冲形状上并不能与三、四阶标准UWB脉冲完全符合。发明内容[0004]因此，针对现有技术的上述不足，本发明本文提出一种基于级联DE-MZM的大范围高阶可调UWB信号产生装置及方法。通过调节输入到调制器的两个射频RadioFrequency，RF信号的相对时延和调制器的偏置电压，在不改变系统结构的情况下可以产生一阶到五阶的任意UWB信号，并且脉冲极性可调。该方案结构简单、UWB信号的阶数重构范围大，可适用于未来低成本动态可变的无线通信系统和传感网络。[0005]为达到以上目的，本发明的技术方案为：[0006]具体的，基于级联DE-MZM大范围可重构UWB的产生装置，包括激光器，还包括光耦合器、第一级DE-MZM、第二级DE-MZM、高斯脉冲信号发生器、第一光电探测器、第二光电探测器、放大器，激光器连接光耦合器，光耦合器分别连接第一级DE-MZM、第二级DE-MZM的输入端，高斯脉冲信号发生器连接在第一级DE-MZM的两臂，第一级DE-MZM的输出端经第一光电探测器、放大器连接第二级DE-MZM的两臂，第二级DE-MZM的输出端连接第二光电探测器。[0007]进一步的，所述高斯脉冲信号发生器与第一级DE-MZM的两臂之间还设有第一衰减器及第一延迟器。[0008]进一步的，所述放大器与第二级DE-MZM的两臂之间还设有第二衰减器及第二延迟器。[0009]进一步的，所述光耦合器与第一级DE-MZM、第二级DE-MZM的输入端各设有一个偏振控制器。[0010]本发明提供的一种基于级联DE-MZM大范围可重构UWB的产生方法，所述方法为：[0011]激光器产生的连续光经光耦合器后分成两路，分别进入第一级DE-MZM、第二级DE-MZM中，在耦合器输出的上支路中，一路高斯脉冲信号被分成两路，经过衰减和延时后分别输入到第一级DE-MZM的两臂，以调制光载波，由于偏置电压的影响，第一级DE-MZM内两臂的信号发生干涉，完成相位到强度的转换，再经过第一光电探测器转换成电脉冲，接着，将第一级DE-MZM产生的信号经过放大器的放大、衰减和延时后输入到第二级DE-MZM的两臂中进行二次调制，调制后的信号通过第二光电探测器完成光电转换并输出。[0012]本发明的有益效果在于：[0013]本发明设计了一种新型的基于级联DE-MZM大范围可重构UWB的产生装置及方法，基于级联的双驱动马赫曾德尔调制器，提出了一种大范围可重构的超宽带信号产生方案。理论分析和仿真结果表明，通过调节输入到双驱动马赫曾德尔调制器两个射频端口的信号相对时延以及调制器的偏置电压，可实现一阶到五阶超宽带脉冲的任意产生。同时，调节双驱动马赫曾德尔调制器两臂信号的相对延时还可实现超宽带脉冲的极性可调。附图说明[0014]图1是本发明基于级联DE-MZM大范围可重构UTO的产生装置的系统框图。[0015]图2a是一阶UWB信号的产生示意图。[0016]图2b是二阶UWB信号的产生示意图。[0017]图2c是三阶UWB信号的分解示意图。[0018]图2d是四阶UWB信号的分解示意图。[0019]图2e是五阶UWB信号的分解示意图。[0020]图3a是偏置和延迟为2•5V和50ps下的一级DE-MZM仿真输出波形示意图。[0021]图3b是偏置为2V下的一级DE-MZM仿真输出波形示意图。[0022]图3c是偏置和延迟为2•5V和17ps下的一级DE-MZM仿真输出波形示意图。[0023]图3d是偏置为2.5V下的一级DE-MZM仿真输出波形示意图。[0024]图4a、图4b是一阶UWB脉冲产生的波形和频谱结果示意图。[0025]图4c、图4d是二阶UWB脉冲产生的波形和频谱结果示意图。[0026]图4e、图4f、图4g、图4h是三阶UWB脉冲产生的波形和频谱结果示意图。[0027]图4i、图4j是四阶UWB脉冲产生的波形和频谱结果示意图。[0028]图4k、图41是五阶UWB脉冲产生的波形和频谱结果示意图。[0029]图5a为第二级DE-MZM延时577和582ps的五阶UWB脉冲生成结果不意图。[0030]图5b为第二级DE-MZM延时593和598ps的五阶UWB脉冲生成结果示意图。[0031]附图标记如下：^[0032]1、激光器，2、光耦合器，3、第一级DE-MZM，4、第二级DE-MZM，5、高斯脉冲信号发生器，6、第一光电探测器，7、第二光电探测器，8、放大器，9、第一衰减器，10、第一延迟器，11、第二衰减器，12、第二延迟器，13、偏振控制器。具体实施方式[0033]下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明：[0034]本发明提出的大范围可重构UWB信号产生装置的系统框图如图1所示，图中实线为光信号，虚线为微波信号。产生装置，包括激光器1，还包括光耦合器2、第一级DE-MZM3、第二级DE-MZM4、高斯脉冲信号发生器5、第一光电探测器6、第二光电探测器7、放大器8,激光器1连接光耦合器2，光耦合器2分别连接第一级DE-MZM3、第二级DE-MZM4的输入端，高斯脉冲信号发生器5连接在第一级DE-MZM3的两臂，第一级DE-MZM3的输出端经第一光电探测器6、放大器8连接第二级DE-MZM4的两臂，第二级DE-MZM4的输出端连接第二光电探测器7。[0035]在本实施例中，高斯脉冲信号发生器5与第一级DE-MZM3的两臂之间还设有第一衰减器9及第一延迟器10。[0036]在本实施例中，放大器8与第二级DE-MZM4的两臂之间还设有第二衰减器11及第二延迟器12。[0037]在本实施例中，光耦合器2与第一级DE-MZM3、第二级DE-MZM4的输入端各设有一个偏振控制器13。[0038]装置的工作方法为：[0039]激光器1LaserDiode，LD产生的连续光经光親合器2OpticalCoupler，0C后分成两路，分别进入两个DE-MZM中。在光耦合器2输出的上支路中，一路高斯脉冲信号被分成两路，经过一定的时延后分别输入到第一级DE-MZM3的两臂，以调制光载波。由于偏置电压的影响，第一级DE-MZM3内两臂的信号发生干涉，完成相位到强度的转换，再经过第一光电探测器6Photodetector，PD转换成电脉冲。接着，将第一级DE-MZ3M产生的信号经过适当的放大、延时和衰减后输入到第二级DE-MZM4的两臂中进行二次调制。调制后的信号通过第二光电探测器7完成光电转换并输出。[0040]假设光载波为Eint，输入高斯信号为gt，上臂的衰减和延迟分别为和1，调制器半波电压和两臂的偏置电压差分别为VWPVi，则第一级DE-MZM3的输出可以表示为[0041]Ei=12Ein⑴exp{j|Aigt-tVn}+Ein⑴expj[g⑴+Vi]iiVn}[0042]⑴[0043]经过光电转换后输出的电信号表达式为[0044]ii〇c12Ein2cos{n[Aigt—T—g⑴+Vi]Vh}2[0045]同理，经过DE-MZM2和光电转换后，输出的电信号表达式为[0046]i2cx12Ein2cos{it[ii⑴-A2iit-t+V2]1}⑶[0047]式中，A2和V2分别为功率衰减和调制器两臂的偏置电压差。[0048]由式（2可知，当偏置电压位于0.5VH时，输出信号由两个极性相反的高斯脉冲叠加组成。当在第一级DE-MZM3两臂中引入适当的延迟，且上臂功率衰减为1时（即不衰减），即可产生一阶UWB信号，其产生的物理机理如图2a所示，调制器应工作于正交偏置点。当第一级DE-MZM3的输入分别为Agt-t=0，g⑴=1•SVhVi位于最小传输点或最大传输点附近时，可产生二阶UWB信号，如图2〇所示。此时，根据式3，当第二级DE-MZM4工作于正交偏置点^2=0.51，并且其中一臂的输入信号为零A=0，对第一级DE-MZM3产生的UWB信号实现透明输出，即koch，此时DE-MZM2可输出一阶和二阶UWB脉冲。[0049]而对于高阶UWB信号，复杂的幅度和相位变化导致难以利用单个调制器产生，因此本发明根据DE-MZM上下两臂信号极性相反的特点，将高阶UWB信号分解为两个极性相反、延迟不同的基本形状的非相干线性叠加，三阶至五阶UWB信号的分解过程如图2c〜（e所示。以三阶UWB信号为例，UWB脉冲可分解为两个极性相反且具有1比特延迟的二阶UWB信号，当正极性的二阶UWB脉冲领先于负极性脉冲时，产生正极性三阶UWB信号，反之可产生负极性三阶UWB信号。同理，四阶和五阶UWB信号可分别由图2d和e的图形延迟叠加而成，其中图2所分解出的基本图形都可以通过第一级DE-MZM来获得。[0050]仿真实验验证：[0051]根据图1的方案设计，基于OptiSim平台搭建了可重构UWB信号的仿真系统。首先将一束频率为193.lTHz、功率为10dBm的线性偏振光分为两路，其中一路通过PQ进入DE-MZMi中；经过功分的高斯脉冲一路直接输入到调制器的RF端口，另一路经过适当的时延和衰减后进入另一个RF端口。这里，高斯脉冲的半高全宽FullWidthatHalf-Maximum，FWHM为5〇ps，速率为600Mbits调制器的半波电压为5V。[OO52]根据理论分析，通过调节偏置电压、输入高斯信号的相对相位差和幅度差，即可产生所需要的波形，仿真结果如图3a至图3d所示。[0053]1当第一级DE-MZM3工作于正交偏置点VF2.5V，输入高斯脉冲的幅值为0.5VU时，上臂和下臂分别输出正、负高斯脉冲。此时调节延迟50psS卩1比特），非相干叠加后可得到一阶UWB脉冲；[0054]2当第一级DE-MZM3工作于最小传输点或最大传输点附近〇^=2丫），输入调制器上臂的高斯脉冲幅值为1•5M下臂无输入时，将会产生二阶UWB脉冲；[0055]3当第一级DE-MZM3的直流偏置为2.5V，输入上臂信号为1.5W，输入下臂的信号为0•5W时，通过17psS卩13比特的延时叠加可得到近似三阶UWB信号，如图3c所示；[0056]4当第一级DE-MZM3的直流偏置为2.5V，输入调制器上臂的高斯脉冲幅值为2.7V〆下臂无输入时，将会产生如图3d所示的准四阶UWB信号。[0057]由单个调制器所产生的上述信号并不是准确意义上的高阶UWB脉冲，但是与图2c〜（e所分解的基本脉冲在形状上相符合，因此本文利用DE-MZM2来构造更为精确的高阶脉冲信号。[0058]将第一级DE-MZM3所产生的上述信号通过放大器进行功率补偿，接着通过功分器分为两路分别进入第二级DE-MZM4的两个RF输入端口，并调节偏振控制器13使第二级DE-MZM4的输出光功率最大。这里，只需要根据图2c〜（e的分解机理调节第二级DE-MZM4下臂的第二延迟器12，即可实现高阶UWB脉冲的产生。[0059]图4给出了一阶到五阶UWB脉冲产生的仿真结果。[0060]1当第二级DE-MZM4处于正交偏置点，输入信号的幅值0.51即只有一臂有输入时，第二级DE-MZM4对输入信号实现透明传输，此时不需要进行任何延时叠加即可实现一阶和二阶UWB脉冲信号，如图4a〜d所示，其FWHM分别为60和50ps，中心频率分别为6.28和8.2GHz。[0061]2当第二级DE-MZM4仍工作于正交偏置点，但两个输入信号为二阶UWB脉冲，且延时1比特时，可获得三阶UWB信号，如图4e和f所示，其-10dB带宽的截止频率分别为2.56和12•81GHz，基本付合美国联邦通fg委员会FederalCommunicationsCommission，FCC对UWB的规定。当调节输入信号的相对时延为60ns时，可得到负极性的三阶UWB脉冲，如图4g和⑹所示，证明了该方案不仅可实现脉冲阶数的重构，还可以实现脉冲极性的调节。[0062]3当第二级DE-MZM4的偏置电压为6V，输入信号如图3c所示，延迟设为1比特时，第二级DE-MZM4输出信号为四阶UWB脉冲，如图4⑴和（j所示，其脉冲形状与理论的四阶UWB信号高度符合，-10dB带宽的截止频率分别为8.42和19.21GHz，绝对带宽为10.79GHz。[0063]⑷当第二级DE-MZM4的偏置电压处于线性工作点，输入信号如图3⑹所示，延时约为1比特时，系统可产生五阶UWB脉冲，如图4k和（1所示，所产生的脉冲形状也与理论推导的五阶UWB脉冲高度符合，其-10dB带宽的截止频率分别为12.02和20.41GHz，绝对带宽为8•39GHz。通过图4a〜⑴可知，随着UWB脉冲阶数的增加，其频谱逐渐向高频处移动，与高阶UWB的理论频谱特征相符。但值得注意的是，本方案在低频处的频谱并未得到抑制，这是因为激光器和调制器所产生的直流信号存在于频谱中，在实验中只需要利用一个隔直器件即可滤除。[0064]由图4j和⑴的频谱可知，其截止频率已经超过了FCC授权给室内通信和手持通信的免费频段，但是其低频抑制特性在其他专用领域如雷达中具有显著的优势。[0065]根据上述分析可知，延时量的大小在高阶UWB脉冲的形成过程中起着关键作用。以五阶UWB为例，保持其他参数不变，使第二级DE-MZM的时延器在577〜598ps之间变化，可以得到如图5a和b所示脉冲形状变化示意图。图5a中，实线为577ps，虚线为582ps，图5b中，实线为593ps，虚线为598ps。延迟不足或者延迟过多时，产生的UWB脉冲幅度变小，形状与五阶UWB脉冲有所差异，延时偏离越大，差异越明显。只有当延时量适当时，才能产生符合条件的脉冲信号。[0066]本发明提出了基于级联DE-MZM的大范围可重构UWB信号的产生方案。仿真结果表明，调节输入信号的延时和调制器的偏置电压，可以实现一阶到五阶UWB脉冲的任意产生。同时，通过调节第二级DE-MZM两臂输入信号的延时量，还可实现UWB脉冲的极性可调。最后，本文还研宄了不同延时量对UWB脉冲产生的影响。本发明的方案结构简单，调节灵活，在未来的光网络中将有较广的应用前景。[0067]以上所述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，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

权利要求：1.一种基于级联DE-MZM大范围可重构UWB的产生装置，包括激光器，其特征在于，所述装置还包括光耦合器、第一级DE-MZM、第二级DE-MZM、高斯脉冲信号发生器、第一光电探测器、第二光电探测器、放大器，激光器连接光耦合器，光耦合器分别连接第一级DE-MZM、第二级DE-MZM的输入端，高斯脉冲信号发生器连接在第一级DE-MZM的两臂，第一级DE-MZM的输出端经第一光电探测器、放大器连接第二级DE-MZM的两臂，第二SDE-MZM的输出端连接第二光电探测器。2.如权利要求1所述的基于级联DE-MZM大范围可重构UWB的产生装置，其特征在于，所述高斯脉冲信号发生器与第一级DE-MZM的两臂之间还设有第一衰减器及第一延迟器。3.如权利要求1所述的基于级联DE-MZM大范围可重构UWB的产生装置，其特征在于，所述放大器与第二级DE-MZM的两臂之间还设有第二衰减器及第二延迟器。4.如权利要求1所述的基于级联DE-MZM大范围可重构UWB的产生装置，其特征在于，所述光耦合器与第一级DE-MZM、第二级DE-MZM的输入端各设有一个偏振控制器。5.—种基于级联DE-MZM大范围可重构UWB的产生方法，其特征在于，所述方法为：激光器产生的连续光经光耦合器后分成两路，分别进入第一级DE-MZM、第二级DE-MZM中，在耦合器输出的上支路中，一路高斯脉冲信号被分成两路，经过衰减和延时后分别输入至IJ第一级DE-MZM的两臂，以调制光载波，由于偏置电压的影响，第一级DE-MZM内两臂的信号发生干涉，完成相位到强度的转换，再经过第一光电探测器转换成电脉冲，接着，将第一级DE-MZM产生的信号经过放大器的放大、衰减和延时后输入到第二级DE-MZM的两臂中进行二次调制，调制后的信号通过第二光电探测器完成光电转换并输出。

百度查询： 西藏大学 基于级联DE-MZM大范围可重构UWB的产生方法

免责声明
1、本报告根据公开、合法渠道获得相关数据和信息，力求客观、公正，但并不保证数据的最终完整性和准确性。
2、报告中的分析和结论仅反映本公司于发布本报告当日的职业理解，仅供参考使用，不能作为本公司承担任何法律责任的依据或者凭证。

阅读全文 双屏查看 官方信息 专利公告 收藏专利 下载PDF 下载WORD