CN102427440B - 基于光子辅助的多通道压缩采样系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及信号处理技术领域，公开了一种基于光子辅助的多通道压缩采样系统，其特征在于，包括依次连接的：第一电光调制器、第一解复用器、光延迟线、复用器、第二电光调制器和第二解复用器。本发明通过利用宽带的光电子器件(几十GHz带宽的电光调制器)来实现几十GHz带宽信号的混频，另外通过对伪随机码进行不同的光延时来产生不同的正交码序列，系统只需1个伪随机序列发生器，大幅度降低多通道CS系统的成本，从而便于提高系统的通道数，同时也利于系统集成。结合多波长的光载波的使用，系统只需两个电光调制器就能实现不同的伪随机码与射频信号的混频。

Description

基于光子辅助的多通道压缩采样系统及方法

技术领域

本发明涉及信号处理技术领域，特别涉及一种基于光子辅助的压缩采样系统及方法。

背景技术

在对宽带、频谱稀疏信号进行采样时，压缩采样技术(CompressiveSampling，CS)所需的采样率远低于奈奎斯特采样率，具有低采样率的特点，有效降低采样后的数据处理代价。CS技术的相关应用非常广泛，如通信基站的宽带频谱感知、SAR(合成孔径雷达)高分辨率成像、MIMO(多输入多输出)雷达应用于信号方向识别和目标侦查、宽带、动态频谱的监测等等。

目前，电CS系统的原理框架比较成熟。系统主要由传感矩阵和恢复算法两部分构成。传感矩阵是随机矩阵，与信号不相关，将宽带信号分成若干相同带通的子信号，混频后在基带叠加，实现对信号频谱的压缩；恢复算法则通过矩阵运算，从多路不相干的压缩信号中提取原始的宽带信号。

基于电子器件搭建的CS系统(称为电CS系统)主要由多路的宽带混频器、伪随机码发生器、低通滤波器(LPF)、模数转换器(ADC)等构成。如图1所示，微波信号先分路、经过混频器与伪随机序列进行混频，然后通过LPF提取出混频信号的窄带基带分量，最后滤波输出信号进过量化和恢复算法，完成对信号的恢复。

目前，电CS系统方案存在三个主要的局限：1、受传统的电混频器件的工作带宽所限，基于电子器件的CS系统的工作带宽只有几百MHz，无法实现GHz量级带宽甚至带宽更大的压缩采样；2、每路都需要一个宽带混频器和码发生器，如图1所示，系统结构复杂，不利于提高通道数；3、随着系统通道数的增加，射频至每路混频器时的功率下降，会导致输入信噪比的恶化，从而很难提高系统的通道数。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何简易地实现几十GHz带宽的压缩采样系统。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于光子辅助的多通道压缩采样系统，包括依次连接的：第一电光调制器、第一解复用器、光延迟线、复用器、第二电光调制器和第二解复用器。

优选地，所述系统还包括依次连接的光探测器、低通滤波器、模数转换器和数字信号处理器，所述光探测器与所述第二解复用器连接。

优选地，所述系统还包括与所述第一电光调制器连接的多波长激光器。

优选地，所述系统还包括与所述第一电光调制器连接的伪随机序列发生器。

优选地，所述光延迟线为多个，每个光延迟线的光延时长度不同。

优选地，所述第一电光调制器和第二电光调制器为强度型马赫曾德调制器。

本发明还提供了一种利用上述系统进行多通道压缩采样的方法，包括以下步骤：

S1、利用所述第一电光调制器将所述伪随机序列发生器所产生的伪随机序列调制到所述激光器所产生多波长的光载波上，然后输出调制码信号；

S2、所述调制码信号通过所述第一解复用器进行分路，再经过不同的多个所述光延迟线，得到多路不同的延时码信号；

S3利用所述复用器将各路延时码信号合路输出得到光信号，将宽带射频信号调制至所述光信号上，经过所述第二解复用器分路输出；

S4、所述第二解复用器经过所述光电探测器、低通滤波器和模数转换器，得到多路采样信号，最后将各路采样信号送入数字信号处理器，所述数字信号处理器将原始的宽带射频信号恢复出来。

优选地，所述电光调制器的直流偏置电压设置为一定值，以使得所述电光调制器的传输函数为所输入多波长的光载波的线性函数。

优选地，所述光延迟线的光延时长度均满足：大于1个所述调制码信号的码片长度，且不是所述调制码信号的码周期的整数倍。

(三)有益效果

本发明通过利用宽带的光电子器件(几十GHz带宽的电光调制器)来实现几十GHz带宽信号的混频，另外通过对伪随机码进行不同的光延时来产生不同的正交码序列，系统只需1个伪随机序列发生器，大幅度降低多通道CS系统的成本，从而便于提高系统的通道数，同时也利于系统集成。结合多波长的光载波的使用，系统只需两个电光调制器就能实现不同的伪随机码与射频信号的混频。

附图说明

图1是现有的基于电子器件的CS系统的结构框图；

图2是本发明实施例的系统结构框图；

图3(a)～图3(c)是本发明实施例的系统的实验结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图2所示，本发明提供了一种基于光子辅助的多通道压缩采样系统，包括依次连接的：多波长激光器1、第一强度型马赫曾德调制器(MZM)2、第一解复用器3、光延迟线4、复用器5、第二MZM6和第二解复用器7、光探测器PD 8、低通滤波器LPF 9、模数转换器ADC 10和数字信号处理器DSP 11，PD 8与第二解复用器7连接。

所述系统还包括与所述第一电光调制器连接的伪随机序列发生器12。

所述光延迟线为多个，每个光延迟线的光延时长度不同。

本发明还提供了一种利用上述系统进行多通道压缩采样的方法，包括以下步骤：

S1、利用所述第一电光调制器将所述伪随机序列发生器所产生的伪随机序列调制到所述激光器所产生多波长的光载波上，然后输出调制码信号；

S2、所述调制码信号通过所述第一解复用器进行分路，再经过不同的多个所述光延迟线，得到多路不同的延时码信号；

S3利用所述复用器将各路延时码信号合路输出得到光信号，将宽带射频信号调制至所述光信号上，经过所述第二解复用器分路输出；

S4、所述第二解复用器经过所述光电探测器(检测到第二解复用器输出的信号)、低通滤波器(对检测到的信号进行低通滤波)和模数转换器(对低通滤波后的信号进行采样)，得到多路采样信号，最后将各路采样信号送入数字信号处理器，所述数字信号处理器利用恢复算法将原始的宽带射频信号RF恢复出来。所述恢复算法与背景技术中提到的电CS系统的恢复算法相同，为现有技术。

所述电光调制器的直流偏置电压(偏压)设置为一定值，以使得所述电光调制器的传输函数为所输入多波长的光载波的线性函数。

各通道的光延迟线的光延时长度均满足：大于1个所述调制码信号的码片长度，且不是所述调制码信号的码周期的整数倍，这样是为了保证各通道的码相互正交，不相关。

按照图2搭建一个双通道CS系统，参数设置如下：将对应伪随机序列输入和宽带RF输入的两个MZM的偏压分别设为1倍和0.5倍的MZM的半波电压，这种电压设置是为了获取高线性度的伪随机序列与宽带RF的混频信号。多波长激光器为双波长源。双通道CS系统可以对2.55-GHz带宽范围的RF信号进行采样。从第一MZM输入的伪随机序列的码长为511，码率为5.11Gb/s，则相邻通道间的相对光延时约为0.1957ns的整数倍。根据码多项式和光延时即可得到系统的传输矩阵。PD和LPF的3-dB带宽分别为40-GHz和100-MHz，ADC采样率为1.25-GSamp/s，当然同样可使用带宽为50-MHz的PD和LPF。

恢复算法在高速DSP中完成，主要包括矩阵的正交基的搜索和求逆等计算，为现有技术。在信号频率位置已知的情况下，可以采用最简单的对传输矩阵的子矩阵求逆的方法来完成信号恢复；在频率未知的情况下，可以采用CoSaMP、MUSIC等成熟的算法。

下面介绍基于光子辅助的CS系统工作的原理。

两个MZM的传输函数为：ψ＝E_in cos(πS(t)/V_π+πV_DC/2V_π)，E_in为输入的光载波，V_DC为MZM的直流偏置电压，S(t)为输入的电信号(伪随机序列)。设定好两个调制器的直流偏置电压后，可以得到k通道PD的输入形式，如下归一化式：

$R_k\left(t\right)=e^{{\mathrm{jw}}_k(t-{\mathrm{\τ}}_k)}A\cos (\mathrm{\πr}\left(t\right)/V_{\mathrm{\π}}-\mathrm{\π}/4)\cos (\mathrm{\πm}(t-{\mathrm{\τ}}_k)/V_{\mathrm{\π}}-\mathrm{\π}/2)$

$\≈0.707e^{{\mathrm{jw}}_k(t-{\mathrm{\τ}}_k)}A(1-0.5{(\mathrm{\πr}\left(t\right)/V_{\mathrm{\π}})}^2+(\mathrm{\πr}\left(t\right)/V_{\mathrm{\π}})-\frac{1}{6}{(\mathrm{\πr}\left(t\right)/V_{\mathrm{\π}})}^3)\sin (\mathrm{\πm}(t-{\mathrm{\τ}}_k)/V_{\mathrm{\π}})$

w_k为第k路通道的RF的频率，τ_k为第k路通道的光延时，V_π为MZM的半波电压，r(t)和m(t)分别为输入的RF信号和伪随机序列。

不考虑PD的散弹噪声和热噪声，经过PD检测后的输出信号与光载波的波长无关，如下归一化表示：

I_k(t)＝r|R_k(t)|²≈0.5r(1+2(πr(t)/V_π))sin²(πm(t-τ_k)/V_π))

因为从第一MZM输入的光载波为两电平信号，sin²(πm(t-τ_k)/V_π)也是两电平信号，因此PD的输出信号为RF信号与等效伪随机码的混频。由上式可知：不同通道的光延时不同，去掉码分量后输出是不同伪随机序列与宽带RF的混频。PD后的滤波、采样以及电信号处理与现有电CS系统类似，为现有技术。

图3给出了RF频率为1.022-GHz和2.044-GHz时ADC的输出频谱以及两通道恢复出来的双频信号频谱。RF的输入功率为0-dBm，CS系统恢复信号的信噪比为25-dB左右。图3(a)为单通道ADC采样信号的数字频谱，图3(b)恢复的信号1，图3(c)为恢复的信号2。

由以上实施例可以看出，本发明利用宽带的调制器级联、光延迟线和多波长源，可以实现对带宽达几十GHz的频谱稀疏信号进行压缩采样；系统结构简单，便于提高CS系统的通道数；由于系统不需要对射频信号进行分路，与电CS系统相比，系统的输入信噪比更高。

以上所述仅是本发明的实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种利用基于光子辅助的多通道压缩采样系统进行多通道压缩采样的方法，其中基于光子辅助的多通道压缩采样系统包括依次连接的：第一电光调制器、第一解复用器、光延迟线、复用器、第二电光调制器和第二解复用器、光探测器、低通滤波器、模数转换器和数字信号处理器，还包括与所述第一电光调制器连接的激光器和伪随机序列发生器，所述光延迟线为多个，每个光延迟线的光延时长度不同，其特征在于，包括以下步骤：

S1、利用所述第一电光调制器将所述伪随机序列发生器所产生的伪随机序列调制到所述激光器所产生多波长的光载波上，然后输出调制码信号；

S2、所述调制码信号通过所述第一解复用器进行分路，输出的各路信号再分别经过不同的多个所述光延迟线，得到多路不同的延时码信号；

S3、利用所述复用器将各路延时码信号合路输出得到光信号，将宽带射频信号调制至所述光信号上，经过所述第二解复用器分路输出；

S4、所述第二解复用器经过所述光探测器、低通滤波器和模数转换器，得到多路采样信号，最后将各路采样信号送入数字信号处理器，所述数字信号处理器将原始的宽带射频信号恢复出来。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电光调制器的直流偏置电压设置为一定值，以使得所述电光调制器的传输函数为所输入多波长的光载波的线性函数。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光延迟线的光延时长度均满足：大于1个所述调制码信号的码片长度，且不是所述调制码信号的码周期的整数倍。

4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一电光调制器和第二电光调制器为强度型马赫曾德调制器。

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