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基于电光调制的超宽带无线接收系统的研究与实现

文玥  
【摘要】:超宽带(UWB)通信凭借超宽的频谱带宽(3.1GHz~10.6GHz)和高速率的数据传输,已广泛应用于短距离的无线通信系统中。为了增加信号的传输距离和覆盖面积,光纤以其独特的优势成为解决长距离超宽带通信的方案。光纤作为一种高效的传输介质,不仅可以实现GHz量级信号的宽带传输,而且具有低损耗、抗干扰等优势。基于光纤传输的超宽带通信(UWB over Fiber)结合了光纤通信与超宽带通信的优势,在未来的高速宽带无线通信系统中具有重大的应用价值。 本文研究了基于Mach-Zehnder(M-Z)电光调制器外调制的UWB无线接收系统。该系统实现了跨度7GHz的超宽带无线信号的接收,将接收到的UWB信号利用M-Z电光调制器转换成光信号,最后实现UWB无线信号的光纤传输。本文研究分为两大部分:高速电光调制器理论研究和UWB接收系统的研究与实现。高速电光调制器的理论研究主要从光波导和电极结构两个方面对高速电光调制器进行分析研究。光波导的研究方面,采用等效折射率法(EIM)和有限差分束传输法(FD-BPM)进行仿真与优化,研究了两种非对称M-Z结构的电光调制器,利用光学方法实现了M-Z电光调制器π/2的初始相位偏置。电极结构的研究方面,以单层结构Wheeler变换为基本模型,研究了多层介质的Wheeler扩展变换,得到了电极特征参数与电极结构参数的表达式,该方法与有限元法的计算精度相当,但提高了计算速度。本文首次提出了补偿层型微带线(MSL)电极模型、补偿层型共面波导(CPW)电极模型和屏蔽层型CPW电极模型。通过对电极和光波导结构的分析,使得调制器可达到阻抗和速率的同时匹配,理论实现高速和宽带宽的调制。 UWB无线接收系统分为两个子系统进行研究,一是UWB天线系统,二是UWB接收系统。第一子系统从天线的基础理论进行分析研究,对矩形贴片天线的电流分布仿真,将贴片形状进行改进,设计并制作出了UWB天线,实测带宽可达到3GHz~14GHz,符合UWB天线的定义标准(3.1GHz~10.6GHz)。第二子系统采用超外差式结构,对UWB天线接收到的UWB信号进行滤波、放大和混频处理,重点优化了低噪声放大器和低通滤波器。根据实测结果,实际制作的UWB接收系统的接收频段达到了UWB频段要求,实现了灵敏度为-80dBm的信号接收。 本文最后搭建了UWBoF通信实验系统。UWB信号经过制作的UWB接收系统后,将其输出的中频信号加载到电光调制器的调制电极上,同时将光信号接入电光调制器的光源端口,使加载了UWB信号的光波通过光纤传输,实现了UWB信号的光调制。测试结果表明:UWBoF通信系统成功实现了超宽带频段(3GHz~10GHz)的高频信号接收;当载噪比为40dB时,该系统的灵敏度为-80dBm;该系统调制输出曲线的半波电压为3.9V。


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