CN113965267B - 一种多频段信号重构方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种多频段信号重构方法及系统，该技术对分布在射频的多频段信号以一种基于光采样技术的周期性非均匀采样模式进行直接采样和量化，并在数字端对采样结果进行频谱分离和解析重构，从而获得每一个子频段信号瞬时的幅度和相位，这便能够实现每一个频段中信号的分离以及信息的重构。首先，当信号满足某种形式要求时，可设计采样模式，并且采样模式可灵活调整，适配可能会产生改变的信号频谱分布；其次，无需引入复杂的射频链路进行信道化处理；此外，本发明的采样率取决于通信信号的码率，这通常远远小于多频段通信信号的奈奎斯特频率，因此能够给通信系统的数字端减少压力。

Description

一种多频段信号重构方法及系统
技术领域
本发明属于通信技术领域，特别是一种基于光采样的多频段信号信息重构方法及系统。
背景技术
随着通信技术的发展和设备密集程度的增加，未来通信频段将会进一步拥挤。采用多频段通信方式能够合理提升通信频段利用率，多频段通信技术是将传输的信息加载至多个独立的频段内进行信息传输，同时，由于可用频段有可能是时变的，这种通信频段的选择也是时变的。为适应这种灵活可变的多频段通信，需要发展新的接收机技术，对接收机的性能需要满足如下条件：
1 对于频谱分布已知的多载频信号，可以实现对该信号的采样、频谱分离和解析重构。此处，频谱分离与解析重构指的是该接收机可基于采样结果，重构出每一个载频在采样时的幅度和相位信息。
2 当信号载频频谱发生改变或调整时，该接收机能够便捷的改变信号采集的模式，调整至新的接收状态，并实现对频谱分布调整后的通信信号进行采样、频谱分离和解析重构。
3 该接收技术被期待为结构简明。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明旨在提出一种多频段通信信号接收机技术，能在频谱已知的多载频信号情况下，实现对该信号的采样、频谱分离和解析重构。
本申请通过以下技术方案实现：一种多频段信号重构方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1，根据多频段信号的频段设计采样模式；
步骤2，锁模激光器生成光脉冲信号，将多频段信号调制到所述光脉冲信号中，对所述多频段信号进行光采样；再经光电探测器转变为可被模数转换器响应的电信号，并对其进行量化得到电脉冲信号；
步骤3，对所述电脉冲信号进行解析重构，得到信号在各个频段的幅度与相位信息，实现信息重构。
进一步的，所述多频段信号由分布于
Figure 795343DEST_PATH_IMAGE001
到
Figure 719437DEST_PATH_IMAGE002
之间的多个频段上的k个窄带信号构 成。
进一步的，所述步骤2具体为：
步骤2.1，将脉冲激光的频谱分量分为多个脉冲子带，对每一个子带作不同的延时，生成延时的光脉冲信号，将处理后的光信号汇合到一个光纤里，生成采样光脉冲信号；
步骤2.2，将所述采样光脉冲信号输入到电光强度调制器中，所述电光强度调制器将所述多频段信号调制到所述光脉冲信号中，将多频段信号的幅度映射到光脉冲的强度上；
步骤2.3，调制后的光脉冲信号经过色散光纤延时线进行展宽，使其脉宽扩展到设定时间；再通过波分复用将时域上交叠在一起的光脉冲信号进行分配，产生多路等重复周期的调制光脉冲序列；将一个采样脉冲组内的脉冲子带经过光延时网络在时域上对齐，完成光采样；
步骤2.4，将每一路光脉冲信号输入单独的光电探测器中，所述光电探测器将所述光脉冲信号重新映射回电脉冲信号，再将各电脉冲信号分别进入模数转换器进行量化。
进一步的，所述步骤3具体为：
步骤3.1，在采样时刻t对所述多频段信号作N次子采样，采样时刻分别为
Figure 353680DEST_PATH_IMAGE003
，获得信号在t时刻的采样集合，以向量形式记为
Figure 841162DEST_PATH_IMAGE004
，其中，T代表转置，
Figure 346093DEST_PATH_IMAGE005
接收机在各 采样时刻采集到的信号幅值；
步骤3.2，所述多频段信号的频段集合为
Figure 706667DEST_PATH_IMAGE006
，构建分离矩阵H，分离矩阵H 为：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
其中，“-1”代表矩阵求逆，所述多频段信号的载频为
Figure 716955DEST_PATH_IMAGE008
，其中，
Figure 821177DEST_PATH_IMAGE009
，为 载频的编号，K为载频数；频率
Figure 898724DEST_PATH_IMAGE010
为所述多频段信号的频率下界，
Figure 430199DEST_PATH_IMAGE011
为频率上界；
步骤3.3，每隔1/fbit，对获得的采样集合x通过下式进行频谱分离，获取该采样时 刻t的N个频谱分量系数
Figure 711139DEST_PATH_IMAGE012
：
Figure 838626DEST_PATH_IMAGE013
其中，
Figure 318149DEST_PATH_IMAGE014
为码元传输速率，H为分离矩阵，维度为
Figure 754946DEST_PATH_IMAGE015
，x为t时刻的采样集合构 成的向量；
步骤3.4，计算所述多频段信号每一个频谱分量
Figure 585499DEST_PATH_IMAGE008
在当前采样时刻t的实部分量
Figure 15212DEST_PATH_IMAGE016
和虚部分量
Figure 818083DEST_PATH_IMAGE017
，实现幅度-相位重构：
Figure 691361DEST_PATH_IMAGE018
以及
Figure 429117DEST_PATH_IMAGE019
；
获得载频为
Figure 413253DEST_PATH_IMAGE008
的信号在当前采样时刻t下的解析值，所述解析值为
Figure 132948DEST_PATH_IMAGE020
，j为虚部。
作为本申请的一种优选实施方案，采用噪声归一化处理对所述光电探测器中各通道信号进行通道幅度补偿。
作为本申请的一种优选实施方案，所述多频段信号包含双频段通信信号。
本申请还提供一种多频段信号重构系统，所述系统包括：
锁模激光器，所述激光器生成采样光脉冲序列；
电光调制器，所述电光调制器用于将多频段信号的幅度映射到采样后的光脉冲的强度上；
光电探测器，所述光电探测器将所述光脉冲信号转变为可被模数转换器相应的电脉冲信号；
模数转换器，所述模数转换器将所述电脉冲信号进行量化，转变为数字信号；
信号解析重构单元，所述信号解析重构单元对所述数字信号进行解析重构，实现对信息的重构。
作为本申请的一种优选实施方案，所述激光器为锁模激光器。
进一步的，所述电光调制器的频带响应覆盖通信信号的带宽。
进一步的，所述信号解析重构单元采用以下方式对信息实施重构：
在采样时刻t对所述多频段信号作N次子采样，采样时刻分别为
Figure 160815DEST_PATH_IMAGE021
，则 获得信号在t时刻的一个采样集合，记为
Figure 638064DEST_PATH_IMAGE022
，其中，T代表 转置，
Figure 160312DEST_PATH_IMAGE023
，接收机对信号进行第m次采样获取的信号幅值；
所述多频段信号由分布于
Figure 485246DEST_PATH_IMAGE010
到
Figure 434747DEST_PATH_IMAGE002
之间的多个频段上的k个窄带信号构成，其频段 集合为
Figure 461609DEST_PATH_IMAGE006
，构建分离矩阵H，分离矩阵H为：
Figure 974499DEST_PATH_IMAGE024
其中，“-1”代表矩阵求逆，所述多频段信号的载频为
Figure 403206DEST_PATH_IMAGE008
，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE025
，为载 频的编号，K为载频数；频率
Figure 258030DEST_PATH_IMAGE026
为所述多频段信号的频率下界，
Figure 254411DEST_PATH_IMAGE011
为频率上界；
每隔1/fbit，对获得的采样集合x通过下式进行频谱分离，获取该采样时刻t的N个 频谱分量系数
Figure 321724DEST_PATH_IMAGE012
：
Figure 604938DEST_PATH_IMAGE013
其中，
Figure 411089DEST_PATH_IMAGE027
为码元传输速率，H为分离矩阵，维度为
Figure 146964DEST_PATH_IMAGE015
，x为t时刻的采样集合构 成的向量；
计算所述多频段信号每一个频谱分量
Figure 283547DEST_PATH_IMAGE008
在当前采样时刻t的实部分量
Figure 172000DEST_PATH_IMAGE016
和虚部分 量
Figure 634205DEST_PATH_IMAGE017
，实现幅度-相位重构：
Figure 60638DEST_PATH_IMAGE018
以及
Figure 781338DEST_PATH_IMAGE028
；
获得载频为f i 的信号在当前采样时刻t下的解析值，所述解析值为
Figure 773565DEST_PATH_IMAGE020
， j为虚部。
本发明的样机实例表明，与现有技术相比，其显著优点在于：
（1）本发明能够实现对频谱分布已知的多频段信号进行频谱分离，并对每一段频谱进行解析重构，即幅度-相位重构，从而实现信息的提取；
（2）本发明允许接收系统以低于奈奎斯特采样率进行采样，具备实现“模拟到信息”的能力，可以有效的降低后端数字链路和信号处理机的压力；
（3）本发明对射频信号直接采样，省去了传统宽带信号接收技术中可能对信号质量造成影响的混频、倍频、信道化等步骤，不仅降低了射频链路的成本，也避免了微波信号在射频链路中的失真。
（4）本发明对信号的采样为一种非均匀时间序列的直接采样，其采样模式可依据信号频谱分布灵活调整。
附图说明
图1为本申请采用的星座图；
图2为基于光采样的多频段通信信号信息重构完整流程的实施例流程图；
图3为实施例中第一幅星座图构成的双频段QPSK通信信号重构效果图；
图4为实施例中第二幅星座图构成的双频段QPSK通信信号重构效果图。
具体实施方式
容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明多频段通信接收机的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。
本申请为一种多频段信号重构方法及系统，具体是一种基于周期性非均匀光采样的多频段信号接收技术，以及一种信号频谱分离-解析重构技术。我们通过对双频段通信信号的采集与数据重构测试来体现本发明的内容。双频段通信信号频谱位于Ku波段内，分别为14.8GHz和16.8GHz，信号调制形式涵盖QPSK信号与16QAM信号。对该通信信号的接收处理由一部多频段通信信号接收机样机完成，涵盖采集、分离与解析重构，最终获取这两个频段内各自调制的信息。
具体的说，本申请通过以下技术方案实现：本实施例为一种多频段信号重构方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1，根据多频段通信信号设计采样模式；
步骤2，锁模激光器生成光脉冲信号，将多频段通信信号调制到所述光脉冲信号中，对所述通信信号进行光采样；再经光电探测器转变为可被模数转换器响应的电信号并对其进行量化得到电脉冲信号；
步骤3，对所述电脉冲信号进行解析重构，所述解析重构的过程包括采样集合获取、信号本征矢量构建、分离矩阵构建、频谱分离以及幅度-相位重构，最终得到信号在各个频段的幅度与相位信息，实现信息重构。
实施例1
对多频段通信信号的光采样为硬件技术，既是采样模式设计结果的物理实现，也是多频段信号解析重构的数据来源。下文将对本申请所提供的一种多频段信号频谱分离和解析重构方法进行详细说明：
1采样模式设计
当多频段通信信号形式确定后，依据以下原则确定采样模式。
采样周期：采样周期为1/fbit。
子采样数：子采样数N=2K。
子采样间隔：子采样间隔为1/(4fc)。
2多频段通信信号光采样
2.1采样光脉冲序列生成
本发明使用锁模激光器（Mode-locked Laser, MLL）产生重频稳定、强度相等的超短脉冲激光光源，并用可编程光处理器（Waveshaper，即可调光滤波器）对光脉冲的频谱分量进行精确的微调，从而实现对光脉冲的分割，最终生成满足采样需求的采样光脉冲序列。
基于可调光滤波器的光脉冲分割包含了频域和时域上的分割，首先对脉冲激光的频谱分量分为多个子带，然后再对每一个子带作不同的延时，最后将处理后的光信号汇合到一个光纤里，从而生成采样光脉冲序列。光脉冲序列的时域关系和采样模式设计中的采样周期、子采样数以及子采样间隔一致。当信号频谱发生改变时，采样模式也需修正，并生成新的采样光脉冲序列，据实测，整个采样光脉冲序列生成过程可在2秒内完成。
2.2电光调制
接收机设计有电光强度调制器，采样光脉冲序列输入到电光强度调制器中，并被多频段的通信信号调制，将多频段信号的幅度映射到光脉冲的强度上。电光调制器的频带响应需覆盖通信信号的带宽。本实施方案的验证采用Ku波段的信号作为目标信号，因此选用可覆盖Ku波段的电光强度调制器。
2.3光采样
电光调制后，每个光脉冲的幅度由当前时刻多频段信号的瞬时幅度确定，这就初步完成了光采样的步骤。随后，调制后的脉冲信号经过色散光纤延时线进行展宽，使其脉宽扩展到10纳秒以上，再通过波分复用将时域上交叠在一起的光信号进行分配，从而产生四路等重复周期的调制光脉冲序列，并将一个采样脉冲组内的子脉冲经过光延时网络在时域上对齐，从而完成完整的光采样。
2.4电量化
经过光分配的每一路光脉冲信号都会各自进入一个单独的光电探测器，经过光电探测器的光脉冲信号重新映射回电脉冲信号，光脉冲的强度正比于电脉冲的幅度；每一路电脉冲信号在各自通道分别进入一个模数转换器ADC来进行量化。对于N路电脉冲输出，选择同一时钟下的多个ADC阵列进行电量化。采样频率由锁模激光器的光脉冲进行锁相，确保每一次采样都精确采集到每一个脉冲的峰值电平。这样，每一个光脉冲的幅度便完成了通过电子器件进行的量化，从而转换到数字域。
2.5数字域通道补偿
接收机的子通道数等于每一个脉冲经过可调光滤波器分割后的子脉冲数，实测表明通道间存在有幅度误差，因此需要在数字端对ADC输出进行通道幅度补偿。本发明采用的补偿方法是通过分析未经调制的脉冲信号得到各通道光脉冲强度幅值并依据此进行归一化处理，由于未调制的光脉冲信号经过完整的光采样-电量化后，得到的是一组噪声电平，其均值和方差正比于通道增益，因此，通道补偿可等效为噪声归一化处理。
3多频段信号解析重构
3.1采样集合获取：基于上述光采样接收机，在某采样时刻t，对一多频段信号作N 次子采样，N为偶数次，采样时刻分别为
Figure 406672DEST_PATH_IMAGE029
，则可以获得信号在t时刻的一个采 样集合，以向量形式记为
Figure 382718DEST_PATH_IMAGE030
，其中，T代表转置，
Figure 163503DEST_PATH_IMAGE031
接收机在各采样时刻采集到的信号幅值。
3.2分离矩阵构建：构建分离矩阵H，分离矩阵为：
Figure 213498DEST_PATH_IMAGE032
3.3频谱分离：每隔1/fbit，对获取的采样集合x通过下式进行频谱分离，获取该采 样时刻t的N个频谱分量系数
Figure 283085DEST_PATH_IMAGE033
：
Figure 464537DEST_PATH_IMAGE013
此处fbit为码元率，H为由3.1计算获得的分离矩阵，维度为
Figure DEST_PATH_IMAGE034
，x为t时刻的采样 集合构成的向量，维度为N*1。
3.4幅度-相位重构：幅度-相位重构的结果为由如下方式计算并输出多频段信号 每一个频谱分量
Figure 12193DEST_PATH_IMAGE035
在当前采样时刻t的实部分量
Figure 667427DEST_PATH_IMAGE036
和虚部分量
Figure 907916DEST_PATH_IMAGE037
：
Figure 327396DEST_PATH_IMAGE038
以及
Figure 944322DEST_PATH_IMAGE039
；
获得载频为
Figure 14915DEST_PATH_IMAGE035
的信号
Figure 629567DEST_PATH_IMAGE040
在当前采样时刻t下的解析值，所述解析值为
Figure 536343DEST_PATH_IMAGE041
，j为（-1）1/2。
至此，便完成了对多频段信号的分离与解析重构，对于由信号幅度和相位描述码元信息的QAM信号或PSK信号而言，获取每一个频段的实部信号和虚部信号，便等效为获取了该时刻，该频谱分量所承载的信息。
和传统技术相比，本发明具备如下特点：首先，当信号满足某种形式要求时，可设计采样模式，并且采样模式可灵活调整，适配可能会产生改变的信号频谱分布；其次，无需引入复杂的射频链路进行信道化处理；此外，本发明的采样率取决于通信信号的码率，这通常远远小于多频段通信信号的奈奎斯特频率，因此能够给通信系统的数字端减少压力。因此，对于多频段通信系统的接收机技术领域所面临的数据率过大、设备复杂、灵活性低等难点，本发明是一种有效的解决方案。
实施例2
一种多频段信号频谱分离和解析重构系统，其特征在于，所述系统包括：
锁模激光器，所述激光器生成采样光脉冲序列；
电光调制器，所述电光调制器用于将多频段信号的幅度映射到采样后的光脉冲的强度上；
光电探测器，所述光电探测器将所述光脉冲信号转变为可被模数转换器相应的电脉冲信号；
模数转换器，所述模数转换器将所述电脉冲信号进行量化，转变为数字信号；
信号解析重构单元，所述信号解析重构单元对所述数字信号进行解析重构，所述解析重构的过程包括采样集合获取、信号本征矢量构建、分离矩阵构建、频谱分离和幅度-相位重构五个方面，最终得到信号在各个频段的幅度与相位信息，从而实现对信息的重构。
进一步，所述激光器为锁模激光器；所述电光调制器的频带响应覆盖通信信号的带宽。
本实施例中，所述信号解析重构单元采用以下方式对信息实施重构：
在采样时刻t对所述多频段信号作N次子采样，采样时刻分别为
Figure 704763DEST_PATH_IMAGE029
， 则获得信号在t时刻的一个采样集合，以向量形式记为
Figure 380595DEST_PATH_IMAGE030
，其中，T代表转置，
Figure 962886DEST_PATH_IMAGE031
接收机在各采样时刻采集到的信号幅值；
所述多频段信号由分布于
Figure 809488DEST_PATH_IMAGE042
到
Figure 502638DEST_PATH_IMAGE043
之间的多个频段上的k个窄带信号构成，其频 段集合为
Figure 298556DEST_PATH_IMAGE044
，由此构建分离矩阵H，分离矩阵H为：
Figure 51748DEST_PATH_IMAGE045
其中，“-1”代表矩阵求逆，所述多频段信号的载频为
Figure 683849DEST_PATH_IMAGE035
，其中，
Figure 180689DEST_PATH_IMAGE046
，为 载频的编号，K为载频数；频率
Figure 34376DEST_PATH_IMAGE047
为所述多频段信号的频率下界，
Figure DEST_PATH_IMAGE048
为频率上界；
每隔1/fbit，对获得的采样集合x通过下式进行频谱分离，获取该采样时刻t的N个 频谱分量系数
Figure 942158DEST_PATH_IMAGE033
：
Figure 45243DEST_PATH_IMAGE013
其中， fbit为码元传输速率，H为由计算获得的分离矩阵，维度为
Figure 31260DEST_PATH_IMAGE034
，x为t时刻 的采样集合构成的向量；
计算所述多频段信号每一个频谱分量
Figure 801770DEST_PATH_IMAGE035
在当前采样时刻t的实部分量
Figure 896765DEST_PATH_IMAGE036
和虚部 分量
Figure 752725DEST_PATH_IMAGE037
，实现幅度-相位重构：
Figure 840636DEST_PATH_IMAGE038
以及
Figure 668915DEST_PATH_IMAGE039
；
获得载频为
Figure 934811DEST_PATH_IMAGE035
的信号
Figure 763221DEST_PATH_IMAGE040
在当前采样时刻t下的解析值，所述解析值为
Figure 139976DEST_PATH_IMAGE041
，j为（-1）1/2。
本发明由算法与硬件有机组合为一个整体，如附图2所示，它包含：一、对多频段信号的信号采集模式设计、频谱分离技术与信号解析重构技术；二、实现多频段信号采集模式（即“周期性非均匀采样”）要求的光采样接收机技术实现。
现以一具体的实施例来描述本发明的效果。实施例包含演示验证实验设置、多频段信号信息重构技术的具体实现步骤、演示验证实验结果展示和演示结果分析四个部分组成。
1 演示验证实验设置
本次实验的演示验证内容为对一双频段QPSK信号，采用本发明所涉及技术进行采样与信息重构的效能展示。
1.1星座图关系：本次实施例演示验证实验首先是基于图1的星座图设计双频段QPSK信号的编码映射方式。
1.2双频段QPSK波形代码产生：每一个频段都是独立的QPSK信号。码元长度为100 纳秒，双频段分别为
Figure 885078DEST_PATH_IMAGE049
。在100纳秒内，信号的形式为
Figure 321875DEST_PATH_IMAGE050
，其中A为幅度，i=1、2，
Figure 136116DEST_PATH_IMAGE051
为四个QPSK的调制相位。当
Figure 519824DEST_PATH_IMAGE052
的值分别为
Figure 853854DEST_PATH_IMAGE053
，
Figure 209355DEST_PATH_IMAGE054
，
Figure 527204DEST_PATH_IMAGE055
，
Figure 511341DEST_PATH_IMAGE056
时，对应的二进制码分别为00、01、11、10。
1.3波形产生：依照该映射规则，将两段二进制码分别进行波形调制，从而在数字域生成（采样率为40GHz）载频为f 1 ，对应二进制码为[10001111…]的信号以及载频为f 2 ，对应二进制码为[10010100…]的信号；随后，将两个波形相加，形成双频段、载频分别为14.8GHz、16.8GHz的叠加波形代码；最后，将该代码输入至任意波形发生器进行数字-模拟转换，生成双频段QPSK信号并输出。
1.4多频段通信信号光采样接收：即利用周期性非均匀光采样接收机对该信号进行采集和量化。
1.5频谱分离与解析重构：即通过构造分离矩阵，对光采样接收机的输出进行信息重构的过程。实验最终分别获取两个频段的QPSK信号各自的实部分量和虚部分量，并形成接收星座图，从而成功实现了对多频段信号的信息重构。
2 多频段信号信息重构技术的具体实现
本发明实施例的实现步骤包括以下几个部分：
2.1 多频段通信信号接收的采样模式设计
由实验设置可知，双频段信号的参数包含码率为100纳秒、载频为14.8GHz和16.8GHz。因此，设置的采样模式为：采样周期100纳秒、子采样数4、子采样间隔为15.823飞秒。
2.2 基于非均匀光采样的多频段信号采集
2.2.1 采样光脉冲序列生成：依照采样模式设计结果，使用锁模激光器产生10MHz重频的超短脉冲激光光源并功分两路，对其中一路用可编程光处理器对光脉冲的频谱分量进行微调，从而实现对光脉冲在频域（分为4路）和时域（每一路分别延时0、15.823飞秒、31.646飞秒、47.469飞秒）上的分割，最终生成满足采样需求的采样光脉冲序列。光脉冲序列重频10MHz，每个重复周期内包含4个子脉冲，每个子脉冲间隔为15.823飞秒。同时，锁模激光器输出的10MHz重复频率功分的另一路直接经过光电变换、低通滤波后，形成10MHz时钟信号。该信号用于给电量化步骤中的模数转换阵列提供时钟。
2.2.2 电光调制：选择射频响应区间为0-20GHz的电光强度调制器进行电光调制。光脉冲序列输入至电光强度调制器的光接口，双频段QPSK信号送至电光强度调制器射频接口。输出端为由双频段QPSK信号调制后的调制光脉冲序列。
2.2.3 光采样：调制光脉冲序列经过色散光纤延时线进行展宽处理，并输送至波分复用模块，形成4路重频为10MHz的等周期光脉冲信号。随后，四路光脉冲信号经过延时阵列，在时序上对齐。
2.2.4 电量化：选用响应区间为0-150MHz的光电探测器对四路光脉冲信号进行光电变换，随后再经过通带为0-100MHz低通滤波器平滑信号的高频毛刺，再分别送入四路AD转换器阵列。AD转换器的采样时钟与锁模激光器重频互相锁定，采样率为10MHz。
2.2.5 数字域通道补偿：对各通道的量化结果分别乘以通道幅度补偿系数。各通道幅度补偿系数由光采样接收机对噪声信号进行采集后，由噪底归一化方法获取。
数字域通道补偿后，即获得采样结果。
2.3 多频段信号分离矩阵构造
分离矩阵H被构造为：
Figure 699876DEST_PATH_IMAGE057
其中‘-1’为矩阵求逆，f 0=14.8GHz、f 1=16.8GHz。对于各时间t，有t0=-23.734fs 、 t1=-7.911fs 、t2=7.911fs、t3=23.734fs。
2.4 多频段信号频谱分离与解析重构
2.4.1 采样集合生成
采样集合生成即每隔100纳秒，将从光采样接收机输出的4个量化结果排序为一个 采样集合向量x，其值为
Figure 931007DEST_PATH_IMAGE058
。此处T为转置，
Figure 470572DEST_PATH_IMAGE059
为四个量化结果的值。
2.4.2 频谱分离
本实施例中，每隔100纳秒，对获取的采样集合x通过下式进行频谱分离，获取该采 样时刻t的四个频谱分量系数
Figure 992821DEST_PATH_IMAGE060
：
Figure 317754DEST_PATH_IMAGE061
此处H为由2.3计算获得的分离矩阵，维度为4*4，x为t时刻的采样集合构成的向量，维度为4*1。
2.4.3 幅度相位重构
通过如下幅度相位重构，获取频谱为f 0=14.8GHz的信号在采样时的解析表达，其 值为
Figure 267255DEST_PATH_IMAGE062
；同样获取频谱为f 1=16.8GHz的信号在采样时的解析表达，即
Figure 497379DEST_PATH_IMAGE063
。此处有
Figure 807007DEST_PATH_IMAGE064
。
3 演示验证实验结果展示
实验结果如图3、图4所示。其中，图3中为基于非均匀光采样的多频段信号接收机在10微秒的探测时长内100次量化结果输出（总的探测时长为200微秒），采样目标信号为实验设置中的双频段QPSK信号。图4为由四个采样结果构成的采样集合，其时间跨度为47.469飞秒。
对于时长200微秒信号中每一个采样集合进行频谱分离与解析重构后的结果如图3所示。图3中的四幅时间序列图分别代表（自上而下）：14.8GHz信号的实部、14.8GHz信号的虚部、16.8GHz信号的实部、16.8GHz信号的虚部。
对于时长200微秒的双频段QPSK信号信息重构的结果如图3和图4所示，分别代表了14.8GHz信号重构出的星座图，如图3为16.8GHz信号重构出的星座图。将这两个结果与图2进行映射后，完整无误的重构出了两个频段通信信号各自对应的二进制编码。
4演示结果分析：
演示结果表明：本发明能够实现对双频段通信信号进行频谱分离，并对各频谱进行解析重构，即幅度-相位重构，从而实现信息的提取；
演示结果表明：本发明允许接收系统以低于奈奎斯特采样率进行采样，便可实现信息重构。实验中，信号频段宽度为2GHz，其对应的无损采样率大于4GHz，而本发明中的采样率为40MHz，即每100纳秒的采样间隔内进行4次采样。当然，这并不代表本发明能够突破采样定理。
本申请具体实施方式对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种多频段信号重构方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1，根据多频段信号的频段设计采样模式；
步骤2，锁模激光器生成光脉冲信号，将多频段信号调制到所述光脉冲信号中，对所述多频段信号进行光采样；再经光电探测器转变为可被模数转换器响应的电信号，并对其进行量化得到电脉冲信号；
步骤3，对所述电脉冲信号进行解析重构，得到信号在各个频段的幅度与相位信息，实现信息重构；所述步骤3具体为：
步骤3.1，在采样时刻t对所述多频段信号作N次子采样，采样时刻分别为
Figure 705734DEST_PATH_IMAGE001
，获得信号在t时刻的采样集合，以向量形式记为
Figure 14356DEST_PATH_IMAGE002
，其中，T代表转置，
Figure 167119DEST_PATH_IMAGE003
，接收机在 各采样时刻采集到的信号幅值；
步骤3.2，所述多频段信号的频段集合为
Figure 177670DEST_PATH_IMAGE004
，构建分离矩阵H，分离矩阵H为：
Figure 503609DEST_PATH_IMAGE005
其中，“-1”代表矩阵求逆，所述多频段信号的载频为
Figure 932316DEST_PATH_IMAGE006
，其中，
Figure 52719DEST_PATH_IMAGE007
，为载频的 编号，K为载频数；频率
Figure 520871DEST_PATH_IMAGE008
为所述多频段信号的频率下界，
Figure 384922DEST_PATH_IMAGE009
为频率上界；
步骤3.3，每隔1/fbit，对获得的采样集合x通过下式进行频谱分离，获取该采样时刻t的 N个频谱分量系数
Figure 668136DEST_PATH_IMAGE010
：
Figure 677549DEST_PATH_IMAGE011
其中，
Figure 413424DEST_PATH_IMAGE012
为码元传输速率，H为分离矩阵，维度为
Figure 81166DEST_PATH_IMAGE013
，x为t时刻的采样集合构成的向 量；
步骤3.4，计算所述多频段信号每一个频谱分量
Figure 802626DEST_PATH_IMAGE014
在当前采样时刻t的实部分量
Figure 733673DEST_PATH_IMAGE015
和虚 部分量
Figure 691265DEST_PATH_IMAGE016
，实现幅度-相位重构：
Figure 677544DEST_PATH_IMAGE017
以及
Figure 873033DEST_PATH_IMAGE018
；
获得载频为f i 的信号在当前采样时刻t下的解析值，所述解析值为
Figure 506140DEST_PATH_IMAGE019
，j为 虚部。
2.根据权利要求1所述的一种多频段信号重构方法，其特征在于，所述多频段信号由分 布于
Figure 232919DEST_PATH_IMAGE020
到
Figure 445725DEST_PATH_IMAGE009
之间的多个频段上的k个窄带信号构成。
3.根据权利要求2所述的一种多频段信号重构方法，其特征在于，所述步骤2具体为：
步骤2.1，将脉冲激光的频谱分量分为多个脉冲子带，对每一个子带作不同的延时，生成延时的光脉冲信号，将处理后的光信号汇合到一个光纤里，生成采样光脉冲信号；
步骤2.2，将所述采样光脉冲信号输入到电光强度调制器中，所述电光强度调制器将所述多频段信号调制到所述光脉冲信号中，将多频段信号的幅度映射到光脉冲的强度上；
步骤2.3，调制后的光脉冲信号经过色散光纤延时线进行展宽，使其脉宽扩展到设定时间；再通过波分复用将时域上交叠在一起的光脉冲信号进行分配，产生多路等重复周期的调制光脉冲序列；将一个采样脉冲组内的脉冲子带经过光延时网络在时域上对齐，完成光采样；
步骤2.4，将每一路光脉冲信号输入单独的光电探测器中，所述光电探测器将所述光脉冲信号重新映射回电脉冲信号，再将各电脉冲信号分别进入模数转换器进行量化。
4.根据权利要求3所述的一种多频段信号重构方法，其特征在于，在所述步骤2中，采用噪声归一化处理对所述光电探测器中各通道信号进行通道幅度补偿。
5.根据权利要求3所述的一种多频段信号重构方法，其特征在于，所述多频段信号包含双频段通信信号。
6.一种多频段信号重构系统，其特征在于，所述系统包括：
锁模激光器，所述激光器生成采样光脉冲序列；
电光调制器，所述电光调制器用于将多频段信号的幅度映射到采样后的光脉冲的强度上；
光电探测器，所述光电探测器将所述光脉冲信号转变为可被模数转换器相应的电脉冲信号；
模数转换器，所述模数转换器将所述电脉冲信号进行量化，转变为数字信号；
信号解析重构单元，所述信号解析重构单元对所述数字信号进行解析重构，实现对信息的重构；
所述信号解析重构单元采用以下方式对信息实施重构：
在采样时刻t对所述多频段信号作N次子采样，采样时刻分别为
Figure 558038DEST_PATH_IMAGE021
，则获得 信号在t时刻的一个采样集合，记为
Figure 876893DEST_PATH_IMAGE022
，其中，T代表转置，
Figure 12339DEST_PATH_IMAGE023
，接收机对信号进行第m次采样获取的信号幅值；
所述多频段信号由分布于
Figure 825574DEST_PATH_IMAGE024
到
Figure 540196DEST_PATH_IMAGE025
之间的多个频段上的k个窄带信号构成，其频段集合 为
Figure 780684DEST_PATH_IMAGE004
，构建分离矩阵H，分离矩阵H为：
Figure 465744DEST_PATH_IMAGE026
其中，“-1”代表矩阵求逆，所述多频段信号的载频为
Figure 269620DEST_PATH_IMAGE027
，其中，
Figure 90946DEST_PATH_IMAGE028
，为载频的 编号，K为载频数；频率
Figure 502336DEST_PATH_IMAGE029
为所述多频段信号的频率下界，
Figure 363107DEST_PATH_IMAGE030
为频率上界；
每隔1/fbit，对获得的采样集合x通过下式进行频谱分离，获取该采样时刻t的N个频谱 分量系数
Figure 518144DEST_PATH_IMAGE010
：
Figure 193976DEST_PATH_IMAGE011
其中， fbit为码元传输速率，H为分离矩阵，维度为
Figure 494377DEST_PATH_IMAGE013
，x为t时刻的采样集合构成的向 量；
计算所述多频段信号每一个频谱分量
Figure 888449DEST_PATH_IMAGE027
在当前采样时刻t的实部分量
Figure 581598DEST_PATH_IMAGE015
和虚部分量
Figure 643095DEST_PATH_IMAGE016
，实现幅度-相位重构：
Figure 144090DEST_PATH_IMAGE017
以及
Figure 963142DEST_PATH_IMAGE018
；
获得载频为f i 的信号在当前采样时刻t下的解析值，所述解析值
Figure 459982DEST_PATH_IMAGE019
，j为虚 部。
7.根据权利要求6所述的一种多频段信号重构系统，其特征在于，所述激光器为锁模激光器。
8.根据权利要求6所述的一种多频段信号重构系统，其特征在于，所述电光调制器的频带响应覆盖通信信号的带宽。
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