专利名称：基于光脉冲整形的可调谐超宽带信号产生系统和方法
技术领域：
本发明涉及通信技术，特别涉及基于光脉冲整形的可调谐脉冲超宽带信号产生系统和方法。
背景技术：
超宽带技术始于20世纪60年代兴起的脉冲通信技术，利用频谱极宽的超短脉冲进行通信，又称为基带通信、无载波通信，主要用于军用雷达、定位和通信系统中。2002年2月美国，联邦通讯委员会(FCC)批准了超宽带技术用于民用，超宽带技术迅速成为国际无线通信领域研究开发的一个热点，并被视为下一代无线通信的关键技术之一。超宽带技术具有很多优势，其特点是:(I)共享频谱。超宽带与其它系统共享频谱，在7.5GHz的大带宽内，通过严格限制发射功率，避免了对其它系统的干扰。这样的频谱使用方式，在频谱资源日益稀缺的今天具
有重要意义。(2)速率高、成本低、功耗低。超宽带极宽的频谱，使其系统传输速率可达IGbps以上，在目前的无线通信技术中，超宽带技术可以满足构建无线多媒体家域网的要求；超宽带通信采用冲激脉冲形式，系统相对简单；低占空比使系统功耗很低。(3)信号衰减较小，穿透力强。采用基带窄脉冲形式的超宽带信号，具有较强的定向性，衰减很慢。(4)低侦听率。超宽带信号的功率谱密度非常低，信号难以被探测，再加上采用跳频、直接序列扩频等多址接入技术，使非授权者很难截获传输信息，因而安全性非常好。(5)抗多径能力强。由于超宽带冲激脉冲持续时间极短，而占空比很大，这一传输方式具有良好的多径分辨性，使Rake接收容易实现。图1为现有的光学辅助的脉冲超宽带信号产生系统方法示意图。现结合图1，对现有的脉冲超宽带信号产生系统的结构进行说明，具体如下:现有的脉冲超宽带信号产生系统包括:光脉冲产生装置10，光脉冲调制装置11和光电检测装置12。光脉冲产生装置10主要用于产生一个连续的光波信号，再将光信号传输到光脉冲调制装置11。其中，光脉冲发生装置10包括一个激光二极管100，产生1550nm的光波信号。光脉冲调制装置11用于产生光超宽带信号，并传输到光电检测装置12将其转换成电信号。其中，光脉冲调制装置11包括:电高斯信号发生器110,电光相位调制器111和带通滤波器112。电高斯信号发生器110用于产生一个高斯脉冲信号。电光相位调制器111，用于将电高斯脉冲信号调制到连续光上。带通滤波器112，用于滤除光脉冲信号中某些频段的频率，从而得到所需特定频段的光波。光电检测装置12用于检测输出的光超宽带信号。其中，光电检测装置12包括:光探测器120。光探测器120，用于接收光脉冲调制装置11传输的光信号，并利用光电效应将其转换成电信号。上述现有的脉冲超宽带信号产生系统方法初步实现了脉冲超宽带信号的产生，但它存在缺陷，其产生信号的波形较单一，频率较低。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于光脉冲整形的可调谐脉冲超宽带信号产生系统，该系统能够产生任意波形的超宽带信号，而且波形和频率是可控的。本发明的另一目的在于提供一种基于光脉冲整形的可调谐脉冲超宽带信号产生方法，该方法能够产生可调谐的超宽带信号，其波形和频率是任意可控的。为了达到上述目的，本发明的技术方法具体是这样实现的:一种基于光脉冲整形的可调谐脉冲超宽带信号产生系统，用于产生可调谐的脉冲超宽带信号，其特征在于，该系统包括:光脉冲产生装置、光脉冲整形装置和平衡探测装置:所述光脉冲产生装置利用光纤色散效应，对光脉冲信号宽度进行调节，用于产生适合整形处理的光脉冲信号；所述色散效应为脉冲信号在光纤中传输时，由于群速度失配，光源光谱成分中不同波长具有不同的速度，在正常色散区，光脉冲较高的频率分量(蓝光)比较低的频率分量(红光)传输得慢，引起光脉冲展宽现象，而在反常色散区，脉冲较低的频率分量(红光)比较高的频率分量(蓝光)传输得慢，引起光脉冲压缩现象；所述超短光脉冲信号为超短光脉冲激光器产生的光信号；所述光脉冲整形装置将输入的光脉冲信号进行功率与时间上的操作，利用光分路器对每路信号进行功率分配，光延迟器对每路信号进行延时控制；所述光分路器存在不同的分光比，将输入光信号功率按照比例分配，使其输出光信号的功率达到所需要求；所述光延迟器可由一段光纤组成，对输入光脉冲信号进行延时控制，使输出光信号与输入光信号有一段所需的时延差； 所述平衡探测装置用于将光超宽带信号通过光电转换变为电信号，再将两路电信号经过减法器相减处理，产生可调谐脉冲超宽带信号；所述光电转换即利用光电效应将光信号转换为电信号；上述装置中，所述光脉冲产生装置包括:超短光脉冲激光器，主要用于产生系统所需的时宽为ps量级的超短光脉冲信号；高色散系数光纤，具有高色散系数，连接超短光脉冲激光器，用于传输光脉冲，并利用光纤色散作用，对其脉冲宽度进行调节，从而达到所需脉冲宽度；上述装置中，所述光脉冲整形装置包括:光分路器，将脉冲宽度调节后的信号分成两路，传输至光脉冲整形器i中；所述i为正整数，取I和2;光脉冲整形器i，接收分离后信号，并对光脉冲的功率和时延进行操作；所述的光脉冲整形器i包括N个光分路器，2M个光延迟器和一个光组合器，其中N个光分路器，按照特定的分光比将每路信号分成一定功率分布的2路信号，使每路信号的功率达到所需要求，共产生2M路信号，再经过2M路光延迟单元，进行O到(2μ-1) τ的延时，最后通过光组合器整合成一路信号；所述分光比是按照该光分路器输入信号功率和输出信号功率的特定关系来确定的；所述N为系统光分路器的总数；所述M为系统光分路器的级数；所述τ为脉冲间时延大小，与所产生的超宽带信号中心频率有关；光组合器，将各路光脉冲信号整合在一起，产生一串所需的脉冲序列。上述装置中，所述光平衡探测装置包括:光电探测器i，接收经光整形器i整形后的光信号，利用光电效应将其变换成电信号；所述的光电探测是基于光电效应，在光的照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即将光信号转变成电信号；减法器，将两个光电探测器的输出信号进行相减处理，产生可调谐脉冲超宽带信号;一种基于光脉冲整形的可调谐脉冲超宽带信号产生方法，其特征在于，该方法包括:A、超短光脉冲激光器生成时宽为ps量级的超短光脉冲，将产生的光脉冲信号经过一些色散单元，例如一段高色散系数光纤，利用光纤色散效应，对输出光脉冲信号宽度进行调节，以达到所需脉冲宽度；B、经过光分路器将调节后的光脉冲信号分为两路，分别进入对应的光脉冲整形器中，输入信号首先经过各级光分路器和光延时器产生2M路信号，进行功率与时间上的操作，即根据所需超宽带信号，利用光分路器的不同分光比调节每路光脉冲功率，从而使信号功率达到所需要求，并通过光延时器对每路信号进行相应的时延控制，最后所需各路信号经过光组合器分别整合成一路信号；C、光信号传输至光电探测器中，经过光电变换输出相应的电信号,两个电信号相减，产生可调谐的脉冲超宽带信号；所述可调谐是由于脉冲形状可根据需要进行功率和延时控制，产生的信号波形和频率可以自由调节；上述方法，步骤A所述光脉冲产生的实现方法包括:Al、超短光脉冲激光器发出的泵浦光经过光纤耦合器进入光纤，使光纤中掺杂原子激发，生成时宽为PS量级的超短光脉冲信号；A2、产生的超短光脉冲信号经过一段高色散系数光纤，在光纤中传输时，由于群速度失配，光源光谱成分中不同波长具有不同的速度，在光纤中传输存在色散现象，利用光纤色散效应，对超短光脉冲宽度进行调节，以达到所需的脉冲宽度；上述方法，步骤B所述光脉冲整形单元的实现方法包括:B1、经过光分路器将调节后的脉冲信号分为两路，分别进入光整形器进行整形处理，首先经一个光分路器分为2路信号，每一路分别经过下一级的光分路器各自分为2路信号，共产生4路信号，依此方法得到2m路信号，每个光分路器设定特定的分光比，使2M路信号的功率按照比例分配，从而使输出光脉冲信号功率达到所需要求；B2、将经功率分配后的光脉冲信号经过光延时器，使第I至2M路分别延时O、τ、2τ...(2μ-1) τ时宽，M为系统光分路器的级数，τ为光脉冲间时延大小，与所产生的超宽带信号中心频率有关；Β3、经过光延迟单元延时后的2"路信号再通过光组合器将其整合在一起，产生一串所需的脉冲序列。上述方法，步骤C所述平衡探测单元的实现方法包括:
Cl、光电探测器接收到光脉冲信号，基于光电效应把接收到的光信号转变成电信号;C2、将两个光电探测器的输出电信号进行相减处理，得到可调谐脉冲超宽带信号。由上述的技术方法可见，本发明提供一种基于光脉冲整形的可调谐脉冲超宽带信号产生系统和方法，能够产生具有更窄时宽的超宽带信号，该系统和方法具有可调谐的功能，可以产生波形和频率任意的超宽带信号。
图1为现有的光学辅助的脉冲超宽带信号产生系统的结构示意图。图2为本发明基于光脉冲整形的可调谐脉冲超宽带信号产生系统的结构示意图。图3为本发明光脉冲整形器系统的结构示意图。图4为本发明基于光脉冲整形的可调谐脉冲超宽带信号产生方法的流程图。具体实施方法为使本发明的目的、技术方法及优点更加清楚明白，下面将根据以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明，显而易见，下面描述的附图仅仅是本发明以中心频率为24GHz，16路光脉冲信号为例。本发明提供了一种基于光脉冲整形的可调谐脉冲超宽带信号产生系统和方法，该系统中光脉冲产生装置产生所需频谱结构的超短光脉冲信号；光脉冲整形装置将接收的超短光脉冲信号经光分路器分成两路信号，每一路信号通过一个光脉冲整形器，对光脉冲信号进行整形处理，得到所需的光脉冲信号；平衡探测装置将整形后的光脉冲信号转换为电信号，最后整合成可调谐脉冲超宽带信号。图2为本发明基于光脉冲整形的可调谐脉冲超宽带信号产生系统的结构示意图。现结合图2，对本发明基于光脉冲整形的可调谐脉冲超宽带信号产生系统的结构进行说明，具体如下:本发明基于光脉冲整形的可调谐脉冲超宽带信号产生系统包括:光脉冲产生装置20，光脉冲整形装置21和平衡探测装置22 ；光脉冲产生装置20利用光纤色散效应，对超短光脉冲信号宽度进行调节，用于产生适合整形处理的光脉冲信号；所述色散效应为脉冲信号在光纤中传输时，由于群速度失配，光源光谱成分中不同波长具有不同的速度，在正常色散区，光脉冲较高的频率分量(蓝光)比较低的频率分量(红光)传输得慢，引起光脉冲展宽现象，而在反常色散区，脉冲较低的频率分量(红光)比较高的频率分量(蓝光)传输得慢，引起光脉冲压缩现象；所述超短光脉冲信号为超短光脉冲激光器产生的光信号；光脉冲整形装置21将输入的光脉冲信号进行功率与时间上的操作，利用光分路器对每路信号进行功率分配，光延迟器对每路信号进行延时控制；所述光分路器存在不同的分光比，使输入光信号功率按照比例分配，使其输出光信号的功率达到所需要求；所述光延迟器可由一段光纤组成，对输入光脉冲信号进行时延控制，使输出光信号与输入光信号有一段所需的时延差；平衡探测装置22用于将经光脉冲整形装置整形后的光脉冲信号通过光电转换为电信号，再将两路电信号经减法器相减处理，产生可调谐脉冲超宽带信号；所述光电转换即利用光电效应将光信号转换为电信号；其中光脉冲产生装置20包括I个超短光脉冲激光器200，I个高色散系数光纤201。超短光脉冲激光器200，主要用于产生系统所需的时宽为ps量级的超短光脉冲信号，输出至高色散系数光纤201 ；高色散系数光纤201，连接超短光脉冲激光器，用于传输光脉冲，并利用光纤色散效应，对其光脉冲信号宽度进行调节，从而达到所需脉冲宽度；光脉冲整形装置21包括I个光分路器210和2个光脉冲整形器211、212。光分路器21 0,用于将光脉冲产生装置传输的脉冲信号分成两路,分别输出至光脉冲整形器211、212中；所述光脉冲整形器以8路光脉冲整形为例，如图3所示，其包括7个光分路器300、301、302、303、304、305、306，8个光延时器307、308、309、3010、3011、3012、3013、3014和1个光组合器3015 ;光分路器300连接下一级光分路器301、302，所述光分路器301、302分别连接下一级光分路器303、304、305、306，所述各个光分路器按照给定的分光比将光分路器300输出的I路信号输出为具有一定功率分布的8路信号，而每个光分路器设定的分光比是由如下方法确定的:已知光分路器的插入损耗是0.2dB,每个光分路器的输入信号功率Pin和输出信号功率Pout1、PouU的关系为:
权利要求
1.一种基于光脉冲整形的可调谐脉冲超宽带信号产生系统，用于产生可调谐的脉冲超宽带信号，其特征在于，该系统包括:光脉冲产生装置、光脉冲整形装置和平衡探测装置: 所述光脉冲产生装置利用光纤的色散效应，对超短光脉冲信号宽度进行调节，用于产生适合整形处理的光脉冲信号；所述色散效应为脉冲信号在光纤中传输时，由于群速度失配，不同波长的脉冲在光纤中传输具有不同的速度，在正常色散区，光脉冲较高的频率分量(蓝光)比较低的频率分量(红光)传输得慢，引起光脉冲展宽现象，而在反常色散区，脉冲较低的频率分量(红光)比较高的频率分量(蓝光)传输得慢，引起光脉冲压缩现象；所述超短光脉冲信号为超短光脉冲激光器产生的光信号； 所述光脉冲整形装置将输入的光脉冲信号进行功率与时间上的操作，利用光分路器对每路信号进行功率分配，光延迟器进行延时控制；所述光分路器具有不同的分光比，对输入光信号的功率进行分配，使其输出光信号的功率达到所需要求；所述光延迟器可由一段光纤组成，对输入光信号的延时进行控制，使输出光信号与输入光信号有一段所需的时延差；在此装置中可以自由设定超宽带信号的中心频率以及脉冲宽度，因而所产生的脉冲超宽带 目号中心频率和波形是可控的； 所述平衡探测装置用于将两路整形后的光信号通过光电转换变为两路电信号，再经过减法器进行相减处理，可产生可调谐脉冲超宽带信号；所述光电转换即利用光电效应将光信号转换为相应电信号。
2.根据权利要求1所述的基于光脉冲整形的可调谐脉冲超宽带信号产生系统，其特征在于，所述光脉冲产生装置包括: 超短光脉冲激光器，主要用于产生系统所需的时宽为ps量级的超短光脉冲信号； 高色散系数光纤，具有高色散系数，连接超短光脉冲激光器，用于传输光脉冲信号，利用光纤色散效应，对光脉冲信号宽度进行调节，从而得到所需脉冲宽度。
3.根据权利要求1所述的基于光 脉冲整形的可调谐脉冲超宽带信号产生系统，其特征在于，所述光脉冲整形装置包括: 光分路器，将光信号传输至光脉冲整形器i中；所述i为正整数，取I与2 ; 光脉冲整形器i，接收经光分路器分离后的光脉冲信号，并对光脉冲信号进行功率和时延控制；所述的光脉冲整形器i包括N个光分路器，2m个光延迟器和一个光组合器，其中N个光分路器是按照Y分路器的形式来级联的，每个光分路器都存在特定的分光比，使输出的两路信号的功率分别达到所需要求，共产生2M路功率一定的光信号，其中2M路光信号再分别经过各路光延迟器，进行O到(2μ-1) τ的延时控制，最后通过光组合器整合成一路信号；所述分光比是按照该光分路器输入信号功率和输出信号功率的特定关系来确定的；所述N为系统光分路器的总数；所述M为系统光分路器的级数；所述τ为光脉冲间时延大小，与所产生的超宽带信号中心频率有关； 光组合器，将各路光脉冲信号整合在一起，产生一串所需的脉冲序列。
4.根据权利要求1所述的基于光脉冲整形的可调谐脉冲超宽带信号产生系统，其特征在于，所述光平衡探测装置包括: 光电探测器i，探测经过光整形器i整形后的光脉冲信号，利用光电效应将其变换成电信号；所述的光电探测是基于光电效应，在光的照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即将光信号转变成电信号；减法器，将两个光电探测器的输出电信号进行相减处理，产生可调谐脉冲超宽带信号。
5.一种基于光脉冲整形的可调谐脉冲超宽带信号产生方法，其特征在于，该方法包括: A、超短光脉冲激光器产生时宽为ps量级的超短光脉冲信号，将产生的光脉冲信号经过一些色散单元，例如一段高色散系数光纤，利用光纤色散效应，对输出光脉冲宽度进行调节，以达到所需脉冲宽度； B、经过光分路器将调节后的光脉冲信号分为两路，分别进入对应的光脉冲整形器中，输入信号首先经过各级光分路器和光延时器产生2M路信号，进行功率与时间上的操作，即根据所需超宽带信号，利用光分路器的不同分光调节各路脉冲功率，从而使每路信号功率达到所需要求，并通过光延时器对每路信号进行相应的时延控制，最后所需各路信号经过光组合器分别整合成一路信号； C、两路整形后的信号分别送入光电探测器中，输出相应的电信号，两个电信号相减，产生可调谐的脉冲超宽带信号；所述可调谐是由于脉冲形状可根据需要进行功率和时延控制，产生的信号波形和频率可以自由调节。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤A所述光脉冲产生的实现方法包括: Al、超短光脉冲激光器发出的泵浦光经过光纤耦合器进入光纤，使光纤中掺杂原子激发，生成时宽为Ps量级的超短光脉冲信号； A2、产生的超短光脉冲信号经过一段高色散系数光纤，由于光源光谱成分中不同波长具有不同的速度，在光纤中传输存在色散现象，利用色散效应，对超短光脉冲信号宽度进行调节，以达到所需的脉冲宽度。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤B所述光脉冲整形单元的实现方法包括: B1、经过光分路器将调节后的脉冲信号分为两路，分别进入光整形器进行整形处理，首先经一个光分路器分为2路信号，每一路分别经过下一级的光分路器各自分为2路信号，共产生4路信号，依此方法得到2M路信号，每个光分路器设定特定的分光比，使2M路信号的功率按照比例分配，从而使光脉冲信号功率达到所需要求； B2、将功率分配后的各路信号经过光延时器，使第I至2M路分别延时O、τ、2τ...(2μ-1) τ时宽，M为系统光分路器的级数，τ为光脉冲间时延大小，与所产生的超宽带信号中心频率有关； Β3、经过光延迟单元延时后的2Μ路信号再通过光组合器将其整合在一起，产生一串所需的脉冲序列。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤C所述平衡探测单元的实现方法包括: Cl、光电探测器接收到经光整形器整形后的光脉冲信号，基于光电效应把接收到的光信号转变成电信号； C2、将两个光电探测器的输出电信号进行相减处理，产生可调谐脉冲超宽带信号。
全文摘要
本发明提供了一种基于光脉冲整形的可调谐脉冲超宽带信号产生系统和方法，与传统的基于相位调制和一阶或二阶微分器产生超宽带信号方法不同，我们提出使用脉冲整形方式，利用多个可控分光比的光分路器对光脉冲信号进行功率分配，其功率分布可根据所需要求自由进行设置。光脉冲整形器又包含多路光延时器，分别将不同功率分布的光脉冲信号进行延时控制，最终将各路光脉冲信号整合在一起，产生所需的脉冲超宽带信号。该脉冲整形器具有可调谐的功能，能够根据所需对信号波形和频率进行自由控制。
文档编号H04B1/7163GK103166712SQ20131000364
公开日2013年6月19日 申请日期2013年1月4日 优先权日2013年1月4日
发明者尹霄丽, 涂泾伦, 尚俊宇, 陈雨露, 忻向军 申请人:北京邮电大学