基於壓縮採樣與時域展寬技術的微波光子測頻裝置及其方法

2023-04-28 12:22:56 1

專利名稱：基於壓縮採樣與時域展寬技術的微波光子測頻裝置及其方法
技術領域：
本發明涉及光通信與無線通訊領域，尤其涉及一種基於壓縮採樣與時域展寬技術的微波光子測頻裝置及其方法。
背景技術：
近年來，由於在軍事偵察系統中，信號載波頻率測量技術的重要應用價值，微波信號頻率測量技術受到了各國研究人員的廣泛關注和深入研究。傳統的電子測頻技術在帶寬、解析度、動態範圍以及穩定性方面都受到了限制，而微波光子測頻技術具備的帶寬大、質量輕、低損耗以及抗電磁幹擾等優點成為微波信號測頻技術領域的一個研究熱點。微波光子頻率測量技術中有多頻與單頻的測頻技術。在單頻測頻技術中，微波光子瞬時測頻技術由於具有結構簡單、速度快以及帶寬大等優點，成為最近幾年研究的焦點。該技術通過設 計光功率或微波功率比較曲線來實現頻率到幅度的映射，實現微波信號頻率的測量。該類方法的限制在於只能測單一頻率的微波信號，但是在很多情況下，我們需要對一個多頻微波信號的進行測量，恢復其頻譜信息。傳統的信號頻譜恢復方法通過模數轉換器，離散傅立葉變換得到信號的頻譜信息。而傳統的模數轉換受限於奈奎斯特採樣定律，要求採樣頻率高於待測信號最高頻率的兩倍才能恢復原信號的頻譜，這在很大程度上限制了所能測量的信號帶寬。壓縮採樣技術克服了傳統奈奎斯特採樣定律的限制，可以在遠遠低於奈奎斯特頻率的觀察頻率下恢復多頻信號的頻譜信息。基於壓縮採樣的測頻技術對於待測信號的要求是在頻域上是稀疏的。而在很多情況下所需測量的信號在頻域上是稀疏的，簡稱稀疏信號。比如多載波調製的信號，聲音信號，以及緩變平滑信號。D. L. Donoho, "Compressed Sensing, 〃 IEEE Trans. Inf.Theory, 2006, vol. 52，no. 4，pp. 1289-1306中提出了壓縮傳感的概念，其思想是對一個稀疏信號，可以用遠低於奈奎斯特頻率的速度進行觀測，通過恢復算法獲得原信號的頻譜信息。J. Tropp, J. N. Laska, M. F. Duarte, J. K. Romberg and R. G. Baraniuk,〃Beyond Nyquist: efficient sampling of sparse bandlimited signals, 〃 IEEE Trans.Signal Process, 2010, vol. 56, no. I, pp. 520-544 中給出了一種基於隨機序列調製的壓縮採樣技術。在該技術中，首先將帶有±1的隨機比特序列與待測信號相乘。其中，隨機比特序列的變化頻率要求達到待測信號的奈奎斯特頻率。再通過低通濾波器以及低採樣速率的電子模數轉換器輸出數位訊號並將其作為觀測信號。最後通過恢復算法來實現原信號頻譜的重構。J. M. Nichols, F. Bucholtz, "Beating Nyquist with light:a compressive sampled photonic link, 〃 Opt. Express, 2011, vol. 19, no. 8, pp.7339-7348中基於J. Tropp等人提出的壓縮採樣原理實現了微波光子壓縮採樣技術。該結構利用馬赫增德爾調製器分別將隨機比特序列與待測微波信號調製在光信號上，然後通過光電轉換，低通濾波以及電子模數轉換對信號進行處理。最後通過恢復算法獲得原信號的頻譜信息。該方法在光域上實現了微波信號與隨機比特序列的相乘，由於光電調製器的帶寬大於電相乘器，從而提高了所能測量的信號帶寬。上述幾種壓縮採樣技術要求採用的隨機比特序列達到奈奎斯特頻率。雖然這些技術大大降低了系統中電子模數轉換器的採樣頻率，但是所需的隨機比特序列仍然受限於奈奎斯特採樣定律。本文提出的一種基於壓縮採樣與時域展寬技術的微波光子測頻裝置及其方法引入了色散延時技術，通過降低待測微波信號的頻率，提高隨機比特序列的相對頻率，使得壓縮採樣測頻技術完全突破了奈奎斯特定律的限制。

發明內容
本發明的目的在於提供一種基於壓縮採樣與時域展寬技術的微波光子測頻裝置及其方法，以較低的採樣頻率實現高頻信號的頻譜重構，突破了傳統奈奎斯特定律的限制。比起現有的壓縮採樣測頻技術，降低了系統的採樣頻率。 基於壓縮採樣與時域展寬技術的微波光子測頻裝置包括待測微波信號、觀測矩陣模塊、觀測信號、數位訊號處理模塊、信號輸出口 ；待測微波信號經觀測矩陣模塊產生觀測信號再通過數位訊號處理模塊由信號輸出口輸出；觀測矩陣模塊包括超連續譜光源，第一色散介質，第一馬赫增德爾調製器、第二色散介質、第二馬赫增德爾調製器、高速光電探測器、低通濾波器、電子模數轉換器、第一馬赫增德爾調製器的射頻輸入口、第一馬赫增德爾調製器的偏執電壓輸入口、第二馬赫增德爾調製器的射頻輸入口，第二馬赫增德爾調製器的偏執電壓輸入口 ；超連續譜光源，第一色散介質，第一馬赫增德爾調製器、第二色散介質、第二馬赫增德爾調製器、高速光電探測器、低通濾波器、電子模數轉換器順次相連，第一馬赫增德爾調製器上設有第一馬赫增德爾調製器的射頻輸入口、第一馬赫增德爾調製器的偏執電壓輸入口，第二馬赫增德爾調製器上設有第二馬赫增德爾調製器的射頻輸入口，第二馬赫增德爾調製器的偏執電壓輸入口。基於壓縮採樣與時域展寬技術的微波光子測頻方法超連續譜光源通過正色散介質，在時域上得到延時展寬後的光載波，超連續譜光源的重複時間間隔等於光脈衝通過正色散介質後的時間展寬量；待測微波信號通過第一馬赫增德爾調製器的射頻輸入口調製在經過時域展寬的光載波上，調製器工作在線性偏置點，第一馬赫增德爾調製器的偏執電壓輸入口輸入的偏置電壓是第一馬赫增德爾調製器半波電壓的一半；調製後的信號通過第二色散介質，在時域上得到進一步展寬；隨機比特序列通過第二馬赫增德爾調製器的射頻輸入口調製在第一馬赫增德爾調製器輸出的已調光信號上，第二馬赫增德爾調製器工作在線性偏置點，第二馬赫增德爾調製器的偏執電壓輸入口輸入的偏置電壓是第二馬赫增德爾調製器半波電壓的一半；第二馬赫增德爾調製器的輸出口與高速光電探測器、低通濾波器、電子模數轉換器順次相連實現光電轉換，濾波以及模數轉換功能。本發明具有的有益效果是
目前已有的壓縮採樣技術需要將待測微波信號與滿足奈奎斯特頻率的隨機比特信號相乘，雖然在系統末端只需接低速的電子模數轉換器，但是輸入信號的頻率受到了隨機比特序列重複頻率的限制。本發明提出的測頻技術不需要輸入滿足奈奎斯特頻率的隨機比特序列，降低了測頻系統實現的要求；有利於實現高頻微波信號的頻譜重構，提高了系統的可應用範圍。


圖I是壓縮採樣測頻裝置的結構示意 圖2是圖I的詳細器件連接 圖中超連續譜光源I、第一色散介質2、第一馬赫增德爾調製器3、第二色散介質4、第二馬赫增德爾調製器5、高速光電探測器6、低通濾波器7、電子模數轉換器8、第一馬赫增德爾調製器的射頻輸入口 9、第一馬赫增德爾調製器的偏執電壓輸入口 10、第二馬赫增德爾調製器的射頻輸入口 11，第二馬赫增德爾調製器的偏執電壓輸入口 12、待測微波信號13、觀測矩陣模塊14、觀測信號15、數位訊號處理模塊16、信號輸出口 17。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明作進一步描述
如附圖1、2所示，基於壓縮採樣與時域展寬技術的微波光子測頻裝置包括待測微波信號13、觀測矩陣模塊14、觀測信號15、數位訊號處理模塊16、信號輸出口 17 ;待測微波信號13經觀測矩陣模塊14產生觀測信號15再通過數位訊號處理模塊16由信號輸出口 17輸出；觀測矩陣模塊14包括超連續譜光源I，第一色散介質2，第一馬赫增德爾調製器3、第二色散介質4、第二馬赫增德爾調製器5、高速光電探測器6、低通濾波器7、電子模數轉換器8、第一馬赫增德爾調製器的射頻輸入口 9、第一馬赫增德爾調製器的偏執電壓輸入口 10、第二馬赫增德爾調製器的射頻輸入口 11，第二馬赫增德爾調製器的偏執電壓輸入口 12 ;超連續譜光源1，第一色散介質2，第一馬赫增德爾調製器3、第二色散介質4、第二馬赫增德爾調製器5、高速光電探測器6、低通濾波器7、電子模數轉換器8順次相連，第一馬赫增德爾調製器3上設有第一馬赫增德爾調製器的射頻輸入口 9、第一馬赫增德爾調製器的偏執電壓輸入口 10，第二馬赫增德爾調製器5上設有第二馬赫增德爾調製器的射頻輸入口 11，第二馬赫增德爾調製器的偏執電壓輸入口 12。本發明的工作原理如下
1，假設原始信號X是由一組Λ/ΧΛ/的正交矩陣W表示的稀疏信號，左是對應的權重係數。即X = Wt ;假設T是Λ/ΧΛ/的對角矩陣，代表第二色散介質的對微波信號的展寬過程；假設R是;ΓΧΛ的對角矩陣，代表帶有±1的隨機比特序列；假設F是Λ/ΧΛ/的矩陣，代表濾波器的濾波過程；假設D是Z X# (Ζ Ν)的矩陣，代表模數轉換器的降採樣過程；假設y是LXl的列向量，是最後輸出的觀測值矩陣。2，由原理I可以得到J = GWJf，其中O = Dmr是壓縮採樣系統的觀測矩陣。Y, @和1已知。選擇合適的算法恢復
權利要求
1.一種基於壓縮採樣與時域展寬技術的微波光子測頻裝置，其特徵在於包括待測微波信號(13)、觀測矩陣模塊(14)、觀測信號(15)、數位訊號處理模塊(16)、信號輸出口(17);待測微波信號(13)經觀測矩陣模塊(14)產生觀測信號(15)再通過數位訊號處理模塊(16)由信號輸出口(17)輸出；觀測矩陣模塊(14)包括超連續譜光源(1)，第一色散介質(2)，第一馬赫增德爾調製器(3)、第二色散介質(4)、第二馬赫增德爾調製器(5)、高速光電探測器(6)、低通濾波器(7)、電子模數轉換器(8)、第一馬赫增德爾調製器的射頻輸入口(9)、第一馬赫增德爾調製器的偏執電壓輸入口(10)、第二馬赫增德爾調製器的射頻輸入口(11)、第二馬赫增德爾調製器的偏執電壓輸入口(12);超連續譜光源(I)、第一色散介質(2)、第一馬赫增德爾調製器(3)、第二色散介質(4)、第二馬赫增德爾調製器(5)、高速光電探測器(6)、低通濾波器(7)、電子模數轉換器(8)順次相連；第一馬赫增德爾調製器(3)上設有第一馬赫增德爾調製器的射頻輸入口(9)、第一馬赫增德爾調製器的偏執電壓輸入口(10)，第二馬赫增德爾調製器(5)上設有第二馬赫增德爾調製器的射頻輸入口(11)，第二馬赫增德爾調製器的偏執電壓輸入口(12)。
2.一種使用如權利要求I所述裝置的基於壓縮採樣與時域展寬技術的微波光子測頻方法，其特徵在於超連續譜光源(I)通過第一色散介質(2)，在時域上得到延時展寬後的光載波，超連續譜光源(I)的重複時間間隔等於光脈衝通過第一色散介質(2)後的時間展寬量；待測微波信號通過第一馬赫增德爾調製器(3)的射頻輸入口(9)調製在經過時域展寬的光載波上，調製器工作在線性偏置點，第一馬赫增德爾調製器(3)的偏執電壓輸入口(10)輸入的偏置電壓是第一馬赫增德爾調製器(3)半波電壓的一半；調製後的信號通過第二色散介質(4)，在時域上得到進一步展寬；隨機比特序列通過第二馬赫增德爾調製器(5)的射頻輸入口( 11)調製在第一馬赫增德爾調製器(3 )輸出的已調光信號上，第二馬赫增德爾調製器(5)工作在線性偏置點，第二馬赫增德爾調製器(5)的偏執電壓輸入口(12)輸入的偏置電壓是第二馬赫增德爾調製器(5)半波電壓的一半；第二馬赫增德爾調製器(5)的輸出口與高速光電探測器(6)、低通濾波器(7)、電子模數轉換器(8)順次相連實現光電轉換，濾波以及模數轉換功能。
全文摘要
本發明公開了一種基於壓縮採樣與時域展寬技術的微波光子測頻裝置及其方法。超連續譜光源通過色散介質在時間上得到展寬,實現頻率到時間的映射。待測微波信號通過馬赫增德爾調製器調製在經過時間展寬的光載波上。調製後的光信號，再經過色散介質將已調光信號進一步展寬，降低了待測微波信號的頻率。帶有±1的隨機比特序列通過馬赫增德爾調製器調製在展寬後的光信號上，經光電轉換，低通濾波器，電子模數轉換器得到帶有待測信號信息的觀測數據。通過現有的壓縮採樣恢復算法可以恢復原信號的頻譜。現有的基於壓縮採樣的測頻技術要求將原信號調製在達到奎斯特頻率的隨機比特序列上。本發明可以降低所需隨機比特序列的頻率，同時進一步降低了系統中模數轉換器的採樣頻率從而提高系統的可行性。
文檔編號H04B10/516GK102932067SQ20121045578
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月14日 優先權日2012年11月14日
發明者陳瑩, 池灝, 章獻民, 金曉峰, 鄭史烈 申請人:浙江大學