CN113885008A - 基于分段编码脉冲调制的高速率光子回波信号产生方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于分段编码脉冲调制的高速率光子回波信号产生方法，包括：将参考脉冲与编码脉冲与掺稀土晶体作用形成光谱光栅，其中，编码脉冲为分段式脉冲；将探测脉冲入射到晶体中产生压缩回波序列；通过调节编码脉冲的段与段之间的时间间隔对回波序列中的回波的时间间隔进行调控。由本申请所提供的基于分段编码脉冲调制的高速率光子回波信号产生方法所构建的分段的模型中，其产生的回波时宽不会产生变化。在分段编码脉冲的光子回波模型中，由于每一段的重叠带宽都相同所以在理论上可以产生没有时宽误差的压缩回波序列，因此可以将回波时宽出现误差消除。
Description
技术领域
本申请涉及通信方法技术领域，更具体地说，特别涉及一种基于分段编码脉冲调制的高速率光子回波信号产生方法。
背景技术
脉冲编码调制(Pulse Code Modulation,PCM)是数字通信的重要编码方式之一，PCM信号在诸多领域中都具有重要作用。电域的任意信号发生器(AWG,Arbitrary WaveformGenerator，也称任意波形发生器)，往往不能满足产生高频或者大带宽信号的需求。在光学任意信号发生器中，虽然通过常见的直接空间时间脉冲整形、时域脉冲整形(TemporalPulse Shaping,TPS)以及频谱整形及频率时间映射(Spectral shaping and frequency-to-time mapping)等方法，可以获得大带宽的PCM信号，但是其信号的时宽带宽积往往不高。时宽带宽积，即信号的时宽与带宽的乘积，在现代雷达系统中大时宽带宽积可同时提高距离分辨率及作用距离。
目前，基于任意信号产生方法产生的光子回波，在一些晶体所提供的非均匀展宽可达到几十GHz的基础上，理论上可通过此方法产生带宽达到数十GHz的信号，且其时宽带宽积可达到105。虽然产生的光子回波在任意信号产生技术的应用中具有很多的优势，但是以往的模型中，是通过频移来产生多回波，这种频移将会影响光子回波信号的时宽，进而产生误差。
发明内容
(一)技术问题
综上所述，如何解决现有模型通过移频产生回波而影响光子回波信号的时宽产生误差的问题，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。
(二)技术方案
本申请提供了一种基于分段编码脉冲调制的高速率光子回波信号产生方法，包括：
将两个线性调频脉冲以时域重叠的形式入射到晶体中；其中，所述两个线性调频脉冲包括参考脉冲和编码脉冲，所述编码脉冲为分段式脉冲；
所述参考脉冲和编码脉冲与所述晶体作用，形成光谱光栅；
将探测脉冲入射到所述晶体中，产生回波序列；
通过调节所述编码脉冲的段与段之间的时间间隔，对所述回波序列中的回波之间的时间间隔进行调控，以获得目标光子回波信号。
可选的，所述参考脉冲为线性调频啁啾脉冲；所述编码脉冲为分段式的线性调频啁啾脉冲。
可选的，所述参考脉冲的啁啾率为第一啁啾率，所述编码脉冲的啁啾率为第二啁啾率；
所述将探测脉冲入射到所述晶体中之前，所述方法还包括：产生具有第三啁啾率的探测脉冲；其中，所述第三啁啾率与所述第一啁啾率和所述第二啁啾率存在预定函数关系，所述第三啁啾率基于所述第一啁啾率和第二啁啾率确定。
可选的，所述第三啁啾率基于如下预定函数关系确定：
α3＝α1α2/(α2-α1)
其中，α3为第三啁啾率，α2为第二啁啾率，α1为第一啁啾率。
可选的，所述晶体为掺稀土离子晶体。
可选的，所述参考脉冲和编码脉冲与所述晶体作用，形成光谱光栅，包括：所述参考脉冲和编码脉冲与掺稀土离子晶体作用，在所述掺稀土离子晶体的非均匀展宽吸收线中形成光谱光栅。
可选的，所述通过调节所述编码脉冲的段与段之间的时间间隔，对所述回波序列中的回波之间的时间间隔进行调控，包括：通过调节所述编码脉冲中第n个分段与第n+1个分段之间的时间间隔，来调控产生的回波序列中第n个回波与第n+1个回波之间的时间间隔。
本申请实施例还提供一种光子回波信号产生装置，所述装置用于实现如上述权利要求1-7中任一项所述的方法。
本申请实施例还提供一种光子回波信号产生装置，所述装置包括第一调制单元、晶体和第二调制单元；
所述第一调制单元，用于调制参考脉冲和编码脉冲，并将所述参考脉冲和编码脉冲以时域重叠的形式入射到所述晶体中，以使所述参考脉冲和编码脉冲与所述晶体作用，形成光谱光栅；
所述第二调制单元，用于调制探测脉冲，并将所述探测脉冲入射到所述晶体中，以产生回波序列；
所述第一调制单元，还用于通过调节所述编码脉冲的段与段之间的时间间隔，对所述回波序列中的回波之间的时间间隔进行调控，以获得目标光子回波信号。
(三)有益效果
1、减小因频移产生的回波时宽误差。
本申请所提供的基于分段编码脉冲的大时宽带宽积光子回波信号产生方法，在维持高传输速率的同时可以减小、甚至消除这种误差，并可以更加灵活的使用带宽。在本申请提供的基于分段编码脉冲实现的光子回波模型中，由于每一段的重叠带宽都相同，所以在理论上可以产生没有时宽(即时延)误差的压缩回波序列，因此可以将回波时宽误差消除。例如在产生的回波时宽为5ns，且每个回波之间的时间间隔为15ns的条件下，基于本申请提供的方法产生的回波时宽不会产生变化。
2、实验装置简洁，操作便利。
在已有技术采用的频移模型中，需要频繁的使用声光调制器对编码脉冲及探测脉冲进行调制以达到频移的目的，本申请提供的产生模型，因使用分段间时间间隔控制回波间隔，故而利用到声光调制器调制的环节较少。在实验装置中除去了冗余的装置设备，例如稳定系统及放大器。
3、带宽利用上更加灵活。
在频移模型中所使用的带宽往往是固定的，在一些场景中会出现带宽没有利用完整的情况。而本申请提供的分段的模型，将一个过大的带宽分割为若干合适大小的段并使用，从而提升了带宽的利用效率。
附图说明
图1为回波序列的产生并控制回波间间隔的时序图；
图2为本申请基于一具体实施例入射脉冲而绘制的脉冲示意图；
图3是本申请一实施例中光谱光栅的周期T呈啁啾变化的示意图；
图4为本申请实施例中产生目标PCM信号的脉冲配置示意图；
图5为根据图4所示的配置进行仿真实验得到的结果示意图；
图6为本申请中频移光子回波模型与分段光子回波模型的光子回波信号时宽误差对比示意图；
图7为本申请中不同时宽下PCM信号的传输速率示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本申请，但不能用来限制本申请的范围。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
本申请提出了一种基于分段编码脉冲调制的光子回波模型的高传输速率、大时宽带宽积、低时宽误差的光子回波信号产生方法。
该方法利用一个参考脉冲、一个编码脉冲以及一个探测脉冲与掺稀土晶体相互作用，实现压缩回波序列的产生并实现信号的复现。
在一种可能的实施方式中，参考脉冲和编码脉冲均为线性调频啁啾脉冲。且编码脉冲为分段脉冲，具体为与参考脉冲时域重叠的分段线性调频啁啾脉冲。通过调节分段编码脉冲的段与段之间的时间间隔，就可以简单且精确的控制产生的压缩回波序列中相邻回波之间的时间间隔。
下面对产生压缩回波序列并控制回波间的时间间隔的原理进行描述。
请参考图1，图1为回波序列的产生并控制回波间间隔的时序图。在图1中，水平轴表示时间，垂直轴中虚线为瞬时频率，实线为振幅。
在图1中，两个线性调频啁啾脉冲(一个为参考脉冲，一个为分段编码脉冲，如图1中左侧倾斜的两条虚线所示)以时域重叠的形式入射到晶体中，其中，上方的脉冲啁啾率为α1，起始频率fs1，幅度为A1，本申请将其称之为参考脉冲，其数学表达式如式(1)所示，其中t为时间变量。
在图1中，下方的脉冲啁啾率为α2，其中第一段(t1<t<t′1)的起始频率为f2，第二段(t2<t<t′2)的起始频率为f2-Δf1，第三段(t3<t<t′3)的起始频率为f2-Δf2，本申请将其称之为分段编码脉冲。
分段编码脉冲的数学表达式如式(2)所示，其中Ak(k＝1,2,3)为幅值，Δτ1为分段编码脉冲第一段与第二段之间的时间间隔，Δτ2为第二段与第三段之间的时间间隔，t为时间变量，α2为分段编码脉冲的啁啾率。
作为一种可实现方式，晶体可以是掺稀土离子晶体，如Tm3+:YAG晶体。
上述两个脉冲(即参考脉冲与分段编码脉冲)与掺稀土离子晶体作用，在晶体的非均匀展宽吸收线中形成光谱光栅
光谱光栅的带宽B即为两个脉冲每段重叠的带宽(即参考脉冲与分段编码脉冲的各个分段分别重叠的带宽)。
为产生压缩回波序列，本申请需要一个啁啾率符合关系式α3＝α1α2/(α2-α1)的探测脉冲入射到晶体中的光谱光栅上，探测脉冲的表达式如式(3)所示，其中A3为幅度，fs3为起始频率，t为时间变量。
如果将光谱光栅理解为一个滤波器，那么符合上述啁啾率函数关系的探测脉冲入射到这个滤波器时，其每个瞬时频率分量都会有一个时延，这些时延会使得所有的频率成分同时离开滤波器形成压缩回波，且这个压缩回波的时宽为带宽B的倒数。
例如，在图1中因为编码脉冲有三段则会产生三个回波，回波之间的间隔Δτn＝Δfn/α2(n＝1,2)，明显，回波的时间间隔可由分段编码脉冲的段与段之间的时间间隔来确定，三个回波中第一个压缩回波是由图1中最下层(即f1～f1+B层)的三个脉冲产生的，其表达式如式(4)所示，式中fci＝f1+(i-1)B+B/2,(i＝1，2，3，…，n)，Ek(f)为Ek(t)的傅里叶变换，t代表时间，f代表频率，fsk对应三个脉冲的起始频率，αk对应三个脉冲的啁啾率，(k＝1,2,3)。
第二个压缩回波是由中层(即f1+B～f1+2B层)产生的，在图1中，中层区域的编码脉冲与下层区域的编码脉冲有间隔Δτ1，这使得这部分本应该在图1中下层区域对应的脉冲位置聚集的频率分量都有了一个时延Δτ1，从而在中层区域对应的脉冲处聚集，形成第二个回波，其表达式可写为如式(5)所示。根据同样的推导，上层区域部分的频率分量具有了时延Δτ2形成了第三个回波，如式(6)所示。
基于上述理论模型，下面列举一个具体数值的示例，来进一步介绍如图1所示的模型的回波间隔控制技术。
设目标为产生三个压缩回波，且Δτ1＝2ns、Δτ2＝8ns，根据要求本申请设定如下：B为5GHz，参考脉冲以及编码脉冲的长度为0.375ms,探测脉冲的长度为15μs，α1＝4.04e13Hz/s，α2＝4e13Hz/s，α3＝1e15Hz/s。f1＝80MHz，f2＝63MHz，f3＝15.08GHz。
图2示出了上述实施例中提及的参考脉冲(图2中标号为(a)的脉冲)、分段编码脉冲(图2中标号为b的脉冲)以及探测脉冲(图2中标号为e的脉冲)。当本申请将如图2中(a)和(b)分别示出的脉冲入射到晶体时，将在晶体中产生如图3(a)所示的光谱光栅。图2中共有三个入射脉冲，其中，(a)为参考脉冲，(b)为分段编码脉冲，(c)和(d)为图2(b)中两虚线框内的放大图，可以看到第一段与第二段以及第二段与第三段之间的间隔分别为2ns和6ns，(e)为探测脉冲。
图3是本申请一实施例中光谱光栅的周期T呈啁啾变化的示意图。从图3中可以看出，光谱光栅的周期T呈啁啾变化，其周期T的倒数即为此频率处参考脉冲及分段编码脉冲的时间间隔Δτ(f)，由于时间间隔Δτ(f)随着频率的增大而增大，可以看到图3中的T随着瞬时频率的增大而减小，同时，因这个时间间隔又等于此频率处探测脉冲与回波的时间间隔，故在理论上当设计一个具有合适的周期的光谱光栅时，本申请便可以控制任意的回波间间隔。
将如图2(e)所示的探测脉冲入射到如图3(a)所示的光谱光栅后，便得到了如图3(h)所示的回波序列。
在图3中，(a)为光谱光栅，(b)—(g)为三段光谱光栅每段的起始以及结尾的周期。由图3可知，光谱光栅的周期是逐步减小的，但在段与段的交界处出现了周期的突变，这是由于段与段之间的时延产生的，(h)为入射图2(e)所示的探测脉冲后产生的回波序列，脉冲之间的间隔分别为2ns和6ns。
下面列举本申请提供的光子回波PCM信号产生方法的一个仿真示例：
在本申请提供的产生模型中，脉冲编码调制信号(下面称之为PCM信号)本质上是由一串具有不同时间间隔的压缩回波脉冲序列来组成的，通过控制分段编码脉冲每段之间的间隔即可控制各个回波之间的时间间隔来组成PCM信号。
设一个PCM信号的数据为a＝{a1,a2,……,an}，则如图1所示的模型中用来产生ak,(k＝1，……，n)的一段编码脉冲，与第一段用来确定回波起始时刻的编码脉冲间的时延如式(7)所示。
在式(7)中，τ为压缩回波的时宽，B为带宽。
下面进行产生目标PCM信号的仿真实验，在通过对模拟数据的采样及量化后得到样本值3，9，4，5四个值，因此使用四位的二进制编码进行编码，其值如表1所示。
表1为编码数值表
现在使用此模型来实现数据为0011100101000101的PCM信号，设PCM信号中每个脉冲的时宽τ＝0.2ns，B为5GHz，参考脉冲以及分段编码脉冲的长度均为1ms,探测脉冲的长度为40us，参考脉冲的啁啾率α1＝4.04e13Hz/s，起始频率f1＝80MHz。分段编码脉冲的啁啾率α2＝4e13Hz/s，起始频率f2＝63MHz。探测脉冲的啁啾率α3＝1e15Hz/s，起始频率f3＝15.08GHz。如二进制编码所示，需要产生7个压缩回波代表“1”，另外需要一个定位回波来确定序列的起始位置，则这7个压缩回波与第一个回波的间隔Δτk根据式(7)依次分别为0.6ns，0.8ns，1ns，1.6ns，2ns，2.8ns，3.2ns。其配置图如图4所示，图4为本申请实施例中产生目标PCM信号的脉冲配置示意图。
请参考图5，根据图4所示的配置进行仿真实验得到如图5所示的结果，图5所示信号的比特率为5Gbit/s。在图5中，(a)为目标PCM信号，(b)为基于编码脉冲分段的光子回波模型产生的PCM信号。
接下来，基于上述实施例的原理性阐述以及仿真示例，对误差以及主要性能进行分析。在普通的用于产生多个回波的光子回波的频移模型中，因为频移的原因往往会造成产生的回波时宽出现误差，而本申请中的模型可以将此类误差减小甚至消除。
具体效果请参考图6，图6为频移光子回波模型与分段光子回波模型的光子回波信号时宽误差对比示意图。
在图6中对比了在产生回波时宽为5ns，且每个回波之间的间隔为15ns的条件下分段的模型(圆点数据点)与频移模型(方块点数据点)的误差对比，可以看到在频移模型中随着产生的脉冲个数的增加，其回波的时宽也在逐步增加，而分段的模型产生的回波时宽没有产生变化，已知光子回波信号的时宽τ≈1/B，设此时的带宽B为未频移时的带宽，对于频移的模型，为产生第二个回波，要使编码脉冲频移Δf，此时的重叠带宽B′＝B-Δf,则第二个压缩回波的时宽τ′≈1/(B-Δf)，假设要求各个压缩回波间的时间间隔都相同，那么第n个压缩回波的时宽τn≈1/(B-(n-1)Δf)，则τn-τ就为误差值，根据函数关系，产生的压缩回波的数量越多，频移模型的误差值就越大，而在分段编码脉冲的光子回波模型中，因为每一段的重叠带宽都相同所以在理论上可以产生没有时宽误差的压缩回波序列。
请参考图7，图7示出了由PCM信号的传输速率随着产生脉冲个数的增加的变化曲线，不同的数据线代表不同的最大带宽Bmax，可以看到传输速率与带宽成正比而与产生的脉冲个数为反比关系，虽然随着脉冲个数的增加导致了传输速率的下降但是传输速率仍能保持在较高的Gbit/s级。
本申请实施例还提供一种光子回波信号产生装置，该装置用于实现如上述任一实施例所述的基于分段编码脉冲调制的高速率光子回波信号产生方法。
本申请实施例还提供一种光子回波信号产生装置，该装置包括第一调制单元、晶体和第二调制单元。其中，第一调制单元，用于调制参考脉冲和编码脉冲，并将参考脉冲和编码脉冲以时域重叠的形式入射到晶体中，以使参考脉冲和编码脉冲与晶体作用，形成光谱光栅。第二调制单元，用于调制探测脉冲，并将探测脉冲入射到晶体中，以产生回波序列。第一调制单元，还用于通过调节编码脉冲的段与段之间的时间间隔，对回波序列中的回波之间的时间间隔进行调控，以获得目标光子回波信号。
需要说明的是，上述各单元可以是软硬件结合而实现的功能单元，例如第一或第二调制单元，可以基于参数可调的脉冲调制电路实现，也可以将脉冲调制电路作为硬件的基础上，结合软件算法程序，来实现上述功能。能够实现上述方法的各种功能单元，都可作为本申请的光子回波信号产生装置的具体实现方式，具体本申请不做限定。
综上，本申请提出了一种新模型，能够产生间隔可控的回波序列，该技术方案从理论模型上分析了编码脉冲段与段之间的时间间隔与产生的压缩回波之间的时间间隔之间的关系，利用此模型对数据为0011100101000101的PCM信号进行了验证。由此方法产生的PCM信号具有高速率、大时宽带宽积、数据误差小等优点，可广泛应用于光纤通信、数字微波通信、卫星通信、信号处理等领域。
具体而言，本申请提出了一种基于分段编码脉冲光子回波的大时宽带宽积、高传输速率信号的产生方法(基于分段编码脉冲调制的高速率光子回波信号产生方法)，该方法可以减小光子回波信号的时宽误差。其中，PCM信号由一个参考啁啾脉冲，一个分段编码啁啾脉冲以及一个探测啁啾脉冲与掺稀土离子晶体相互作用来产生，回波的间隔通过分段编码脉冲段与段之间的间隔来控制。对5Gbit/s的PCM信号进行了仿真，其产生的信号具有高传输速率、大时宽带宽积以及小的回波信号时宽误差。该方法为对信号传输速率、时宽带宽积和精确度要求较高的各种通信场景提供了新的信号产生途径。
本申请技术方案达到的技术效果可以总结为以下3个方面：
1、减小因频移产生的回波时宽误差。
在普通的频移产生多个回波的光子回波模型中，因为频移的原因往往会造成产生的回波时宽出现误差，而本申请中的模型可以将此类误差消除，在图1中对比了在产生回波时宽为5ns，且每个回波之间的间隔为15ns的条件下分段的模型(红色圆形数据点)与频移模型(黑色方形数据点)的误差对比，可以看到在频移模型中随着产生的脉冲个数的增加，其回波的时宽也在逐步增加，而分段的模型产生的回波时宽没有产生变化。而如果采用已有技术中的频移模型，则基于上述针对图6的文字分析，可知，根据函数关系，产生的压缩回波的数量越多，频移模型的误差值就越大，而在分段编码脉冲的光子回波模型中，因为每一段的重叠带宽都相同所以在理论上可以产生没有时宽误差的压缩回波序列，因此可以将回波时宽出现误差消除。
2、实验装置简洁，操作便利。
在频移模型中，需要频繁的使用声光调制器对编码脉冲及探测脉冲进行调制以达到频移的目的，本申请提供的模型因使用分段脉冲间时间间隔控制回波间隔，利用到声光调制器调制的环节较少，无需使用冗余的装置设备，例如无需使用稳定系统及放大器。
3、带宽利用上更加灵活。
在频移模型中所使用的带宽往往是固定的，在一些场景中会出现带宽没有利用完整的情况。而分段的模型将一个过大的带宽分割为若干合适大小的段并使用从而提升了带宽的利用效率。
本申请的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本申请限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本申请的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本申请从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
Claims (9)
1.一种基于分段编码脉冲调制的高速率光子回波信号产生方法，其特征在于，包括：
将两个线性调频脉冲以时域重叠的形式入射到晶体中；其中，所述两个线性调频脉冲包括参考脉冲和编码脉冲，所述编码脉冲为分段式脉冲；
所述参考脉冲和编码脉冲与所述晶体作用，形成光谱光栅；
将探测脉冲入射到所述晶体中，产生回波序列；
通过调节所述编码脉冲的段与段之间的时间间隔，对所述回波序列中的回波之间的时间间隔进行调控，以获得目标光子回波信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参考脉冲为线性调频啁啾脉冲；所述编码脉冲为分段式的线性调频啁啾脉冲。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参考脉冲的啁啾率为第一啁啾率，所述编码脉冲的啁啾率为第二啁啾率；
所述将探测脉冲入射到所述晶体中之前，所述方法还包括：
产生具有第三啁啾率的探测脉冲；其中，所述第三啁啾率与所述第一啁啾率和所述第二啁啾率存在预定函数关系，所述第三啁啾率基于所述第一啁啾率和第二啁啾率确定。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第三啁啾率基于如下预定函数关系确定：
α3＝α1α2/(α2-α1)
其中，α3为第三啁啾率，α2为第二啁啾率，α1为第一啁啾率。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述晶体为掺稀土离子晶体。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参考脉冲和编码脉冲与所述晶体作用，形成光谱光栅，包括：
所述参考脉冲和编码脉冲与掺稀土离子晶体作用，在所述掺稀土离子晶体的非均匀展宽吸收线中形成光谱光栅。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过调节所述编码脉冲的段与段之间的时间间隔，对所述回波序列中的回波之间的时间间隔进行调控，包括：
通过调节所述编码脉冲中第n个分段与第n+1个分段之间的时间间隔，来调控产生的回波序列中第n个回波与第n+1个回波之间的时间间隔。
8.一种光子回波信号产生装置，其特征在于，所述装置用于实现如上述权利要求1-7中任一项所述的方法。
9.一种光子回波信号产生装置，其特征在于，所述装置包括第一调制单元、晶体和第二调制单元；
所述第一调制单元，用于调制参考脉冲和编码脉冲，并将所述参考脉冲和编码脉冲以时域重叠的形式入射到所述晶体中，以使所述参考脉冲和编码脉冲与所述晶体作用，形成光谱光栅；
所述第二调制单元，用于调制探测脉冲，并将所述探测脉冲入射到所述晶体中，以产生回波序列；
所述第一调制单元，还用于通过调节所述编码脉冲的段与段之间的时间间隔，对所述回波序列中的回波之间的时间间隔进行调控，以获得目标光子回波信号。
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