CN113992263B - 基于微波光子滤波和压缩感知技术的宽带测频系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微波光子滤波和压缩感知技术的宽带测频系统及方法。利用多波长光源提供光载波，通过第一马赫曾德尔调制器将待测宽带信号调制在光载波上，再进入第二马赫曾德尔调制器，将随机序列调制在光信号上，通过色散光纤引入群速度色散后，光信号经过第一光耦合器分为两路，一路通向第一光衰减器和第一光电探测器，另一路通向第一可调谐光延迟线后再次由第二光耦合器分为两路，其中一路通向第二光衰减器和第二光电探测器，另一路通向第二可调谐光延迟线、第三光衰减器和第三光电探测器，在第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器光电转换之后多个通道中不同延迟的信号累加，最后进入电子模数转换器和数字信号处理模块。

Description

基于微波光子滤波和压缩感知技术的宽带测频系统及方法

技术领域

本申请涉及信号处理领域和频率测量领域，具体涉及一种基于微波光子滤波和压缩感知技术的宽带测频系统及方法。

背景技术

在电子或光子系统中，现实世界中的连续信号只有在转换成数字信号后才能被处理、存储和传输，而模数转换技术，在数字信号处理和连续信号表示之间搭建了一座桥梁。当前，模数转换技术被广泛应用，从高精度器件(如航空航天和军事设备)到消费类电子产品(如高保真音乐)，都可以看到模数转换技术的身影。由于在各领域中，宽带信号被广泛应用，而在电子系统中处理宽带信号困难重重，对电子器件提出了极高要求，因此，提高模数转换性能的挑战之一是提高模数转换的工作带宽。

以奈奎斯特采样定理为标准，传统的模数转换技术由于信息量的不断增加而面临着巨大的采集、传输和存储压力。与传统的模数转换技术不同，压缩感知技术在过去的十多年中迅速发展，已经成为极具潜力的课题，吸引了广泛的研究兴趣。尤其在针对宽带信号处理时，由于压缩感知能够以低于奈奎斯特准则的采样率进行采样，大大提升了模数转换的工作带宽，并降低了对于高带宽电子器件的使用需求。

此外，光子模数转换技术具有带宽大、损耗低、不受电磁干扰影响等许多优点，通常指在数字化过程中使用光子学技术，具有模拟射频电信号输入和数字电信号输出的设备。光子模数转换技术采用光子技术来提高某些性能，最后在电域进行采样和量化等模数转换。

综上所述，将压缩感知技术与光子模数转换技术相结合，可在提升模数转换工作带宽的同时降低采样率，进而降低信号处理、存储的压力，在现代光通信及无线通信系统中有着广阔应用前景。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，并提供一种基于微波光子滤波和压缩感知技术的宽带测频系统。

根据本申请实施例的第一方面，提供一种基于微波光子滤波和压缩感知技术的宽带测频系统，多波长激光源、第一马赫曾德尔调制器、第二马赫曾德尔调制器、色散光纤、第一光耦合器、第一光衰减器、第一光电探测器、第一可调谐光延迟线、第二光耦合器、第二光衰减器、第二光电探测器、第二可调谐光延迟线、第三光衰减器、第三光电探测器、电子模数转换器、数字信号处理模块、第一射频输入端口和第二射频输入端口；所述的多波长激光源、第一马赫曾德尔调制器、第二马赫曾德尔调制器、色散光纤、第一光耦合器、第一光衰减器和第一光电探测器依次通过光纤相连，第一光耦合器、第一可调谐光延迟线、第二光耦合器、第二光衰减器和第二光电探测器依次通过光纤相连，第二光耦合器、第二可调谐光延迟线、第三光衰减器和第三光电探测器依次通过光纤相连，第一光电探测器、电子模数转换器与数字信号处理模块依次通过电路相连，第二光电探测器、电子模数转换器与数字信号处理模块依次通过电路相连，第三光电探测器、电子模数转换器与数字信号处理模块依次通过电路相连；所述的第一马赫曾德尔调制器与第一射频输入端口相连，第二马赫曾德尔调制器与第二射频输入端口相连。

根据本申请实施例的第二方面，提供一种使用第一方面所述的基于微波光子滤波和压缩感知技术的宽带测频系统的宽带测频方法，其特征在于，包括：

利用多波长激光源提供光载波，进入第一马赫曾德尔调制器，将待测宽带射频信号通过第一射频输入端口调制在光载波上，再进入第二马赫曾德尔调制器，将随机序列通过第二射频输入端口调制在光信号上，调制后的光信号通过色散光纤，引入群速度色散，光信号经过第一光耦合器分为两路，一路通向第一光衰减器和第一光电探测器，另一路通向第一可调谐光延迟线后再次由第二光耦合器分为两路，其中一路通向第二光衰减器和第二光电探测器，另一路通向第二可调谐光延迟线、第三光衰减器和第三光电探测器，在第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器光电转换之后多个通道中不同延迟的信号累加在一起，之后，再由电子模数转换器以低于奈奎斯特准则的采样速率进行降采样，降采样结果传入数字信号处理模块后，通过压缩感知算法对信号进行重建，实现宽带信号的频率测量；

其中光载波的波长间隔和色散介质的色散量应依据随机序列的单比特持续时间确定；第一可调谐光延迟线(8)和第二可调谐光延迟线(12)的延迟量应保持一致，所述延迟量依据光载波波长数量和群速度时延确定。

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，本申请受益于提出的滤波器结构，可减少方案中所需要的可调谐激光源数量，降低了系统成本，并且对激光源的波长调谐范围、可调谐光延迟线调谐范围的要求也大大降低。在该系统中，低通滤波的性能得到了提升，延迟线通道的数量也可以根据压缩率进行调整，进而增强了系统的可重构性。

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是本发明提供的基于微波光子滤波和压缩感知技术的宽带测频系统结构示意图。

图2是本发明提供的基于微波光子滤波和压缩感知技术的宽带测频系统的工作原理示意图。

图中：多波长激光源1、第一马赫曾德尔调制器2、第二马赫曾德尔调制器3、色散光纤4、第一光耦合器5、第一光衰减器6、第一光电探测器7、第一可调谐光延迟线8、第二光耦合器9、第二光衰减器10、第二光电探测器11、第二可调谐光延迟线12、第三光衰减器13、第三光电探测器14、电子模数转换器15、数字信号处理模块16、第一射频输入端口17、第二射频输入端口18。

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。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

如图1所示，本发明实施例提供一种基于微波光子滤波和压缩感知技术的宽带测频系统，包括多波长激光源1、第一马赫曾德尔调制器2、第二马赫曾德尔调制器3、色散光纤4、第一光耦合器5、第一光衰减器6、第一光电探测器7、第一可调谐光延迟线8、第二光耦合器9、第二光衰减器10、第二光电探测器11、第二可调谐光延迟线12、第三光衰减器13、第三光电探测器14、电子模数转换器15、数字信号处理模块16、第一射频输入端口17和第二射频输入端口18；所述的多波长激光源1、第一马赫曾德尔调制器2、第二马赫曾德尔调制器3、色散光纤4、第一光耦合器5、第一光衰减器6和第一光电探测器7依次通过光纤相连，第一光耦合器5、第一可调谐光延迟线8、第二光耦合器9、第二光衰减器10和第二光电探测器11依次通过光纤相连，第二光耦合器9、第二可调谐光延迟线12、第三光衰减器13和第三光电探测器14依次通过光纤相连，第一光电探测器7、电子模数转换器15与数字信号处理模块16依次通过电路相连，第二光电探测器11、电子模数转换器15与数字信号处理模块16依次通过电路相连，第三光电探测器14、电子模数转换器15与数字信号处理模块16依次通过电路相连；所述的第一马赫曾德尔调制器2与第一射频输入端口17相连，第二马赫曾德尔调制器3与第二射频输入端口18相连。

该系统由于引入了两级级联滤波器，可减少方案中所需要的可调谐激光源数量，降低了系统成本，并且对激光源的波长调谐范围、可调谐光延迟线调谐范围的要求也大大降低。在该系统中，低通滤波的性能得到了提升，延迟线通道的数量也可以根据压缩率进行调整，进而增强了系统的可重构性。

本发明实施例还提供一种使用上述的基于微波光子滤波和压缩感知技术的宽带测频系统的宽带测频方法，包括如下步骤：

利用多波长激光源1提供光载波，进入第一马赫曾德尔调制器，将待测宽带射频信号通过第一射频输入端口17调制在光载波上，再进入第二马赫曾德尔调制器，将随机序列通过第二射频输入端口18调制在光信号上，调制后的光信号通过色散光纤4，引入群速度色散，其中光载波的波长间隔和色散介质的色散量应依据随机序列的单比特持续时间确定，以保证相邻波长之间的延迟等同于单比特持续时间，形成延迟叠加，进而实现第一级微波光子滤波结构。光信号经过第一光耦合器5分为两路，一路通向第一光衰减器6和第一光电探测器7，另一路通向第一可调谐光延迟线8后再次由第二光耦合器9分为两路，其中一路通向第二光衰减器10和第二光电探测器11，另一路通向第二可调谐光延迟线12、第三光衰减器13和第三光电探测器14，在第一光电探测器7、第二光电探测器11和第三光电探测器14光电转换之后多个通道中不同延迟的信号累加在一起，再由电子模数转换器15以低于奈奎斯特准则的采样速率进行降采样。降采样结果传入数字信号处理模块16后，通过压缩感知算法对信号进行重建，实现宽带信号的频率测量。第一可调谐光延迟线8和第二可调谐光延迟线12的延迟量应保持一致，所述延迟量依据光载波波长数量和群速度时延确定。

如图2所示，压缩感知的测量过程可以用数学模型描述为：

y＝Fx

其中输入待测宽带信号x由N×1维矢量表示，测量结果y由M×1维矢量表示(M＜＜N)，F是表示测量过程的M×N矩阵。在该方案中，测量矩阵可被表示为：

F＝DIR

其中R是表示随机序列的N×N对角矩阵，I是表示低通滤波器冲激响应的N×N矩阵，D是表示降采样过程的M×N矩阵。在完成测量过程后，输入信号最终通过压缩感知恢复算法重建。在该基于微波光子滤波的压缩感知方案中，低通滤波功能由多抽头微波光子滤波器实现，该方案中微波光子滤波器包含两个阶段。在第一个阶段，信号调制在多波长光载波上，通过色散介质后，由于群速度色散在不同波长之间引入延迟，根据滤波器原理，也即引入了多个抽头，进而实现了第一级微波光子滤波结构。之后信号分别进入多个可调延迟线通道，经光电转换后累加在一起，再次引入多个抽头，实现了第二级微波光子滤波结构。

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)

1.一种基于微波光子滤波和压缩感知技术的宽带测频系统，其特征在于，包括：多波长激光源（1）、第一马赫曾德尔调制器（2）、第二马赫曾德尔调制器（3）、色散光纤（4）、第一光耦合器（5）、第一光衰减器（6）、第一光电探测器（7）、第一可调谐光延迟线（8）、第二光耦合器（9）、第二光衰减器（10）、第二光电探测器（11）、第二可调谐光延迟线（12）、第三光衰减器（13）、第三光电探测器（14）、电子模数转换器（15）、数字信号处理模块（16）、第一射频输入端口（17）和第二射频输入端口（18）；所述的多波长激光源（1）、第一马赫曾德尔调制器（2）、第二马赫曾德尔调制器（3）、色散光纤（4）、第一光耦合器（5）、第一光衰减器（6）和第一光电探测器（7）依次通过光纤相连，第一光耦合器（5）、第一可调谐光延迟线（8）、第二光耦合器（9）、第二光衰减器（10）和第二光电探测器（11）依次通过光纤相连，第二光耦合器（9）、第二可调谐光延迟线（12）、第三光衰减器（13）和第三光电探测器（14）依次通过光纤相连，第一光电探测器（7）、电子模数转换器（15）与数字信号处理模块（16）依次通过电路相连，第一可调谐光延迟线（8）和第二可调谐光延迟线（12）的延迟量保持一致；第二光电探测器（11）、电子模数转换器（15）与数字信号处理模块（16）依次通过电路相连，第三光电探测器（14）、电子模数转换器（15）与数字信号处理模块（16）依次通过电路相连；所述的第一马赫曾德尔调制器（2）与第一射频输入端口（17）相连，第二马赫曾德尔调制器（3）与第二射频输入端口（18）相连。

2.一种使用如权利要求1所述的基于微波光子滤波和压缩感知技术的宽带测频系统的宽带测频方法，其特征在于，包括以下步骤：

利用多波长激光源（1）提供光载波，进入第一马赫曾德尔调制器（2），将待测宽带射频信号通过第一射频输入端口（17）调制在光载波上，再进入第二马赫曾德尔调制器（3），将随机序列通过第二射频输入端口（18）调制在光信号上，调制后的光信号通过色散光纤（4），引入群速度色散，光信号经过第一光耦合器（5）分为两路，一路通向第一光衰减器（6）和第一光电探测器（7），另一路通向第一可调谐光延迟线（8）后再次由第二光耦合器（9）分为两路，其中一路通向第二光衰减器（10）和第二光电探测器（11），另一路通向第二可调谐光延迟线（12）、第三光衰减器（13）和第三光电探测器（14），在第一光电探测器（7）、第二光电探测器（11）和第三光电探测器（14）光电转换之后多个通道中不同延迟的信号累加在一起，之后，再由电子模数转换器（15）以低于奈奎斯特准则的采样速率进行降采样，降采样结果传入数字信号处理模块（16）后，通过压缩感知算法对信号进行重建，实现宽带信号的频率测量；

其中光载波的波长间隔和色散介质的色散量应依据随机序列的单比特持续时间确定，第一可调谐光延迟线（8）和第二可调谐光延迟线（12）的延迟量应保持一致，所述延迟量依据光载波波长数量和群速度时延确定。

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