基于单个双驱动调制器的三维调制超宽带信号的产生方法.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103795472 A (43)申请公布日 2014.05.14 CN 103795472 A (21)申请号 201410075540.6 (22)申请日 2014.03.04 H04B 10/524(2013.01) (71)申请人 上海交通大学 地址 200240 上海市闵行区东川路 800 号 (72)发明人 曹攀 胡小锋 孙晓文 吴佳旸 苏翼凯 (74)专利代理机构 上海交达专利事务所 31201 代理人 王毓理 王锡麟 (54) 发明名称 基于单个双驱动调制器的三维调制超宽带信 号的产生方法 (57) 摘要 一种通信技术领域的基于单个双驱动调制器 的三维调。

2、制超宽带信号的产生方法， 首先由脉冲 信号源产生四路数据脉冲信号， 每路数据脉冲信 号经过预编码处理使得第一数据脉冲信号和第三 数据脉冲信号的电压幅度高于第二数据脉冲信 号和第四数据脉冲信号的电压幅度 ； 然后分别将 第一数据脉冲信号和第二数据脉冲信号进行叠 加、 将第三数据脉冲信号和第四数据脉冲信号进 行叠加并形成两组叠加信号 ； 然后将叠加信号分 别经过放大后及相位偏置处理后加载至双驱动马 赫 - 曾德尔调制器的两端， 使得双驱动马赫 - 曾 德尔调制器输出相干叠加后的三个维度的 UWB 信 号。本发明能够有效的提升系统的带宽和产生 UWB 信号的维度。 (51)Int.Cl. 权利要求书。

3、 1 页 说明书 5 页 附图 4 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图4页 (10)申请公布号 CN 103795472 A CN 103795472 A 1/1 页 2 1. 一种基于单个双驱动调制器的三维调制超宽带信号的产生方法， 其特征在于， 包括 以下步骤 ： 1） 由脉冲信号源产生四路数据脉冲信号， 每路数据脉冲信号经过预编码处理使得第一 数据脉冲信号和第三数据脉冲信号的电压幅度高于第二数据脉冲信号和第四数据脉冲信 号的电压幅度 ； 然后分别将第一数据脉冲信号和第二数据脉冲信号进行叠加、 将第三数据 脉冲信号和第四数据脉冲。

4、信号进行叠加并形成两组叠加信号 ； 2） 将叠加信号分别经过放大后及相位偏置处理后加载至双驱动马赫 - 曾德尔调制器 的两端， 使得双驱动马赫 - 曾德尔调制器输出相干叠加后的三个维度的 UWB 信号。 2. 根据权利要求 1 所述的方法， 其特征是， 所述的相位偏置处理是指 ： 通过调节两组叠 加信号的偏置使得双驱动马赫 - 曾德尔调制器的两端上加载的信号之间相位差为 /2。 3. 根据权利要求 1 或 2 所述的方法， 其特征是， 所述的三个维度的 UWB 信号表示为 ： 其中Ei为输入的电功率， Dataamplitude为信 号传递的幅度信息 ； Dataphase信号传递的相位信息 。

5、； Dataamplitude为信号传递的位置信息。 4. 根据权利要求 3 所述的方法， 其特征是， 所述的 UWB 信号包括 ： 预编码信号位置决定 的脉冲位置调制信号， 同时通过正向反向脉冲相对位置决定的脉冲相位调制信号， 通过 UWB 信号脉冲幅度决定的脉冲幅度调制信号。 5. 根据权利要求 3 所述的方法， 其特征是， 所述的预编码处理具体是指 ： 将要调制的信 号每相邻的四个比特分为一组， 然后查找表格得到相应信号的8个bit信息， 从而得到相应 的预编码信号。 6. 一种基于上述任一项权利要求所述方法的实现装置， 其特征在于， 包括 ： 激光器、 双 驱动马赫 - 曾德尔调制器、。

6、 脉冲信号发射源、 加法器、 放大器、 偏置控制器、 偏振控制器和接 收机。其中 ： 激光器发生光载波经过偏振控制器传输至双驱动马赫 - 曾德尔调制器， 脉冲 信号发射源产生四路经过预编码处理数据使得第一数据脉冲信号和第三数据脉冲信号的 电压幅度高于第二数据脉冲信号和第四数据脉冲信号的电压幅度， 第一数据脉冲信号和第 二数据脉冲信号、 第三数据脉冲信号和第四数据脉冲信号分别经过加法器得到两组叠加信 号， 两组叠加信号分别经过放大器和偏置控制器传输至双驱动马赫 - 曾德尔调制器， 双驱 动马赫 - 曾德尔调制器输出三个维度的 UWB 信号至接收机。 权 利 要 求 书 CN 103795472 。

7、A 2 1/5 页 3 基于单个双驱动调制器的三维调制超宽带信号的产生方法 技术领域 0001 本发明涉及的是一种通信技术领域的方法， 具体是一种利用单个双驱动马赫 - 曾 德尔调制器 （Dual-drive MachZehnder Modulator,DDMZM） 产生高速的三维调制超宽带 信号 （Ultra wideband， UWB） 的方法。 背景技术 0002 无 线 通 信 系 统 给 现 代 社 会 带 了 很 多 便 利，电 话，电 视，无 线 保 真 （Wireless-fidelity,Wi-Fi） , 全球定位技术 （Global Position System， GPS。

8、） 等技术都 对人们的生活影响巨大， 可以说人类今天已经无法离开无线通信。与此同时超宽带信号 （Ultra wideband， UWB） 作为一种无线通讯技术被广泛研究， 主要由于它有诸多优势 ： 与其 它无线通信系统的共存， 高带宽， 低功率谱密度等。随着各种无线业务带宽的增加， 系统的 带宽需求逐渐增大， 因此产生高速的 UWB 信号成为一个人们的研究方向， 通过光子学的技 术产生并传输 UWB 信号可以有效提高系统的带宽和传输距离， 同时降低产生的复杂度， 因 此需要通过光子学的技术来产生高速的 UWB 数据。 0003 UWB 信号的光子产生技术， 主要是通过各种光电转换的技术， 将电。

9、域上的低速高斯 信号调制到光域， 同时通过各种全光技术产生一个反向的能量信号， 在时域上错开后可以 得到相应的 UWB 波形和信号。要产生 UWB 信号可以采用多种技术， 将一个 10GHz 低重复率 的类高斯脉冲通过色散传输可以有效的减少射频 （Radio frequency， RF） 信号低频的能量， 从而使输出的信号满足 UWB 信号的频谱需求。然而现有的 UWB 信号大多数是低速的 UWB 信 号， 同时大多数的信号都是在同一个维度， 包括 UWB 脉冲的相位调制， 幅度调制， 脉冲形状 调制， 脉冲强度调制， 脉冲位置调制等技术。因此如何通过简便的方法来产生高速的， 多个 维度的 U。

10、WB 信号称为一种挑战。 0004 经 过 对 现 有 技 术 的 检 索 发 现， 2006 年 Photonics Technology Letter 第 18 卷 19 期 的 论 文 ： Fei Zeng and Jianping Yao,“Ultra wideband impulse radio signal generation using a high-speed electrooptic phase modulator and a fiber-Bragg-grating-based frequency discriminator,”加拿大渥太华大学的姚建平 等人提出， 将低重复。

11、率的类高斯脉冲串， 通过电光调制技术得到相应为相位信号， 接着将相 位调制信号波长放置在光纤布拉格光栅 (FBG) 的滤波上升沿和下降沿， 根据鉴频技术的原 理， 可以产生两种或者多种不同波形的 UWB 信号， 但是在同一个时刻只能产生一种波形， 要 产生不同波形信号间的切换需要调节光载波的中心波长。 0005 进一步检索发现， 2009 年 Optics Letters 第 31 卷 21 期的论文 ： Qing Wang,Fei Zeng, Sebastien Blais,and Jianping Yao “Optical UWB monocycle pulse generation ba。

12、sed on cross-gainmodulation in a semiconductor optical amplifier” , 加拿大渥 太华大学的姚建平等人又提出， 将低重复率的类高斯脉冲串， 通过电光强度调制器调制技 术得到相应为相位信号， 通过将信号和另外一个波长的光同时输入半导体光放大器产生了 反向的强度信号， 经过延时的时域的错开组合得到了相应的 UWB 信号， 但是只能产生还有 说 明 书 CN 103795472 A 3 2/5 页 4 开关键控 （OOK） 的数据。 发明内容 0006 本发明针对现有技术存在的上述不足， 提供一种三维调制超宽带信号的方法， 能 够有效的。

13、提升系统的带宽和产生 UWB 信号的维度。 0007 本发明是通过以下技术方案实现的， 本发明包括以下步骤 ： 0008 1） 由脉冲信号源 （Pattern pulse generator， PPG） 产生四路数据脉冲信号， 每路 数据脉冲信号经过预编码处理使得第一数据脉冲信号和第三数据脉冲信号的电压幅度高 于第二数据脉冲信号和第四数据脉冲信号的电压幅度 ； 然后分别将第一数据脉冲信号和第 二数据脉冲信号进行叠加、 将第三数据脉冲信号和第四数据脉冲信号进行叠加并形成两组 叠加信号 ； 0009 2） 将叠加信号分别经过放大后及相位偏置处理后加载至双驱动马赫 - 曾德尔调 制器的两端， 使得双。

14、驱动马赫 - 曾德尔调制器输出相干叠加后的三个维度的 UWB 信号。 0010 所述的相位偏置处理是指 ： 通过调节两组叠加信号的偏置使得双驱动马赫 - 曾德 尔调制器的两端上加载的信号之间相位差为 /2。 0011 所述的三个维度的 UWB 信号为 ： 0012 其中 ： Ei为输入的电功率， Dataamplitude为信号传递的幅度信息 ； Dataphase信号传递的相位信息 ； Dataamplitude为信号传递 的位置信息， 该 UWB 信号包括 ： 预编码信号位置决定的脉冲位置调制信号， 同时通过正向反 向脉冲相对位置决定的脉冲相位调制信号， 通过 UWB 信号脉冲幅度决定的脉。

15、冲幅度调制信 号。 0013 所述的预编码处理具体是指 ： 将要调制的信号每相邻的四个比特分为一组， 然后 查找表格得到相应信号的 8 个 bit 信息， 从而得到相应的预编码信号。 0014 本发明涉及一种实现上述方法的装置， 包括 ： 激光器、 双驱动马赫 - 曾德尔调制 器、 脉冲信号发射源、 加法器、 放大器、 偏置控制器、 偏振控制器和接收机。 其中 ： 激光器发生 光载波经过偏振控制器传输至双驱动马赫 - 曾德尔调制器， 脉冲信号发射源产生四路经过 预编码处理数据使得第一数据脉冲信号和第三数据脉冲信号的电压幅度高于第二数据脉 冲信号和第四数据脉冲信号的电压幅度， 第一数据脉冲信号和。

16、第二数据脉冲信号、 第三数 据脉冲信号和第四数据脉冲信号分别经过加法器得到两组叠加信号， 两组叠加信号分别经 过放大器和偏置控制器传 输至双驱动马赫-曾德尔调制器， 双驱动马赫-曾德尔调制器输 出三个维度的 UWB 信号至接收机。 0015 与现有技术相比， 本发明通过简单的单波长光和双驱动马赫 - 曾德尔调制器就能 产生含有三个维度的 UWB 信号， 从而可以在符号率不变的情况下大大的提升系统所传输的 数据率。 附图说明 0016 图 1 为本发明的原理示意图 ； 0017 图 2 为本发明波形示意图 ； 说 明 书 CN 103795472 A 4 3/5 页 5 0018 图中 ： (i。

17、)-(iv) 为加载在双驱动马赫 - 曾德尔调制器两个射频端口的 4 个不同的 信号的波形和叠加波形， (v) 为调制到光信号上的相位信息和输出端的叠加相干输出示意 图 ； 0019 图 3 为三个维度信号 UWB 信号波形， 三个维度的各自信息和对应的比特信息和其 对应的四路信号的比特序列 ； 0020 图 4 为实施例 1 中叠加后生成的两路电信号 ； 0021 图 5 为在不同时域尺度下传输前和传输后信号的波形图 ； 0022 图 6 为实施例 1 中产生信号的三维 UWB 信号电频谱 ； 0023 图 7 为实施例 1 中产生的三维 UWB 信号波形对应的位置、 相位和幅度信息。 具体。

18、实施方式 0024 下面对本发明的实施例作详细说明， 本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施， 给出了详细的实施方式和具体的操作过程， 但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。 实施例 1 0025 本实施例的方法具体是 ： 首先由脉冲信号源产生四路数据脉冲信号， 即图 1 中所 示的数据 1、 数据 2、 数据 3 和数据 4， 各个信号经过预编码处理使得第一数据脉冲信号和第 三数据脉冲信号电压幅度高于第二数据脉冲信号和第四数据脉冲信号的电压幅度， 第一数 据脉冲信号和第二数据脉冲信号进行叠加， 第三数据脉冲信号和第四数据脉冲信号进行叠 加， 形成两组叠加信号且分别经过放大后及相位偏置。

19、处理后加载至双驱动马赫 - 曾德尔调 制器的两端， 使得双驱动马赫 - 曾德尔调制器输出相干叠加后的三个维度的 UWB 信号。 0026 所述的相位偏置处理是指 ： 通过调节两组叠加信号的偏置使得双驱动马赫 - 曾德 尔调制器的两端上加载的信号之间相位差为 /2。 0027 所述的三个维度的 UWB 信号包括 ： 预编码信号位置决定的脉冲位置调制信号， 同 时通过正向反向脉冲相对位置所携带的相位信息决定了脉冲相位调制信号， 再通过 UWB 信 号脉冲幅度决定的脉冲幅度调制信号。 0028 所述的预编码处理具体是指 ： 将传递的信号每相邻的四个比特分为一组， 然后按 照查 找表格的到相应信号的 。

20、8 个 bit 信息， 从而得到相应的预编码信号。 0029 如图 1 所示， 本实施例使用的装置包括 ： 激光器 1、 双驱动马赫 - 曾德尔调制器 2、 脉冲信号发射源 （未示出） 、 加法器 3、 放大器 4、 偏置控制器 5、 偏振控制器 6、 接收机 7。其中 脉冲信号发射源可以产生四路数据均为 10GHz 的高斯脉冲， 同时每个信号进行相应的预编 码处理， 四个信号中第一数据脉冲信号和第三数据脉冲信号有高的电压幅度， 同时第二数 据脉冲信号和第四数据脉冲信号有低的电压幅度。 第一数据脉冲信号和第二数据脉冲信号 有不同的电压幅度， 然后进行叠加， 再通过射频驱动放大器 4 的放大， 。

21、再接着经由偏置控制 器 5 调制双驱动马赫 - 曾德尔调制器 2 的射频第一端口。与此同时第三数据脉冲信号和第 四数据脉冲信号采用同样的技术将组合后的数据加载到射频第二端口， 通过合理的调节叠 加后的两路数据的幅度， 可以双驱动马赫 - 曾德尔调制器 2 的两端分别产生一个 /2 的相 位调制信号， 与此同时通过调节两个偏置控制器 5 使上下两路信号间的相移达到 /2， 因 此两个信号在双驱动马赫 - 曾德尔调制器 2 中干涉合路会产生相应的强度信号， 从而得到 说 明 书 CN 103795472 A 5 4/5 页 6 三个维度的 UWB 信号。信号经过光纤传输后可以被接收机 7 检测， 。

22、得到相应的电信号。从 而通过全光的技术产生了三维的 UWB 信号。 0030 所述的激光器 1 是一种能产生窄线宽的光载波的激光器 1， 可以用于将电的信号 调制到光域。 0031 所述的双驱动马赫 - 曾德尔调制器 2 是一种双驱动的调制器， 调制器上下两臂分 别由一个相位调制器构成。两端分别可以分别在不同的外部电信号的驱动下进行相位调 制， 然后在输出处， 两路相位调制信号进行干涉从而得到输出的三个维度的电信号。 0032 所述的传输光纤是一段长度约为 25km 的标准单模光纤， 它的损耗衰减系数为 0.2dB/km。 0033 所述的调制驱动放大器 4 是调制驱动放大器 4， 可以将电信。

23、号的幅度进行相应的 放大得到需求的幅度。 0034 所述的偏置控制器 5 是一种可以在放大后的射频信号上加载上一个直流的偏置 信号， 用与控制输出信号的据对相移和两路信号间的相对相移。 0035 所述的光接收机 7 用于将光上面产生的 UWB 信号转换到电域， 实现光电转换。 0036 如图 1 所示， 产生三个维度 UWB 信号的基本原理， 激光器 1 输出的光经过双驱动马 赫 - 曾德尔调制器 2 的光电调制可以在不同的四路信号叠加两路信号的驱动下， 结合调节 两个偏置电压和对于各个信号进行合理的预编码， 可以在双驱动马赫 - 曾德尔调制器 2 的 相干输出端口得到相应的含有三个维度的超宽。

24、带调制信号， 经过接收机 7 可以得到相应的 电信号。 0037 如图 2 所示， 四路预编码信号波形， 图 2 中 i 所示第一数据脉冲信号和第二数据脉 冲信号叠加后进行放大， 同时图2中ii所示第三数据脉冲信号和第四数据脉冲信号也进行 同样的处理， 图 2 中 iii、 图 2 中 iv 所示， 经过放大两路信号在双驱动马赫 - 曾德尔调制器 2的两个端口可以分别得到 最大相移为/2的相位调制信号。 控制两路间的相移， 可以的 使两端的相对相移达到 /2， 因此干涉输出得到图 v 所示相应的含有三个维度信息的 UWB 信号。在图中 A 对应高电平信号的最大幅度， B 代表了低电平电信号的最。

25、大幅度。最终的 单个 UWB 信号可以表示为 ： 其中 Ei 为 输入的电功率， Dataamplitude为信号传递的幅度信息， 可以取 A 或者 B， 对应比特 1 和比特 0 ； Dataphase信号传递的相位信息， 可以取 1 或者 -1 对应比特 1 和比特 0 ； Dataamplitude为信号传 递的位置信息， 可以取 01100000 ,00110000 ,00011000 , 和 00001100 ， 对应比特 00,01,10， 和 11， 或者 -1 对应比特 1 和比特 0 ； 0038 如图 3 所示， 每种不同 UWB 波形在 8 个时间间隔的符号周期中对应的三。

26、个维度的 信息， 其中 UWB 信号可以分别在图中给出的 4 个位置出现， 分别对应 ：01100000 , 001100 00 ,00011000 , 和 00001100 。同时 UWB 脉冲的幅度高和低分别对应 1 个比特的数据， 再者 UWB 脉冲的相位可以传递一个比特的相位信号。 0039 如下表所示， 在 16 中不同的传输比特序列中每路数据对应的脉冲位置， 图中的数 据给出了 1 在 8 个比特的周期中的位置， 根据不同的传输比特可以经由此图得到相应的 四路脉冲的数据。例如对于比特序列 0000 , 第一数据脉冲信号 , 第二数据脉冲信号 , 第三数据脉冲信号和第四数据脉冲信号分。

27、别是 00000000 ,01000000 ,00000000 和 说 明 书 CN 103795472 A 6 5/5 页 7 00100000 。 0040 如图 4 所示， 由脉冲信号发射源产生 10GHz 重复率的含有第一数据脉冲信号 - 第 四数据脉冲信号的四个不同的信号经过两两叠加后分别通过偏置控制器 5 调制到双驱动 马赫 - 曾德尔调制器 2 的两端， 10GHz 的单独比特 1 近似的可以认为类高斯脉冲信号。调 制后的光信号经过单模光纤的传输， 然后信号通过接收机 7 将光信号转换成电的三维超宽 带信号。 0041 如图 5 所示， 第一数据脉冲信号和第二数据脉冲信号叠加， 。

28、第三数据脉冲信号和 第四数据脉冲信号叠加后得到的信号波形， 经过图 2 中的预编码处理， 可以在驱动双驱动 马赫 - 曾德尔调制器 2 的两端的时候产生相应的三个维度调制的 UWB 信号。 0042 如图 6 所示， 左边 a 为信号 b-t-b， 右边 b 为传输 25km 的波形图， 其中时间尺度分 别为 1000ps/div,500ps/div 和 200ps/div。 0043 如图 7 所示， 经过电谱分析仪设备得到的三维 UWB 信号的电谱， 产生的 UWB 信号中 心波长是 3.5GHz， 10dB 带宽为 5.7GHz， 从 1.2GHz 到 6.9GHz， 因此信号的相对 1。

29、0dB 带宽大 约为 163%。 0044 如图 7 所示， 产生三维 UWB 波形对应的三个维度的信号比特， UWB 脉冲对应的脉冲 位置信号为 10 ,10 ,11 ,00 ,01 和 00 。与此同时通过信号幅度和相位调 制信号传输的比特为 11 ,01 ,00 ,11 ,01 和 10 。因此每个三维的 UWB 信 号脉冲对应的信号比特分别是 1011 ,1001 ,1100 ,0011 ,0101 和 0010 。 说 明 书 CN 103795472 A 7 1/4 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103795472 A 8 2/4 页 9 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103795472 A 9 3/4 页 10 图 5 说 明 书 附 图 CN 103795472 A 10 4/4 页 11 图 6 图 7 说 明 书 附 图 CN 103795472 A 11 。