大啁啾光柵梳狀濾波器UWB編碼信號的仿真分析

孫幗丹，張秋芳，張堅，范先，孟曉紅

大啁啾光柵梳狀濾波器UWB編碼信號的仿真分析

孫幗丹，張秋芳，張堅，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)

對大啁啾相位模板附加小啁啾的來源進行了分析與推導(dǎo)，提出了相位補償方案.基于相位補償法，分析了實現(xiàn)的高平坦大啁啾梳狀濾波器;通過改變光源陣列波長間隔與偏振態(tài)提出了一種傳輸長度可變、碼字可調(diào)、一致性較好的UWB網(wǎng)絡(luò)通信的實現(xiàn)方案.通過仿真，實現(xiàn)了相位編碼個數(shù)為4、不同碼字的monocycle信號與doublet信號產(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、低功耗、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、速率高等眾多優(yōu)點［1-2］，已成為短距離大容量無線通信系統(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，相對帶寬大于100%的UWB信號.而且美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)規(guī)定，UWB信號在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無線通信系統(tǒng)的覆蓋范圍，光學(xué)方法產(chǎn)生與傳輸UWB信號是一個很好的解決方法［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UWB信號光學(xué)產(chǎn)生與傳輸?shù)难芯?，大多基于對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，對不同距離多用戶的動態(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信號通過光纖傳輸?shù)讲煌嚯x的基站，接收端通過各自的解碼器將信息匹配接收［8］.

文獻［7］指出，相位調(diào)制的高斯脈沖經(jīng)過按要求設(shè)計的光纖布拉格光柵(FBG)，當光載波在FBG反射譜的線性或者二次斜率區(qū)域時，經(jīng)過光電探測會產(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)域還會產(chǎn)生相反極性的monocycle或者doublet脈沖.Dai Yitang和Yao Jianping［9］對這一方法進行了進一步研究，提出利用高斯脈沖對多波長光源進行偏振調(diào)制，線性啁啾采樣光纖光柵(LCSFBG)實現(xiàn)多波長信號的相位調(diào)制到強度調(diào)制轉(zhuǎn)換.通過改變光源偏振態(tài)，實現(xiàn)了不同相位編碼UWB信號固定距離的傳輸，其結(jié)構(gòu)與產(chǎn)生的信號如圖2，其中下左圖為LCSFBG反射譜，下中圖為偏振調(diào)制之后產(chǎn)生的信號，下右圖為經(jīng)過LCSFBG反射后實現(xiàn)相位調(diào)制到強度調(diào)制轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生的編碼UWB信號.

但是，該方法應(yīng)用的LCSFBG隨著波長的增加，反射峰幅度減小、帶寬增加，反射通帶內(nèi)群時延出現(xiàn)傾斜，形成了明顯的色散.這是因為線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)生的編碼信號幅度一致性也較差;且非線性啁啾會引起信道內(nèi)的色散，需用特定長度的光纖補償色散，所以只能實現(xiàn)特定距離的編碼信號傳輸.

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LCSFBG附加小啁啾的來源進行了分析與推導(dǎo)，提出了相位補償方案，基于相位補償法實現(xiàn)的高平坦大啁啾梳狀濾波器，通過改變光源陣列波長間隔與偏振態(tài)實現(xiàn)傳輸長度可變、碼字可調(diào)、一致性較好的UWB網(wǎng)絡(luò)通信.仿真實現(xiàn)了相位編碼個數(shù)為4、不同碼字的monocycle信號與doublet信號產(chǎn)生.

1 原理

對于大啁啾光柵，當Λ0?Cz時有

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.這是一個近似解，當啁啾系數(shù)C和長度z增加時，φ(z)不能精確表示在位置z處的相移量.

當Cz較大時，LCSFBG在第k個采樣后加入的相移可以近似表示為［10］

式中:右側(cè)第一項為文獻［11］中LCSFBG第k個采樣后的相移量;第二項為提出的相移補償項.通過改變采樣間的相移為式(2)，即可實現(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)為無相移補償時多信道采樣LCSFBG的反射譜.隨著光柵長度的增加(波長的增加)，反射峰的帶寬增加，峰值降低，邊帶抑制比(SBSR)下降.圖3(b)為離散相移補償時多信道LCSFBG反射譜.由于線性啁啾模板引入的非線性小啁啾通過相移進行了補償，所有反射峰的特性相同，實現(xiàn)了高平坦精確波長間隔的梳狀濾波器.設(shè)計波長間隔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)制強度為6×10-4.

圖4(a)、(b)與(c)為有無相移補償?shù)那闆r下短波長、中心波長與長波長信道的譜特性(下圖為相移補償后).隨著波長的增加，無相移補償?shù)姆瓷渥V一致性變差，信道內(nèi)出現(xiàn)色散;相移補償后，梳狀濾波器的反射譜特性與色散特性保持一致.圖4(d)為光源波長在圖4(b)所示的線性區(qū)域時所產(chǎn)生的monocycle波形，可見利用無相位補償光柵所產(chǎn)生的monocycle信號幅度會有差異，若用來產(chǎn)生編碼信號會影響碼字的一致性.基于圖2系統(tǒng)，通過改變光源陣列波長間隔與偏振態(tài)可以實現(xiàn)傳輸長度可變、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信號的時間波形，其編碼個數(shù)為4，編碼時間總長為1 600 ps，圖5(a)與(b)的波長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信號的時間波形，其編碼個數(shù)為4，編碼時間總長為1 600 ps，圖6(a)與(b)的波長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，通過改變波長間隔可以實現(xiàn)特定編碼長度UWB信號的可變距離傳輸.

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

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

圖5 相位編碼monocycle信號的時間波形Fig.5 Biphase-coding monocycle waveform

圖6 相位編碼doublet信號的時間波形Fig.6 Biphase-coding doublet waveform

圖7 相位編碼UWB信號頻譜(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

基于相位補償法實現(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.通過改變光源陣列波長間隔與偏振態(tài)可以實現(xiàn)傳輸長度可變、碼字可調(diào)、一致性較好的UWB網(wǎng)絡(luò)通信.仿真實現(xiàn)了相位編碼個數(shù)為4、不同碼字的monocycle信號與doublet信號.相位編碼后的monocycle與doublet信號頻譜包絡(luò)出現(xiàn)波動，其中相位編碼的doublet信號頻譜能很好滿足FCC對UWB通信功率的限制.分析了相同波長間隔、不同傳輸距離的編碼信號在接收端積分后的波形，結(jié)果表明:只有經(jīng)過特定距離傳輸后的波形才可以在判決時間上得到正確的解碼信號;每個用戶通過設(shè)置判決時間與電平可以接收各自的信號.

［1］Aiello G R，Rogerson G D.Ultra-wideband wireless systems［J］.IEEE Microw Mag，2003，4(2):36-47.

［2］Porcine D，Research P，Hirt W.Ultra-wideband radio technology:Potential and challenges ahead［J］.IEEE Commun Mag，2003，41(7):66-74.

［3］Foerster J，Green E，Somayazulu S，et al.Ultru-wideband technology for short or mediunl-range wireless communieations［J］.Intel Teehnology journal，2001(2):1-11.

［4］Wang Chao，Zeng Fei，Yao Jianping.All-fiber ultrawideband pulse generation based on spectral-shaping and dispersioninduced frequency-to-time conversion［J］.IEEE Photon Technol Lett，2007，19(3):137-139.

［5］Pan Shilong，Yao Jianping.Switchable UWB pulse generation using a phase modulator and a reconfigurable asymmetric Mach-Zehnder interferometer［J］.Opt Lett，2009，34(2):160 -162.

［6］Zeng Fei，Yao Jianping.Ultrawideband impulse radio signal generation using a high-speed electrooptic phase modulator and a fiber-Bragg grating-based frequency discriminator［J］.IEEE Photon Technol Lett，2006，18(19):2062-2064.

［7］Yao Jianping，Zeng Fei，Wang Qing.Photonic generation of ultrawideband signals［J］.J Lightw Technol，2007，25(11): 3219-3235.

［8］Bolea M，Mora J，Ortega B，et al.Flexible monocycle UWB generation for reconfigurable access networks［J］.IEEE Photon Technol Lett，2010，22(12):878-880.

［9］Dai Yitang，Yao Jianping.Optical generation of binary phase-coded direct-sequence UWB signals using a multichannel chirped fiber bragg grating［J］.J Lightw Technol，2008，26 (15):2513-2520.

［10］Sun Guodan，Wang Rong，Pu Tao，et al.High flattened comb filter with precise channel spacing based on linearly chirped fiber bragg grating and phase compensation［J］.Fiber and Integrated Optics，2012，31(1):33-41

［11］Dai Yitang，Chen Xiangfei，Xu Ximing，et al.High channel-count comb filter based on chirped sampled fiber bragg grating and phase shift［J］.IEEE Photon Technol Lett，2005，17(5):1040-1042.

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

國家自然科學(xué)基金重點資助項目(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.