CN114881197B - 一种光频梳辅助的离散信号卷积处理方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光频梳辅助的离散信号卷积处理方法及装置，其解决了电子技术进行卷积运算速度低，以及基于光学技术进行卷积运算的系统不具备可编程特性，或者受到系统可使用的干涉仪规模限制的问题。本发明主要通过双光频梳光源模块产生两路光频梳信号，通过离散信号接收模块将两个待卷积处理离散信号数组分别加载至两个光频梳信号上，最后通过信号接收解调模块进行卷积运算处理。
Description
技术领域
本发明涉及微波光子、光学频率梳及信号处理领域，特别涉及一种光频梳辅助的离散信号卷积处理方法及装置。
背景技术
卷积计算是数字信号处理领域重要运算之一，尤其是在人工和智能领域更成为了神经网络其基础运算之一。
随着人工智能技术应用的不断拓展，系统对计算量需求越来越大，当前算法中的的卷积计算采用电子技术方案，往往在数字域进行，而数字电子技术的处理速度由于“后摩尔时代”的到来，遇到了显著的发展瓶颈。与此同时，更高速度和更大量的数字运算也往往意味着急速争高的能耗。
为了解决电子技术计算速度和功耗的问题，多种光子卷积神经网络被提出并得到了验证，显示出基于光子技术进行高速卷积运算的巨大优势。然而，当前的光子卷积运算存在诸多现实问题。例如基于光学掩模版的卷积运算系统不具备可编程特性，一旦系统加工完成，便不能更改。又如基于光学Mach-Zehnder干涉仪阵列的光学卷积网络受到系统可使用的干涉仪规模限制，导致其计算能力降低。
发明内容
本发明的目的在于克服基于电子技术进行卷积运算速度低，以及基于光学掩模版的卷积运算系统不具备可编程特性，以及基于光学Mach-Zehnder干涉仪阵列的光学卷积网络受到系统可使用的干涉仪规模限制导致计算能力降低的问题，本发明提供了一种光频梳辅助的离散信号卷积处理方法及装置。
本发明的具体技术方案如下：
一种光频梳辅助的离散信号卷积处理方法，具体执行步骤如下：
步骤1：产生两路光频梳信号；
产生相位锁定的两路光频梳信号，分别记为第一光梳齿信号和第二光梳齿信号，每路光频梳信号均包括2n+1个梳齿；n≥1；
步骤2：将两个待卷积处理离散信号数组分别加载至两个光频梳信号上；
将待卷积处理离散信号数组A加载至单边带电光调制处理的第一光梳齿信号的每根梳齿上，生成第一待卷积处理信号，同时将逆序排列的待卷积处理离散信号数组B加载至单边带电光调制处理的第二光梳齿信号的每根梳齿上，生成第二待卷积处理信号；
步骤3：卷积处理；
步骤3.1：对第一待卷积处理信号进行波分复用处理后得到第一子信号数组A'，第一子信号数组A'中具有2n+1个第一子信号，同时对第二待卷积处理信号进行波分复用处理后得到第二子信号数组B'，第二子信号数组B'中具有2n+1个第二子信号；
步骤3.2：在第一子信号数组A'中选取一个第一子信号，同时在第二子信号数组B'中选取一个与第一子信号序号相同的第二子信号作为一组进入一个信号卷积处理通道内进行光电耦合卷积运算、光电转换，从而得到一个卷积处理的电信号；
步骤3.3：按照步骤3.2的方式对所有第一子信号数组和第二子信号数组进行处理，从而获得2n+1个卷积处理的电信号；
步骤3.4：对2n+1个卷积处理的电信号分别经过模数转换处理得到2n+1个卷积处理的数字信号。
进一步地，上述步骤3.2的具体过程为：
选取第k个第一子信号和第k个第二子信号作为一组进入第K个信号卷积处理通道内进行光电耦合卷积运算、光电转换后输出的信号即为第K组卷积处理的电信号y(k)，其表达式为：
其中，ρ(k)为第k个信号卷积处理通道的幅度响应系数，为固定值，由系统测试标定得到，具体标定过程是以任意信号卷积处理通道的幅度响应为标准，修正其余各个信号卷积处理通道幅度响应，使修正后的各通道幅度响应一致；a(k)'∈A'，a(n)'∈A'，a(i)'∈A'，b(i)'∈B'；k∈n,i∈n。
进一步地，上述待卷积处理离散信号数组A与待卷积处理离散信号数组B长度不一致时，以最长的数组为标准，在另一个数组在最末端或者最前端通过补0的方式使两个待卷积处理离散信号数组A与待卷积处理离散信号数组B长度一致。
进一步地，上述第一光梳齿信号中两个相邻梳齿信号的频率间隔为f1，第二光梳齿信号中两个相邻梳齿信号的频率间隔为f2，第一光梳齿信号和第二光梳齿信号的起始处梳齿的自由光谱范围之差为：df＝f1-f2；则，第一光梳齿信号的第k根梳齿与第二光梳齿信号的第k根梳齿的频率差为：dfk＝kdf。
另外，本发明还提供了一种光频梳辅助的离散信号卷积处理装置，包括双光频梳光源模块、离散信号接收模块和信号接收解调模块；
双光频梳光源包含相位锁定元件RC、第一光频梳光源OFC1以及第二光频梳光源OFC2；第一光频梳光源OFC1以及第二光频梳光源OFC2在相位锁定元件RC的作用下均产生2n+1根梳齿信号，分别记为第一光梳齿信号和第二光梳齿信号；
信号加载模块包括第一单边带电光调制器IQ1以及第二单边带电光调制器IQ2；
光处理与探测模块包括第一波分复用器WDM1、第二波分复用器WDM2、2n+1个信号卷积处理通道以及1个信号处理模块；每个信号卷积处理通道包括依次设置的光学耦合器、光电转换器、模数转换器；
第一波分复用器WDM1、第二波分复用器WDM2均包括1个输入端和2n+1个输出端；
第一光频梳光源OFC1的输出接第一单边带电光调制器IQ1的输入，第一单边带电光调制器IQ1的输出接第一波分复用器WDM1输入；第一波分复用器WDM1的2n+1个输出分别作为2n+1个信号卷积处理通道的一个输入；
第二光频梳光源OFC2的输出接第二单边带电光调制器IQ2的输入，第二单边带电光调制器IQ1的输出接第二波分复用器WDM2输入，第二波分复用器WDM2的2n+1个输出分别作为2n+1个信号卷积处理通道的另一个输入；
2n+1个信号卷积处理通道的输出端与信号处理模块连接。
进一步地，上述第一光梳齿信号中两个相邻梳齿信号的频率间隔为f1，第二光梳齿信号中两个相邻梳齿信号的频率间隔为f2，第一光梳齿信号和第二光梳齿信号的起始处梳齿的自由光谱范围之差为：df＝f1-f2；则，第一光梳齿信号的第k根梳齿与第二光梳齿信号的第k根梳齿的频率差为：dfk＝kdf。
进一步地，上述相位锁定元件为晶振或铷钟或铯钟。
本发明的有益效果在于：
1、本发明采用光频梳辅助的离散信号卷积处理方法，将待运算信号加载在双光梳上，通过模拟光子运算得到信号处理结果。待卷积处理离散信号数组可通过自定义编程调制在光频梳上，双光梳梳齿数和波分复用通道数(也即运算信道数)可根据待卷积处理离散信号长度通过系统前端硬件系统灵活拓展调节，系统具有可编程性。
2、本发明通过模拟光子运算代替电子运算，极大的提升了离散信号卷积运算的计算速度，利用光频梳多梳齿特性可实现超长数组的卷积运算，提升光子卷积运算实用性，利用了光子系统并行运算特性，进一步提升了系统运算速度。
附图说明
图1为光频梳辅助的离散信号卷积处理装置的结构原理图；
图2为第一光梳齿信号和第二光梳齿信号的位置关系图；
图3为第一子信号数组和第二子信号数组的示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接：同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。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发明中的具体含义。
双光学频率梳在微波光子雷达、信道化接收、光子模数转换器等方面得到了越来越多的应用，是当前波光子学信号处理领域的研究热点之一。
本发明基于光频梳，提出了一种光频梳辅助的离散信号卷积处理方法，该方法的实现过程为：
步骤1：产生两路光频梳信号；
产生相位锁定的两路光频梳信号，分别记为第一光梳齿信号和第二光梳齿信号，每路光频梳信号均包括2n+1个梳齿；将第一光梳齿信号中2n+1个梳齿编号从-n至n，将第二光梳齿信号中2n+1个梳齿编号也从-n至n；n≥1；
步骤2：将两个待卷积处理离散信号数组分别加载至两个光频梳信号上；
将待卷积处理离散信号数组A加载至单边带电光调制处理的第一光梳齿信号的每根梳齿上，生成第一待卷积处理信号；同时将逆序排列的待卷积处理离散信号数组B加载至单边带电光调制处理的第二光梳齿信号的每根梳齿上，生成第二待卷积处理信号；
步骤3：卷积处理；
步骤3.1：对第一待卷积处理信号进行波分复用处理后得到第一子信号数组A'，第一子信号数组A'中具有2n+1个第一子信号，同时对第二待卷积处理信号进行波分复用处理后得到第二子信号数组B'，第二子信号数组B'中具有2n+1个第二子信号；
步骤3.2：在第一子信号数组A'中选取一个第一子信号，同时在第二子信号数组B'中选取一个与第一子信号序号相同的第二子信号作为一组进入一个信号卷积处理通道内进行光电耦合卷积运算、光电转换，从而得到一个卷积处理的电信号；
步骤3.3：按照步骤3.2的方式对所有第一子信号数组A'和第二子信号数组B'进行处理，从而获得2n+1个卷积处理的电信号；
步骤3.4：对2n+1个卷积处理的电信号分别经过模数转换处理得到2n+1个卷积处理的数字信号。
基于上述方法的介绍，本发明提出了一种实施上述方法的具体装置，如图1所示：该装置包括双光频梳光源模块、离散信号接收模块和信号接收解调模块；
双光频梳光源包含相位锁定元件RC、第一光频梳光源OFC1以及第二光频梳光源OFC2；如图2所示，第一光频梳光源OFC1以及第二光频梳光源OFC2在相位锁定元件RC(本实施例中相位锁定元件RC采用铷钟,当然也可选用晶振或铯钟或等其它的高精度频率源)的作用下均产生2n+1根梳齿信号，分别记为第一光梳齿信号和第二光梳齿信号；将第一光梳齿信号中2n+1个梳齿编号从-n至n，将第二光梳齿信号中2n+1个梳齿编号也从-n至n；n≥1；
第一光梳齿信号的自由光谱范围为f1(即第一光梳齿信号中两个相邻梳齿信号的频率间隔为f1)，第二光梳齿信号的自由光谱范围为f2(即第二光梳齿信号中两个相邻梳齿信号的频率间隔为f2)，第一光梳齿信号和第二光梳齿信号的起始处梳齿的自由光谱范围之差为：df＝f1-f2；则，第一光梳齿信号的第k根梳齿与第二光梳齿信号的第k根梳齿的频率差为：dfk＝kdf，其中k∈n；
信号加载模块包括第一单边带电光调制器IQ1以及第二单边带电光调制器IQ2；第一光频梳光源OFC1的输出接第一单边带电光调制器IQ1的输入，第二光频梳光源OFC2的输出接第二单边带电光调制器IQ2的输入；
待卷积处理离散信号数组A通过第一单边带电光调制器IQ1后加载在第一光梳齿信号的每一根梳齿上，获得第一待卷积处理信号，将逆序排列的待卷积处理离散信号数组B通过第二单边带电光调制器IQ2加载在第二光频梳光源OFC2的每一根梳齿上，获得第二待卷积处理信号；
设定待卷积处理离散信号数组A为a(0)，a(1)，…，a(n)；逆序排列后的待卷积处理离散信号数组B为b(n)，b(n-1)，…，b(0)；
光处理与探测模块包括第一波分复用器WDM1、第二波分复用器WDM2、2n+1个信号卷积处理通道以及1个信号处理模块；第一波分复用器WDM1和第二波分复用器WDM2均包括一个信号输入端以及2n+1个输出端；2n+1个输出端的编号为-n至n；2n+1个信号卷积处理通道的编号为-n至n，且每个信号卷积处理通道包括依次设置的光学耦合器、光电转换器、模数转换器；
第一波分复用器WDM1的2n+1个输出分别作为2n+1个信号卷积处理通道的一个输入；第二波分复用器WDM2的2n+1个输出分别作为2n+1个信号卷积处理通道的另一个输入；2n+1个信号卷积处理通道的输出端与信号处理模块连接。
第一待卷积处理信号通过第一波分复用器WDM1得到第一子信号数组A'，第一子信号数组A'中具有2n+1个第一子信号，各个第一子信号分别传输至各自对应编号的信号卷积处理通道内；第二待卷积处理信号通过第二波分复用器WDM2后得到第二子信号数组B'，第二子信号数组B'中具有2n+1个第二子信号，各个第二子信号分别传输至各自对应编号的信号卷积处理通道内；
在每个信号卷积处理通道内第一子信号和第二子信号经过光电耦合器进行卷积运算、光电转换器进行光电转换，从而得到一个卷积处理的电信号；卷积处理的电信号经过模数转换器处理得到数字信号；将2n+1信号卷积处理通道输出的数字信号发送至信号处理模块进行后续的数字处理。
任意信号卷积处理通道内进行处理的具体过程为：
如图3所示，设定第一子信号数组A'为a(0)'，a(1)'，…，a(n)'；第二子信号数组B'为b(n)'，b(n-1)'，…，b(0)'；
第k个第一子信号和第k个第二子信号输入至第K个信号卷积处理通道的光学耦合器进行合束后输入至该通道的光电转换器，光电转换器输出脉冲的直流信号即为第K个信号卷积处理通道的卷积运算结果y(k)(即卷积处理的电信号)，其表达式为
其中，ρ(k)为第k个信号卷积处理通道的幅度响应系数，为固定值，由系统测试标定得到，具体标定过程是以任意信号卷积处理通道的幅度响应为标准，修正其余各个信号卷积处理通道幅度响应，使修正后的各通道幅度响应一致；a(k)'∈A'，a(n)'∈A'，a(i)'∈A'，b(i)'∈B'；k∈n,i∈n；
举例来说，假设待卷积处理离散信号数组A＝(a(0)，a(1)，a(2))，逆序排列后的待卷积处理离散信号数组B＝(b(2)，b(1)，b(0))时，计算得到各个信号卷积处理通道的输出电压(即卷积处理的电信号结果)为：
y(-2)＝ρ(-2)[a(-2)b(2)+a(-1)b(1)+a(0)b(0)+a(1)b(-1)+a(2)b(-2)]
y(-1)＝ρ(-1)[a(-1)b(2)+a(0)b(1)+a(1)b(0)+a(2)b(-1)]
y(0)＝ρ(0)[a(0)b(2)+a(1)b(1)+a(2)b(0)]
y(1)＝ρ(1)[a(0)b(3)+a(1)b(2)+a(2)b(1)+a(3)b(0)]
y(2)＝ρ(2)[a(0)b(4)+a(1)b(3)+a(2)b(2)+a(3)b(1)+a(4)b(0)]
因为a(-2)，a(-1)，a(3)，a(4)，b(-2)，b(-1)，b(3)，b(4)在第一卷积处理离散信号A和第二待卷积处理离散信号数组B中并不存在，其值等效为0，则上式可简写为：
y(-2)＝ρ(-2)b(0)b(0)
y(-1)＝ρ(-1)[a(0)b(1)+a(1)b(0)]
y(0)＝ρ(0)[a(0)b(2)+a(1)b(1)+a(2)b(0)]
y(1)＝ρ(1)[a(1)b(2)+a(2)b(1)]
y(2)＝ρ(2)[a(2)b(2)]。
需要说明的一点是：待卷积处理离散信号数组A与待卷积处理离散信号数组B并不要求长度一致，当长度不一致时，可以以最长的数组为标准，在另一个数组在最末端或者最前端通过补0的方式使两个待卷积处理离散信号数组A与待卷积处理离散信号数组B长度一致，上述计算方法依旧适用。
综上，本发明提出的光频梳辅助的离散信号卷积处理方法及装置，利用光频梳多梳齿特性可实现超长数组的卷积运算，通过模拟光子运算代替电子运算，同时利用光子系统的并行性可以极大提升离散信号卷积计算速度，在图像、声音等信号处理领域具有广阔的应用前景。
Claims (7)
1.一种光频梳辅助的离散信号卷积处理方法，其特征在于，具体执行步骤如下：
步骤1：产生两路光频梳信号；
产生相位锁定的两路光频梳信号，分别记为第一光梳齿信号和第二光梳齿信号，每路光频梳信号均包括2n+1个梳齿；n≥1；
步骤2：将两个待卷积处理离散信号数组分别加载至两个光频梳信号上；
将待卷积处理离散信号数组A加载至单边带电光调制处理的第一光梳齿信号的每根梳齿上，生成第一待卷积处理信号，同时将逆序排列的待卷积处理离散信号数组B加载至单边带电光调制处理的第二光梳齿信号的每根梳齿上，生成第二待卷积处理信号；
步骤3：卷积处理；
步骤3.1：对第一待卷积处理信号进行波分复用处理后得到第一子信号数组A'，第一子信号数组A'中具有2n+1个第一子信号，同时对第二待卷积处理信号进行波分复用处理后得到第二子信号数组B'，第二子信号数组B'中具有2n+1个第二子信号；
步骤3.2：在第一子信号数组A'中选取一个第一子信号，同时在第二子信号数组B'中选取一个与第一子信号序号相同的第二子信号作为一组进入一个信号卷积处理通道内进行光电耦合卷积运算、光电转换，从而得到一个卷积处理的电信号；
步骤3.3：按照步骤3.2的方式对所有第一子信号数组和第二子信号数组进行处理，从而获得2n+1个卷积处理的电信号；
步骤3.4：对2n+1个卷积处理的电信号分别经过模数转换处理得到2n+1个卷积处理的数字信号。
2.根据权利要求1所述的光频梳辅助的离散信号卷积处理方法，其特征在于：步骤3.2的具体过程为：
选取第k个第一子信号和第k个第二子信号作为一组进入第K个信号卷积处理通道内进行光电耦合卷积运算、光电转换后输出的信号即为第K组卷积处理的电信号y(k)，其表达式为：
其中，ρ(k)为第k个信号卷积处理通道的幅度响应系数，为固定值，由系统测试标定得到，具体标定过程是以任意信号卷积处理通道的幅度响应为标准，修正其余各个信号卷积处理通道幅度响应，使修正后的各通道幅度响应一致；a(k)'∈A'，a(n)'∈A'，a(i)'∈A'，b(i)'∈B'；k∈n,i∈n。
3.根据权利要求2所述的光频梳辅助的离散信号卷积处理方法，其特征在于：待卷积处理离散信号数组A与待卷积处理离散信号数组B长度不一致时，以最长的数组为标准，在另一个数组在最末端或者最前端通过补0的方式使两个待卷积处理离散信号数组A与待卷积处理离散信号数组B长度一致。
4.根据权利要求3所述的光频梳辅助的离散信号卷积处理方法，其特征在于：第一光梳齿信号中两个相邻梳齿信号的频率间隔为f1，第二光梳齿信号中两个相邻梳齿信号的频率间隔为f2，第一光梳齿信号和第二光梳齿信号的起始处梳齿的自由光谱范围之差为：df＝f1-f2；则，第一光梳齿信号的第k根梳齿与第二光梳齿信号的第k根梳齿的频率差为：dfk＝kdf。
5.一种光频梳辅助的离散信号卷积处理装置，其特征在于：包括双光频梳光源模块、离散信号接收模块和信号接收解调模块；
双光频梳光源包含相位锁定元件RC、第一光频梳光源OFC1以及第二光频梳光源OFC2；第一光频梳光源OFC1以及第二光频梳光源OFC2在相位锁定元件RC的作用下均产生2n+1根梳齿信号，分别记为第一光梳齿信号和第二光梳齿信号；
信号加载模块包括第一单边带电光调制器IQ1以及第二单边带电光调制器IQ2；
光处理与探测模块包括第一波分复用器WDM1、第二波分复用器WDM2、2n+1个信号卷积处理通道以及1个信号处理模块；每个信号卷积处理通道包括依次设置的光学耦合器、光电转换器、模数转换器；
第一波分复用器WDM1、第二波分复用器WDM2均包括1个输入端和2n+1个输出端；
第一光频梳光源OFC1的输出接第一单边带电光调制器IQ1的输入，第一单边带电光调制器IQ1的输出接第一波分复用器WDM1输入；第一波分复用器WDM1的2n+1个输出分别作为2n+1个信号卷积处理通道的一个输入；
第二光频梳光源OFC2的输出接第二单边带电光调制器IQ2的输入，第二单边带电光调制器IQ1的输出接第二波分复用器WDM2输入，第二波分复用器WDM2的2n+1个输出分别作为2n+1个信号卷积处理通道的另一个输入；
2n+1个信号卷积处理通道的输出端与信号处理模块连接。
6.根据权利要求5所述的光频梳辅助的离散信号卷积处理装置，其特征在于：第一光梳齿信号中两个相邻梳齿信号的频率间隔为f1，第二光梳齿信号中两个相邻梳齿信号的频率间隔为f2，第一光梳齿信号和第二光梳齿信号的起始处梳齿的自由光谱范围之差为：df＝f1-f2；则，第一光梳齿信号的第k根梳齿与第二光梳齿信号的第k根梳齿的频率差为：dfk＝kdf。
7.根据权利要求5所述的光频梳辅助的离散信号卷积处理装置，其特征在于：所述相位锁定元件为晶振或铷钟或铯钟。
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