孫幗丹，張秋芳，張堅(jiān)，范先，孟曉紅

大啁啾光柵梳狀濾波器UWB編碼信號(hào)的仿真分析

孫幗丹，張秋芳，張堅(jiān)，范先，孟曉紅

(解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院，江蘇南京210007)

對(duì)大啁啾相位模板附加小啁啾的來(lái)源進(jìn)行了分析與推導(dǎo)，提出了相位補(bǔ)償方案.基于相位補(bǔ)償法，分析了實(shí)現(xiàn)的高平坦大啁啾梳狀濾波器;通過(guò)改變光源陣列波長(zhǎng)間隔與偏振態(tài)提出了一種傳輸長(zhǎng)度可變、碼字可調(diào)、一致性較好的UWB網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)現(xiàn)方案.通過(guò)仿真，實(shí)現(xiàn)了相位編碼個(gè)數(shù)為4、不同碼字的monocycle信號(hào)與doublet信號(hào)產(chǎn)生.

光纖光學(xué);光纖布拉格光柵;梳狀濾波器;超寬帶

超寬帶(UWB)技術(shù)具有傳輸速率高、抗干擾能力強(qiáng)、低功耗、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、速率高等眾多優(yōu)點(diǎn)［1-2］，已成為短距離大容量無(wú)線通信系統(tǒng)和傳感網(wǎng)絡(luò)的候選技術(shù)，備受業(yè)內(nèi)外人士的青睞與關(guān)注.由受到電子瓶頸的限制，現(xiàn)有的電子技術(shù)很難產(chǎn)生中心頻率7 GHz左右，相對(duì)帶寬大于100%的UWB信號(hào).而且美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)規(guī)定，UWB信號(hào)在3.1～10.6GHz帶寬內(nèi)的功率譜密度只有-41.3 dBm/MHz，這使得UWB信號(hào)傳輸距離一般只有10 m左右［3］.為了克服電子處理速率限制和拓寬UWB無(wú)線通信系統(tǒng)的覆蓋范圍，光學(xué)方法產(chǎn)生與傳輸U(kuò)WB信號(hào)是一個(gè)很好的解決方法［4-7］.

圖1 UWB通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 UWB communication network structure

現(xiàn)有的對(duì)UWB信號(hào)光學(xué)產(chǎn)生與傳輸?shù)难芯浚蠖嗷趯?duì)固定距離的固定用戶通信.為了可重構(gòu)多用戶接入網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的發(fā)展，對(duì)不同距離多用戶的動(dòng)態(tài)容量分配方案的研究具有重要意義.如圖1，中心站根據(jù)不同基站的通信速率要求，將不同速率與編碼的UWB信號(hào)通過(guò)光纖傳輸?shù)讲煌嚯x的基站，接收端通過(guò)各自的解碼器將信息匹配接收［8］.

文獻(xiàn)［7］指出，相位調(diào)制的高斯脈沖經(jīng)過(guò)按要求設(shè)計(jì)的光纖布拉格光柵(FBG)，當(dāng)光載波在FBG反射譜的線性或者二次斜率區(qū)域時(shí)，經(jīng)過(guò)光電探測(cè)會(huì)產(chǎn)生monocycle(高斯脈沖的一階微分)或者doublet(高斯脈沖的二階微分)脈沖，它們都是UWB的基本波形.另外，光載波在相反的斜率區(qū)域還會(huì)產(chǎn)生相反極性的monocycle或者doublet脈沖.Dai Yitang和Yao Jianping［9］對(duì)這一方法進(jìn)行了進(jìn)一步研究，提出利用高斯脈沖對(duì)多波長(zhǎng)光源進(jìn)行偏振調(diào)制，線性啁啾采樣光纖光柵(LCSFBG)實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)信號(hào)的相位調(diào)制到強(qiáng)度調(diào)制轉(zhuǎn)換.通過(guò)改變光源偏振態(tài)，實(shí)現(xiàn)了不同相位編碼UWB信號(hào)固定距離的傳輸，其結(jié)構(gòu)與產(chǎn)生的信號(hào)如圖2，其中下左圖為L(zhǎng)CSFBG反射譜，下中圖為偏振調(diào)制之后產(chǎn)生的信號(hào)，下右圖為經(jīng)過(guò)LCSFBG反射后實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制到強(qiáng)度調(diào)制轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生的編碼UWB信號(hào).

但是，該方法應(yīng)用的LCSFBG隨著波長(zhǎng)的增加，反射峰幅度減小、帶寬增加，反射通帶內(nèi)群時(shí)延出現(xiàn)傾斜，形成了明顯的色散.這是因?yàn)榫€性啁啾模板的高階相位引起信道內(nèi)出現(xiàn)了非線性啁啾.由于該LCSFBG反射峰一致性較差，因此產(chǎn)生的編碼信號(hào)幅度一致性也較差;且非線性啁啾會(huì)引起信道內(nèi)的色散，需用特定長(zhǎng)度的光纖補(bǔ)償色散，所以只能實(shí)現(xiàn)特定距離的編碼信號(hào)傳輸.

圖2 編碼UWB脈沖產(chǎn)生與傳輸原理圖Fig.2 UWB-coded signal generation schematic diagram

對(duì)LCSFBG附加小啁啾的來(lái)源進(jìn)行了分析與推導(dǎo)，提出了相位補(bǔ)償方案，基于相位補(bǔ)償法實(shí)現(xiàn)的高平坦大啁啾梳狀濾波器，通過(guò)改變光源陣列波長(zhǎng)間隔與偏振態(tài)實(shí)現(xiàn)傳輸長(zhǎng)度可變、碼字可調(diào)、一致性較好的UWB網(wǎng)絡(luò)通信.仿真實(shí)現(xiàn)了相位編碼個(gè)數(shù)為4、不同碼字的monocycle信號(hào)與doublet信號(hào)產(chǎn)生.

1 原理

對(duì)于大啁啾光柵，當(dāng)Λ0?Cz時(shí)有

式中:C為光柵啁啾系數(shù)(啁啾相位模板啁啾系數(shù)的一半);Λ0為啁啾光柵的初始光柵周期;z為光柵徑向位置.這是一個(gè)近似解，當(dāng)啁啾系數(shù)C和長(zhǎng)度z增加時(shí)，φ(z)不能精確表示在位置z處的相移量.

當(dāng)Cz較大時(shí)，LCSFBG在第k個(gè)采樣后加入的相移可以近似表示為［10］

式中:右側(cè)第一項(xiàng)為文獻(xiàn)［11］中LCSFBG第k個(gè)采樣后的相移量;第二項(xiàng)為提出的相移補(bǔ)償項(xiàng).通過(guò)改變采樣間的相移為式(2)，即可實(shí)現(xiàn)理想的梳狀濾波器.

圖3 大啁啾LCSFBG反射譜Fig.3 Reflectivity of large chirped SFBG

圖3 (a)為無(wú)相移補(bǔ)償時(shí)多信道采樣LCSFBG的反射譜.隨著光柵長(zhǎng)度的增加(波長(zhǎng)的增加)，反射峰的帶寬增加，峰值降低，邊帶抑制比(SBSR)下降.圖3(b)為離散相移補(bǔ)償時(shí)多信道LCSFBG反射譜.由于線性啁啾模板引入的非線性小啁啾通過(guò)相移進(jìn)行了補(bǔ)償，所有反射峰的特性相同，實(shí)現(xiàn)了高平坦精確波長(zhǎng)間隔的梳狀濾波器.設(shè)計(jì)波長(zhǎng)間隔0.4 nm，光柵參數(shù)為:neff=1.477 5，Λ0=530.65 nm，C= 1.2 nm/cm，P=1.024 mm，α=0.055π.每個(gè)采樣的包絡(luò)形狀為一階高斯脈沖，其FWHM為0.2 mm，折射率調(diào)制強(qiáng)度為6×10-4.

圖4(a)、(b)與(c)為有無(wú)相移補(bǔ)償?shù)那闆r下短波長(zhǎng)、中心波長(zhǎng)與長(zhǎng)波長(zhǎng)信道的譜特性(下圖為相移補(bǔ)償后).隨著波長(zhǎng)的增加，無(wú)相移補(bǔ)償?shù)姆瓷渥V一致性變差，信道內(nèi)出現(xiàn)色散;相移補(bǔ)償后，梳狀濾波器的反射譜特性與色散特性保持一致.圖4(d)為光源波長(zhǎng)在圖4(b)所示的線性區(qū)域時(shí)所產(chǎn)生的monocycle波形，可見(jiàn)利用無(wú)相位補(bǔ)償光柵所產(chǎn)生的monocycle信號(hào)幅度會(huì)有差異，若用來(lái)產(chǎn)生編碼信號(hào)會(huì)影響碼字的一致性.基于圖2系統(tǒng)，通過(guò)改變光源陣列波長(zhǎng)間隔與偏振態(tài)可以實(shí)現(xiàn)傳輸長(zhǎng)度可變、碼型可調(diào)、碼字一致性較好的UWB網(wǎng)絡(luò)通信.

圖4 大啁啾LCSFBG梳狀濾波器反射譜特性Fig.4 Reflectivity and group delay of large chirped SFBG

2 結(jié)果

圖5為仿真得到相位編碼monocycle信號(hào)的時(shí)間波形，其編碼個(gè)數(shù)為4，編碼時(shí)間總長(zhǎng)為1 600 ps，圖5(a)與(b)的波長(zhǎng)間隔和傳輸距離的分別為Δλ =6 nm，L=1 km和Δλ=0.4 nm，L=50 km.

圖6為相位編碼doublet信號(hào)的時(shí)間波形，其編碼個(gè)數(shù)為4，編碼時(shí)間總長(zhǎng)為1 600 ps，圖6(a)與(b)的波長(zhǎng)間隔和傳輸距離的分別為Δλ=6 nm，L =1 km和Δλ=0.8 nm，L=25 km.以上結(jié)果表明，通過(guò)改變波長(zhǎng)間隔可以實(shí)現(xiàn)特定編碼長(zhǎng)度UWB信號(hào)的可變距離傳輸.

圖7為相位編碼monocycle與doublet信號(hào)頻譜，編碼后的頻譜包絡(luò)會(huì)有波動(dòng)，但是其仍然滿足FCC對(duì)UWB通信功率的限制.

圖8(a)為光源波長(zhǎng)間隔0.8 nm，相位編碼monocycle信號(hào)波形.光纖傳輸距離分別為10 km、35 km與50 km，得到的編碼信號(hào)時(shí)間長(zhǎng)度分別為900 ps、1 600 ps與2 000 ps.圖8(b)為接收端對(duì)編碼信號(hào)積分后的波形，可見(jiàn)只有經(jīng)過(guò)特定傳輸距離傳輸后的波形才可以在判決時(shí)間上得到正確的編碼信號(hào).每個(gè)用戶通過(guò)設(shè)置判決時(shí)間與電平可以接收各自的信號(hào).

圖5 相位編碼monocycle信號(hào)的時(shí)間波形Fig.5 Biphase-coding monocycle waveform

圖6 相位編碼doublet信號(hào)的時(shí)間波形Fig.6 Biphase-coding doublet waveform

圖7 相位編碼UWB信號(hào)頻譜(Δλ=0.8 nm，L=25 km，{0，π，0，π})Fig.7 Biphase-coding UWB signal spectrum

圖8 相位編碼monocycle信號(hào)波形積分后判決波形Fig.8 Biphase-coding monocycle signal waveform and integral decision

3 結(jié)論

基于相位補(bǔ)償法實(shí)現(xiàn)的高平坦大啁啾梳狀濾波器，提出了可重構(gòu)多用戶UWB通信方案.通過(guò)改變光源陣列波長(zhǎng)間隔與偏振態(tài)可以實(shí)現(xiàn)傳輸長(zhǎng)度可變、碼字可調(diào)、一致性較好的UWB網(wǎng)絡(luò)通信.仿真實(shí)現(xiàn)了相位編碼個(gè)數(shù)為4、不同碼字的monocycle信號(hào)與doublet信號(hào).相位編碼后的monocycle與doublet信號(hào)頻譜包絡(luò)出現(xiàn)波動(dòng)，其中相位編碼的doublet信號(hào)頻譜能很好滿足FCC對(duì)UWB通信功率的限制.分析了相同波長(zhǎng)間隔、不同傳輸距離的編碼信號(hào)在接收端積分后的波形，結(jié)果表明:只有經(jīng)過(guò)特定距離傳輸后的波形才可以在判決時(shí)間上得到正確的解碼信號(hào);每個(gè)用戶通過(guò)設(shè)置判決時(shí)間與電平可以接收各自的信號(hào).

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Simulation Analysis of UWB-Coded Signal by Large Chirped Fiber Bragg Grating Comb Filter

SUN Guo-dan，ZHANG Qiu-fang，ZHANG Jian，F(xiàn)AN Xian，MENG Xiao-hong
(Institute of Communication Engineering PLA University of Science＆Technology，Nanjing 210007，China)

The additional chirp introduced by large chirped phase mask is analyzed and calculated，then a phase compensation method is proposed.Based on phase compensation method，high flattened comb filter is realized and analyzed.A reconfigurable multi-user UWB network communication scheme is proposed by changing optical source array wavelength spacing and polarization state.Four-chip，biphase-coding monocycle and doublet signals with different code patterns are generated by simulation.

fiber optics;fiber Bragg grating(FBG);comb filter;ultrawideband(UWB)

TN929.1

A

(責(zé)任編輯 蘇曉東)

1004-8820(2015)03-0199-05

10.13951/j.cnki.37-1213/n.2015.03.009

2014-06-11

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(61032005).

孫幗丹(1984-)，女，遼寧撫順人，工程師，博士，主要從事光纖光柵與光任意波發(fā)生研究.