基於光脈衝整形的可調諧超寬帶信號產生系統和方法

2023-10-29 09:50:07 2

專利名稱：基於光脈衝整形的可調諧超寬帶信號產生系統和方法
技術領域：
本發明涉及通信技術，特別涉及基於光脈衝整形的可調諧脈衝超寬帶信號產生系統和方法。
背景技術：
超寬帶技術始於20世紀60年代興起的脈衝通信技術，利用頻譜極寬的超短脈衝進行通信，又稱為基帶通信、無載波通信，主要用於軍用雷達、定位和通信系統中。2002年2月美國，聯邦通訊委員會(FCC)批准了超寬帶技術用於民用，超寬帶技術迅速成為國際無線通信領域研究開發的一個熱點，並被視為下一代無線通信的關鍵技術之一。超寬帶技術具有很多優勢，其特點是:(I)共享頻譜。超寬帶與其它系統共享頻譜，在7.5GHz的大帶寬內，通過嚴格限制發射功率，避免了對其它系統的幹擾。這樣的頻譜使用方式，在頻譜資源日益稀缺的今天具
有重要意義。(2)速率高、成本低、功耗低。超寬帶極寬的頻譜，使其系統傳輸速率可達IGbps以上，在目前的無線通信技術中，超寬帶技術可以滿足構建無線多媒體家域網的要求；超寬帶通信採用衝激脈衝形式，系統相對簡單；低佔空比使系統功耗很低。(3)信號衰減較小，穿透力強。採用基帶窄脈衝形式的超寬帶信號，具有較強的定向性，衰減很慢。(4)低偵聽率。超寬帶信號的功率譜密度非常低，信號難以被探測，再加上採用跳頻、直接序列擴頻等多址接入技術，使非授權者很難截獲傳輸信息，因而安全性非常好。(5)抗多徑能力強。由於超寬帶衝激脈衝持續時間極短，而佔空比很大，這一傳輸方式具有良好的多徑分辨性，使Rake接收容易實現。圖1為現有的光學輔助的脈衝超寬帶信號產生系統方法示意圖。現結合圖1，對現有的脈衝超寬帶信號產生系統的結構進行說明，具體如下:現有的脈衝超寬帶信號產生系統包括:光脈衝產生裝置10，光脈衝調製裝置11和光電檢測裝置12。光脈衝產生裝置10主要用於產生一個連續的光波信號，再將光信號傳輸到光脈衝調製裝置11。其中，光脈衝發生裝置10包括一個雷射二極體100，產生1550nm的光波信號。光脈衝調製裝置11用於產生光超寬帶信號，並傳輸到光電檢測裝置12將其轉換成電信號。其中，光脈衝調製裝置11包括:電高斯信號發生器110,電光相位調製器111和帶通濾波器112。電高斯信號發生器110用於產生一個高斯脈衝信號。電光相位調製器111，用於將電高斯脈衝信號調製到連續光上。帶通濾波器112，用於濾除光脈衝信號中某些頻段的頻率，從而得到所需特定頻段的光波。光電檢測裝置12用於檢測輸出的光超寬帶信號。其中，光電檢測裝置12包括:光探測器120。光探測器120，用於接收光脈衝調製裝置11傳輸的光信號，並利用光電效應將其轉換成電信號。上述現有的脈衝超寬帶信號產生系統方法初步實現了脈衝超寬帶信號的產生，但它存在缺陷，其產生信號的波形較單一，頻率較低。

發明內容
有鑑於此，本發明的目的在於提供一種基於光脈衝整形的可調諧脈衝超寬帶信號產生系統，該系統能夠產生任意波形的超寬帶信號，而且波形和頻率是可控的。本發明的另一目的在於提供一種基於光脈衝整形的可調諧脈衝超寬帶信號產生方法，該方法能夠產生可調諧的超寬帶信號，其波形和頻率是任意可控的。為了達到上述目的，本發明的技術方法具體是這樣實現的:一種基於光脈衝整形的可調諧脈衝超寬帶信號產生系統，用於產生可調諧的脈衝超寬帶信號，其特徵在於，該系統包括:光脈衝產生裝置、光脈衝整形裝置和平衡探測裝置:所述光脈衝產生裝置利用光纖色散效應，對光脈衝信號寬度進行調節，用於產生適合整形處理的光脈衝信號；所述色散效應為脈衝信號在光纖中傳輸時，由於群速度失配，光源光譜成分中不同波長具有不同的速度，在正常色散區，光脈衝較高的頻率分量(藍光)比較低的頻率分量(紅光)傳輸得慢，引起光脈衝展寬現象，而在反常色散區，脈衝較低的頻率分量(紅光)比較高的頻率分量(藍光)傳輸得慢，引起光脈衝壓縮現象；所述超短光脈衝信號為超短光脈衝雷射器產生的光信號；所述光脈衝整形裝置將輸入的光脈衝信號進行功率與時間上的操作，利用光分路器對每路信號進行功率分配，光延遲器對每路信號進行延時控制；所述光分路器存在不同的分光比，將輸入光信號功率按照比例分配，使其輸出光信號的功率達到所需要求；所述光延遲器可由一段光纖組成，對輸入光脈衝信號進行延時控制，使輸出光信號與輸入光信號有一段所需的時延差； 所述平衡探測裝置用於將光超寬帶信號通過光電轉換變為電信號，再將兩路電信號經過減法器相減處理，產生可調諧脈衝超寬帶信號；所述光電轉換即利用光電效應將光信號轉換為電信號；上述裝置中，所述光脈衝產生裝置包括:超短光脈衝雷射器，主要用於產生系統所需的時寬為ps量級的超短光脈衝信號；高色散係數光纖，具有高色散係數，連接超短光脈衝雷射器，用於傳輸光脈衝，並利用光纖色散作用，對其脈衝寬度進行調節，從而達到所需脈衝寬度；上述裝置中，所述光脈衝整形裝置包括:光分路器，將脈衝寬度調節後的信號分成兩路，傳輸至光脈衝整形器i中；所述i為正整數，取I和2;光脈衝整形器i，接收分離後信號，並對光脈衝的功率和時延進行操作；所述的光脈衝整形器i包括N個光分路器，2M個光延遲器和一個光組合器，其中N個光分路器，按照特定的分光比將每路信號分成一定功率分布的2路信號，使每路信號的功率達到所需要求，共產生2M路信號，再經過2M路光延遲單元，進行O到(2μ-1) τ的延時，最後通過光組合器整合成一路信號；所述分光比是按照該光分路器輸入信號功率和輸出信號功率的特定關係來確定的；所述N為系統光分路器的總數；所述M為系統光分路器的級數；所述τ為脈衝間時延大小，與所產生的超寬帶信號中心頻率有關；光組合器，將各路光脈衝信號整合在一起，產生一串所需的脈衝序列。上述裝置中，所述光平衡探測裝置包括:光電探測器i，接收經光整形器i整形後的光信號，利用光電效應將其變換成電信號；所述的光電探測是基於光電效應，在光的照射下，某些物質內部的電子會被光子激發出來而形成電流，即將光信號轉變成電信號；減法器，將兩個光電探測器的輸出信號進行相減處理，產生可調諧脈衝超寬帶信號;一種基於光脈衝整形的可調諧脈衝超寬帶信號產生方法，其特徵在於，該方法包括:A、超短光脈衝雷射器生成時寬為ps量級的超短光脈衝，將產生的光脈衝信號經過一些色散單元，例如一段高色散係數光纖，利用光纖色散效應，對輸出光脈衝信號寬度進行調節，以達到所需脈衝寬度；B、經過光分路器將調節後的光脈衝信號分為兩路，分別進入對應的光脈衝整形器中，輸入信號首先經過各級光分路器和光延時器產生2M路信號，進行功率與時間上的操作，即根據所需超寬帶信號，利用光分路器的不同分光比調節每路光脈衝功率，從而使信號功率達到所需要求，並通過光延時器對每路信號進行相應的時延控制，最後所需各路信號經過光組合器分別整合成一路信號；C、光信號傳輸至光電探測器中，經過光電變換輸出相應的電信號,兩個電信號相減，產生可調諧的脈衝超寬帶信號；所述可調諧是由於脈衝形狀可根據需要進行功率和延時控制，產生的信號波形和頻率可以自由調節；上述方法，步驟A所述光脈衝產生的實現方法包括:Al、超短光脈衝雷射器發出的泵浦光經過光纖耦合器進入光纖，使光纖中摻雜原子激發，生成時寬為PS量級的超短光脈衝信號；A2、產生的超短光脈衝信號經過一段高色散係數光纖，在光纖中傳輸時，由於群速度失配，光源光譜成分中不同波長具有不同的速度，在光纖中傳輸存在色散現象，利用光纖色散效應，對超短光脈衝寬度進行調節，以達到所需的脈衝寬度；上述方法，步驟B所述光脈衝整形單元的實現方法包括:B1、經過光分路器將調節後的脈衝信號分為兩路，分別進入光整形器進行整形處理，首先經一個光分路器分為2路信號，每一路分別經過下一級的光分路器各自分為2路信號，共產生4路信號，依此方法得到2m路信號，每個光分路器設定特定的分光比，使2M路信號的功率按照比例分配，從而使輸出光脈衝信號功率達到所需要求；B2、將經功率分配後的光脈衝信號經過光延時器，使第I至2M路分別延時O、τ、2τ...(2μ-1) τ時寬，M為系統光分路器的級數，τ為光脈衝間時延大小，與所產生的超寬帶信號中心頻率有關；Β3、經過光延遲單元延時後的2"路信號再通過光組合器將其整合在一起，產生一串所需的脈衝序列。上述方法，步驟C所述平衡探測單元的實現方法包括:
Cl、光電探測器接收到光脈衝信號，基於光電效應把接收到的光信號轉變成電信號;C2、將兩個光電探測器的輸出電信號進行相減處理，得到可調諧脈衝超寬帶信號。由上述的技術方法可見，本發明提供一種基於光脈衝整形的可調諧脈衝超寬帶信號產生系統和方法，能夠產生具有更窄時寬的超寬帶信號，該系統和方法具有可調諧的功能，可以產生波形和頻率任意的超寬帶信號。


圖1為現有的光學輔助的脈衝超寬帶信號產生系統的結構示意圖。圖2為本發明基於光脈衝整形的可調諧脈衝超寬帶信號產生系統的結構示意圖。圖3為本發明光脈衝整形器系統的結構示意圖。圖4為本發明基於光脈衝整形的可調諧脈衝超寬帶信號產生方法的流程圖。具體實施方法為使本發明的目的、技術方法及優點更加清楚明白，下面將根據以下參照附圖並舉實施例，對本發明進一步詳細說明，顯而易見，下面描述的附圖僅僅是本發明以中心頻率為24GHz，16路光脈衝信號為例。本發明提供了一種基於光脈衝整形的可調諧脈衝超寬帶信號產生系統和方法，該系統中光脈衝產生裝置產生所需頻譜結構的超短光脈衝信號；光脈衝整形裝置將接收的超短光脈衝信號經光分路器分成兩路信號，每一路信號通過一個光脈衝整形器，對光脈衝信號進行整形處理，得到所需的光脈衝信號；平衡探測裝置將整形後的光脈衝信號轉換為電信號，最後整合成可調諧脈衝超寬帶信號。圖2為本發明基於光脈衝整形的可調諧脈衝超寬帶信號產生系統的結構示意圖。現結合圖2，對本發明基於光脈衝整形的可調諧脈衝超寬帶信號產生系統的結構進行說明，具體如下:本發明基於光脈衝整形的可調諧脈衝超寬帶信號產生系統包括:光脈衝產生裝置20，光脈衝整形裝置21和平衡探測裝置22 ；光脈衝產生裝置20利用光纖色散效應，對超短光脈衝信號寬度進行調節，用於產生適合整形處理的光脈衝信號；所述色散效應為脈衝信號在光纖中傳輸時，由於群速度失配，光源光譜成分中不同波長具有不同的速度，在正常色散區，光脈衝較高的頻率分量(藍光)比較低的頻率分量(紅光)傳輸得慢，引起光脈衝展寬現象，而在反常色散區，脈衝較低的頻率分量(紅光)比較高的頻率分量(藍光)傳輸得慢，引起光脈衝壓縮現象；所述超短光脈衝信號為超短光脈衝雷射器產生的光信號；光脈衝整形裝置21將輸入的光脈衝信號進行功率與時間上的操作，利用光分路器對每路信號進行功率分配，光延遲器對每路信號進行延時控制；所述光分路器存在不同的分光比，使輸入光信號功率按照比例分配，使其輸出光信號的功率達到所需要求；所述光延遲器可由一段光纖組成，對輸入光脈衝信號進行時延控制，使輸出光信號與輸入光信號有一段所需的時延差；平衡探測裝置22用於將經光脈衝整形裝置整形後的光脈衝信號通過光電轉換為電信號，再將兩路電信號經減法器相減處理，產生可調諧脈衝超寬帶信號；所述光電轉換即利用光電效應將光信號轉換為電信號；其中光脈衝產生裝置20包括I個超短光脈衝雷射器200，I個高色散係數光纖201。超短光脈衝雷射器200，主要用於產生系統所需的時寬為ps量級的超短光脈衝信號，輸出至高色散係數光纖201 ；高色散係數光纖201，連接超短光脈衝雷射器，用於傳輸光脈衝，並利用光纖色散效應，對其光脈衝信號寬度進行調節，從而達到所需脈衝寬度；光脈衝整形裝置21包括I個光分路器210和2個光脈衝整形器211、212。光分路器21 0,用於將光脈衝產生裝置傳輸的脈衝信號分成兩路,分別輸出至光脈衝整形器211、212中；所述光脈衝整形器以8路光脈衝整形為例，如圖3所示，其包括7個光分路器300、301、302、303、304、305、306，8個光延時器307、308、309、3010、3011、3012、3013、3014和1個光組合器3015 ;光分路器300連接下一級光分路器301、302，所述光分路器301、302分別連接下一級光分路器303、304、305、306，所述各個光分路器按照給定的分光比將光分路器300輸出的I路信號輸出為具有一定功率分布的8路信號，而每個光分路器設定的分光比是由如下方法確定的:已知光分路器的插入損耗是0.2dB,每個光分路器的輸入信號功率Pin和輸出信號功率Pout1、PouU的關係為:
權利要求
1.一種基於光脈衝整形的可調諧脈衝超寬帶信號產生系統，用於產生可調諧的脈衝超寬帶信號，其特徵在於，該系統包括:光脈衝產生裝置、光脈衝整形裝置和平衡探測裝置: 所述光脈衝產生裝置利用光纖的色散效應，對超短光脈衝信號寬度進行調節，用於產生適合整形處理的光脈衝信號；所述色散效應為脈衝信號在光纖中傳輸時，由於群速度失配，不同波長的脈衝在光纖中傳輸具有不同的速度，在正常色散區，光脈衝較高的頻率分量(藍光)比較低的頻率分量(紅光)傳輸得慢，引起光脈衝展寬現象，而在反常色散區，脈衝較低的頻率分量(紅光)比較高的頻率分量(藍光)傳輸得慢，引起光脈衝壓縮現象；所述超短光脈衝信號為超短光脈衝雷射器產生的光信號； 所述光脈衝整形裝置將輸入的光脈衝信號進行功率與時間上的操作，利用光分路器對每路信號進行功率分配，光延遲器進行延時控制；所述光分路器具有不同的分光比，對輸入光信號的功率進行分配，使其輸出光信號的功率達到所需要求；所述光延遲器可由一段光纖組成，對輸入光信號的延時進行控制，使輸出光信號與輸入光信號有一段所需的時延差；在此裝置中可以自由設定超寬帶信號的中心頻率以及脈衝寬度，因而所產生的脈衝超寬帶 目號中心頻率和波形是可控的； 所述平衡探測裝置用於將兩路整形後的光信號通過光電轉換變為兩路電信號，再經過減法器進行相減處理，可產生可調諧脈衝超寬帶信號；所述光電轉換即利用光電效應將光信號轉換為相應電信號。
2.根據權利要求1所述的基於光脈衝整形的可調諧脈衝超寬帶信號產生系統，其特徵在於，所述光脈衝產生裝置包括: 超短光脈衝雷射器，主要用於產生系統所需的時寬為ps量級的超短光脈衝信號； 高色散係數光纖，具有高色散係數，連接超短光脈衝雷射器，用於傳輸光脈衝信號，利用光纖色散效應，對光脈衝信號寬度進行調節，從而得到所需脈衝寬度。
3.根據權利要求1所述的基於光 脈衝整形的可調諧脈衝超寬帶信號產生系統，其特徵在於，所述光脈衝整形裝置包括: 光分路器，將光信號傳輸至光脈衝整形器i中；所述i為正整數，取I與2 ; 光脈衝整形器i，接收經光分路器分離後的光脈衝信號，並對光脈衝信號進行功率和時延控制；所述的光脈衝整形器i包括N個光分路器，2m個光延遲器和一個光組合器，其中N個光分路器是按照Y分路器的形式來級聯的，每個光分路器都存在特定的分光比，使輸出的兩路信號的功率分別達到所需要求，共產生2M路功率一定的光信號，其中2M路光信號再分別經過各路光延遲器，進行O到(2μ-1) τ的延時控制，最後通過光組合器整合成一路信號；所述分光比是按照該光分路器輸入信號功率和輸出信號功率的特定關係來確定的；所述N為系統光分路器的總數；所述M為系統光分路器的級數；所述τ為光脈衝間時延大小，與所產生的超寬帶信號中心頻率有關； 光組合器，將各路光脈衝信號整合在一起，產生一串所需的脈衝序列。
4.根據權利要求1所述的基於光脈衝整形的可調諧脈衝超寬帶信號產生系統，其特徵在於，所述光平衡探測裝置包括: 光電探測器i，探測經過光整形器i整形後的光脈衝信號，利用光電效應將其變換成電信號；所述的光電探測是基於光電效應，在光的照射下，某些物質內部的電子會被光子激發出來而形成電流，即將光信號轉變成電信號；減法器，將兩個光電探測器的輸出電信號進行相減處理，產生可調諧脈衝超寬帶信號。
5.一種基於光脈衝整形的可調諧脈衝超寬帶信號產生方法，其特徵在於，該方法包括: A、超短光脈衝雷射器產生時寬為ps量級的超短光脈衝信號，將產生的光脈衝信號經過一些色散單元，例如一段高色散係數光纖，利用光纖色散效應，對輸出光脈衝寬度進行調節，以達到所需脈衝寬度； B、經過光分路器將調節後的光脈衝信號分為兩路，分別進入對應的光脈衝整形器中，輸入信號首先經過各級光分路器和光延時器產生2M路信號，進行功率與時間上的操作，即根據所需超寬帶信號，利用光分路器的不同分光調節各路脈衝功率，從而使每路信號功率達到所需要求，並通過光延時器對每路信號進行相應的時延控制，最後所需各路信號經過光組合器分別整合成一路信號； C、兩路整形後的信號分別送入光電探測器中，輸出相應的電信號，兩個電信號相減，產生可調諧的脈衝超寬帶信號；所述可調諧是由於脈衝形狀可根據需要進行功率和時延控制，產生的信號波形和頻率可以自由調節。
6.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，步驟A所述光脈衝產生的實現方法包括: Al、超短光脈衝雷射器發出的泵浦光經過光纖耦合器進入光纖，使光纖中摻雜原子激發，生成時寬為Ps量級的超短光脈衝信號； A2、產生的超短光脈衝信號經過一段高色散係數光纖，由於光源光譜成分中不同波長具有不同的速度，在光纖中傳輸存在色散現象，利用色散效應，對超短光脈衝信號寬度進行調節，以達到所需的脈衝寬度。
7.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，步驟B所述光脈衝整形單元的實現方法包括: B1、經過光分路器將調節後的脈衝信號分為兩路，分別進入光整形器進行整形處理，首先經一個光分路器分為2路信號，每一路分別經過下一級的光分路器各自分為2路信號，共產生4路信號，依此方法得到2M路信號，每個光分路器設定特定的分光比，使2M路信號的功率按照比例分配，從而使光脈衝信號功率達到所需要求； B2、將功率分配後的各路信號經過光延時器，使第I至2M路分別延時O、τ、2τ...(2μ-1) τ時寬，M為系統光分路器的級數，τ為光脈衝間時延大小，與所產生的超寬帶信號中心頻率有關； Β3、經過光延遲單元延時後的2Μ路信號再通過光組合器將其整合在一起，產生一串所需的脈衝序列。
8.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，步驟C所述平衡探測單元的實現方法包括: Cl、光電探測器接收到經光整形器整形後的光脈衝信號，基於光電效應把接收到的光信號轉變成電信號； C2、將兩個光電探測器的輸出電信號進行相減處理，產生可調諧脈衝超寬帶信號。
全文摘要
本發明提供了一種基於光脈衝整形的可調諧脈衝超寬帶信號產生系統和方法，與傳統的基於相位調製和一階或二階微分器產生超寬帶信號方法不同，我們提出使用脈衝整形方式，利用多個可控分光比的光分路器對光脈衝信號進行功率分配，其功率分布可根據所需要求自由進行設置。光脈衝整形器又包含多路光延時器，分別將不同功率分布的光脈衝信號進行延時控制，最終將各路光脈衝信號整合在一起，產生所需的脈衝超寬帶信號。該脈衝整形器具有可調諧的功能，能夠根據所需對信號波形和頻率進行自由控制。
文檔編號H04B1/7163GK103166712SQ20131000364
公開日2013年6月19日 申請日期2013年1月4日 優先權日2013年1月4日
發明者尹霄麗, 塗涇倫, 尚俊宇, 陳雨露, 忻向軍 申請人:北京郵電大學