CN117856787A - 光学模数转换的多通道并行时间序列处理方法 - Google Patents

Abstract

一种光学模数转换的多通道并行时间序列处理方法。面对电磁信号接收与处理中信号带宽频段增加，接收难度增大，时间序列信号处理速率要求提高的问题，本方法利用光学模数转换实现对高频宽带信号的射频直接接收，同时根据光学模数转换系统方法的多通道低速时间序列信号并行输出的特点及通道之间信号的关系特性，提出了多路时间序列信号并行处理的方法，减小了单个计算单元的信号处理压力，从而降低了对计算单元的硬件需求和硬件成本。

Description

光学模数转换的多通道并行时间序列处理方法

技术领域

本发明涉及光学信息处理下的宽带高速电磁信号处理，具体是一种光学模数转换的多通道并行时间序列处理方法。

背景技术

由于低频段电磁频谱的资源有限，低频的窄带带宽既难以满足6G通信速率的要求，也难以满足雷达探测的分辨率要求，因此雷达通信等电磁技术都向着高频段大带宽方向发展。但是，受制于模拟电路固有的电子瓶颈，电模数转换器的带宽和采样率都难以满足高频段大带宽的使用需求，使得大带宽的射频信号无法直接被数字化，而是需要通过信道化，混频等模拟处理过程，这大大增加了射频接收链路的复杂度和成本。同时，由于电磁信号的带宽增加，导致信号的有效数据量也大大增加，对信号处理速度和信号处理的硬件成本提出了更高的要求。一方面，高速信号传输速率使得并串转换的代价是巨大的，很容易发生信号错位和信号丢失，严重影响后续信号处理的结果；另一方面，即使上述的并串转换过程被正确地执行，高数据速率的时间序列信号处理的实时性对现有的CPU等计算单元也是很大的挑战，这样数据速率的计算任务往往需要具有大量硬件资源的超级计算核心去承担。而构建一个超级计算核心在工艺制造难度和工艺制造成本上是巨大的。

光学模数转换方法基于光学信息处理的高速和宽带优势，利用高速光脉冲对输入电磁信号进行直接采样，在光域上将采样后的高速单路时间序列信号转化为多路并行的低速的时间序列信号，从而缓解了对电模数转换器量化速率和量化带宽的需求，最终在低速小带宽的电模数转换器阵列上实现对高频段大带宽信号的高速采样。现有的光学模数转换系统有着多种不同的架构并且有各自的特点和优势。例如通道交织型光模数转换系统利用多级的级联马赫曾德尔调制器进行高速采样时间序列信号向多路低速采样时间序列信号的串并转换，保证了超宽带信号处理过程完全在光域上进行；并行采样光模数转换系统则利用多路低速光脉冲与单路高速光脉冲的等价性，通过对光程的严格调控实现高速采样过程，减少调制器级联从而降低了链路损耗和提升有效位数；时间波长交织型光模数转换系统充分利用光的波长维度，利用密集波分复用器使得单路的高速采样脉冲转换为多路具有不同中心波长的低速采样脉冲，同样减少了链路损耗。

上述光学模数转换系统架构尽管有着不同的核心器件，但是都保留了多通道时间序列信号并行输出的方式。这意味着通过光学模数转换并且结合相应的时间序列并行处理方法，将对单路的高速时间序列信号的处理变成并行的多路低速时间序列信号处理是可行的，并且能同时解决宽带电磁信号的接收和高速信号处理两方面的难题。

发明内容

本发明的目的在于基于高速大带宽光学模数转换方法的多通道时间序列信号并行输出的特点及通道间信号的相互关系，提出一种时间序列信号的并行处理方法，将原有的整体的运算过程转变为每一个通道的并行化运算，在保证运算结果不变的基础上，解决宽带电磁信号的接收和高速信号处理两方面的难题。

为了实现上述目的，本发明采用以下方法：

对通信和雷达等高频宽带电磁信号接收和处理场景中，在前端使用光学模数转换方法将单路的高速时间序列信号转换为多路并行的低速时间序列信号，在对多路低速时间序列信号并行处理方法中，处理过程如下：时间序列信号的基本四则运算，时间序列信号的点积运算，时间序列信号的卷积运算，时间序列信号的非线性反馈运算。针对上述处理过程分别进行相应的并行方法运算，则在并行处理结果与原有的高速时间序列信号处理结果等价的基础上，可知上述运算过程的不同形式的组合运算也具有正确的等价处理结果。上述处理过程的并行处理方法可以分为如下几个过程：

步骤1：在通信雷达等电磁接收系统的前端使用光学模数转换方法对高频宽带电磁信号进行接收，转化为多路并行的低速时间序列信号。

步骤2：对时间信号的处理过程按计算流程划分为点积运算、卷积运算、矢量基本四则运算和非线性反馈计算的组合过程，从而能够利用并行处理方法进行原有计算过程的原位替代。

步骤3：利用并行计算硬件单元元完成相应的并行处理过程，并对并行处理得到的并行输出结果进行整合，得到最终的输出。

进一步，所述矢量基本四则运算并行处理方法，具体如下：设矢量的基本四则运算为F₁(a)，可以表示为以下过程：

F₁(a)＝k·a+b·1 (1.1)

其中a为多通道整合后的采样数据矢量，k为标量常量，1为1矢量常量，b表示矢量常量的系数。N通道中第i个通道的模数转换数据矢量可以表示为a_i，则a_i满足下列条件：

a_i(j)＝a(N*j+i)(j≥0,0≤i≤N-1) (1.2)

于是等价的多通道并行计算可以表示为：

其中F₁ ⁱ第i个通道的运算函数。

进一步，所述点积运算并行处理方法，具体如下：设多通道整合数据的点积计算为F₂(a)，可以表示为以下过程：

F₂(a)＝a·h (1.4)

其中h为矢量常量，则等价的多通道并行计算可以表示为：

其中h_i为矢量常量且满足：

h_i(j)＝h(N*j+i)(j≥0,0≤i≤N-1) (1.6)

进一步，所述卷积运算并行处理方法，具体如下：设多通道整合数据的卷积计算为F₃(a)，可以表示为以下过程：

其中m表示卷积过程中的系统响应矢量。则等价的多通道并行计算可以表示为：

m_i满足:

m_i(j)＝m(N*j+i)(j≥0,0≤i≤N-1) (1.9)

进一步，所述非线性反馈运算并行处理方法，具体如下：设非线性反馈运算表示为：

F_(a+k)(a) (1.10)

其中F表示某一非线性运算过程，下标a和k分别表示非线性运算过程中的反馈信号参数与常量信号参数。则第q路的并行处理运算过程可以表示为：

其中，w表示第q路对应的系数。同样有

m_q(j)＝m(N*j+q)(j≥0,0≤q≤N-1) (1.12)

所述的接收信号的射频频段包括但不限于X波段，Ku波段，Ka波段，W波段，毫米波波段。

所述的多通道光学模数转换方法包括但不限于通道交织型光学模数转换方法，并行采样光学模数转换方法，时间波长交织型光学模数转换方法。

所述的应用场景包括但不限于通信信号接收解调，雷达距离探测，雷达二维成像。

所述的并行计算硬件单元包括但不限于CPU，FPGA。

与目前的电磁信号接收与处理方法相比，本发明具有以下优点：

1、提高了电磁接收的信号带宽和频段范围

2、通过并行处理的等价，减少了每个计算单元的处理量，使得高速的时间序列信号的处理可以实时化。

3、从而减少了对计算单元性能的需求，降低了计算单元中散热的压力，最终降低了系统中计算单元的构建成本。

附图说明

图1为本发明光学模数转换的多通道并行时间序列处理方法的流程图。

图2为不同运算流程的并行处理方法示意图，其中，(a)为矢量基本四则运算的并行处理，(b)为矢量点积计算的并行处理，(c)矢量卷积计算的并行处理，(d)非线性反馈运算的并行处理。

具体实施方式

下面结合附图给和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

请先参阅图1，图1为光学模数转换数据并行处理的流程示意图。在本实施例中，多通道光学模数方法的通道数N为4。针对宽带高频电磁接收场景搭建基于光学模数转换的射频直采接收系统，在本实施例中，对接收信号进行一维成像处理，则计算流程包括信号归一化，模数转换校正，匹配滤波，阈值检测过程，分别对应于矢量基本四则运算，点积运算，卷积运算和非线性反馈计算，根据步骤2，上述过程分别用相应的并行处理过程替代。

对其中的矢量基本四则运算过程进行并行处理方法替代，如图2(a)所示。每个通道的低速时间序列信号被传输到对应的并行计算单元中，在每个计算单元中，对信号进行相同系数的乘加运算，即得到并行化的输出结果。

对其中的矢量点积计算过程进行并行处理方法替代，如图2(b)所示。将4个通道的低速时间序列信号分别传输到对应的4个并行计算单元中，同时，计算单元内存储响应的点积计算核，在每个计算单元内进行点积计算，得到点积和结果，对4个并行计算单元的点积和结果进行求和得到与整体计算相等的点积和结果。

根据步骤5，对其中的矢量卷积计算过程进行并行处理方法替代，如附图2(c)所示。将4个通道的低速时间序列信号分别传输到对应的4个并行计算单元中，4个并行计算单元中存储相应的卷积核组，每个卷积核组包括4个不同的卷积核，每个卷积核的大小为整体计算卷积核大小的四分之一。在每个并行计算单元中完成卷卷积计算过程，并且将每个卷积核组内的所有卷积核卷积计算结果进行对应位求和，得到最终整体计算逻辑的并行化输出。

根据步骤6，对其中的非线性反馈运算过程进行并行处理方法替代，如附图2(d)所示。将4个通道的低速时间序列信号分别传输到对应的4个并行计算单元中，在每个并行计算单元中完成对应反馈信号的非线性计算过程，得到16路并行输出，16路输出信号经过4组16位权值累加，得到4路的并行运算输出结果。

根据步骤7，在实现所有的单元化的并行等价计算后，对4路并行化输出结果进行重构交织，得到与整体计算逻辑相同的计算结果。

Claims (2)

1.一种光学模数转换的多通道并行时间序列处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1利用光学模数转换方法将高频宽带电磁信号转化为N路并行低速的时间序列信号；

步骤2：对N路并行低速的时间序列信号进行等价并行处理；

步骤3：对并行处理得到的并行输出结果进行整合，得到最终输出。

2.根据权利要求1所述的光学模数转换的多通道并行时间序列处理方法，其特征在于，所述的等价并行处理，包括：等价基本四则运算的并行处理、等价点积运算的并行处理、等价卷积运算的并行处理和等价非线性反馈运算的并行处理，其中，

所述的等价基本四则运算的并行处理，公式如下：

其中，F₁ ⁱ为第i个通道的运算函数，a_i为N通道中第i个通道的模数转换数据矢量，k为标量常量，1为1矢量常量，b为矢量常量的系数a_i满足下列条件：

a_i(j)＝a(N*j+i) (j≥0,0≤i≤N-1)

其中，j表示a_i(j)为矢量a_i中的第j个数据。

所述的等价点积运算的并行处理，公式如下：

其中，h_i为矢量常量且满足：

h_i(j)＝h(N*j+i) (j≥0,0≤i≤N-1)

所述的等价卷积运算的并行处理，公式如下：

其中，m_i满足:

m_i(j)＝m(N*j+i) (j≥0,0≤i≤N-1)

所述的等价非线性反馈运算的并行处理，公式如下：

F_(a+k)(a)

其中，F表示某一非线性运算过程，下标a和k分别表示非线性运算过程中的反馈信号参数与常量信号参数；

第q路的并行处理运算过程表示为：

其中，w表示第q路对应的系数，且

m_q(j)＝m(N*j+q) (j≥0,0≤q≤N-1)。