专利名称：一种超宽带有源器件的色散补偿方法
技术领域：
本发明属于无线通信技术领域，涉及有源器件的色散补偿，特别涉及超宽带无线通信系 统中有源器件的色散补偿。
背景技术：
超宽带有源器件是超宽带无线通信系统中一个必不可少的关键组成部分，在信号变换与 传输中发挥着重要的作用。但是，由于工作带宽在几个倍频程以上，通常超宽带有源器件难 以在如此宽的频带范围内保持一致的线性相位关系。因此，当超宽带信号经过此类有源器件 之后，这种非线性相位关系会产生色散效应引起脉冲展宽，造成码间干扰，导致超宽带无线 通信系统的传输性能下降。为使有源器件在超宽带通信系统中发挥出更好的作用，为了消除 超宽带有源器件的色散效应引起的系统性能的下降，对超宽带有源器件进行色散补偿显得十 分重要。
在有源器件设计中， 一般采用色散补偿电路结构对不同频率点进行色散补偿，使器件的 相-频关系趋向线性变化。但是，对于超宽带有源器件而言，即使采用色散补偿电路，也难以 达到预期目的，这主要是因为色散补偿电路的频带范围有限。对于频带范围为几个倍频程的 有源器件进行色散补偿则显得非常困难。同时，色散补偿电路结构也会降低有源器件的其他 技术性能指标，从而限制有源器件的应用。
例如，文献"A Novel CMOS Low-Noise Amplifier Design for 3.1 to 10.6 GHz Ultra-Wide-Band Wireless Receivers," ( Yang Lu, Kiat Seng Yeo， Alper Cabuk, Jianguo Ma, Manh Anh Do and Zhenghao Lu， IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, Vol.53, No.8,pp. 1683-1692, August2006，)从低噪声放大器结构设计的角度出发，通过优化基极电感 值来达到对低噪声放大器的色散效应补偿的目的。但是限定基极电感值的同时会对低噪声放 大器其他性能指标参数的设计带来了限制，并且采用电感只能在比较窄的频带范围内实现色 散补偿。
时间反演(TimeReversal)作为一种新型的无线传输技术，在无线通信技术领域的研究中受 到极大的关注，这不仅是因为时间反演技术具备独特的时空聚焦功能，在简化系统接收机设 计的同时，能够有效抑制多径干扰、减小符号间干扰、提高系统的信噪比；而且还可以应用 于无线空间信道的色散补偿。与色散补偿电路不同，时间反演技术是在时域上进行色散补偿，理论上可以达到很宽的工作带宽，且在不改变器件结构参数的情况下能对不同形式的色散进 行补偿。
在文献"Frequency Dispersion Compensation in Time Reversal Techniques for UWB Electromagnetic，"(Mehmet E. Yavuz and Fernando L. Teixeira, IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, Vol. 2， No.2, pp. 233-237， April 2005)中，作者通过仿真的方法研究了超宽带信 号在线性色散媒质中的色散现象，并提出一种利用时间反演技术对线性色散媒质的色散效应 进行补偿的技术方案，补偿媒质的色散，使信号波形得到恢复。
文献"Compensation of the Effects of Antenna Dispersion on UWB Waveforms via Optical Pulse-Shaping Techniques" (J. D. McKinney and A. M. Weiner， IEEE Transactions on Microwave and Techniques, Vol.54, NO.4, April 2006 )中将时间反演技术应用在天线上，利用时间反演技 术对超宽带天线的色散效应进行补偿，减小了天线色散对超短脉冲波形的影响，抑制了脉冲
的色散展宽。
综上所述,在无线通信系统中，色散补偿主要有两种可行的方式， 一种采用色散补偿电路 来实现，另一种采用时间反演技术来实现。而时间反演技术作为一种新型自适应色散补偿技 术，以其超宽带的色散补偿范围，引起了人们的普遍关注。但是目前时间反演技术也只是被 应用于无线信道和天线等无源器件的色散补偿，没有用于对有源器件的色散补偿，这是因为 有源器件常伴随着频变增益或损耗，在信号变换与传输过程中，不满足互易条件，这与无源 器件的传输特性截然不同。现有的时间反演技术方案一般将器件的冲激响应进行时间反演之 后，再反馈到输入端，通过反演信道冲激响应的相位共轭特性来消除器件所引入的色散。由 于多数无源器件或无线信道具有互易性，这种简单的时间反演技术方案可以直接应用。但是， 对于有源器件而言，如低噪声放大器、功率放大器等，不能将器件的冲激响应的时间反演波 形直接反馈到输入端，这是因为，有源器件的冲激响应含有频变增益或损耗因子， 一方面不 满足互易条件，另一方面有源器件的输出信号会因反演波形中的频变增益或损耗因子的馈入 而导致波形失真和形变。更为严重的是，有源器件还有可能会因馈入的频变增益因子过高而 导致器件永久性损伤。因此，现有的时间反演技术方案不能应用于有源器件。
发明内容
本发明提出了一种超宽带有源器件的色散补偿方法，适用于对超宽带有源器件进行色散 补偿，且对超宽带有源器件的输入信号没有任何要求。
本发明的技术原理如下设超宽带有源^H牛的输入信号为;c(/)，输出信号为XO,根据有源器件信号传输理论，
有<formula>formula see original document page 6</formula>(1)
式(1)中/^)为超宽带有源器件的传输函数，且将/l(0变换到频域得到H(W):
//(剩雖)|.产) (2) 式(2)中li/(w)l为超宽带有源器件的频域增益或损耗因子，一ew为超宽带有源器件的
相位因子或色散因子；
正是由于相位因子或色散因子e^"M吏得有源器件难以保证输入信号和输出信号在相位
上保持一致，从而产生色散效应；尤其是超宽带有源器件，其输入信号和输出信号更是难以 在超宽带范围内保持一致的线性关系，其色散效应更是非常明显(如图2的曲线2和曲线3
所示)。
但是，如果我们构造一个色散补偿因子4(,)，其在频域上的表达形式为^(w)二e—刺^; 将色散补偿因子/UO作用于WO，使得
/2'(0,)③W) (3) 就会得到色散补偿后的信号<formula>formula see original document page 6</formula> (4)
在频域上
由式(5)可以看出，经色散补偿后，超宽带有源器件的输出信号和输入信号之间保持了 相位的一致性，从而消除了色散效应。
由上述原理，可将本发明技术方案描述如下
一种超宽带有源器件的色散补偿方法，设超宽带有源器件的输入信号为x(O，输出信号为乂/)，包括以下步骤
步骤l、获取超宽带有源器件的传输函数/^)，且:Kf)-^)0A(f)，其中/1(0在频域上 的表达形式为H I ^(<8)，| i为超宽带有源器件的频域增益或损耗因子，,w 为超宽带有源器件的相位因子或色散因子；
步骤2、构造超宽带有源器件的色散补偿因子AW，其在频域上的表达形式为 步骤3、利用色散补偿因子A(f)对超宽带有源器件的色散效应进行补偿，即
:^'(0-j^)(8^ (o = ^W /KO A W ，将色散补偿后的信号变换到频域上得到
r(w) =I //(cy) i =| I，可以看到补偿后的超宽带有源器件的输出
信号y'W与超宽带有源器件的输入信号;c(0具有一致的相位关系，从而消除了超宽带有源器 件的色散效应。
本发明的实质是基于时间反演技术，充分利用其色散补偿频率范围宽的优点，通过将超 宽带有源器件传输函数的相位因子e^^在时间上反转得到色散补偿因子^ W ，利用色散补偿
因子与超宽带有源器件传输函数的乘积作为"新的"传输函数，在新的传输函数的作用下， 得到经色散补偿后的超宽带有源器件的输出信号与超宽带有源器件的输入信号:c(O具有 一致的相位关系，从而消除了超宽带有源器件的色散效应。
本发明并没有改变超宽带有源器件的器件结构，也没有改变超宽带有源器件自身的传输 函数，而是利用信号处理的方法对超宽带有源器件的输入信号进行色散预补偿处理或对超宽 带有源器件的输出信号进行色散补偿处理，这就相当于构造了一个新的传输函数，在新的传
输函数的作用下，得到经色散补偿后的超宽带有源器件的输出信号乂(O与超宽带有源器件的 输入信号x(f)具有一致的相位关系，从而消除了超宽带有源器件的色散效应。
由于本发明不改变信号的幅度，所以，不会因色散补偿导致波形失真和形变，也不会导 致输入信号功率过高，弥补了现有时间反演技术方案无法应用于有源器件的不足。同时，本 发明在色散补偿过程中，不影响有源器件的其他性能指标。因此有源器件的设计可无需考虑 色散指标要求，因此，避免了传统的电路色散补偿技术对提高有源器件的其他性能指标的制约，对降低具有线性相-频关系的超宽带有源器件的设计难度具有重要意义。 本发明的有益效果是
1、 本发明采用的色散补偿方法，不改变信号强度，故不会对有源器件的频变增益或损耗 造成影响，从而解决了现有的时间反演技术无法应用于有源器件的技术问题。
2、 本发明具有与D/A转换器相同的工作带宽，具备DC到几十GHz频带范围内的色散 补偿潜力，带宽远超出色散补偿电路；
3、 本发明能够对复杂的色散以及各种形式的高阶色散进行补偿，且不受高阶谐振模的影 响，在硬件设计上比采用色散补偿电路或信道匹配滤波器简单；
4、 本发明可使超宽带有源器件的设计完全独立于色散补偿器件的设计，不需考虑色散指 标的限制，有助于提高有源器件其他性能指标及降低其设计难度。
5、 本发明属于一种自适应色散补偿技术，色散补偿因子只与所要补偿的超宽带有源器件 有关，而与超宽带有源器件的输入信号无关，因此只要色散补偿因子确定之后，就可以适用 于各种输入信号。
图1是本发明提供的超宽带有源器件的色散补偿原理示意图。
图2是利用本发明技术方案对超宽带低噪声放大器进行色散补偿的效果图。其中曲线1 是经过色散补偿后的输出信号y(O的相位，曲线2是输入信号x(0的相位，曲线3是直接放 大(未经色散补偿)的输出信号>;")的相位。
具体实施例方式
一种超宽带有源器件的色散补偿方法，设超宽带有源器件的输入信号为x(,)，输出信号
为XO，包括以下步骤
步骤l、获取超宽带有源器件的传输函数且^) = ^) ^)，其中/KO在频域上 的表达形式为& ( ) =| I ,W ,| //(0) I为超宽带有源器件的频域增益或损耗因子，ZW
为超宽带有源器件的相位因子或色散因子；
针对所有的超宽带有源器件，其传输函数可从产品说明书中直接获得，如果不能从产品说明书中直接获得，则可采用下述方法测量
首先由数字信号源产生一个频率范围为DC至20GHz的测量脉冲信号，送入任意波形发 生器进行D/A转换，得到超宽带范围的模拟测量脉冲信号；然后，将模拟测量脉冲信号送入 超宽带有源器件；然后采用串行数据分析仪对超宽带有源器件的输出信号进行A/D采样，并 利用串行数据分析仪得到的数据得到超宽带有源器件的传输函数的频域增益或损耗因子 1//(w)l和相位因子或色散因子e^w。或者利用矢量网络分析仪直接测出超宽带有源器件的传
输函数的频域增益或损耗因子II和相位因子或色散因子
需说明的是，对于特定的超宽带有源器件，可以认为在其线性工作频率范围内具有统一 的传输函数，因而只需测量一次传输函数，在后续的色散补偿过程中，无需重复测量传输函 数。
步骤2、构造超宽带有源器件的色散补偿因子&(f),其在频域上的表达形式为
在得到超宽带有源器件传输函数中的相位因子一w^之后，将其在时间上的反转得到色散 补偿因子/UO。
步骤3、利用色散补偿因子&W对超宽带有源器件的色散进行补偿，艮P:
>/(0 = :K0 ^ (0 = :c(0 /^)<8^ (0 ，将色散补偿后的信号变换到频域上得到
= I /^( )I一，) w"一) =| //(w)I J一)，可以看到补偿后的超宽带有源器件的输出
信号y々)与超宽带有源器件的输入信号x(O具有一致的相位关系，从而消除了超宽带有源器 件的色散效应。
利用色散补偿因子A(O对超宽带有源器件的色散进行补偿，具体来说，有两种补偿方式 一种是对超宽带有源器件的输入信号;c(O进行色散预补偿另一种是对超宽带有源器件的输 出信号^W进行色散补偿。
一、对超宽带有源器件的输入信号x(f)进行色散预补偿
根据色散因子—一、构造色散补偿信号^(0并进行A/D转换，然后将经A/D转换后的色散补偿信号与经A/D转换后的超宽带有源器件的输入信号;cW进行巻积运算，得到经色散 预补偿后的超宽带有源器件的输入信号;c(/)-;c(0(8^(/)，式中" "表示巻积运算符号， 再将经色散预补偿后的超宽带有源器件的输入信号x (/)经D/A转换后输入超宽带有源器件的 输入端，最终在超宽带有源器件的输出端得到与超宽带有源器件的输入信号x(r)相位一致的
经色散补偿后的输出信号=啡)=W) W)在频域上色散补偿后的输出信
号为r( ) = . e—)0(<B). I I .e讽必)=I I 。 二、对超宽带有源器件的输出信号少(/)进行色散补偿
根据色散补偿因子A (f)，构造色散补偿信号并进行A/D转换，然后将经A/D转换后的 色散补偿信号与经A/D转换后的超宽带有源器件的输出信号;KO进行巻积运算，得到经色散
补偿后的超宽带有源器件的输出信号y(0-:KO^^(0，式中"0"表示巻积运算符号，然
后格经色散补偿后的超宽带有源器件的输出信号;/(0进行D/A转换后得到最终与超宽带有源
器件的输入信号^)相位一致的经色散补偿后的输出信号;/(0 =々)<8)的).0/^)，在频域上 色散补偿后的输出信号为r( )=1 1.,(") .e-刺")=I 1 。
图2给出了利用本发明技术方案对超宽带低噪声放大器进行色散补偿的效果图。其中曲
线1是经过色散补偿后的输出信号y(O的相位，曲线2是输入信号x(0的相位，曲线3是直
接放大(未经色散补偿)的输出信号:KO的相位。从曲线3可以看出，在没有经过色散补偿
的情况下，超宽带低噪声放大器输出信号在高频段的线性相位关系急剧恶化，相位与频率之 间已不再呈现良好的线性特性，而且与输入信号的相位变化关系差异非常之大。但是，经过
色散补偿技术对其色散进行补偿之后，输入信号;c(/)和y々)的相位变化关系十分接近，两者
的相位基本吻合，相比曲线3，补偿之后的相位线性关系得到明显的改善，基本上消除了比 较强的非线性相位关系以及超宽带低噪声放大器在高频段所引入的复杂的色散效应。
需要说明的是
1、本发明的色散补偿方法可以利用相应硬件构成色散补偿器。将色散补偿器与超宽带有 源器件相串联(无论串接在超宽带有源器件的输入端还是输出端)，都可以实现对超宽带有源器件的色散效应进行色散补偿。
2、本发明中的色散补偿方法还可以由快速数字处理芯片来实现。
权利要求
1、一种超宽带有源器件的色散补偿方法，设超宽带有源器件的输入信号为x(t)，输出信号为y(t)，包括以下步骤步骤1、获取超宽带有源器件的传输函数h(t)，且<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>y</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>x</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>⊗</mo><mi>h</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id="icf0001" file="A2008100446170002C1.tif" wi="30" he="4" top= "53" left = "122" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>式中 id="icf0002" file="A2008100446170002C2.tif" wi="9" he="3" top= "53" left = "166" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>表示卷积运算符号。其中将h(t)变换到频域得到H(ω)，H(ω)＝|H(ω)|·ejθ(ω)，式中|H(ω)|为超宽带有源器件的频域增益或损耗因子，ejθ(ω)为超宽带有源器件的相位因子或色散因子；步骤2、构造超宽带有源器件的色散补偿因子h1(t)，其在频域上的表达形式为H1(ω)＝e-jθ(ω)；步骤3、利用色散补偿因子h1(t)对超宽带有源器件的色散效应进行补偿，即<maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><msup> <mi>y</mi> <mo>′</mo></msup><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>y</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>⊗</mo><msub> <mi>h</mi> <mn>1</mn></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>x</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>⊗</mo><mi>h</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>⊗</mo><msub> <mi>h</mi> <mn>1</mn></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id="icf0003" file="A2008100446170002C3.tif" wi="69" he="4" top= "124" left = "20" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>将色散补偿后的信号变换到频域上得到Y′(ω)＝X(ω)·|H(ω)|·ejθ(ω)·e-jθ(ω)＝|H(ω)|·X(ω)，得到补偿后的超宽带有源器件的输出信号y′(t)与超宽带有源器件的输入信号x(t)具有一致的相位关系，从而消除了超宽带有源器件的色散效应。
2、 根据权利要求1所述的超宽带有源器件的色散补偿方法，其特征在于，步骤1中所述 超宽带有源器件的传输函数/^)如果不能从产品说明书中直接获得，则可采用下述方法测量首先由数字信号源产生一个频率范围为DC至20GHz的测量脉冲信号，送入任意波形发 生器进行D/A转换，得到超宽带范围的模拟测量脉冲信号；然后，将模拟测量脉冲信号送入 超宽带有源器件；然后采用串行数据分析仪对超宽带有源器件的输出信号进行A/D采样，并 利用串行数据分析仪测得的数据得到超宽带有源器件的传输函数的频域增益或损耗因子li/(w)l和相位因子或色散因子e^w。或者利用矢量网络分析仪直接测出超宽带有源器件的传 输函数的频域增益或损耗因子II和相位因子或色散因子一"(<8)。
3、 根据权利要求1所述的超宽带有源器件的色散补偿方法，其特征在于，步骤2中所构 造的超宽带有源器件的色散补偿因子h(O是由步骤1中超宽带有源器件的传输函数/i(0的相 位因子或色散因子一6(0))在时间上的反转得到的。
4、 根据权利要求1所述的超宽带有源器件的色散补偿方法，其特征在于，步骤3利用色 散补偿因子/^")对超宽带有源器件的色散效应进行补偿具体采用的是对超宽带有源器件的 输入信号jc")进行色散预补偿的方法，即根据色散因子e^w，构造色散补偿信号^(0并进 行A/D转换，然后将经A/D转换后的色散补偿信号与经A/D转换后的超宽带有源器件的输 入信号x(f)进行巻积运算，得到经色散预补偿后的超宽带有源器件的输入信号V = ;cW(8^(f)，式中" "表示巻积运算符号，再将经色散预补偿后的超宽带有源器件 的输入信号x'W经D/A转换后输入超宽带有源器件的输入端，最终在超宽带有源器件的输出 端得到与超宽带有源器件的输入信号;c(/)相位一致的经色散补偿后的输出信号 y(/)-;c(Z)(8)/j(0-:c")(8^(0(S)//(0 ,在频域上色散补偿后的输出信号为 = e—则.I ) I -e则=I ) I 。
5、 根据权利要求1所述的超宽带有源器件的色散补偿方法，其特征在于，步骤3利用色 散补偿因子A(O对超宽带有源器件的色散进行补偿具体采用的是对超宽带有源器件的输出 信号y(O进行色散补偿的方法，即根据色散补偿因子^(0，构造色散补偿信号并进行A/D 转换，然后将经A/D转换后的色散补偿信号与经A/D转换后的超宽带有源器件的输出信号 y(f)进行巻积运算，得到经色散补偿后的超宽带有源器件的输出信号y々)-;^)(8^a)，式中表示巻积运算符号，然后将经色散补偿后的超宽带有源器件的输出信号乂(/)进行D/A 转换后得到最终与超宽带有源器件的输入信号;c(/)相位一致的经色散补偿后的输出信号 ;/(0 = ^)<8)/^).<8^(0 ， 在频域上色散补偿后的输出信号为 r(w) = ,). I ) I e力,)=I ) I 。
全文摘要
本发明属于无线通信技术领域，涉及有源器件的色散补偿。本发明基于时间反演技术，将超宽带有源器件传输函数的相位因子e<sup>jθ(ω)</sup>在时间上反转得到色散补偿因子h<sub>1</sub>(t)，利用色散补偿因子h<sub>1</sub>(t)对超宽带有源器件的输入信号进行色散预补偿或对输出信号进行色散补偿，最终得到经色散补偿后的输出信号y′(t)与输入信号x(t)具有一致的相位关系，消除了器件的色散效应。本发明不改变超宽带有源器件的器件结构和超宽带有源器件自身的传输函数，具有不改变信号强度，不会对有源器件的频变增益或损耗造成影响；具有与D/A转换器相同的工作带宽，具备DC到几十GHz频带范围内的色散补偿潜力；能够对复杂的色散以及各种形式的高阶色散进行补偿，且不受高阶谐振模的影响；适用于各种输入信号等特点。
文档编号H04B1/69GK101309091SQ20081004461
公开日2008年11月19日 申请日期2008年6月3日 优先权日2008年6月3日
发明者静 刘, 梁新星, 王秉中, 赵德双 申请人:电子科技大学