項(xiàng) 鵬, 郭 皓, 劉 娜, 趙繼勇

(1.陸軍工程大學(xué) 通信工程學(xué)院,江蘇 南京 210007; 2.江蘇廣電有線信息網(wǎng)絡(luò)股份有限公司 南京分公司，江蘇 南京 210007； 3.66072部隊(duì)，北京 100144)

光載超寬帶系統(tǒng)將超寬帶(Ultra wide band,UWB)信號(hào)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)與光纖卓越的傳輸能力進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，順應(yīng)了未來無(wú)線通信大帶寬、大容量的發(fā)展趨勢(shì)，在民用和軍用無(wú)線寬帶接入技術(shù)領(lǐng)域中展示了廣闊的發(fā)展前景?；诠庾訉W(xué)原理的UWB信號(hào)產(chǎn)生技術(shù)可免去系統(tǒng)在進(jìn)行信號(hào)分配時(shí)的電-光轉(zhuǎn)換過程，有效降低系統(tǒng)的成本與復(fù)雜度，充分發(fā)揮現(xiàn)代光子學(xué)器件體積小、重量輕、易于調(diào)諧和抗電磁干擾的優(yōu)勢(shì)，是光載超寬帶系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。

目前主流的光子學(xué)UWB信號(hào)產(chǎn)生方法主要通過在光域中對(duì)高斯脈沖做適當(dāng)?shù)牟罘痔幚?，從而產(chǎn)生Monocycle和Doublet 2種常見的UWB脈沖波形[2]。而對(duì)于UWB信號(hào)的調(diào)制，主要是通過對(duì)系統(tǒng)輸出UWB脈沖的3個(gè)關(guān)鍵物理參數(shù)，即脈沖幅度、極性和脈沖周期的時(shí)間位置進(jìn)行快速切換，分別實(shí)現(xiàn)脈沖幅度調(diào)制(Pulse amplitude modulation,PAM)、脈沖極性調(diào)制(Bi-phase modulation,BPM)和脈沖時(shí)間位置調(diào)制(Pulse position modulation,PPM)3種調(diào)制方式[3-4]。目前已有的方案通常只是實(shí)現(xiàn)了上述3種調(diào)制方式，沒有考慮對(duì)UWB信號(hào)的多個(gè)參數(shù)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)制[5-6]。多參數(shù)聯(lián)合調(diào)制是對(duì)系統(tǒng)輸出UWB信號(hào)的幅度、極性和脈沖時(shí)間位置實(shí)現(xiàn)聯(lián)合調(diào)制，使得上述3大參數(shù)均可以獨(dú)立地改變以攜帶信息，從而成倍地增加單個(gè)UWB碼元承載的數(shù)字信息量。文獻(xiàn)[7]開創(chuàng)性地運(yùn)用這一思想，提出了一種聯(lián)合脈沖極性、幅度和時(shí)間位置調(diào)制的UWB Monocycle信號(hào)產(chǎn)生方法，該方法的主要缺點(diǎn)是缺乏靈活性，難以適應(yīng)復(fù)雜的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，同時(shí)預(yù)編碼算法復(fù)雜度較高。針對(duì)這些問題，本文提出一種新型的多參數(shù)調(diào)制UWB信號(hào)產(chǎn)生方法，該方法可在光域中產(chǎn)生UWB Doublet信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)上述3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)多種組合的多參數(shù)調(diào)制。

1 系統(tǒng)原理分析

本文所提方案的原理如圖1所示。

圖1 多參數(shù)調(diào)制UWB信號(hào)產(chǎn)生方法原理

該系統(tǒng)主要由1個(gè)半導(dǎo)體激光二極管(Laser diode,LD)、1個(gè)偏振分束器(Polarization bear splitter，PBS)、2個(gè)偏振調(diào)制器(Polarization modulator,PolM)、1個(gè)偏振合束器(Polarization beam combiner,PBC)、1個(gè)可調(diào)光延遲線(Tunable optical delay line，TODL)、1個(gè)光電二極管(Photo detector,PD)和若干偏振控制器(Polarization controller,PC)組成，并形成了雙平行支路的結(jié)構(gòu)。其中，Bias和DATA分別表示信號(hào)產(chǎn)生與調(diào)制所需的偏置電壓和數(shù)據(jù)信號(hào)(即高斯脈沖)源，分別為系統(tǒng)上、下支路的2個(gè)偏振調(diào)制器(PolM1和PolM2)提供直流偏置點(diǎn)和調(diào)制驅(qū)動(dòng)信號(hào)。LD輸出的光載波經(jīng)PC1調(diào)整偏振態(tài)，使其與PBS主軸成θ角，然后注入PBS。PBS將光載波分解為偏振態(tài)正交的2路，分別進(jìn)入后續(xù)的2條平行支路中。在PBS后面的2個(gè)信號(hào)支路中，2路光載波分別經(jīng)過PC2和PC3注入PolM1和PolM2，光載波與這2個(gè)調(diào)制器的主軸方向均成45°，并在DATA源輸入高斯脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)下分別對(duì)2路光載波實(shí)現(xiàn)偏振調(diào)制。最后，2路偏振調(diào)制輸出信號(hào)經(jīng)過PBC合路。若調(diào)整PC4和PC5，使得系統(tǒng)上、下2條支路信號(hào)在合路時(shí)分別與PBC的主軸成45°或135°夾角，則偏振調(diào)制信號(hào)被轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度調(diào)制信號(hào)。經(jīng)推導(dǎo)可得，上、下2條支路最終輸出的信號(hào)E1(t)、E2(t)分別如式(1，2)所示。

式中：E0和ωc分別為光載波的幅度和角頻率；θ為系統(tǒng)中PC1引入的偏振角；β1為PolM1的調(diào)制指數(shù)；φ1(t)為注入PolM1的高斯脈沖信號(hào)；φ1為PolM1輸出信號(hào)在2個(gè)偏振態(tài)之間的靜態(tài)相位差，由它的偏置電壓Bias1決定；j為虛數(shù)單位；τ為TODL引入的相對(duì)延時(shí)。

式中：β2為PolM2的調(diào)制指數(shù)；φ2(t)為注入PolM2的高斯脈沖信號(hào)；φ2為PolM2輸出信號(hào)在2個(gè)偏振態(tài)之間的靜態(tài)相位差，由它的偏置電壓Bias2決定。

E1(t)和E2(t)經(jīng)PBC合路后保持偏振態(tài)正交，因此經(jīng)過PD光-電檢測(cè)后，輸出信號(hào)為二者包絡(luò)檢測(cè)輸出的非相干疊加，可表示為

式中：D為輸出信號(hào)中所包含的直流分量，不影響輸出UWB信號(hào)的波形。由式(3)可以看出，系統(tǒng)最終輸出的信號(hào)主要由2路高斯驅(qū)動(dòng)信號(hào)φ1(t)和φ2(t)的余弦函數(shù)(即強(qiáng)度調(diào)制函數(shù))項(xiàng)構(gòu)成，且二者的符號(hào)相反。高斯脈沖信號(hào)經(jīng)該強(qiáng)度調(diào)制時(shí)，會(huì)產(chǎn)生非線性畸變，根據(jù)文獻(xiàn)[8]，通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整系統(tǒng)的參數(shù)β1、β2和φ1、φ2，即施加于PolM1和PolM2高斯驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅度以及偏置電壓Bias1和Bias2，高斯脈沖將轉(zhuǎn)換為UWB Doublet信號(hào)。若系統(tǒng)上、下支路的偏置電壓相同(即Bias1=Bias2)時(shí)，將產(chǎn)生2個(gè)極限相反的UWB Doublet信號(hào)脈沖，如圖2所示。

圖2 高斯脈沖至UWB Doublet脈沖的非線性強(qiáng)度調(diào)制轉(zhuǎn)換

若改變其中一個(gè)偏置電壓，如將Bias1增大到圖中Bias'的位置，就可將該支路輸出的Doublet信號(hào)極性反轉(zhuǎn)，使系統(tǒng)的2條支路輸出的UWB Doublet信號(hào)極性相同，實(shí)現(xiàn)對(duì)Doublet脈沖的極性調(diào)制。由圖2可以看出，通過適當(dāng)降低輸入某一支路的高斯脈沖幅度，就可以降低UWB Doublet的輸出幅度，實(shí)現(xiàn)Doublet脈沖的幅度調(diào)制。同時(shí)，由于系統(tǒng)輸出Doublet脈沖的周期及其在周期中的時(shí)間位置都與高斯脈沖的周期和時(shí)間位置有關(guān)，故通過調(diào)諧高斯脈沖的時(shí)間位置便可實(shí)現(xiàn)對(duì)Doublet脈沖的時(shí)間位置調(diào)制。總之，基于系統(tǒng)獨(dú)特的雙平行支路結(jié)構(gòu)和對(duì)上述參數(shù)的優(yōu)化配置，可分別實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)輸出Doublet信號(hào)的極性-時(shí)間位置、幅度-時(shí)間位置和極性-幅度-時(shí)間位置的多參數(shù)聯(lián)合調(diào)制。

2 聯(lián)合調(diào)制仿真

為進(jìn)一步驗(yàn)證所提方案的有效性，對(duì)其作進(jìn)一步的計(jì)算機(jī)仿真分析。仿真模型基于圖1的原理設(shè)計(jì)，采用商用光子學(xué)仿真軟件VPI transmits maker 6.5實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。為產(chǎn)生多參數(shù)聯(lián)合調(diào)制的UWB信號(hào)，仿真使用了4路高斯脈沖信號(hào)源DATA1～4，并將其輸出的脈寬和重復(fù)頻率分別設(shè)置為120 ps和1 GHz。DATA1和DATA2信號(hào)源與Bias1合路，注入系統(tǒng)上支路的PolM1。DATA3和DATA4信號(hào)源與Bias2合路，注入系統(tǒng)下支路的PolM2。此外，為確保系統(tǒng)的2條支路產(chǎn)生的Doublet信號(hào)在系統(tǒng)輸出端不重疊，在1個(gè)UWB信號(hào)周期內(nèi)，上述的4路數(shù)據(jù)信號(hào)源中只能有1個(gè)向系統(tǒng)注入高斯脈沖(而其余的DATA輸出為0)。仿真模型分3種情況分別驗(yàn)證了不同參數(shù)組合條件下的多參數(shù)調(diào)制的Doublet信號(hào)產(chǎn)生。

圖3 多參數(shù)調(diào)制UWB信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)仿真模型

2.1 脈沖極性-時(shí)間位置

對(duì)于脈沖極性和時(shí)間位置2個(gè)參數(shù)的聯(lián)合調(diào)制，系統(tǒng)輸出Doublet脈沖的極性與時(shí)間位置均可獨(dú)立地變化來承載信息。根據(jù)二進(jìn)制PPM調(diào)制原理，仿真將一個(gè)Doublet脈沖周期分為2個(gè)時(shí)隙，脈沖可以出現(xiàn)在第1或第2個(gè)時(shí)隙中，分別表示 “0”碼和“1”碼。同時(shí)，仿真啟用系統(tǒng)中的2路數(shù)據(jù)源DATA1和DATA3，并調(diào)整系統(tǒng)的2個(gè)偏置電壓Bias1和Bias2，使得系統(tǒng)上、下支路分別產(chǎn)生正(P)，負(fù)(N)2種極性的Doublet信號(hào)。系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)信號(hào)與輸出UWB Doublet信號(hào)波形之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示，所得的仿真結(jié)果如圖4所示。

表1 極性-時(shí)間位置聯(lián)合調(diào)制UWB信號(hào)輸出波形與調(diào)制信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖4 極性-時(shí)間位置聯(lián)合調(diào)制的UWB Doublet信號(hào)輸出

如圖4(a)所示，仿真結(jié)果成功展示了極性-時(shí)間位置聯(lián)合調(diào)制Doublet信號(hào)的4種波形：第1時(shí)隙，正極性；第2時(shí)隙，正極性；第1時(shí)隙，負(fù)極性；第2時(shí)隙，負(fù)極性(分別如圖中1P，2P，1N和2N所示)。Doublet脈沖的時(shí)間長(zhǎng)度為232 ps，重復(fù)周期為2 ns(即頻率為0.5 GHz)，顯然每個(gè)Doublet碼元可攜帶2 bit信息。此時(shí)Doublet信號(hào)的功率譜如圖4(b)所示，恰好能嵌入FCC功率譜模板，符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。相對(duì)于光子學(xué)UWB信號(hào)產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)所得的Doublet波形結(jié)果，仿真所得的Doublet波形在波形輪廓、脈沖寬度及功率譜包絡(luò)上基本一致，但仿真所得的Doublet波形更為理想。由于該仿真的重點(diǎn)在于展示系統(tǒng)對(duì)輸出Doublet波形的多參數(shù)調(diào)制，因此尚未考慮實(shí)際系統(tǒng)中噪聲和器件響應(yīng)的不理想性等因素對(duì)Doublet波形的影響。

2.2 脈沖幅度-時(shí)間位置

對(duì)于脈沖幅度、脈沖時(shí)間位置2個(gè)參數(shù)的聯(lián)合調(diào)制，系統(tǒng)輸出的Doublet脈沖的幅度與時(shí)間位置均可獨(dú)立地變化來承載信息。對(duì)于PPM調(diào)制，系統(tǒng)設(shè)置與2.1節(jié)相同。對(duì)于PAM調(diào)制，仿真將DATA1輸出的高斯脈沖幅度減半，此時(shí)系統(tǒng)上支路中產(chǎn)生的Doublet信號(hào)幅度也將減小為原來的一半，于是系統(tǒng)輸出Doublet脈沖的幅度存在較大(L)和較小(S)2種取值。同時(shí)，設(shè)置偏置電壓Bias1和Bias2，使系統(tǒng)上、下支路產(chǎn)生的Doublet信號(hào)極性相同。系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)信號(hào)與輸出UWB Doublet信號(hào)波形之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示，仿真結(jié)果如圖5所示。

表2 幅度-時(shí)間位置聯(lián)合調(diào)制UWB信號(hào)輸出波形與調(diào)制數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

如圖5(a)所示，仿真結(jié)果成功展示了幅度-時(shí)間位置聯(lián)合調(diào)制Doublet信號(hào)的4種波形：第1時(shí)隙，小幅度；第2時(shí)隙，小幅度；第1時(shí)隙，大幅度；第2時(shí)隙，大幅度(分別如圖中1S，2S，1L和2L所示)。Doublet脈沖的平均時(shí)間長(zhǎng)度為214 ps，重復(fù)周期為2 ns(即頻率為0.5 GHz)，顯然每個(gè)Doublet碼元可攜帶2 bit信息。此時(shí)Doublet信號(hào)的功率譜如圖5(b)所示，它恰好嵌入FCC功率譜模板，符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 幅度-時(shí)間位置聯(lián)合調(diào)制的UWB Doublet信號(hào)輸出

2.3 脈沖極性、幅度和時(shí)間位置

對(duì)于脈沖極性、幅度與時(shí)間位置3個(gè)參數(shù)的聯(lián)合調(diào)制，系統(tǒng)輸出Doublet脈沖的極性、幅度與時(shí)間位置均可獨(dú)立地變化來承載信息。此時(shí)仿真同時(shí)啟用了圖3所示的4路數(shù)字信號(hào)源：DATA1和DATA2輸出到系統(tǒng)上支路，DATA3和DATA4輸出到系統(tǒng)下支路。對(duì)于PPM調(diào)制，將數(shù)源信號(hào)源輸出的連續(xù)4個(gè)周期合并為Doublet信號(hào)的1個(gè)碼元周期，即產(chǎn)生四進(jìn)制PPM調(diào)制。而BPM與PAM調(diào)制的系統(tǒng)設(shè)置與2.1節(jié)和2.2節(jié)相同。此時(shí)系統(tǒng)輸入數(shù)字調(diào)制信號(hào)與輸出UWB信號(hào)波形之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3所示，仿真結(jié)果如圖6所示。

表3 極性-幅度-時(shí)間位置聯(lián)合調(diào)制UWB信號(hào)輸出波形與調(diào)制數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

如圖6(a)所示，仿真結(jié)果成功展示了極性-幅度-時(shí)間位置聯(lián)合調(diào)制Doublet信號(hào)的4種波形：第1時(shí)隙，正極性，小幅度；第2時(shí)隙，正極性，大幅度；第3時(shí)隙，負(fù)極性，大幅度；第4時(shí)隙，負(fù)極性，小幅度(分別如圖中1PS，2PL，3NL和4NS所示)。顯然，此時(shí)Doublet信號(hào)存在2種極性、2種幅度和4種時(shí)隙組合，共16種輸出波形，每種波形可攜帶4 bit信息。此時(shí)，Doublet脈沖的時(shí)域長(zhǎng)度為223 ps，脈沖重復(fù)周期為4 ns(頻率為0.25 GHz)。此時(shí)Doublet信號(hào)的功率譜如圖6(b)所示，恰好能嵌入FCC功率譜模板，符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 極性-幅度-時(shí)間位置聯(lián)合調(diào)制的UWB Doublet信號(hào)輸出

綜合仿真結(jié)果可以看出，本方案不僅可在光域中產(chǎn)生符合要求的UWB Doublet脈沖信號(hào)，而且能對(duì)產(chǎn)生的Doublet脈沖實(shí)現(xiàn)極性-時(shí)間位置調(diào)制、幅度-時(shí)間位置調(diào)制和極性-幅度-時(shí)間位置3種不同參數(shù)組合的多參數(shù)聯(lián)合調(diào)制，極大地提高了光子學(xué)UWB信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)的靈活性。而且經(jīng)過多參數(shù)聯(lián)合調(diào)制的Doublet信號(hào)碼元能承載更多的信息量，可用于通信系統(tǒng)的擴(kuò)容。相對(duì)于前期已有的研究工作[2,6]，本方案的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)對(duì)光子學(xué)UWB信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)輸出Doublet波形的多參數(shù)聯(lián)合調(diào)制。從仿真分析中可以看出：在數(shù)據(jù)調(diào)制時(shí)，僅需要對(duì)輸入的數(shù)據(jù)信號(hào)按表1～3的關(guān)系進(jìn)行預(yù)編碼，其對(duì)應(yīng)關(guān)系比已有方案[7]更簡(jiǎn)單且更易實(shí)現(xiàn)。此外，所提方案基于Doublet脈沖信號(hào)的產(chǎn)生與調(diào)制，其功率譜在1 GHz附近的低頻分量較少，更容易避開對(duì)全球定位系統(tǒng)信號(hào)的干擾，在實(shí)際應(yīng)用中比已有方案采用的Monocycle信號(hào)更具優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)論

本文提出了一種可用于UWBoF系統(tǒng)的多參數(shù)調(diào)制UWB信號(hào)的產(chǎn)生方案，通過理論推導(dǎo)和計(jì)算機(jī)仿真，分析和驗(yàn)證了方案的性能。結(jié)果表明，本方案不僅能在光域中產(chǎn)生符合要求的UWB Doublet脈沖信號(hào)，而且能對(duì)產(chǎn)生的Doublet脈沖實(shí)現(xiàn)極性-時(shí)間位置調(diào)制、幅度-時(shí)間位置調(diào)制和極性-幅度-時(shí)間位置3種不同參數(shù)組合的多參數(shù)聯(lián)合調(diào)制，提高了光子學(xué)UWB信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)的靈活性，還可以在不改變碼元速率的條件下進(jìn)一步提高系統(tǒng)的通信容量，對(duì)于UWBoF系統(tǒng)的進(jìn)一步研究與應(yīng)用具有參考價(jià)值。在所提方案中，Doublet信號(hào)的調(diào)制速率主要受限于Doublet脈沖的時(shí)域?qū)挾取４送?，通信容量還與系統(tǒng)輸出信號(hào)的噪聲和光子器件響應(yīng)的不理想性所帶來的信號(hào)畸變有關(guān)，對(duì)于這些因素的分析有待進(jìn)一步研究。