专利名称：基于电带通滤波器的超宽带信号发生器的制作方法
技术领域：
本发明涉及ー种超宽带信号发生器，特别涉及一种基于电带通滤波器的高功效光学超宽带信号发生器。
背景技术：
超宽带(UWB Ultra-ffideband)是ー种新型的无线通信技术,它通过对具有很陆上升和下降时间的冲激脉冲进行直接调制，使信号具有GHz量级的带宽。超宽带技术解决了困扰传统无线技术多年的有关传播方面的重大难题，它具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、低截获能力、系统复杂度低、能提供数厘米的定位精度等优点。有人称它为无线电领域的一次革命性进展，认为它将成为未来短距离无线通信的主流技木。作为室内通信用途，美国联邦通信委员会(FCC :Federal Communications Commission)已经将 3. I 10. 6GHz频带段向UffB通信开放。UWB系统由于具有抗干扰性能强、数据传输率高、功耗低以及在短距离无线通信中抗多径衰减等多方面的优势，近年来已经得到了人们极大的关注。然而，由于极低的辐射功率(小于-43. 3dBm/MHz), UffB信号只能传输很短的距离(小于几十米)。一个可行的办法则是采用光纤传输UWB技木，它利用极低损耗的光纤长距离地传输UWB信号。因此对UWB信号的光学操纵(包括产生、传输和调制)是非常有吸引力的，因为它可以很容易地被融入到光纤传输UWB网络中去。光学UWB系统的关键性挑战之ー是UWB射频(RF =Radio Frequency)频谱的功率效率。根据FCC频谱模板规定，在3. I 10. 6GHz频段内最大辐射功率要低于_41. 3dBm/MHz，而在全球定位系统(GPS)频段(O. 91 I. 63GHz)内最大辐射功率要低于_75dBm/MHz。传统的UWB脉冲,例如高斯脉冲的一阶导数和ニ阶导数(monocycle和doublet),大多数都违反标准FCC模板在GPS频段的規定，除非其总功率被大大衰减。但降低发射功率将会极大地降低其性能。为了获得一个无需衰减总功率的高功效的UWB波形，大多数研究人员试图根据傅里叶变换理论来设计特定的UWB波形，以使其RF频谱能量可以高功率效率地充分填充到标准FCC模板上。目前最流行的方法之一是通过不同步地结合几个时域的monocycle波形(基本単元)以获得高功效的UWB波形。如使用一个非线性的半导体光放大器将三个不同权重的monocycle波形结合得到高功效的UWB波形(J. Dong, B. Luo, D.Huang, and X.Zhang, “Photonic Generation of Power-Efficient FCC-CompliantUltra-wideband Waveforms using SOAs: Theoretical Analysis and ExperimentVerifications, ”Chinese physics B，2012)。又如香港大学的学者釆用高非线性光纤产生两个不对称的monocycle波形，然后将其结合成ー个高功效的UWB波形。也可使用两个相位调制器代替高非线性光纤的办法(P. Li，H. Chen, M. Chen, and S. Xie, “Apower-efficient photonic 00K and BPSK modulated Gigabit/s IR-UffB over fiber system, ” in Asia-Pacific, MWP/APMP，254-257，2011)。这些方案都能产生很高功效的UWB波形，但由于需要用到很多激光器和非线性光电器件使得这些系统都非常的昂贵。而且，每一路monocycle波形的延迟时间和权重都需要精确的调整，因此，系统对外界环境不稳定。也有较低成本的解决方案(S. T. Abraha, C. M. Okonkwo, E. Tangdiongga, andA. M. J. Koonen, " Power-efficient impulse radio ultrawideband pulse generatorbased on the I inear sum of modified doublet pulses, " Opt.Lett.，vo丄36，pp. 2363-2365，2011)，通过使用ー个均衡探测器(BPD)对经调整过的doublet脉冲相カロ。然而，经过BH)检测后产生的高功效脉冲实际上是ー个电信号，它并不能使用光纤传输。另外ー种流行的方法则是使用一个切趾光纤布拉格光栅(FBG)在频域设计ー个高功效的形状，然后再采用频时映射技木。因为操纵频域形状要比操纵时域形状容易的多，但是由于FBG是热敏感器件，且整个系统仍然非常体积庞大，所以依然存在ー些问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种基于电带通滤波器的超宽带信号发生器，解决现有UWB系统功效低、结构复杂、成本高以及不稳定的问题。基于电带通滤波器的超宽带信号发生器，包括依次相接的码流发生器I、电带通滤波器2和马赫曾德尔调制器5，另有激光器4与马赫曾德尔调制器5相接；码流发生器I产生电信号，电带通滤波器2对电信号滤波得到电的超宽带信号，马赫曾德尔调制器5利用超宽带信号作为调制信号对激光器4产生的探測光进行调制，得到并输出光学超宽带信号。进ー步地，所述电带通滤波器2与马赫曾德尔调制器5之间串接有功率放大器3。进ー步地,所述电带通滤波器2的通频带为3. I 10. 6GHzo进ー步地，所述码流发生器I产生的电信号的3dB带宽大于10GHz。进ー步地，所述马赫曾德尔调制器5为电吸收调制器。所述基于电带通滤波器的超宽带信号发生器的工作原理如下首先码流发生器I产生ー个带宽足够大(一般产生的电信号的3dB带宽大于IOGHz)的任意波形的电信号，然后将其通过电带通滤波器2，电带通滤波器2的通频带为3. I 10. 6GHz，用来提取输入脉冲的电谱。因此，输出的电信号将是ー个高功效的UWB电信号，因为其频谱正好完全符合FCC的标准3. I 10. 6GHz频率段被保留，其它的频率成分被完全消除。激光器4产生的探測光被马赫曾德尔调制器5调制后产生UWB光信号，实现电信号到光信号的转换以适合光纤传输。调节加载在马赫曾德尔调制器5上的直流偏置电压使其工作在线性传输区吋，马赫曾德尔调制器5将会输出高功效的光学UWB信号。通过改变直流偏置电压可使马赫曾德尔调制器5工作在正的或负的线性传输区，从而能产生ー对极性相反的UWB信号。本发明的技术效果体现在I.本发明使用的电带通滤波器的通频带为3. I 10. 6GHz，最后产生的光学UWB信号的频谱正好完全符合FCC的标准3. I 10. 6GHz频率段被保留，而其它的频率成分被完全消除，因此本发明具有很高的功率效率。2.本发明只用到了一个激光器，只有一个光载波，因此产生的光学UWB信号在用 单模光纤(SMF)传输时,有好的光纤色散容忍上限,能传输IOkm以上。3.本发明能产生双极性的UWB波形，能被用作ニ进制相移键控(BPSK)调制，改善信噪比。4.本发明仅包含了一个激光器，一个电带通滤波器以及ー个强度调制器，因此结构简单、成本低、容易实现，且功耗低、系统稳定。
图I为本发明一种实施例的结构示意图；图2为模拟的当改变输入高斯脉冲脉宽时输出的UWB信号的波形和电谱的变化示意图，其中2 (a) (c)分别为当高斯脉冲脉宽为5ps时的输入高斯脉冲波形、电带通滤波器2的输出波形和电带通滤波器2的输出频谱，2 (d) (f)分别为当高斯脉冲脉宽为50ps时的输入高斯脉冲波形、电带通滤波器2的输出波形和电带通滤波器2的输出频谱；
图3为模拟得到的功率效率随高斯脉冲脉宽变化的曲线图； 图4为模拟得到的UWB信号持续时间随电带通滤波器的带宽变化的曲线图；图5为使用的两个电带通滤波器样品的频率响应图；图6为使用通频带为3. Γ10. 6GHz的电带通滤波器，高斯脉冲脉宽分别为25ps和50ps时得到的UWB信号的波形图及电谱图，其中6 (a)和6 (b)为当高斯脉冲脉宽为50ps时，得到的极性相反的光学UWB脉冲，6 (e)和6 (f)为其相应的电谱，6 (c)和6 (d)为当高斯脉冲脉宽为25ps时，得到的极性相反的光学UWB脉冲，6 (g)和6 (h)为其相应的电谱；图7为测得的经IOkm长单模光纤传输后的UWB信号的图和电谱图，其中7 (a)和7 (b)为测得的经IOkm长单模光纤6传输后的UWB信号,7 (c)和7 (d)则为传输前后相应的电谱；图8为使用通频带为^IOGHz的电带通滤波器时得到的UWB信号的波形图和电谱图，其中8 (a)和8 (c)为测得的使用^IOGHz的电带通滤波器时得到的极性相反的UWB波形，8 (b)和8 (d)分别为其相应的电谱。
具体实施例方式图I给出了本发明ー种实施例的结构示意图。激光器4输出波长为1560nm的探测光，注入到带宽为40GHz的马赫曾德尔调制器5中。码流发生器I产生ー个高斯脉冲，其后接一个电带通滤波器2和一个电的功率放大器3，分别对高斯脉冲进行滤波和放大。经滤波和放大后得到的UWB电信号驱动马赫曾德尔调制器5，对探测光进行调制以产生一个高功效的光学UWB波形。UWB信号经IOkm长的单模光纤6传输后由光电探测器7接收并由ー个电频谱分析仪8 (Anritsu MS2668C)或者直接使用数字通信分析仪9 (Agilent DCA86100C)測量。I、本发明的理论模拟分析如下假设码流发生器I产生ー个高斯形的电脉冲，表示为g(t)。假设电带通滤波器2的频率响应函数为H(f) = u(f-flOT)-u(f-fup),其中u表示单位阶跃函数,flOT和fup分别表示电带通滤波器2的起始频率和截止频率。根据傅里叶逆变换，电带通滤波器2的脉冲响应可表示为h(t) = fBWsinc(fBWt)cos(2 π f0t),其中fKW和ち分别表示电带通滤波器2的带宽和中心频率。因此，电带通滤波器2输出的时域波形是高斯脉冲输入与电带通滤波器2脉冲响应的卷积，表示为Eout(t) = g(t)*[fBWsinc(fBWt)cos(2 JI f0t)] (I) 公式(I)描述了电带通滤波器2产生的UWB电信号的特点。如果输入的高斯脉冲是ー个超短脉冲(小于10ps)，则具有宽频谱，从而g(t)可以看作是ー个単位冲击函数δ (t)。因此输出波形就仅取决于sine函数和余弦函数的乘积。若fBW=7. 5GHz,f0=6. 85GHz，即意味着电带通滤波器2涵盖了 3. IGHz至10. 6GHz的频段。如图2所示，针对图I所示实例，模拟了当改变输入高斯脉冲脉宽时输出的UWB电信号的波形和频谱的变化，其中(a) (c)分别为当高斯脉冲脉宽为5ps时的输入高斯脉冲波形、电带通滤波器2的输出波形和电带通滤波器2的输出频谱。从图2 (c)中可以看出，输出频谱几乎为ー个矩形，为高功效的UWB频谱。图2 (d) Cf)分别为当高斯脉冲脉宽为50ps时的输入高斯脉冲波形、电带通滤波器2的输出波形和电带通滤波器2的输出频谱。从图中可以看出，当高斯脉冲脉宽为50ps时，输出频谱在高频率急剧下降，功率效率很低，且输出波形也展宽了许多。这是因为50ps的高斯脉冲具有较窄的带宽。而且g(t)和 h(t)的卷积也使得输出波形变化平滑。因此高斯脉冲的脉宽同时影响了电带通滤波器2的输出的频域特性和时域特性。光谱功率效率(炉)定义为脉冲在理想频段(3. Γ10. 6GHz)的平均功率与FCC模板
在同频段可接受的总功率的比值，表示为
权利要求
1.基于电带通滤波器的超宽带信号发生器，包括依次相接的码流发生器(I)、电带通滤波器(2)和马赫曾德尔调制器(5)，另有激光器(4)与马赫曾德尔调制器(5)相接；码流发生器(I)产生电信号，电带通滤波器(2)对电信号滤波得到电的超宽带信号，马赫曾德尔调制器(5)利用超宽带信号作为调制信号对激光器(4)产生的探測光进行调制，得到并输出光学超宽带信号。
2.根据权利要求I所述的超宽带信号发生器，其特征在于，所述电带通滤波器(2)的带宽分布在3. Γ10. 6GHz之间。
3.根据权利要求I所述的超宽带信号发生器，其特征在于，所述电带通滤波器(2)与马赫曾德尔调制器(5 )之间串接有功率放大器(3 )。
4.根据权利要求I所述的超宽带信号发生器，其特征在于，所述码流发生器(I)产生的电信号的3dB带宽大于IOGHz。
5.根据权利要求I所述的超宽带信号发生器，其特征在于，所述马赫曾德尔调制器(5)为电吸收调制器。
全文摘要
本发明公开了一种基于电带通滤波器的超宽带信号发生器，包括依次相接的码流发生器、电带通滤波器和马赫曾德尔调制器，另有激光器与马赫曾德尔调制器相接；码流发生器产生电信号，电带通滤波器对电信号滤波得到电的超宽带信号，马赫曾德尔调制器利用超宽带信号作为调制信号对激光器产生的探测光进行调制，得到并输出光学超宽带信号。本发明结构简单、成本低、容易实现，且功效高、功耗低、系统稳定。
文档编号H04B1/7163GK102694576SQ201210137368
公开日2012年9月26日 申请日期2012年5月4日 优先权日2012年5月4日
发明者张新亮, 杨婷, 罗博文, 董建绩 申请人:华中科技大学