CN104601243A - 基于可调谐色散器件阵列的全光降采样系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于可调谐色散器件阵列的全光降采样系统，包括多路不同频率光源发生装置，产生P路的不同频率的光源；调制发送装置，连接多路不同频率光源发生装置，调制射频信号后产生光载射频信号并发送；接收处理装置，连接调制发送装置，接收并处理光载射频信号；多路不同频率光源发生装置包括低速短脉冲光源、光分路器和可调谐色散器件阵列；调制发送装置包括调制器阵列、时分合波器和传输单元；接收处理装置包括接收单元、时分分波器、光电探测器阵列和数字信号处理器。与现有技术相比，本发明能够处理高频与超高频的射频信号，仅需一个低速短脉冲光源来实现采样，且降低了对光电探测器硬件的要求，节约成本。

Description

基于可调谐色散器件阵列的全光降采样系统

技术领域

本发明涉及一种光载射频通信系统，尤其是涉及一种基于可调谐色散器件阵列的全光降采样系统。

背景技术

从US 5,117,239已知，雷达系统包括：天线，用于接收和发射射频(RF)信号；发射部，连接至天线并用于产生RF信号并通过天线发射该信号；以及接收部，用于从天线接收RF信号，将其转移至基带或中频，并将其转换为相应的数字信号，该数字信号之后被适当处理。我们知道，信号数字化需要对RF信号进行采样，而采样的最佳频率是奈奎斯特频率(约为载波频率的两倍)。因而，信号频率越高，采样频率要相应增加，对硬件的要求也就越高。

文献1“Michael Fleyer，Amir Rosenthal，Alex Linden，and Moshe Horowiz.Multirate Synchronous Sampling of Sparse Multiband Signals，2008”中提出新的采样方法：synchronous multirate sampling(SMRS)。这种方法通过几种不同的采样频率同步采样信号，而所有的采样频率之和远小于奈奎斯特频率。通过处理一些简单的线性方程就能恢复出原来的信号。

其中，SMRS方法的降采样理论如下：

用P个不同的采样频率Fⁱ(i＝1…P)采样射频信号x(t)，则采样信号xⁱ(t)为：

$x^i\left(t\right)=x\left(t\right)\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(t-\frac{\mathrm{\η}}{F^i})---\left(1\right)$

其中，δ(t)为狄拉克函数，n为整数。分别对x(t)和xⁱ(t)进行傅里叶变换得到X(f)和Xⁱ(f)，则：

$X\left(f\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}x\left(t\right)e^{-j2\mathrm{\πft}}\mathrm{dt}---\left(2\right)$

$X^i\left(f\right)=F^i\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}X(f+n{F}^i)---\left(3\right)$

对X(f)和Xⁱ(f)进行离散化处理得到X[k]和Xⁱ[k]，则

Xⁱ[k]＝Xⁱ(kΔf)，k＝0,...,Mⁱ-1    (4)

X[k]＝X(kΔf)，k＝0,...,M-1    (5)

其中，0≤f≤F_max，F_max为最大载波频率，Mⁱ＝Fⁱ/Δf，Δf为频率分辨率， 为取整符号，则有公式：

$X^i\left[k\right]=F^i\underset{l=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}X\left[l\right]\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}[l-(k+n{M}^i)]---\left(6\right)$

公式(6)可用矩阵表示为：

xⁱ＝Aⁱx    (7)

其中，xⁱ和x定义如下：

(xⁱ)_k+1＝Xⁱ[k],k＝0,...,Mⁱ-1    (8)

(x)_k+1＝X[k],k＝0,...,M-1    (9)

Aⁱ是一个Mⁱ×M的矩阵，矩阵中各个元素为：

$A_{k+1,l+1}^i=F^i\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}[l-(k+n{M}^i)]---\left(10\right)$

向量和矩阵是所有采样通道xⁱ和Aⁱ的组合，则

$\hat{X}=\left(\begin{array}{c}{x}^1\\ x^2\\ .\\ .\\ .\\ x^P\end{array}\right),\hat{A}=\left(\begin{array}{c}{A}^1\\ A^2\\ .\\ .\\ .\\ A^P\end{array}\right)---\left(11\right)$

可得因而只要求出的逆，就可求出原射频信号的离散化频谱向量x，再做傅里叶逆变换就能得到原射频信号x(t)。

文献2“Alfred Feldster，Yuval P.Shapira，Moshe Horowitz，Amir Rosenthal，Shlomo Zach，and Lea Singer.Optical Under-Sampling and Reconstruction of SeveralBandwidth-Limited Signals”中提出了上述SMRS方法的应用。文章中发明了一个光学系统，用于降采样一些载波频率未知的高频信号。该系统首先用三个光学脉冲发生器产生三束不同频率的脉冲，然后用光调制器异步采样原信号。再分别对三种信号进行数字化处理，最后用上述方法恢复出原信号。这个系统需要利用三个光学脉冲发生器，实验成本较高。

为了克服现有技术的不足，本发明基于上述理论与方法，设计了一种基于可调谐色散器件阵列的全光降采样系统，既大大降低了成本，又可以通过调节色散器件阵列方便获得所需要的频率。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于可调谐色散器件的全光降采样系统，用于处理高频与超高频的射频信号(40G-100G的微波、毫米波波段)，并且只需要一个频率低速的短脉冲光源来实现采样，无需高速采样光源或者多个频率的采样光源，且降低了对光电探测器硬件的要求，节约成本。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于可调谐色散器件阵列的全光降采样系统，包括：

多路不同频率光源发生装置，产生P路的不同频率的光源；

调制发送装置，连接多路不同频率光源发生装置，调制射频信号后产生光载射频信号并发送；

接收处理装置，连接调制发送装置，接收并处理光载射频信号。

所述多路不同频率光源发生装置包括：

低速短脉冲光源，为系统提供一路的光源；

光分路器，连接低速短脉冲光源，将一路的光源分成P路的光源；

可调谐色散器件阵列，分别连接光分路器和调制发送装置，将P路的光源的频率改变，形成P路的不同频率的光源，每路的光源的频率Fⁱ(i＝1…P)均小于射频信号的奈奎斯特采样频率。

所述调制发送装置包括：

调制器阵列，连接多路不同频率光源发生装置，将射频信号调制到多路的不同频率的光源上形成P路的采样信号；

时分合波器，连接调制器阵列，将P路的采样信号在时域上合成一路的光载射频信号；

传输单元，分别连接时分合波器和接收处理装置，发送光载射频信号。

所述接收处理装置包括：

接收单元，连接调制发送装置，接收光载射频信号；

时分分波器，连接接收单元，将光载射频信号在时域上分成P路的采样信号；

光电探测器阵列，连接时分分波器，将P路的采样信号进行光电转换；

数字信号处理器，连接光电探测器阵列，分析和处理光电转换后的采样信号，得到射频信号。

所述数字信号处理器根据SMRS方法分析和处理光电转换后的采样信号，得到射频信号。

所述数字信号处理器为DSP。

所述射频信号为高频和超高频的射频信号。

所述光载射频信号采用全光传输方法或无线发射方法进行传输。

所述全光传输方法为：将光载射频信号导入光纤传输网络中进行发送，光纤传输网络中每隔一段光纤上设有光纤放大器。

所述无线发射方法为：发送侧通过光电转换器将光载射频信号转换成电传输信号，经过滤波器的滤波和放大器的放大后，通过发射天线发送，接收侧通过接收天线接收到电传输信号，电传输信号经过放大器的放大和滤波器的滤波后，通过光电转换器转换成原来的光载射频信号。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)可以仅使用一个频率低速的短脉冲，通过分波的方式，将其分为多路的光源，再利用色散的作用将不同路的光源调到不同的频率，通过调制的方式，将一个窄带射频信号调制到这些不同频率的光源上，从而实现不同频率的全光采样，接收端恢复出全光采样的光载射频信号，然后根据SMRS方法的降采样理论，得到原始的高频窄带射频信号。这样大大降低了成本，相较于异步采样，本发明为同步采样，更容易恢复原信号的相位和幅度。

2)采用降采样的方法，可调谐色散器件阵列分出的每一路的光脉冲频率都要大大低于射频信号的奈奎斯特采样频率，因而对采样器件的要求也大大降低，而且可以通过调节可调谐色散器件来方便获得所需要的频率。

3)能够处理高频与超高频的射频信号，即40G-100G的微波、毫米波波段，而无须高速采样芯片和高速数字信号处理芯片，无须模拟变频和数字变频，无须高精度本地振荡器。

4)在传输单元和接收单元之间可以采用全光传输光载射频信号的方法，也可以采用无线发射的方式进行信号传输，因此可广泛应用于光纤通信与无线通信中超高频射频信号的传输、处理与分析。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为一路光源变成多路可变频率光源的示意图；

图3为光载射频信号通过全光传输方法传输的示意图；

图4为光载射频信号通过无线发射方法传输的示意图。

图中：1、低速短脉冲光源，2、光分路器，3、可调谐色散器件阵列，4、调制器阵列，5、时分合波器，6、传输单元，7、接收单元，8、时分分波器，9、光电探测器阵列，10、数字信号处理器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例一

如图1所示，一种基于可调谐色散器件阵列的全光降采样系统包括依次连接的多路不同频率光源发生装置、调制发送装置和接收处理装置，其中，多路不同频率光源发生装置包括依次连接的低速短脉冲光源1、光分路器2和可调谐色散器件阵列3，调制发送装置包括依次连接的调制器阵列4、时分合波器5和传输单元6，接收处理装置包括依次连接的接收单元7、时分分波器8、光电探测器阵列9和数字信号处理器10。

该系统工作过程为：

1)低速短脉冲光源1提供一路的光源。

2)光分路器2将一路的光源分成P路的光源，本实施例中P＝3。

3)可调谐色散器件阵列3包括三个可调谐色散器件，将三路的光源的频率改变，形成三路的不同频率的光源，每路的光源的频率Fⁱ(i＝1,2,3)均小于射频信号的奈奎斯特采样频率，实现降采样。

图2中可看出光分路器2将低速短脉冲光源1的光信号分成几路相同的光信号，再由可调色散单元阵列将不同路的光信号调到不同的频率。

4)调制器阵列4，包括三个调制器，连接可调谐色散器件阵列3，将射频信号x(t)调制到多路的不同频率的光源上形成三路的采样信号xⁱ(t)，i＝1,2,3，实现全光采样。射频信号为高频和超高频的射频信号，即40G-100G的微波、毫米波波段。

根据文献1中的公式可知，采样信号xⁱ(t)为

$\left\{\begin{array}{c}{x}^1\left(t\right)=x\left(t\right)\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(t-\frac{n}{F^1})\\ x^2\left(t\right)=x\left(t\right)\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(t-\frac{n}{F^2})\\ x^3\left(t\right)=x\left(t\right)\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(t-\frac{n}{F^3})\end{array}\right.---\left(12\right)$

其中参数定义同文献1中的公式。

5)时分合波器5将三路的采样信号在时域上合成一路的光载射频信号。

6)传输单元6和接收单元7实现光载射频信号的传输，如图3所示，光载射频信号采用全光传输方法，具体为：传输单元6将光载射频信号导入光纤传输网络中发送给接收单元7，光纤传输网络中每隔一段光纤上设有光纤放大器。

7)时分分波器8将接收到的光载射频信号在时域上分成三路的采样信号。

8)光电探测器阵列9包括三个光电探测器，将三路的采样信号进行光电转换。

9)数字信号处理器10根据SMRS方法分析和处理光电转换后的采样信号，得到射频信号x(t)。数字信号处理器10为DSP。具体计算过程为：DSP先对接收到的不同采样频率的采样信号xⁱ(t)进行傅里叶变换得到Xⁱ(f)，再对Xⁱ(f)进行离散化处理得到Xⁱ[k]，则由公式(7)可知，对所有的采样通道有：

$\hat{X}=\left(\begin{array}{c}{x}^1\\ x^2\\ x^3\end{array}\right),\hat{A}=\left(\begin{array}{c}{A}^1\\ A^2\\ A^3\end{array}\right)---\left(13\right)$

则根据求解，其中，向量和矩阵已知，因而只要求出的逆，就可求出原射频信号的离散化频谱向量x，再做傅里叶逆变换就能得到原射频信号x(t)。

实施例二

本实施例与实施例一的区别在于：光载射频信号采用无线发射方法进行传输，如图4所示，具体为：传输单元6通过光电转换器将光载射频信号转换成电传输信号，再经过滤波器的滤波和放大器的放大，最终通过发射天线发送，接收单元7通过接收天线接收到电传输信号，电传输信号经过放大器的放大和滤波器的滤波后，通过光电转换器转换成原来的光载射频信号。

Claims (10)

1.一种基于可调谐色散器件阵列的全光降采样系统，其特征在于，包括：

多路不同频率光源发生装置，产生P路的不同频率的光源；

调制发送装置，连接多路不同频率光源发生装置，调制射频信号后产生光载射频信号并发送；

接收处理装置，连接调制发送装置，接收并处理光载射频信号。

2.根据权利要求1所述的基于可调谐色散器件阵列的全光降采样系统，其特征在于，所述多路不同频率光源发生装置包括：

低速短脉冲光源，为系统提供一路的光源；

光分路器，连接低速短脉冲光源，将一路的光源分成P路的光源；

可调谐色散器件阵列，分别连接光分路器和调制发送装置，将P路的光源的频率改变，形成P路的不同频率的光源，每路的光源的频率Fⁱ(i＝1…P)均小于射频信号的奈奎斯特采样频率。

3.根据权利要求1所述的基于可调谐色散器件阵列的全光降采样系统，其特征在于，所述调制发送装置包括：

调制器阵列，连接多路不同频率光源发生装置，将射频信号调制到多路的不同频率的光源上形成P路的采样信号；

时分合波器，连接调制器阵列，将P路的采样信号在时域上合成一路的光载射频信号；

传输单元，分别连接时分合波器和接收处理装置，发送光载射频信号。

4.根据权利要求1所述的基于可调谐色散器件阵列的全光降采样系统，其特征在于，所述接收处理装置包括：

接收单元，连接调制发送装置，接收光载射频信号；

时分分波器，连接接收单元，将光载射频信号在时域上分成P路的采样信号；

光电探测器阵列，连接时分分波器，将P路的采样信号进行光电转换；

数字信号处理器，连接光电探测器阵列，分析和处理光电转换后的采样信号，得到射频信号。

5.根据权利要求4所述的基于可调谐色散器件阵列的全光降采样系统，其特征在于，所述数字信号处理器根据SMRS方法分析和处理光电转换后的采样信号，得到射频信号。

6.根据权利要求4所述的基于可调谐色散器件阵列的全光降采样系统，其特征在于，所述数字信号处理器为DSP。

7.根据权利要求1所述的基于可调谐色散器件阵列的全光降采样系统，其特征在于，所述射频信号为高频和超高频的射频信号。

8.根据权利要求1所述的基于可调谐色散器件阵列的全光降采样系统，其特征在于，所述光载射频信号采用全光传输方法或无线发射方法进行传输。

9.根据权利要求8所述的基于可调谐色散器件阵列的全光降采样系统，其特征在于，所述全光传输方法为：将光载射频信号导入光纤传输网络中进行发送，光纤传输网络中每隔一段光纤上设有光纤放大器。

10.根据权利要求8所述的基于可调谐色散器件阵列的全光降采样系统，其特征在于，所述无线发射方法为：发送侧通过光电转换器将光载射频信号转换成电传输信号，经过滤波器的滤波和放大器的放大后，通过发射天线发送，接收侧通过接收天线接收到电传输信号，电传输信号经过放大器的放大和滤波器的滤波后，通过光电转换器转换成原来的光载射频信号。