新型光子学多参数调制UWB信号产生方法

项 鹏, 郭 皓, 刘 娜, 赵继勇

(1.陆军工程大学 通信工程学院,江苏 南京 210007; 2.江苏广电有线信息网络股份有限公司 南京分公司，江苏 南京 210007； 3.66072部队，北京 100144)

光载超宽带系统将超宽带(Ultra wide band,UWB)信号的独特优势与光纤卓越的传输能力进行有机结合，顺应了未来无线通信大带宽、大容量的发展趋势，在民用和军用无线宽带接入技术领域中展示了广阔的发展前景。基于光子学原理的UWB信号产生技术可免去系统在进行信号分配时的电-光转换过程，有效降低系统的成本与复杂度，充分发挥现代光子学器件体积小、重量轻、易于调谐和抗电磁干扰的优势，是光载超宽带系统的关键技术之一[1]。

目前主流的光子学UWB信号产生方法主要通过在光域中对高斯脉冲做适当的差分处理，从而产生Monocycle和Doublet 2种常见的UWB脉冲波形[2]。而对于UWB信号的调制，主要是通过对系统输出UWB脉冲的3个关键物理参数，即脉冲幅度、极性和脉冲周期的时间位置进行快速切换，分别实现脉冲幅度调制(Pulse amplitude modulation,PAM)、脉冲极性调制(Bi-phase modulation,BPM)和脉冲时间位置调制(Pulse position modulation,PPM)3种调制方式[3-4]。目前已有的方案通常只是实现了上述3种调制方式，没有考虑对UWB信号的多个参数进行联合调制[5-6]。多参数联合调制是对系统输出UWB信号的幅度、极性和脉冲时间位置实现联合调制，使得上述3大参数均可以独立地改变以携带信息，从而成倍地增加单个UWB码元承载的数字信息量。文献[7]开创性地运用这一思想，提出了一种联合脉冲极性、幅度和时间位置调制的UWB Monocycle信号产生方法，该方法的主要缺点是缺乏灵活性，难以适应复杂的实际应用环境，同时预编码算法复杂度较高。针对这些问题，本文提出一种新型的多参数调制UWB信号产生方法，该方法可在光域中产生UWB Doublet信号，并实现对上述3个关键参数多种组合的多参数调制。

1 系统原理分析

本文所提方案的原理如图1所示。

图1 多参数调制UWB信号产生方法原理

该系统主要由1个半导体激光二极管(Laser diode,LD)、1个偏振分束器(Polarization bear splitter，PBS)、2个偏振调制器(Polarization modulator,PolM)、1个偏振合束器(Polarization beam combiner,PBC)、1个可调光延迟线(Tunable optical delay line，TODL)、1个光电二极管(Photo detector,PD)和若干偏振控制器(Polarization controller,PC)组成，并形成了双平行支路的结构。其中，Bias和DATA分别表示信号产生与调制所需的偏置电压和数据信号(即高斯脉冲)源，分别为系统上、下支路的2个偏振调制器(PolM1和PolM2)提供直流偏置点和调制驱动信号。LD输出的光载波经PC1调整偏振态，使其与PBS主轴成θ角，然后注入PBS。PBS将光载波分解为偏振态正交的2路，分别进入后续的2条平行支路中。在PBS后面的2个信号支路中，2路光载波分别经过PC2和PC3注入PolM1和PolM2，光载波与这2个调制器的主轴方向均成45°，并在DATA源输入高斯脉冲信号驱动下分别对2路光载波实现偏振调制。最后，2路偏振调制输出信号经过PBC合路。若调整PC4和PC5，使得系统上、下2条支路信号在合路时分别与PBC的主轴成45°或135°夹角，则偏振调制信号被转换为强度调制信号。经推导可得，上、下2条支路最终输出的信号E1(t)、E2(t)分别如式(1，2)所示。

式中：E0和ωc分别为光载波的幅度和角频率；θ为系统中PC1引入的偏振角；β1为PolM1的调制指数；φ1(t)为注入PolM1的高斯脉冲信号；φ1为PolM1输出信号在2个偏振态之间的静态相位差，由它的偏置电压Bias1决定；j为虚数单位；τ为TODL引入的相对延时。

式中：β2为PolM2的调制指数；φ2(t)为注入PolM2的高斯脉冲信号；φ2为PolM2输出信号在2个偏振态之间的静态相位差，由它的偏置电压Bias2决定。

E1(t)和E2(t)经PBC合路后保持偏振态正交，因此经过PD光-电检测后，输出信号为二者包络检测输出的非相干叠加，可表示为

式中：D为输出信号中所包含的直流分量，不影响输出UWB信号的波形。由式(3)可以看出，系统最终输出的信号主要由2路高斯驱动信号φ1(t)和φ2(t)的余弦函数(即强度调制函数)项构成，且二者的符号相反。高斯脉冲信号经该强度调制时，会产生非线性畸变，根据文献[8]，通过适当地调整系统的参数β1、β2和φ1、φ2，即施加于PolM1和PolM2高斯驱动信号的幅度以及偏置电压Bias1和Bias2，高斯脉冲将转换为UWB Doublet信号。若系统上、下支路的偏置电压相同(即Bias1=Bias2)时，将产生2个极限相反的UWB Doublet信号脉冲，如图2所示。

图2 高斯脉冲至UWB Doublet脉冲的非线性强度调制转换

若改变其中一个偏置电压，如将Bias1增大到图中Bias'的位置，就可将该支路输出的Doublet信号极性反转，使系统的2条支路输出的UWB Doublet信号极性相同，实现对Doublet脉冲的极性调制。由图2可以看出，通过适当降低输入某一支路的高斯脉冲幅度，就可以降低UWB Doublet的输出幅度，实现Doublet脉冲的幅度调制。同时，由于系统输出Doublet脉冲的周期及其在周期中的时间位置都与高斯脉冲的周期和时间位置有关，故通过调谐高斯脉冲的时间位置便可实现对Doublet脉冲的时间位置调制。总之，基于系统独特的双平行支路结构和对上述参数的优化配置，可分别实现对系统输出Doublet信号的极性-时间位置、幅度-时间位置和极性-幅度-时间位置的多参数联合调制。

2 联合调制仿真

为进一步验证所提方案的有效性，对其作进一步的计算机仿真分析。仿真模型基于图1的原理设计，采用商用光子学仿真软件VPI transmits maker 6.5实现，如图3所示。为产生多参数联合调制的UWB信号，仿真使用了4路高斯脉冲信号源DATA1～4，并将其输出的脉宽和重复频率分别设置为120 ps和1 GHz。DATA1和DATA2信号源与Bias1合路，注入系统上支路的PolM1。DATA3和DATA4信号源与Bias2合路，注入系统下支路的PolM2。此外，为确保系统的2条支路产生的Doublet信号在系统输出端不重叠，在1个UWB信号周期内，上述的4路数据信号源中只能有1个向系统注入高斯脉冲(而其余的DATA输出为0)。仿真模型分3种情况分别验证了不同参数组合条件下的多参数调制的Doublet信号产生。

图3 多参数调制UWB信号产生系统仿真模型

2.1 脉冲极性-时间位置

对于脉冲极性和时间位置2个参数的联合调制，系统输出Doublet脉冲的极性与时间位置均可独立地变化来承载信息。根据二进制PPM调制原理，仿真将一个Doublet脉冲周期分为2个时隙，脉冲可以出现在第1或第2个时隙中，分别表示 “0”码和“1”码。同时，仿真启用系统中的2路数据源DATA1和DATA3，并调整系统的2个偏置电压Bias1和Bias2，使得系统上、下支路分别产生正(P)，负(N)2种极性的Doublet信号。系统输入数据信号与输出UWB Doublet信号波形之间的对应关系如表1所示，所得的仿真结果如图4所示。

表1 极性-时间位置联合调制UWB信号输出波形与调制信号的对应关系

图4 极性-时间位置联合调制的UWB Doublet信号输出

如图4(a)所示，仿真结果成功展示了极性-时间位置联合调制Doublet信号的4种波形：第1时隙，正极性；第2时隙，正极性；第1时隙，负极性；第2时隙，负极性(分别如图中1P，2P，1N和2N所示)。Doublet脉冲的时间长度为232 ps，重复周期为2 ns(即频率为0.5 GHz)，显然每个Doublet码元可携带2 bit信息。此时Doublet信号的功率谱如图4(b)所示，恰好能嵌入FCC功率谱模板，符合国际标准。相对于光子学UWB信号产生实验所得的Doublet波形结果，仿真所得的Doublet波形在波形轮廓、脉冲宽度及功率谱包络上基本一致，但仿真所得的Doublet波形更为理想。由于该仿真的重点在于展示系统对输出Doublet波形的多参数调制，因此尚未考虑实际系统中噪声和器件响应的不理想性等因素对Doublet波形的影响。

2.2 脉冲幅度-时间位置

对于脉冲幅度、脉冲时间位置2个参数的联合调制，系统输出的Doublet脉冲的幅度与时间位置均可独立地变化来承载信息。对于PPM调制，系统设置与2.1节相同。对于PAM调制，仿真将DATA1输出的高斯脉冲幅度减半，此时系统上支路中产生的Doublet信号幅度也将减小为原来的一半，于是系统输出Doublet脉冲的幅度存在较大(L)和较小(S)2种取值。同时，设置偏置电压Bias1和Bias2，使系统上、下支路产生的Doublet信号极性相同。系统输入数据信号与输出UWB Doublet信号波形之间的对应关系如表2所示，仿真结果如图5所示。

表2 幅度-时间位置联合调制UWB信号输出波形与调制数据的对应关系

如图5(a)所示，仿真结果成功展示了幅度-时间位置联合调制Doublet信号的4种波形：第1时隙，小幅度；第2时隙，小幅度；第1时隙，大幅度；第2时隙，大幅度(分别如图中1S，2S，1L和2L所示)。Doublet脉冲的平均时间长度为214 ps，重复周期为2 ns(即频率为0.5 GHz)，显然每个Doublet码元可携带2 bit信息。此时Doublet信号的功率谱如图5(b)所示，它恰好嵌入FCC功率谱模板，符合国际标准。

图5 幅度-时间位置联合调制的UWB Doublet信号输出

2.3 脉冲极性、幅度和时间位置

对于脉冲极性、幅度与时间位置3个参数的联合调制，系统输出Doublet脉冲的极性、幅度与时间位置均可独立地变化来承载信息。此时仿真同时启用了图3所示的4路数字信号源：DATA1和DATA2输出到系统上支路，DATA3和DATA4输出到系统下支路。对于PPM调制，将数源信号源输出的连续4个周期合并为Doublet信号的1个码元周期，即产生四进制PPM调制。而BPM与PAM调制的系统设置与2.1节和2.2节相同。此时系统输入数字调制信号与输出UWB信号波形之间的对应关系如表3所示，仿真结果如图6所示。

表3 极性-幅度-时间位置联合调制UWB信号输出波形与调制数据的对应关系

如图6(a)所示，仿真结果成功展示了极性-幅度-时间位置联合调制Doublet信号的4种波形：第1时隙，正极性，小幅度；第2时隙，正极性，大幅度；第3时隙，负极性，大幅度；第4时隙，负极性，小幅度(分别如图中1PS，2PL，3NL和4NS所示)。显然，此时Doublet信号存在2种极性、2种幅度和4种时隙组合，共16种输出波形，每种波形可携带4 bit信息。此时，Doublet脉冲的时域长度为223 ps，脉冲重复周期为4 ns(频率为0.25 GHz)。此时Doublet信号的功率谱如图6(b)所示，恰好能嵌入FCC功率谱模板，符合国际标准。

图6 极性-幅度-时间位置联合调制的UWB Doublet信号输出

综合仿真结果可以看出，本方案不仅可在光域中产生符合要求的UWB Doublet脉冲信号，而且能对产生的Doublet脉冲实现极性-时间位置调制、幅度-时间位置调制和极性-幅度-时间位置3种不同参数组合的多参数联合调制，极大地提高了光子学UWB信号产生系统的灵活性。而且经过多参数联合调制的Doublet信号码元能承载更多的信息量，可用于通信系统的扩容。相对于前期已有的研究工作[2,6]，本方案的主要创新点在于实现对光子学UWB信号产生系统输出Doublet波形的多参数联合调制。从仿真分析中可以看出：在数据调制时，仅需要对输入的数据信号按表1～3的关系进行预编码，其对应关系比已有方案[7]更简单且更易实现。此外，所提方案基于Doublet脉冲信号的产生与调制，其功率谱在1 GHz附近的低频分量较少，更容易避开对全球定位系统信号的干扰，在实际应用中比已有方案采用的Monocycle信号更具优势。

3 结论

本文提出了一种可用于UWBoF系统的多参数调制UWB信号的产生方案，通过理论推导和计算机仿真，分析和验证了方案的性能。结果表明，本方案不仅能在光域中产生符合要求的UWB Doublet脉冲信号，而且能对产生的Doublet脉冲实现极性-时间位置调制、幅度-时间位置调制和极性-幅度-时间位置3种不同参数组合的多参数联合调制，提高了光子学UWB信号产生系统的灵活性，还可以在不改变码元速率的条件下进一步提高系统的通信容量，对于UWBoF系统的进一步研究与应用具有参考价值。在所提方案中，Doublet信号的调制速率主要受限于Doublet脉冲的时域宽度。此外，通信容量还与系统输出信号的噪声和光子器件响应的不理想性所带来的信号畸变有关，对于这些因素的分析有待进一步研究。