CN102981048B - 基于光采样的射频频率测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通信机信号检测技术领域，公开了一种基于光采样的射频频率测量方法及装置，该方法包括以下步骤：S1、脉冲光源产生周期性的脉冲序列；S2、用周期编码信号和微波信号调制脉冲序列；S3、探测处理后的脉冲序列，并将该脉冲序列转换成光电流；S4、将光电流以低于微波信号的奈奎斯特带宽一定值的速率进行采样；S5、将采样后得到的数据进行处理后恢复出微波信号，从而得到该微波信号的频率。本发明能以低成本和低于微波信号奈奎斯特带宽的采样率，无需下变频实现宽带内多个微波频率实时精确测量。

Description

基于光采样的射频频率测量方法及装置

技术领域

本发明涉及通信机信号检测技术领域，尤其涉及一种基于光采样的射频频率测量方法及装置。

背景技术

射频频率测量(也称为微波频率测量)，即从纷乱复杂的电磁环境中接收有用的微波信号，进行处理并分辨出目标信息的频率，是微波系统的一个重要组成部分。在通信、信号检测等领域有着广泛应用。

现有技术1：传统的基于电子器件的微波频率测量系统

传统的基于电子器件的微波频率测量系统的框架如图1所示，无线射频信号被天线接收、射频前端放大和变频后，经模数转换(ADC)为比特信号输出。通过分析输出比特信号的特征，然后通过数字信号处理(DSP)推测出接收的微波频率。

该技术的缺陷在于：一方面，传统微波频率测量系统以比特而非信息为目标，造成了过度的“信息冗余”和功能浪费；另一方面，金属链路的实施方案由于动态范围、宽带衰落等，又造成“信息失真”。该问题在微波系统实施过程中的表现，就是SWAP(Size，Weight，AndPower)的增长，即：由于“信息冗余和失真”的存在，宽带RF信息精确数字化这一目标带来了微波感知接收系统的尺寸、重量和功耗的急剧增加。

现有技术2：基于光子技术的微波频率测量系统

和由金属器件构建的传统微波链路不同，射频光链路(radio overfiber，RoF)则是以光纤和宽带光电转换、电光转换器件为基础搭建的微波链路，通过测量模拟输出信号的频谱，推测射频输入的频率。典型的RoF系统结构如图2所示。

目前，已经有很多方案提出了基于光子技术的射频频率测量方法，这些方法主要集中在当信号中有一个射频信号时，分析出这个信号的频率和强度。例如，参考文献[1]中利用马赫泽德干涉仪(MZI)，建立了微波频率和被调制光透过功率之间的幅度比较函数，通过测量MZI后接收到的光功率来推断微波频率。这种方法的优点是实时性好，测量范围可调，方法简单。参考文献[2]利用在色散介质中被调制了不同微波频率的光相对时延不同的特性，建立起微波频率和相对时延的映射关系，通过观测脉冲的相对时延量大小推测多个微波信号的频率。参考文献[2]初步解决了光子技术无法测量多个微波频率的问题。

基于光子技术的微波频率测量系统虽然突破了电子器件动态范围和带宽的限制，而且解决了电缆传输信号时无法拉远的问题。但是，这项技术在射频谱分析方面依然没能超越传统电子器件。

参考文献[1]所提出的技术的缺点是只能测量一个微波频率，不够实用。参考文献[2]的方法分辨率极低，只有12.5GHz，也就是说，两个微波只有频率差大于12.5GHz时才能用这种方法被感知；而且该方法的测量误差很大，大约±1.56GHz，这样低的分辨率和巨大的误差，也严重阻碍这光子微波感、接收和分析技术的真正应用。

现有技术3：基于压缩采样的稀疏宽带射频信号探测，如图3所示。

压缩采样是一种新的信号处理理论。它的研究对象是稀疏信号，即以众多窄带带通信号的形式、稀疏地分布在一个超宽带(比如0.1～20GHz)的电磁环境中；也就是说，射频信号的奈奎斯特带宽很宽，但实际覆盖的带宽却不大。在处理稀疏信号时，若依据香农采样定律，很多被ADC采样量化的信息没有利用价值，最终要被丢弃。而根据压缩采样理论提出的算法进行处理，所需的ADC采样速率将远低于稀疏信号的奈奎斯特带宽，从而避免了ADC和后续DSP处理能力的极大浪费。

而根据压缩采样定理，参考文献[3，4]提出了一种宽带稀疏信号探测方法。这种方法首先将接收的微波信号分成若干路，每一路分别与一个预先设定的周期性编码信号相乘，相乘后微波信号的频谱被编码信号折叠并以不同的权重搬移到基带上。然后混合信号被低通滤波并以远低于奈奎斯特带宽的速率采样。根据采样数据和参考文献[4]提出的算法，就能恢复出宽带稀疏信号内所包含的信息。

该技术的缺陷在于：

1)成本昂贵：该技术需要40个左右信道并行处理，每一路都需要编码信号发生装置，混频器，滤波器和ADC，几乎不能实现。

2)同步困难：多路信号的采样之间需要同步，在电上这种多路信号同步需要制作特殊的采集卡和同步电路，非常复杂，并且同步电路功耗很大。

3)SWAP高：该技术在电域完成，所用都是电子器件，所以SWAP很高，较难实用。

4)系统稳定性差：由于需要若干信道的编码方式同时确定后才能实现ADC，该技术存在不稳定性，即若某一个编码信号发生装置出现故障，则整个算法将立即崩溃。

5)耗时：算法较为复杂，运算速度慢，对迅速跳变的微波信号，难以实现。

上面提到的参考文献如下：

[1]Dai，J.；Xu，K.；Sun，X.；Niu，J.；Lv，Q.；Wu，J.；Hong，X.；Li，W.；Lin，J.；，″A Simple Photonic-Assisted Microwave FrequencyMeasurement System Based on MZI With Tunable Measurement Rangeand High Resolution，″Photonics Technology Letters，IEEE，vol.22，no.15，pp.1162-1164，Aug.1，2010

[2]Nguyen，L.；，″Microwave Photonic Technique for FrequencyMeasurement of Simultaneous Signals，″Photonics Technology Letters，IEEE，vol.21，no.10，pp.642-644，May15，2009

[3]Candes，E.J.；Romberg，J.；Tao，T.；，″Robust uncertainty principles：exact signal reconstruction from highly incomplete frequencyinformation，″Information Theory，IEEE Transactions on，vol.52，no.2，pp.489-509，Feb.2006

[4]Mishali，M.；Eldar，Y.C.；，″From Theory to Practice：Sub-NyquistSampling of Sparse Wideband Analog Signals，″Selected Topics in SignalProcessing，IEEE Journal of，vol.4，no.2，pp.375-391，April 2010

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：如何以低成本实现微波频率测量。

(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采样的射频频率测量方法，包括以下步骤：

S1、产生周期性的脉冲序列；

S2、用周期编码信号调制所述脉冲序列，然后用微波信号调制所述编码后的脉冲序列，得到处理后的脉冲序列；或者先用微波信号调制所述脉冲序列，然后用周期编码信号调制所述脉冲序列，得到处理后的脉冲序列；使用并行结构得到处理后的脉冲序列，即，在并行结构的输入端将所述脉冲序列分成两路，一路用微波信号调制，另一路用周期编码信号调制，然后将两路信号合成一路得到处理后的脉冲序列；

S3、探测所述处理后的脉冲序列，并将该脉冲序列转换成光电流；

S4、将所述光电流以低于所述微波信号的奈奎斯特带宽一定值的速率进行采样；

S5、将采样后得到的数据进行处理后恢复出所述微波信号，从而得到该微波信号的频率。

其中，步骤S5中，将所述光电流以模拟带宽 $B_{\mathrm{ADC}}=O(K\log (2{\mathrm{NB}}_{\mathrm{RF}}/{\mathrm{Kf}}_{\mathrm{MLL}})\×\frac{f_{\mathrm{MLL}}}{N})$ 进行采样，其中K为所述微波信号所包含的频率的个数，B_RF是微波信号的带宽，f_MLL是步骤S1中所述脉冲序列的重复频率，N是步骤S2中周期编码信号的位数，O(x)代表x相同数量级的任意数。

其中，步骤S5中，利用观察矩阵恢复出所述微波信号。

其中，所述观察矩阵为托普利兹矩阵。

本发明还提供了一种基于光采样的射频频率测量装置，包括依次连接的脉冲光源产生装置、脉冲编码模块，光调制器、光探测器、模数转换器以及数字信号处理器，还包括天线和周期编码信号产生装置，所述天线与所述光调制器连接，所述周期编码信号产生装置分别与所述脉冲编码模块和数字信号处理器连接；

其中，所述脉冲光源产生装置用于产生脉冲光源产生周期性的脉冲序列；所述脉冲编码模块用于用周期编码信号调制所述脉冲序列，得到编码后的脉冲序列；所述天线用于接收微波信号；周期编码信号产生装置用于产生周期编码信号并提供给脉冲编码模块和数字信号处理器；所述光调制器用于用微波信号调制所述编码后的脉冲序列；所述光探测器用于探测被微波信号调制后的脉冲序列，并将该脉冲序列转换成光电流；所述模数转换器用于将所述光电流以低于所述微波信号的奈奎斯特带宽一定值的速率进行采样；所述数字信号处理器用于将采样后得到的数据进行处理后恢复出所述微波信号。

其中，所述脉冲光源产生装置为主动锁模激光器，所述脉冲编码模块和光调制器均为马赫泽德调制器，光探测器为光电探测管，周期编码信号产生装置为伪随机码产生装置。

其中，所述脉冲光源产生装置为主动锁模激光器，所述脉冲编码模块为马赫泽德调制器，所述光调制器为极化调制器，所述光探测器为平衡探测器，周期编码信号产生装置为伪随机码产生装置。

本发明还提供了一种基于光采样的射频频率测量装置，包括依次连接的脉冲光源产生装置、光调制器、脉冲编码模块、光探测器、模数转换器以及数字信号处理器，还包括天线和周期编码信号产生装置，所述天线与所述光调制器连接，所述周期编码信号产生装置分别与所述脉冲编码模块和数字信号处理器连接；

其中，所述脉冲光源产生装置用于产生脉冲光源产生周期性的脉冲序列；所述光调制器用于用微波信号调制所述脉冲序列；所述天线用于接收微波信号；周期编码信号产生装置用于产生周期编码信号并提供给脉冲编码模块和数字信号处理器；所述脉冲编码模块用于用周期编码信号调制微波信号调制后的脉冲序列；所述光探测器用于探测被周期编码信号调制后的脉冲序列，并将该脉冲序列转换成光电流；所述模数转换器用于将所述光电流以低于所述微波信号的奈奎斯特带宽一定值的速率进行采样；所述数字信号处理器用于将采样后得到的数据进行处理后恢复出所述微波信号。其中，所述脉冲光源产生装置为主动锁模激光器，所述脉冲编码模块为光开关，所述光调制器为马赫泽德调制器，所述光探测器为平衡探测器，周期编码信号产生装置为伪随机码产生装置。

所述脉冲光源产生装置为主动锁模激光器，所述脉冲编码模块为光开关，所述光调制器为马赫泽德调制器，所述光探测器为平衡探测器，周期编码信号产生装置为伪随机码产生装置。

本发明还提供了一种基于光采样的射频频率测量装置，包括依次连接的脉冲光源产生装置、光探测器、模数转换器以及数字信号处理器，还包括脉冲编码模块、光调制器、天线和周期编码信号产生装置，所述脉冲编码模块与光调制器组成并行结构连接于脉冲光源产生装置与光探测器之间，所述天线与所述光调制器连接，所述周期编码信号产生装置分别与所述脉冲编码模块和数字信号处理器连接；

其中，所述脉冲光源产生装置用于产生脉冲光源产生周期性的脉冲序列；所述脉冲编码模块用于用周期编码信号调制所述脉冲序列，得到编码后的脉冲序列；所述天线用于接收微波信号；周期编码信号产生装置用于产生周期编码信号并提供给脉冲编码模块和数字信号处理器；所述光调制器用于用微波信号调制所述编码后的脉冲序列；所述光探测器用于探测被微波信号调制后的脉冲序列，并将该脉冲序列转换成光电流；所述模数转换器用于将所述光电流以低于所述微波信号的奈奎斯特带宽一定值的速率进行采样；所述数字信号处理器用于将采样后得到的数据进行处理后恢复出所述微波信号。

所述脉冲光源产生装置为主动锁模激光器，所述光调制器和脉冲编码模块为马赫泽德调制器与延时线组成的并行结构，所述光探测器为平衡探测器，周期编码信号产生装置为伪随机码产生装置。

(三)有益效果

本发明基于微波光子技术实现微波频率测量，利用远低于宽带射频信号的奈奎斯特带宽的模数转换速率实现对稀疏或跳变的射频信号的精确定位，无需下变频，只需一个信道，具有大的动态范围和带宽，能够同时探测多个微波信号的频率，成本较低；数学上利用Teoplitz矩阵作为压缩采样中的观察矩阵，计算速度快；基于MZM、PolM、switch+BPD、并行结构这四种方式实现频率测量，能使调制后的光信号信噪比高，调制动态范围大，利用现有成熟的光电技术，易于实现，无需下变频，实现宽带内多个频率实时精确测量。

附图说明

图1是传统的基于电子器件的微波频率测量系统的结构示意图；

图2是典型RoF系统结构示意图；

图3是传统的基于压缩采样的稀疏宽带射频信号探测系统结构示意图；

图4是本发明的装置结构示意图；

图5是本发明的方法流程图；

图6～图9是本发明的装置实施例的结构示意图。

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4和图5所示，本发明的方法包括以下步骤：

时域上，首先脉冲光源产生周期性的短脉冲序列；然后脉冲序列进入脉冲编码模块，被调制上周期编码信号(由周期编码信号产生装置产生)。这样，在脉冲编码模块之后，就得到了编码后的脉冲序列。在光调制器中，被天线接收并放大的微波信号加载在光调制器的射频输入端，微波信号调制在编码后的脉冲序列上。紧接着，被微波信号调制的脉冲序列被光探测器探测到，转换成光电流，然后被模数转换器以远低于微波信号的奈奎斯特带宽(奈奎斯特带宽是模拟带宽，其量纲与速率的相同)的速率采样，采样数据送到数字信号处理器DSP中进行后续处理恢复出原始的微波信号。

上述步骤中，在频域上，由于编码后的短脉冲序列具有周期性，所以其频谱为周期性的离散的狄拉克脉冲序列，且相邻狄拉克脉冲序列的间距等于编码后的短脉冲序列的重复频率。这个编码后的短脉冲序列将微波信号的频谱分成若干带宽等于编码后的短脉冲序列重复频率(也即周期的倒数)的区间。当微波信号被调制到编码后的短脉冲序列上后，微波信号的各个区间被编码后的短脉冲序列搬移到基带并以不同的权重相加，从而实现宽带微波信号到被编码基带信号的压缩过程。然后，ADC以远低于微波信号的奈奎斯特带宽的模拟带宽(例如 $B_{\mathrm{ADC}}=O(K\log (2{\mathrm{NB}}_{\mathrm{RF}}/{\mathrm{Kf}}_{\mathrm{MLL}})\×\frac{f_{\mathrm{MLL}}}{N}),$ K为微波信号所包含的频率的个数，B_RF是微波信号的带宽，f_MLL是脉冲序列的重复频率，N是周期编码信号的位数，O(x)代表x相同数量级的任意数。更具体地，微波信号包含10个频率，带宽5GHz时，B_ADC可取826.75MHz，也即ADC的采样速率为1.6535GHz，而如果根据奈奎斯特采样定律，所需ADC模拟带宽至少为5GHz，也即ADC的采样速率为10GHz)采样被编码基带信号(“远低于”体现在B_ADC正比于B_RF的对数上)，所得压缩采样信号虽然与原信号相差很大，但是具有确定的关系，也即压缩采样是原信号各个区间内频谱加权和，所以通过合适的算法可以以很大的概率将原信号恢复出来。

将脉冲光源产生的脉冲序列送入脉冲编码模块，在脉冲编码模块输出端得到编码脉冲序列，设光场(描述光信号的幅度和相位)的表达式为：

          E(t)＝p(t)                                 (1)

由于p(t)是编码后的短脉冲序列，所以是周期信号，因此可以写成傅里叶级数的形式：

$p\left(t\right)=\underset{l=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{c}_l{e}^{j\frac{2\mathrm{\π}}{T_p}\mathrm{lt}}---\left(2\right)$

其中T_p是p(t)的周期，在光调制器后，微波信号x(t)和p(t)相乘，得到它的频谱可以写成

$X\left(f\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}\tilde{x}\left(t\right)e^{-j2\mathrm{\πft}}\mathrm{dt}$

$=\underset{l=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{c}_l{\∫}_{-\∞}^{\∞}x\left(t\right)e^{-j2\mathrm{\π}(f-\frac{l}{T_p})t}\mathrm{dt}---\left(3\right)$

$=\underset{l=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{l}X(f-l{f}_p)$

其中X(f)为x(t)的频谱，f_p＝l/T_p是脉冲序列的重复频率。

用光探测器接收混合信号相当于让通过一个低通滤波器，然后转换成光电流。光电流被模数转换器采样后，得到基带信号y(t)，其频谱为Y(f)，Y(f)相当于将X(f)乘以一个门函数G(f)：

$G\left(f\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& f\∈[-f_{\mathrm{ADC}}/2,f_{\mathrm{ADC}}/2]\\ 0,& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中f_ADC为模数转换器的采样速率。

被ADC采样得到的基带信号频谱为

$Y\left(f\right)=\underset{l=-f_{\mathrm{ADC}}{T}_p/2+1/2}{\overset{f_{\mathrm{ADC}}{T}_p/2-1/2}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{l}X(f-l{f}_p),---\left(5\right)$

其中，f∈[-f_ADC/2，f_ADC/2]

将上式写成矩阵形式：

        Y(f)＝AZ(f)                                 (6)

其中Y(f)＝[Y₁(f)，Y₂(f)，...，T_n(f)]^T

n＝f_ADC/f_p

$Y_i\left(f\right)=Y(f-(i-\frac{n+1}{2})f_p),f\∈[-f_p/2,f_p/2],i=\mathrm{1,2},...,n$

Z(f)＝[x_-m(f)，...，x_k(f)，...，x_m(t)]              (7)

m＝B_RFT_p

A＝(a_ij)_n×m

a_ij＝c_i-j，c_i-j是式(2)中p(t)的i-j阶傅里叶系数其中B_RF是微波信号的带宽。n的物理含义是基带中所包含的区间个数，是f_ADC除以编码后脉冲序列重复频率f_p的倍数，m表示微波信号带宽内包含的区间个数，是B_RF除以编码后脉冲序列重复频率f_p的倍数。式6中的A矩阵(即周期编码信号)由周期编码信号产生装置给出。

式6给出模数转换器输出的基带信号与原信号的关系，由DSP求解式6，得到Z(f)，再根据式7得到原微波信号频谱，也即输入的微波信号，也就知道了微波信号的频率。

式6是一个线性方程组，在压缩采样理论中，矩阵A称为观察矩阵。由于式6未知数个数多于方程数，也即观察矩阵的列数远大于行数，所以按照一般的数学理论无法求解。但是根据压缩采样理论，当未知数Z(f)满足稀疏性且观察矩阵满足不相关的条件时，方程组的解可以以极大的概率被求解(参考文献[3，5])。也即当带宽为B_RF的输入微波信号包含K个频率(满足稀疏性)，并采用合适的编码方式和相应解码算法(满足观察矩阵不相关)，则可以用模拟带宽为 $B_{\mathrm{ADC}}=O(K\log (2{\mathrm{NB}}_{\mathrm{RF}}/{\mathrm{Kf}}_{\mathrm{MLL}})\×\frac{f_{\mathrm{MLL}}}{N})$ 的模数转换器，恢复出输入信号。

上述计算过程是当信号只有一路编码时物理过程的数学模型。参考文献[5]中证明Teoplitz矩阵可以满足压缩采样定理对观察矩阵的要求，给出求解该问题的理论依据。所以式6可以通过压缩采样理论求解，从而实现对微波信号的高效压缩感知和分析。

上述参考文献如下：

[3]Haupt，J.；Bajwa，W.U.；Raz，G.；Nowak，R.；，″ToeplitzCompressed Sensing Matrices With Applications to Sparse ChannelEstimation，″Information Theory，IEEE Transactions on，vol.56，no.11，pp.5862-5875，Nov.2010

[5]Mishali，M.；Eldar，Y.C.；，″From Theory to Practice：Sub-Nyquist Sampling of Sparse Wideband Analog Signals，″SelectedTopics in Signal Processing，IEEE Journal of，vol.4，no.2，pp.375-391，April 2010。

按照发明方案的原理，给出若干实施例。所有实施例的原理都基本相同。

实施例1：

如图6所示，MLL是主动锁模激光器，MZM是马赫泽德调制器，PRBS是周期编码信号产生装置所产生的伪随机码(是一种周期编码信号)(PRBS本身也可以认为是代表一种周期编码信号产生装置)，RF是待测微波信号，PD是光电探测管，ADC是模数转换器。

MLL产生脉宽1～2ps的短脉冲序列，脉冲重复频率为10GHz，第一个MZM将PRBS调制到MLL产生的短脉冲序列上。RF由天线接收后，经过放大被第二个MZM强度调制在编码短脉冲序列上。然后，携带RF信号的编码短脉冲序列被PD接收。PD产生的光电流正比于它接收到的光电场强度，这个电流被随后的ADC以远低于奈奎斯特带宽的速率采样，所得信号频谱可用式5表示。采样数据送到DSP处理。PRBS的信号同时也送到DSP中，作为解码时使用。最终DSP求解式6，得到待测频率值。

实施例2：

如图7所示，PolM是极化调制器，PC是偏振控制器，PBS是偏振分束器，BPD是平衡探测器，其余器件与实施例1相同。

编码光脉冲序列在进入PolM前，通过调整PC，使得入射光为线偏振且偏振态与PolM的偏振主轴夹角45°。在PolM输出端，产生两个偏振态正交且调制方向相反的相位调制信号。这样，入射的线偏振光被转换成右旋偏振光。在第二个PC处，偏振光被分成相位共轭的两个先偏振光，并被PBS分开。这样，在PBS的两个输出端口，光功率的表达式为

其中P_in是被PRBS调制的编码周期信号的光功率，V_in是光调制器射频输入端的输入射频电压，V_π是光调制器的半波电压，是PC引入的的相移。

通过调整PC，在BPD探测后，产生的光电流为：

$I_Q={\mathrm{RP}}_{\mathrm{in}}\sin \left[\frac{\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}{V}_{\mathrm{in}}\left(t\right)\right],---\left(9\right)$

当调制深度比较小时，输出电流约等于：

$I_Q=R{P}_{\mathrm{in}}\frac{\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}{V}_{\mathrm{in}}\left(t\right)---\left(10\right)$

而P_in正比于PRBS调制的编码周期信号，在BPD输出端的电流实际就是微波信号和编码周期信号的乘积，频谱可以用式5表示。之后的步骤和实施例1一样。

实施例3：

如图8所示，Switch为光开关，其余器件均与前面的相同。这个方案中先调制后编码，实施例1、2中是先编码后调制。

主动锁模激光器产生的光脉冲序列首先被PRBS调制上微波信号，然后通过光开关。Switch有两个输出端，每次有一个输出端输出光信号，另一个输出端不输出信号。输出端的选择由外部电信号控制。假设PRBS为0时Switch上臂输出，BPD输出电流为微波信号，当PRBS为1时下臂输出，BPD的输出为微波电流乘以-1。这样，BPD的输出就是微波信号乘以±1的PRBS信号，因此同样实现了对微波信号与编码信号相乘的操作。BPD的光电流被ADC采样后，所得信号频谱可用式5表示。之后的步骤和实施例1一样。

实施例4：

如图9所示，其中的τ表示延时线。MLL产生的光脉冲被分成两路。一路被调制上微波信号，另一路被调制上编码序列PRBS并被延时，然后两路信号通过一个2x2耦合器，被BPD探测。延时线用来使得两个光路光程一致。根据相干接收原理，在BPD输出的光电流是两个光路调制信号的乘积，频谱可以用式5表示。之后的操作可以和实施例1-3一样。

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 (10)

1.一种基于光采样的射频频率测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、产生周期性的脉冲序列；

S2、用周期编码信号调制所述脉冲序列，然后用微波信号调制所述编码后的脉冲序列，得到处理后的脉冲序列；或者先用微波信号调制所述脉冲序列，然后用周期编码信号调制所述脉冲序列，得到处理后的脉冲序列；或者使用并行结构得到处理后的脉冲序列，即，在并行结构的输入端将所述脉冲序列分成两路，一路用微波信号调制，另一路用周期编码信号调制，然后将两路信号合成一路得到处理后的脉冲序列；

S3、探测所述处理后的脉冲序列，并将该脉冲序列转换成光电流；

S4、将所述光电流以低于所述微波信号的奈奎斯特带宽一定值的速率进行采样；

S5、将采样后得到的数据进行处理后恢复出所述微波信号，从而得到该微波信号的频率；

其中，步骤S4中，将所述光电流以模拟带宽进行采样，其中K为所述微波信号所包含的频率的个数，B_RF是微波信号的带宽，f_MLL是步骤S1中所述脉冲序列的重复频率，N是步骤S2中周期编码信号的位数，O(x)代表x相同数量级的任意数。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S5中，利用观察矩阵恢复出所述微波信号。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述观察矩阵为托普利兹矩阵。

4.一种基于光采样的射频频率测量装置，其特征在于，包括依次连接的脉冲光源产生装置、脉冲编码模块、光调制器、光探测器、模数转换器以及数字信号处理器，还包括天线和周期编码信号产生装置，所述天线与所述光调制器连接，所述周期编码信号产生装置分别与所述脉冲编码模块和数字信号处理器连接；

其中，所述脉冲光源产生装置用于产生脉冲光源产生周期性的脉冲序列；所述脉冲编码模块用于用周期编码信号调制所述脉冲序列，得到编码后的脉冲序列；所述天线用于接收微波信号；周期编码信号产生装置用于产生周期编码信号并提供给脉冲编码模块和数字信号处理器；所述光调制器用于用微波信号调制所述编码后的脉冲序列；所述光探测器用于探测被微波信号调制后的脉冲序列，并将该脉冲序列转换成光电流；所述模数转换器用于将所述光电流以低于所述微波信号的奈奎斯特带宽一定值的速率进行采样，即将所述光电流以模拟带宽进行采样，其中K为所述微波信号所包含的频率的个数，B_RF是微波信号的带宽，f_MLL是周期性的脉冲序列的重复频率，N是周期编码信号的位数，O(x)代表x相同数量级的任意数；所述数字信号处理器用于将采样后得到的数据进行处理后恢复出所述微波信号。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述脉冲光源产生装置为主动锁模激光器，所述脉冲编码模块和光调制器均为马赫泽德调制器，光探测器为光电探测管，周期编码信号产生装置为伪随机码产生装置。

6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述脉冲光源产生装置为主动锁模激光器，所述脉冲编码模块为马赫泽德调制器，所述光调制器为极化调制器，所述光探测器为平衡探测器，周期编码信号产生装置为伪随机码产生装置。

7.一种基于光采样的射频频率测量装置，其特征在于，包括依次连接的脉冲光源产生装置、光调制器、脉冲编码模块、光探测器、模数转换器以及数字信号处理器，还包括天线和周期编码信号产生装置，所述天线与所述光调制器连接，所述周期编码信号产生装置分别与所述脉冲编码模块和数字信号处理器连接；

其中，所述脉冲光源产生装置用于产生脉冲光源产生周期性的脉冲序列；所述光调制器用于用微波信号调制所述脉冲序列；所述天线用于接收微波信号；周期编码信号产生装置用于产生周期编码信号并提供给脉冲编码模块和数字信号处理器；所述脉冲编码模块用于用周期编码信号调制微波信号调制后的脉冲序列；所述光探测器用于探测被周期编码信号调制后的脉冲序列，并将该脉冲序列转换成光电流；所述模数转换器用于将所述光电流以低于所述微波信号的奈奎斯特带宽一定值的速率进行采样，即将所述光电流以模拟带宽进行采样，其中K为所述微波信号所包含的频率的个数，B_RF是微波信号的带宽，f_MLL是周期性的脉冲序列的重复频率，N是周期编码信号的位数，O(x)代表x相同数量级的任意数；所述数字信号处理器用于将采样后得到的数据进行处理后恢复出所述微波信号。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述脉冲光源产生装置为主动锁模激光器，所述脉冲编码模块为光开关，所述光调制器为马赫泽德调制器，所述光探测器为平衡探测器，周期编码信号产生装置为伪随机码产生装置。

9.一种基于光采样的射频频率测量装置，其特征在于，包括依次连接的脉冲光源产生装置、光探测器、模数转换器以及数字信号处理器，还包括脉冲编码模块、光调制器、天线和周期编码信号产生装置，所述脉冲编码模块与光调制器组成并行结构并合成一路连接于脉冲光源产生装置与光探测器之间，所述天线与所述光调制器连接，所述周期编码信号产生装置分别与所述脉冲编码模块和数字信号处理器连接；

其中，所述脉冲光源产生装置用于产生脉冲光源产生周期性的脉冲序列；所述脉冲编码模块用于用周期编码信号调制所述脉冲序列，得到编码后的脉冲序列；所述天线用于接收微波信号；周期编码信号产生装置用于产生周期编码信号并提供给脉冲编码模块和数字信号处理器；所述光调制器用于用微波信号调制所述周期性的脉冲序列；所述光探测器用于探测被微波信号调制后的脉冲序列，并将该脉冲序列转换成光电流；所述模数转换器用于将所述光电流以低于所述微波信号的奈奎斯特带宽一定值的速率进行采样，即将所述光电流以模拟带宽进行采样，其中K为所述微波信号所包含的频率的个数，B_RF是微波信号的带宽，f_MLL是周期性的脉冲序列的重复频率，N是周期编码信号的位数，O(x)代表x相同数量级的任意数；所述数字信号处理器用于将采样后得到的数据进行处理后恢复出所述微波信号。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述脉冲光源产生装置为主动锁模激光器，所述光调制器和脉冲编码模块为马赫泽德调制器与延时线组成的并行结构，所述光探测器为平衡探测器，周期编码信号产生装置为伪随机码产生装置。