大啁啾光栅梳状滤波器UWB编码信号的仿真分析

孙帼丹，张秋芳，张坚，范先，孟晓红

大啁啾光栅梳状滤波器UWB编码信号的仿真分析

孙帼丹，张秋芳，张坚，范先，孟晓红

(解放军理工大学通信工程学院，江苏南京210007)

对大啁啾相位模板附加小啁啾的来源进行了分析与推导，提出了相位补偿方案.基于相位补偿法，分析了实现的高平坦大啁啾梳状滤波器;通过改变光源阵列波长间隔与偏振态提出了一种传输长度可变、码字可调、一致性较好的UWB网络通信的实现方案.通过仿真，实现了相位编码个数为4、不同码字的monocycle信号与doublet信号产生.

光纤光学;光纤布拉格光栅;梳状滤波器;超宽带

超宽带(UWB)技术具有传输速率高、抗干扰能力强、低功耗、系统结构简单、速率高等众多优点［1-2］，已成为短距离大容量无线通信系统和传感网络的候选技术，备受业内外人士的青睐与关注.由受到电子瓶颈的限制，现有的电子技术很难产生中心频率7 GHz左右，相对带宽大于100%的UWB信号.而且美国联邦通信委员会(FCC)规定，UWB信号在3.1～10.6GHz带宽内的功率谱密度只有-41.3 dBm/MHz，这使得UWB信号传输距离一般只有10 m左右［3］.为了克服电子处理速率限制和拓宽UWB无线通信系统的覆盖范围，光学方法产生与传输UWB信号是一个很好的解决方法［4-7］.

图1 UWB通信网络结构图Fig.1 UWB communication network structure

现有的对UWB信号光学产生与传输的研究，大多基于对固定距离的固定用户通信.为了可重构多用户接入网络应用的发展，对不同距离多用户的动态容量分配方案的研究具有重要意义.如图1，中心站根据不同基站的通信速率要求，将不同速率与编码的UWB信号通过光纤传输到不同距离的基站，接收端通过各自的解码器将信息匹配接收［8］.

文献［7］指出，相位调制的高斯脉冲经过按要求设计的光纤布拉格光栅(FBG)，当光载波在FBG反射谱的线性或者二次斜率区域时，经过光电探测会产生monocycle(高斯脉冲的一阶微分)或者doublet(高斯脉冲的二阶微分)脉冲，它们都是UWB的基本波形.另外，光载波在相反的斜率区域还会产生相反极性的monocycle或者doublet脉冲.Dai Yitang和Yao Jianping［9］对这一方法进行了进一步研究，提出利用高斯脉冲对多波长光源进行偏振调制，线性啁啾采样光纤光栅(LCSFBG)实现多波长信号的相位调制到强度调制转换.通过改变光源偏振态，实现了不同相位编码UWB信号固定距离的传输，其结构与产生的信号如图2，其中下左图为LCSFBG反射谱，下中图为偏振调制之后产生的信号，下右图为经过LCSFBG反射后实现相位调制到强度调制转换后产生的编码UWB信号.

但是，该方法应用的LCSFBG随着波长的增加，反射峰幅度减小、带宽增加，反射通带内群时延出现倾斜，形成了明显的色散.这是因为线性啁啾模板的高阶相位引起信道内出现了非线性啁啾.由于该LCSFBG反射峰一致性较差，因此产生的编码信号幅度一致性也较差;且非线性啁啾会引起信道内的色散，需用特定长度的光纤补偿色散，所以只能实现特定距离的编码信号传输.

图2 编码UWB脉冲产生与传输原理图Fig.2 UWB-coded signal generation schematic diagram

对LCSFBG附加小啁啾的来源进行了分析与推导，提出了相位补偿方案，基于相位补偿法实现的高平坦大啁啾梳状滤波器，通过改变光源阵列波长间隔与偏振态实现传输长度可变、码字可调、一致性较好的UWB网络通信.仿真实现了相位编码个数为4、不同码字的monocycle信号与doublet信号产生.

1 原理

对于大啁啾光栅，当Λ0≫Cz时有

式中:C为光栅啁啾系数(啁啾相位模板啁啾系数的一半);Λ0为啁啾光栅的初始光栅周期;z为光栅径向位置.这是一个近似解，当啁啾系数C和长度z增加时，φ(z)不能精确表示在位置z处的相移量.

当Cz较大时，LCSFBG在第k个采样后加入的相移可以近似表示为［10］

式中:右侧第一项为文献［11］中LCSFBG第k个采样后的相移量;第二项为提出的相移补偿项.通过改变采样间的相移为式(2)，即可实现理想的梳状滤波器.

图3 大啁啾LCSFBG反射谱Fig.3 Reflectivity of large chirped SFBG

图3 (a)为无相移补偿时多信道采样LCSFBG的反射谱.随着光栅长度的增加(波长的增加)，反射峰的带宽增加，峰值降低，边带抑制比(SBSR)下降.图3(b)为离散相移补偿时多信道LCSFBG反射谱.由于线性啁啾模板引入的非线性小啁啾通过相移进行了补偿，所有反射峰的特性相同，实现了高平坦精确波长间隔的梳状滤波器.设计波长间隔0.4 nm，光栅参数为:neff=1.477 5，Λ0=530.65 nm，C= 1.2 nm/cm，P=1.024 mm，α=0.055π.每个采样的包络形状为一阶高斯脉冲，其FWHM为0.2 mm，折射率调制强度为6×10-4.

图4(a)、(b)与(c)为有无相移补偿的情况下短波长、中心波长与长波长信道的谱特性(下图为相移补偿后).随着波长的增加，无相移补偿的反射谱一致性变差，信道内出现色散;相移补偿后，梳状滤波器的反射谱特性与色散特性保持一致.图4(d)为光源波长在图4(b)所示的线性区域时所产生的monocycle波形，可见利用无相位补偿光栅所产生的monocycle信号幅度会有差异，若用来产生编码信号会影响码字的一致性.基于图2系统，通过改变光源阵列波长间隔与偏振态可以实现传输长度可变、码型可调、码字一致性较好的UWB网络通信.

图4 大啁啾LCSFBG梳状滤波器反射谱特性Fig.4 Reflectivity and group delay of large chirped SFBG

2 结果

图5为仿真得到相位编码monocycle信号的时间波形，其编码个数为4，编码时间总长为1 600 ps，图5(a)与(b)的波长间隔和传输距离的分别为Δλ =6 nm，L=1 km和Δλ=0.4 nm，L=50 km.

图6为相位编码doublet信号的时间波形，其编码个数为4，编码时间总长为1 600 ps，图6(a)与(b)的波长间隔和传输距离的分别为Δλ=6 nm，L =1 km和Δλ=0.8 nm，L=25 km.以上结果表明，通过改变波长间隔可以实现特定编码长度UWB信号的可变距离传输.

图7为相位编码monocycle与doublet信号频谱，编码后的频谱包络会有波动，但是其仍然满足FCC对UWB通信功率的限制.

图8(a)为光源波长间隔0.8 nm，相位编码monocycle信号波形.光纤传输距离分别为10 km、35 km与50 km，得到的编码信号时间长度分别为900 ps、1 600 ps与2 000 ps.图8(b)为接收端对编码信号积分后的波形，可见只有经过特定传输距离传输后的波形才可以在判决时间上得到正确的编码信号.每个用户通过设置判决时间与电平可以接收各自的信号.

图5 相位编码monocycle信号的时间波形Fig.5 Biphase-coding monocycle waveform

图6 相位编码doublet信号的时间波形Fig.6 Biphase-coding doublet waveform

图7 相位编码UWB信号频谱(Δλ=0.8 nm，L=25 km，{0，π，0，π})Fig.7 Biphase-coding UWB signal spectrum

图8 相位编码monocycle信号波形积分后判决波形Fig.8 Biphase-coding monocycle signal waveform and integral decision

3 结论

基于相位补偿法实现的高平坦大啁啾梳状滤波器，提出了可重构多用户UWB通信方案.通过改变光源阵列波长间隔与偏振态可以实现传输长度可变、码字可调、一致性较好的UWB网络通信.仿真实现了相位编码个数为4、不同码字的monocycle信号与doublet信号.相位编码后的monocycle与doublet信号频谱包络出现波动，其中相位编码的doublet信号频谱能很好满足FCC对UWB通信功率的限制.分析了相同波长间隔、不同传输距离的编码信号在接收端积分后的波形，结果表明:只有经过特定距离传输后的波形才可以在判决时间上得到正确的解码信号;每个用户通过设置判决时间与电平可以接收各自的信号.

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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，FAN 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

(责任编辑 苏晓东)

1004-8820(2015)03-0199-05

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

2014-06-11

国家自然科学基金重点资助项目(61032005).

孙帼丹(1984-)，女，辽宁抚顺人，工程师，博士，主要从事光纤光栅与光任意波发生研究.