CN113890801B - 采用频域编码混频的压缩感知信号获取系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用频域编码混频的压缩感知信号获取系统及方法，包括：宽带非相干光源、电光调制器、多通道可编程光处理器、可调谐光延迟线阵列、光耦合器、光电探测器、数字采样示波器、数字信号处理模块和射频输入端口；所述的宽带非相干光源、电光调制器、多通道可编程光处理器、可调谐光延迟线阵列、光耦合器和光电探测器依次通过光纤相连，光电探测器、数字采样示波器和数字信号处理模块通过电路顺次相连，电光调制器和射频输入端口相连。本发明使用了宽带非相干光源，大大降低了系统成本，避免了由脉冲拉伸的时间宽度所决定的有限时间孔径问题，也避免了光脉冲与随机序列之间严格时间同步的需要，简化了系统结构。
Description
技术领域
本申请涉及光通信与无线通讯领域，具体涉及一种采用频域编码混频的压缩感知信号获取系统及方法。
背景技术
奈奎斯特-香农采样定理为现代信号处理奠定了基石。随着现代科技的快速发展和信息量的不断增加，对信号采集和处理的技术要求也在不断提升。模数转换技术作为信号获取和处理的重要环节，搭建了从模拟量到数字量转换的桥梁，建立了现实世界和数字世界的联系，为自然世界的信号获取提供了可靠技术手段。
随着高新技术领域的数字化进程不断加快，电子模数转换技术朝着低功耗、小体积、高速、大带宽等方向迅速发展，可主要分为并行比较型、逐次逼近型、积分型、压频变换型、∑-∆型和流水线型。然而，当前电子模数转换的技术水平远不能满足数字信号处理的实际需求，主要挑战在于采样速率和工作带宽的限制，无法在电子器件领域实现超快采样速度和宽带工作范围。
为克服采样速率限制并提升工作带宽，基于压缩感知的光子模数转换技术应运而生。然而，现有的结合压缩感知的光子模数转换技术仍然处于初期发展阶段，且存在着诸多问题，如脉冲激光源的使用大幅增加系统成本，以及由脉冲拉伸的时间宽度所决定的有限时间孔径问题，再如光脉冲与随机序列之间需要严格时间同步等，给基于压缩感知的信号获取系统的应用带来了诸多限制。因此，如何通过光子学技术，更好地提高压缩感知系统的带宽和性能，仍是值得深入研究的重要课题。
发明内容
本申请实施例的目的是提供一种采用频域编码混频的压缩感知信号获取系统及方法，以解决相关技术中存在的脉冲激光源价格成本高，脉冲拉伸时间孔径受限，以及光脉冲与随机序列之间需要严格时间同步的技术问题。
根据本申请实施例的第一方面，提供一种采用频域编码混频的压缩感知信号获取系统，包括：宽带非相干光源、电光调制器、多通道可编程光处理器、可调谐光延迟线阵列、光耦合器、光电探测器、数字采样示波器、数字信号处理模块和射频输入端口；所述的宽带非相干光源、电光调制器、多通道可编程光处理器、可调谐光延迟线阵列、光耦合器和光电探测器依次通过光纤相连，光电探测器、数字采样示波器和数字信号处理模块通过电路顺次相连，电光调制器和射频输入端口相连。
根据本申请实施例的第二方面，提供一种采用频域编码混频的压缩感知信号获取方法，该方法在第一方面所述的采用频域编码混频的压缩感知信号获取系统中实现，包括：
利用宽带非相干光源发出的连续光作为光载波，光载波进入电光调制器，待获取的输入信号通过射频输入端口调制在光载波上，利用基于空间光调制器的多通道可编程光处理器对光信号的光谱进行切割和编码，得到多个离散的波长，根据预先产生的随机序列将每个波长设置为“通过”或“阻挡”状态，多通道可编程光处理器每个通道输出一个波长，再进入可调谐光延迟线阵列，在相邻通道波长之间引入时延，经光耦合器耦合后，进入光电探测器，最后使用数字采样示波器进行远低于奈奎斯特准则速率要求的降采样，采样结果传入数字信号处理模块，通过压缩感知恢复算法对信号进行重建，实现了宽带信号的获取。
本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
由上述实施例可知，本申请采用频域编码混频的压缩感知信号获取系统及方法，由于使用了成本较低的宽带非相干光源，与使用脉冲光源的方案相比，大大降低了系统成本。同时，因为使用的宽带非相干光源为连续光源，解决了由脉冲拉伸的时间宽度所决定的有限时间孔径问题，也避免了光脉冲与随机序列之间严格时间同步的需要，进而简化了系统结构。另外，由于采用频域编码与0、1二值随机序列混频，与在时域中使用电光调制器混频相比提升了调制深度和效率，进而提升了系统性能。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1是本发明提供的采用频域编码混频的压缩感知信号获取系统的结构示意图。
图2是本发明提供的采用频域编码混频的压缩感知信号获取系统的工作原理示意图。
图中：包括宽带非相干光源1、电光调制器2、多通道可编程光处理器3、可调谐光延迟线阵列4、光耦合器5、光电探测器6、数字采样示波器7、数字信号处理模块8、射频输入端口9。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
如图1所示，本发明实施例提供一种采用频域编码混频的压缩感知信号获取系统，包括宽带非相干光源1、电光调制器2、多通道可编程光处理器3、可调谐光延迟线阵列4、光耦合器5、光电探测器6、数字采样示波器7、数字信号处理模块8和射频输入端口9；所述的宽带非相干光源1、电光调制器2、多通道可编程光处理器3、可调谐光延迟线阵列4、光耦合器5和光电探测器6依次通过光纤相连，光电探测器6、数字采样示波器7和数字信号处理模块8通过电路顺次相连，电光调制器2和射频输入端口9相连。
由于使用了成本较低的宽带非相干光源，与使用脉冲光源的方案相比，大大降低了系统成本。同时，因为使用的宽带非相干光源为连续光源，不存在由脉冲拉伸的时间宽度所决定的有限时间孔径问题，也避免了光脉冲与随机序列之间严格时间同步的需要，进而简化了系统结构。
另外，基于多通道可编程光处理器，由于采用频域编码与0、1二值随机序列混频，与在时域中使用电光调制器混频相比提升了调制深度和效率，进而提升了系统性能。
本发明实施例还提供一种使用所述系统的采用频域编码混频的压缩感知信号获
取方法，步骤如下：利用宽带非相干光源1发出的连续光作为光载波，待获取的输入信号通
过电光调制器2的射频输入端口9调制在光载波上，利用基于空间光调制器的多通道可编程
光处理器3对光信号的光谱进行切割和编码。切割后所有波长成分的幅度应保持一致，相邻
波长之间的间隔
可在可编程频谱整形器中设置。之后，连续光谱被分割成多个离散的波
长，并且根据预先产生的随机序列将每个波长设置为“通过”或“阻挡”状态，可编程光处理
器每个通道输出一个波长，再进入可调谐光延迟线阵列4，其中相邻波长之间的时延T应满
足等效采样率Fs =1/T大于或等于输入信号的奈奎斯特速率。由于不同通道间引入的延迟
和可编程光处理器实现的光谱切割编码，经光耦合器5耦合后，光电探测器6在某一时刻检
测到的信号是输入信号与随机序列的混频结果。另外，由于多个波长同时被光电探测器检
测，实现了在一定时间间隔内混频信号的累加功能，进而精确实现了压缩感知框架下所必
需的延迟累加功能。最后使用数字采样示波器7进行降采样，采样结果传入数字信号处理模
块8，通过压缩感知恢复算法对信号进行重建。
本发明实施例提供的采用频域编码混频的压缩感知信号获取系统工作原理，具体如下：
如图2所示，其中（a）、（b）、（c）、（d）、（e）分别表示宽带非相干光源输出的光载波、经过电光调制器后被待获取输入信号调制的光载波、经过多通道可编程光处理器后的光信号、经过可调谐光延迟线阵列的光信号、经过光电转换后的信号。
具体来说，假设从电光调制器的射频输入端口输入的信号是
，在等于或高于奈
奎斯特速率框架下的输入信号长度为N，可编程光处理器的单个通道的输出信号可以写为：
其中，
表示时间变量，r表示随机序列的二进制值。
在经过可调谐光延迟线阵列并耦合后，多个波长光信号可以表示为：
其中，
表示相邻波长之间的延时，M表示可编程光处理器通道数量。
经过光电转换后，每隔M个采样点进行降采样，就可以进行后续的恢复，其中压缩率为N/M。
上述的测量过程可以用数学模型表示为：
其中，x表示在采样率Fs=1/T下的输入信号，矩阵A是代表与随机序列混频、累加和
降采样过程的
维矩阵，
(
)表示降采样结果。最后，通过测量结果y和测
量矩阵A，可以利用l1-magic压缩感知算法重建输入信号，从而实现信号获取。
l1-magic算法针对基追踪问题，采用通过最小化l1范数将信号稀疏表示问题定义
为一类有约束的极值问题，进而转化为线性规划问题进行求解。具体来说，为了通过 
个
测量结果来恢复长度为 
的输入信号（ 
），可通过求解如下所示的优化问题解决：
其中 
表示 
范数，
是测量矩阵，
维矢量
表示压缩后的测量结果，
维矢量x表示要恢复的信号。因为
维的测量矩阵
和观测结果
是已知的，原始
输入信号可以通过恢复算法从观测结果中重建。
由于使用了压缩感知技术，大大降低了采样率并减少了数据量，进而降低了信号获取过程中数据存储、处理的压力，同时降低了对数字采样示波器采样速率和带宽的要求。
由于在频域实现编码混频并引入了可调谐光延迟线阵列，和在时域混频方案相比，避免了波长的精确设置需求，并且随着压缩率增加，不需要增加可调谐激光源数量，进而降低了系统成本，简化了系统结构。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由权利要求指出。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (2)
1.一种采用频域编码混频的压缩感知信号获取系统，其特征在于，包括：宽带非相干光源（1）、电光调制器（2）、多通道可编程光处理器（3）、可调谐光延迟线阵列（4）、光耦合器（5）、光电探测器（6）、数字采样示波器（7）、数字信号处理模块（8）和射频输入端口（9）；所述的宽带非相干光源（1）、电光调制器（2）、多通道可编程光处理器（3）、可调谐光延迟线阵列（4）、光耦合器（5）和光电探测器（6）依次通过光纤相连，光电探测器（6）、数字采样示波器（7）和数字信号处理模块（8）通过电路顺次相连，电光调制器（2）和射频输入端口（9）相连。
2.一种采用频域编码混频的压缩感知信号获取方法，该方法在权利要求1所述的采用频域编码混频的压缩感知信号获取系统中实现，其特征在于，包括：
利用宽带非相干光源（1）发出的连续光作为光载波，光载波进入电光调制器（2），待获取的输入信号通过射频输入端口（9）调制在光载波上，利用基于空间光调制器的多通道可编程光处理器（3）对光信号的光谱进行切割和编码，得到多个离散的波长，根据预先产生的随机序列将每个波长设置为“通过”或“阻挡”状态，多通道可编程光处理器（3）每个通道输出一个波长，再进入可调谐光延迟线阵列（4），在相邻通道波长之间引入时延，经光耦合器（5）耦合后，进入光电探测器（6），最后使用数字采样示波器（7）进行远低于奈奎斯特准则速率要求的降采样，采样结果传入数字信号处理模块（8），通过压缩感知恢复算法对信号进行重建，实现了宽带信号的获取。
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