ES2972517T3 - Dispositivo para análisis de espectro de señales de radiofrecuencia - Google Patents

Abstract

Dispositivo optoelectrónico para extraer características contenidas en el espectro de señales de radiofrecuencia analógicas, continuas o pulsadas, ruidosas, que forman una señal de entrada analógica, comprendiendo el dispositivo: - un módulo de entrada que genera una onda portadora óptica (1) y realiza una modulación de esta portadora (1) por la señal de entrada analógica, para formar una señal óptica modulada; - una red (5) de cavidades ópticas lineales acopladas y bombeadas ópticamente la señal óptica modulada; - un dispositivo óptico de medición (7) de cantidades medidas de los campos ópticos, siendo estos campos ópticos inducidos por la señal óptica modulada por la señal de entrada analógica; - un módulo de cálculo (8) que realiza una transformación lineal de las cantidades medidas de los campos ópticos, mediante multiplicación por una matriz W y suma de un vector de polarización b; para permitir la reconstrucción y extracción de características específicas contenidas en el espectro de la señal de entrada de radiofrecuencia, habiendo realizado el módulo de cálculo (8) un aprendizaje automático sobre señales de radiofrecuencia analógicas, entrenando ruidos que presentan las mismas características específicas para determinar los parámetros W y B. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Dispositivo para análisis de espectro de señales de radiofrecuencia

Campo técnico

La invención se refiere al campo técnico del análisis de espectro de señales de radiofrecuencia.

Técnica anterior

La invención se refiere a la extracción de características contenidas en el espectro de señales de radiofrecuencia. Por radiofrecuencias se designan en este caso las frecuencias de onda electromagnética comprendidas entre 3 Hz y 300 GHz, incluyendo las frecuencias usadas para la telefonía móvil, WiFi, así como las señales empleadas concretamente para los radares.

Por tanto, la invención encuentra aplicaciones en el procesamiento de señales en campos tales como las telecomunicaciones, los radares Doppler pulsados o la espectroscopia; campos en los que la tasa de análisis espectral de señales analógicas es crítica.

El desarrollo de las comunicaciones conduce a un uso del espectro electromagnético cada vez más intenso (densidad de señales por unidad de frecuencia) y para frecuencias máximas cada vez mayores. Además, muchos emisores usan técnicas de salto de frecuencia.

Por tanto, el análisis de las emisiones necesita aumentar el ancho de banda instantáneo, así como la dinámica y la resolución espectral y temporal de los medios de análisis espectral. Para muchas aplicaciones, el análisis espectral debería ser lo más sensible posible, permitiendo detectar señales bajas con respecto al ruido ambiental.

Los métodos digitales conocidos de análisis espectral consisten en digitalizar las señales recibidas mediante una antena, antes de proceder a un procesamiento digital, por ejemplo mediante transformada de Fourier rápida.

Estos métodos digitales presentan numerosos inconvenientes.

Estas técnicas necesitan convertidores analógico-digital muy rápidos, limitando la tasa de muestreo la frecuencia más alta que puede analizarse.

Los convertidores, cuando no presentan una buena linealidad, generan frecuencias fantasma mediante producción de armónicos.

Una señal muestreada con una alta frecuencia y una banda grande genera una cantidad de datos demasiado grande para un procesamiento posterior por un calculador ubicado aguas abajo. Para paliar este problema, algunos métodos digitales de análisis espectral funcionan mediante barrido. Pero, si el barrido se realiza, por ejemplo, a lo largo de 20 GHz, en cada subbanda de 1 GHz, con un ancho de banda instantáneo(real-time bandwidth)de 1 GHz, el analizador está ciego el 95 % del tiempo.

Tales técnicas no permiten la detección de emisiones furtivas de duraciones muy cortas, por ejemplo pulsos únicos ultracortos. La tasa de muestreo, del orden de la centena de megahercios, limita la tasa de procesamiento(throughput)a varias centenas de kilohercios así como el ancho de banda instantáneo(real-time bandwidth).

Para evitar los inconvenientes del análisis mediante barrido, podría concebirse usar varios analizadores que funcionen en paralelo, con el fin de cubrir una gran banda espectral. No obstante, los dispositivos obtenidos son muy costosos, pesados y voluminosos.

Por otro lado, se conocen analizadores de espectros acusto-ópticos, en los que la señal que va a analizarse se inyecta en un cristal piezoeléctrico (celda de Bragg) tras haberse convertido en ondas acústicas que crean variaciones de índices de difracción. La luz láser se introduce en el medio transparente de la celda acusto-óptica y esta luz se difracta en función del espectro de la señal inicial. La imagen del láser es recogida mediante un sistema CCD. La amplitud de la señal que sale es proporcional a la amplitud de la señal de radiofrecuencia y el ángulo de deflexión es casi proporcional a la frecuencia de la señal. Los analizadores acusto-ópticos se han empleado en radioastronomía. Puede hacerse referencia, por ejemplo, al documento WO 20141 16128.

En el campo de las frecuencias ópticas, el análisis espectral puede realizarse por medio de espectrómetros tales como los monocromadores. Este tipo de dispositivos realiza un barrido de frecuencia combinado con una medición de potencia a la frecuencia seleccionada, con una aproximación de una determinada resolución espectral. El control del elemento mecánico del espectrómetro que permite el barrido en frecuencia limita en gran medida la tasa de adquisición del espectro de las señales que van a analizarse, pudiendo alcanzar la decena de kilohercios para los dispositivos de mayor rendimiento.

En el campo de los radares Doppler pulsados, la posición y la velocidad de objetivos en movimiento se determinan mediante el análisis espectral de una señal pulsada reflejada, realizado digitalmente tras el muestreo del pulso reflejado, medido por una antena. La baja tasa de repetición de los pulsos limita la velocidad máxima de los objetivos que pueden seguirse.

En el campo de las telecomunicaciones, diversas aplicaciones tales como la modulación por desplazamiento de frecuencia(frequency-shift keying,FSK) requieren la evaluación, lo más rápida posible, y el seguimiento de una frecuencia dominante de una señal analógica que codifica datos. Esto puede realizarse en la actualidad mediante contadores de frecuencia(frequency counters)electrónicos, cuya gran eficacia desgraciadamente no es resistente a la presencia de ruido. El documento US5481183A presenta un dispositivo de análisis de espectro de señales de radiofrecuencia.

La invención tiene como objetivo paliar al menos en parte los inconvenientes de los dispositivos y procedimientos conocidos en el estado de la técnica.

Un primer objeto de la invención es permitir la extracción de características contenidas en el espectro de señales de radiofrecuencia con ruido, a una cadencia superior a 10 MHz, ventajosamente superior al gigahercio, mediante el uso de un dispositivo optoelectrónico.

Un segundo objeto de la invención es permitir una extracción de este tipo que sea más resistente al ruido que las técnicas de la técnica anterior.

Un tercer objeto de la invención es permitir una extracción de este tipo que funcione a tasas de procesamiento(throughput)superiores a las de las técnicas de la técnica anterior.

Otro objeto de la invención es permitir la determinación de la distribución espectral de energía de un pulso de radiofrecuencia así como la frecuencia del máximo de este espectro, en un tiempo del orden de algunas decenas de picosegundos, incluso a pesar de la eventual presencia de ruido.

Otro objeto de la invención es permitir la realización de una medición ultrarrápida de la frecuencia de una señal sinusoidal continua con ruido.

Otro objeto de la invención es un dispositivo fotónico integrado que permita alcanzar al menos uno de los objetos expuestos anteriormente.

Para ello, la invención se refiere, según un primer aspecto, a un dispositivo optoelectrónico de extracción de características contenidas en el espectro de señales de radiofrecuencia analógicas continuas o pulsadas, con ruido, que forman una señal analógica de entrada, comprendiendo el dispositivo optoelectrónico de extracción:

- un módulo de entrada que genera una onda óptica portadora y que realiza una modulación de esta portadora óptica mediante la señal de entrada analógica, mediante multiplicación/mezclado, para formar una señal óptica modulada; - una red de cavidades ópticas lineales acopladas y bombeadas ópticamente por la totalidad o parte de la señal óptica modulada, dirigida a la red mediante un medio para dirigir luz;

- un dispositivo de medición óptica directa o indirecta de cantidades medidas de los campos ópticos, que son: intensidades, amplitudes y/o fases de los campos ópticos en el interior de las cavidades lineales acopladas, induciéndose estos campos ópticos mediante la señal óptica modulada mediante la señal analógica de entrada; - un módulo de cálculo conectado al dispositivo de medición óptica, que realiza una transformación lineal con las cantidades medidas de los campos ópticos, mediante multiplicación con una matriz W y adición de un vector de sesgo b, para permitir reconstruir y extraer características objetivo contenidas en el espectro de la señal de entrada de radiofrecuencia,

habiendo realizado el módulo de cálculo un aprendizaje automático con señales de radiofrecuencia analógicas con ruido de entrenamiento que presentan las mismas características objetivo, con el fin de determinar la matriz W y el vector de sesgo b.

La invención se refiere, según un segundo aspecto, a un procedimiento de extracción de características contenidas en el espectro de señales de radiofrecuencia analógicas continuas o pulsadas, con ruido, que forman una señal analógica de entrada, usando el procedimiento de extracción el dispositivo tal como se expuso anteriormente, y comprendiendo:

- una etapa de mezclado/multiplicación de la señal de entrada de radiofrecuencia mediante modulación de una onda portadora óptica, para formar una señal óptica modulada;

- una etapa de acoplamiento y bombeo óptico de una red de cavidades ópticas lineales por la totalidad o parte de la señal óptica modulada;

- una etapa de medición de las intensidades, amplitudes y/o fases de los campos ópticos de las cavidades; - una etapa de transformación lineal con las cantidades medidas asociadas a los campos;

- una etapa de aprendizaje automático para la transformación lineal.

Según diversas realizaciones, el dispositivo presenta las siguientes características, dado el caso en combinación: - las cavidades ópticas lineales se acoplan mediante acoplamientos fijos o aleatorios;

- las cavidades ópticas lineales se realizan en forma de estructuras nanométricas o micrométricas, grabadas en un material semiconductor o dieléctrico, organizadas en una red de cavidades ópticas de geometría plana, comprendiendo la red de cavidades ópticas acoplamientos directos entre sitios contiguos más próximos, o indirectos entre sitios alejados de manera arbitraria; estas cavidades ópticas pueden tener formas arbitrarias, es decir, “ que dependen tan solo de la voluntad del ingeniero” , para traducir la ausencia de verdaderas restricciones técnicas externas sobre la geometría de la red plana (cuadrada, triangular, hexagonal, etc.) y su fabricación;

- la red de cavidades ópticas se implementa en un chip fotónico.

El chip fotónico comprende ventajosamente resonadores en anillos lateralmente acoplados.

El chip fotónico comprende ventajosamente una red de micro o nanopilares.

El chip fotónico comprende ventajosamente una red plana de cavidades ópticas en forma de disco.

El chip fotónico comprende ventajosamente una red plana de cavidades basadas en cristales fotónicos.

En determinadas implementaciones, el chip fotónico es de silicio y/o dióxido de silicio.

En determinadas implementaciones, la red de cavidades ópticas es un conjunto desordenado u ordenado de difusores ópticos lineales, que forman un material denso o un medio diluido difusor.

Según diversas realizaciones, el dispositivo presenta además las siguientes características, dado el caso en combinación: - el módulo de entrada que realiza la modulación de la portadora óptica mediante la señal de entrada analógica comprende un modulador electroóptico;

- el módulo de entrada genera varias ondas portadoras ópticas diferentes moduladas mediante la señal de entrada; - las señales de entrada de radiofrecuencia analógicas tienen una frecuencia limitada por el módulo de entrada; - la red de cavidades ópticas presenta al menos 5*5 cavidades ópticas.

La matriz W se entrena ventajosamente para permitir extraer las siguientes características objetivo:

- la densidad espectral, es decir el espectro, de la señal de entrada

- la frecuencia de un pico identificado en este espectro,

- la forma espectral de un pulso, por ejemplo gaussiana o lorentziana.

Según diversas realizaciones, el dispositivo presenta las siguientes características, dado el caso en combinación: - el dispositivo comprende un demultiplexor óptico que separa las señales emitidas por los diferentes modos normales de la red de cavidades, de longitud de onda diferente;

- el módulo que realiza la transformación lineal comprende una unidad electrónica de cálculo aritmético, que forma un circuito lógico programable, siendo el circuito lógico programable ventajosamente una red de puertas programablesin situ;

- el dispositivo de medición óptica de las cantidades asociadas a los campos de las cavidades ópticas comprende una cámara dispuesta frente a la estructura de la red de cavidades, y es adecuado para medir la intensidad, la amplitud y/o la fase de la luz irradiada por cada cavidad;

- el dispositivo de medición óptica de las cantidades asociadas a los campos de las cavidades ópticas comprende guías de ondas acopladas en campo próximo a las cavidades ópticas lineales, y es adecuado para medir la intensidad, la amplitud y/o la fase de la luz emitida a las frecuencias propias de la red.

La invención se refiere, según otro aspecto, a un dispositivo optoelectrónico de extracción de características contenidas en el espectro de señales de radiofrecuencia analógicas continuas o pulsadas, con ruido, que forman una señal analógica de entrada, comprendiendo el dispositivo optoelectrónico de extracción:

- un módulo de entrada que genera una onda óptica portadora y que realiza una modulación de esta portadora óptica mediante la señal de entrada analógica, mediante multiplicación/mezclado, para formar una señal óptica modulada; - una red de cavidades ópticas lineales acopladas y bombeadas ópticamente por la totalidad o parte de la señal óptica modulada, dirigida a la red mediante un medio para dirigir luz;

- un módulo de óptica lineal aguas abajo de la red de cavidades lineales, que permite obtener N' superposiciones lineales a partir de N campos ópticos an irradiados por las cavidades de la red, expresándose la mésima señal así generada en forma de una suma ponderada de estos campos,

por ejemplo con la forma

xm = Wmia i Wm2a 2<+ • • •>WmNa N bm

cuya matriz de pesos W y el vector de sesgo b pueden fijarse de manera externa y proceden ventajosamente de un proceso de aprendizaje automático con señales de radiofrecuencia análogas con ruido de entrenamiento;

- un dispositivo de medición óptica de las intensidades, de las amplitudes y/o de las fases de las N' superposiciones lineales xm de los campos ópticos irradiados por las cavidades lineales acopladas, produciendo la medición ventajosamente características objetivo en forma de un vector de números.

Según diversas realizaciones, el dispositivo presenta las siguientes características, dado el caso en combinación: - la matriz de pesos W es una matriz de números complejos;

- el módulo de óptica lineal aguas abajo de la red de cavidades comprende un dispositivo de óptica adaptativa que actúa sobre la amplitud y/o la fase de los campos irradiados;

- el dispositivo de óptica adaptativa comprende un modulador espacial de luz;

- el dispositivo de óptica adaptativa comprende una matriz de microespejos que actúa sobre la amplitud y/o la fase de los campos irradiados;

- el módulo de óptica lineal aguas abajo de la red de cavidades comprende un dispositivo de óptica de fibra o integrada.

La invención se refiere, según otro aspecto, a un procedimiento de extracción de características contenidas en el espectro de señales de radiofrecuencia analógicas continuas o pulsadas, con ruido, que forman una señal analógica de entrada, usando el procedimiento de extracción un dispositivo tal como se expuso anteriormente, y comprendiendo: - una etapa de mezclado/multiplicación de la señal de entrada de radiofrecuencia mediante modulación de una onda portadora óptica, para formar una señal óptica modulada;

- una etapa de acoplamiento y bombeo óptico de una red de cavidades ópticas lineales por la totalidad o parte de la señal óptica modulada;

- una etapa de superposición lineal de los campos ópticos irradiados por las cavidades de la red;

- una etapa de medición óptica de las intensidades, de las amplitudes y/o de las fases de las superposiciones lineales de los campos ópticos irradiados por las cavidades lineales acopladas, expresándose cada superposición lineal de los campos ópticos irradiados por las cavidades de la red en forma de una suma ponderada de estos campos, cuya matriz de pesos W y el vector de sesgo proceden de un aprendizaje automático con señales de radiofrecuencia analógicas con ruido de entrenamiento.

La invención se refiere, según otro aspecto, al uso de un dispositivo tal como se expuso anteriormente, para la determinación de la densidad espectral de una señal de radiofrecuencia, o para la determinación de la frecuencia angular de un máximo objetivo en el espectro de una señal de radiofrecuencia, o para la determinación de la frecuencia de una señal armónica.

La invención se refiere, según otro aspecto, al uso de un dispositivo tal como se expuso anteriormente, en las telecomunicaciones, por ejemplo para decodificar señales procedentes de protocolo FSK, o para el análisis de radar Doppler pulsado.

La invención se refiere, según otro aspecto, a la aplicación de un procedimiento tal como se expuso anteriormente, para la determinación de la densidad espectral de energía y/o la frecuencia dominante de un pulso de radiofrecuencia.

Breve descripción de los dibujos

Las características y ventajas de la invención se desprenderán de la lectura de la siguiente descripción, facilitada únicamente a modo de ejemplo, y realizada haciendo referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

- la figura 1 es un esquema de principio de un procedimiento de extracción de características contenidas en el espectro de señales de radiofrecuencia, según una implementación de la invención;

- la figura 2 es un esquema de principio de un dispositivo de extracción de características contenidas en el espectro de señales de radiofrecuencia, según una implementación de la invención;

- la figura 3 es una representación esquemática del dispositivo de la figura 2, en una implementación de telecomunicaciones por fibra;

- la figura 4 es una representación de los rendimientos del procedimiento según la invención, para una red de 30x30 cavidades, para varios valores de relación señal a ruido, SNR;

- la figura 5 es una comparación de los rendimientos del procedimiento según la invención con los rendimientos de una transformada de Fourier rápida de la señal con una tasa de muestreo supuesta ideal, para varios valores de relación señal a ruido, SNR;

- la figura 6 es una comparación de las probabilidades de presencia del pico de potencia máxima obtenidas mediante entrenamiento de un dispositivo según la invención, para varios valores de relación señal a ruido, SNR;

- la figura 7 ilustra las capacidades de un dispositivo según la invención para la medición ultrarrápida de la frecuencia de una señal sinusoidal continua con ruido, para una relación señal a ruido, SNR, igual a 20.

Descripción detallada de realizaciones

Se propone un dispositivo optoelectrónico y un procedimiento que permitan la extracción de características(feature extraction)contenidas en el espectro de señales de radiofrecuencia con ruido, a una cadencia superior al gigahercio.

El dispositivo optoelectrónico asocia un dispositivo fotónico de procesamiento previo y un dispositivo de cálculo numérico elemental previamente entrenado mediante aprendizaje automático(machine learning).

El principio del procedimiento está esquematizado en la figura 1.

El procedimiento comprende una etapa de mezclado/multiplicación de la señal de entrada de radiofrecuencia s<(m)>(t) mediante modulación de una onda portadora óptica de frecuencia angular W<p>, para formar una señal óptica modulada. La frecuencia angular W<p>de la portadora se elige ventajosamente tal que

donde<w>designa el centro del espectro de una red de cavidades ópticas (normalmente la media de la frecuencia angular de las cavidades ópticas) y w<o>, el centro del intervalo espectral en el que desea realizarse el análisis de las señales de entrada.

El procedimiento comprende una etapa de acoplamiento y bombeo óptico de una red de cavidades ópticas lineales por la totalidad o parte de la señal óptica modulada.

El procedimiento comprende una etapa de medición de las intensidades, amplitudes y/o fases de los campos ópticos de las N cavidades (M valores numéricos que forman un vector de números de tamaño M indicado como x<(m)>) El procedimiento comprende una etapa de transformación lineal con las cantidades medidas asociadas a los campos, devolviendo nuevos vectores (y<i (m)>,...,y<K(m)>) con la forma

y[m) =<W ; • X ( m )>bt

mediante multiplicación con una matriz W y adición de un vector de sesgo b.

El procedimiento comprende una etapa de aprendizaje automático para la transformación lineal, para determinar los parámetros W y b.

El procedimiento se pone ventajosamente en práctica mediante un dispositivo representado en la figura 3, o esquematizado en la figura 2.

En una implementación de tipo telecomunicaciones por fibra, representada en la figura 3, una portadora 1 con una frecuencia de telecomunicaciones se modula mediante un modulador electroóptico 2 (EOM) en función de la señal 3 de radiofrecuencia de entrada.

En la realización esquematizada en la figura 3, la señal 3 de radiofrecuencia de entrada es una señal con ruido, de tipo pulso.

En otras realizaciones, no representadas, la señal de radiofrecuencia de entrada es una señal continua, con ruido o no. Los diversos elementos no están representados a escala en la figura 3.

La portadora 1 procede, por ejemplo, de un diodo 4 láser de telecomunicaciones.

La señal que sale del modulador 2 se dirige hacia un chip fotónico 5.

En una implementación, el chip fotónico 5 es un chip plano de silicio que comprende microanillos resonantes lateralmente acoplados. Un resonador de microanillos comprende un anillo, normalmente de un tamaño que va de varios micrómetros a varias decenas de micrómetros, y una o dos guías de ondas rectas. En los resonadores de microanillos con acoplamiento lateral, las guías y el anillo se fabrican con la misma capa. Los microanillos pueden presentarse en forma de círculo o de hipódromo(racetrack)o incluso de disco.

El campo modulado está acoplado a los anillos de la red mediante una primera guía de onda. La radiación emitida por la estructura a cada frecuencia propia de la red se extrae por medio de una segunda guía de onda.

Un demultiplexor óptico 6 separa las señales emitidas por los diversos modos normales, de longitudes de onda diferentes, de las que se mide la intensidad por medio de un sensor 7.

En una implementación, el sensor 7 comprende una fila de fotodiodos.

Las intensidades medidas se transforman mediante un componente 8, con el fin de obtener el espectro del pulso de radiofrecuencia inicial.

En determinadas implementaciones, el componente 8 es un componente electrónico programable, concretamente de tipo FPGA(Field Programmable Gate Array)que comprende una red de celdas programables.

El espectro del pulso 3 de radiofrecuencia inicial se presenta en una pantalla 9 de un terminal 10, por ejemplo un ordenador, un servidor o un terminal de comunicación móvil.

Se propone un dispositivo optoelectrónico, esquematizado en la figura 2, que comprende ventajosamente cuatro módulos consecutivamente atravesados por la señal de entrada que va a analizarse:

- un módulo 20 que realiza un mezclado de la señal de radiofrecuencia de entrada s<(m)>(t) con una portadora óptica c(t), mediante modulación de esta última,

- una red 21 de cavidades ópticas lineales mutuamente acopladas y bombeadas ópticamente por la portadora óptica modulada mediante la señal,

- un sensor 22 que mide directa o indirectamente las poblaciones ópticas de las cavidades de la red 21, - un módulo 23 que realiza con las cantidades medidas una transformación lineal previamente optimizada con el fin de maximizar la cantidad de información eficazmente extraída de la señal de entrada.

La optimización previa de los parámetros de la transformación lineal, realizada mediante aprendizaje automático con un conjunto de señales conocidas, permite al dispositivo optoelectrónico realizar una extracción de características más resistente al ruido que el estado de la técnica, al tiempo que funciona a tasas de procesamiento(throughput)superiores.

El dispositivo optoelectrónico también se distingue de los dispositivos existentes de análisis espectral de radiofrecuencia, por la transferencia de la mayor parte de las operaciones de análisis a un sistema físico no electrónico, ventajosamente un sistema óptico.

La señal de radiofrecuencia de entrada y sus características(features)se transponen a una portadora óptica, y se permite la extracción de características mediante las interacciones ópticas entre cavidades y mediante la medición óptica.

El dispositivo optoelectrónico puede, como mínimo, determinar la distribución espectral de energía de un pulso de radiofrecuencia, la frecuencia angular del máximo de este espectro, así como la frecuencia de una señal armónica, en un tiempo del orden de algunas decenas de picosegundos.

Este rendimiento, que supera el del estado de la técnica, puede alcanzarse a pesar de la presencia de ruido indeseable.

El dispositivo optoelectrónico se aprovecha favorablemente en el campo de las telecomunicaciones, por ejemplo modulación por desplazamiento de frecuencia(frequency-shift keying,FSK); de la obtención de imágenes, por ejemplo técnicas de radar Doppler pulsado; o incluso del aprendizaje automático, por ejemplo como etapa de procesamiento previo (codificación digital no trivial de señales analógicas) o coprocesador óptico.

El dispositivo optoelectrónico está dotado de al menos una entrada que acepta señales de radiofrecuencia continuas o pulsadas y de una salida digital.

El dispositivo optoelectrónico comprende varias partes secundarias, esquematizadas en la figura 2.

Una primera parte secundaria del dispositivo es un módulo que comprende un oscilador 24 local óptico que genera una portadora óptica c(t), y un modulador 20 de señal, por ejemplo mezclador/multiplicador.

El modulador 20 genera una señal S(m)(t), mediante modulación en fase o en amplitud de la portadora óptica c(t) en función de la señal de entrada de radiofrecuencia s(m)(t).

En determinadas implementaciones, se ponen en práctica varios moduladores 20, con el fin de generar varias señales ópticas moduladas a partir de una misma señal de entrada s(m)(t).

Para las simulaciones numéricas del dispositivo presentadas a continuación, se usa la modulación mediante un multiplicador(frequency mixer)de una única portadora óptica.

La portadora óptica, de amplitud compleja c(t), está caracterizada por una frecuencia y una amplitud compleja. La frecuencia angular Wp de la portadora

c(í)~exp (—(Wpí)

se elige tal que

donde w designa el centro del espectro de la red 21 de cavidades ópticas (normalmente la media de la frecuencia angular de las cavidades ópticas) y w<o>, el centro del intervalo espectral en el que desea realizarse el análisis de las señales de entrada.

La anchura Aw de este intervalo es igual a la anchura espectral de la red 21 (Aw “ 4J<máx>, para una red cuadrada de cavidades con constantes de acoplamiento entre cavidades J uniformemente distribuidas entre 0 y J<máx>), de manera que, para esta elección de W<p>, el dispositivo realiza su análisis en el intervalo de radiofrecuencia [W<0>-Aw/2; W<0>+Aw/2].

Una segunda parte secundaria del dispositivo es un sistema 25 que permite dirigir la señal óptica así generada a los diversos sitios de la red 21 de cavidades ópticas. La amplitud del bombeo efectivo de los sitios de la red 21 (es decir, de las cavidades individuales que constituyen la red) es proporcional a la amplitud de la señal óptica dirigida hasta el sitio, no obstante con coeficientes de proporcionalidad v<n>que pueden depender del sitio.

Este direccionamiento puede realizarse de diversas maneras en una implementación fotónica: por medio de guías de onda ópticas acopladas lateralmente a las cavidades, mediante campo próximo, o mediante iluminación en campo lejano de los sitios de la red.

Una tercera parte secundaria del dispositivo es una red 21 de N cavidades ópticas lineales acopladas y bombeadas por la totalidad o parte de la señal óptica modulada. A cada sitio le corresponde una cavidad óptica con, como mínimo, un modo óptico útil.

Tales cavidades pueden realizarse de manera integrable, concretamente en forma de nano/microestructuras, que pueden grabarse en un mismo bloque de material semiconductor o dieléctrico. La red de cavidades puede tener geometría en principio arbitraria en el plano, con acoplamientos directos entre sitios contiguos más próximos o indirectos entre sitios arbitrarios.

En una implementación, la red 21 es una red de micropilares semiconductores, que hace que la medición de poblaciones ópticas sea muy sencilla mediante colocación vertical de un sensor frente a la matriz de cavidades.

En otra implementación, la red 23 es una red plana de cavidades ópticas en anillos.

La amplitud máxima del intervalo de frecuencias a las que será sensible el dispositivo depende esencialmente del valor absoluto del acoplamiento entre las cavidades.

Por tanto, se da prioridad ventajosamente a la elección de cavidades a frecuencia muy alta (más pequeñas), con el fin de maximizar esta amplitud espectral. Esta cantidad puede optimizarse mediante simulaciones numéricas y caracterizarse posteriormente en las redes realizadas.

Las características físicas de la red tan solo dependen de su fabricación y de las condiciones de su entorno (temperatura, etc.), y en absoluto de la señal de entrada, y se supone que son estables en el tiempo. Cada modo óptico se describe mediante una frecuencia propia y una tasa de relajación.

En ausencia de señal de entrada, la población fotónica de estos modos, así como su estado, en general, está fijada, eventualmente mediante un bombeo óptico complementario independiente de las señales de entrada.

Las señales ópticas moduladas entrantes actúan sobre estos modos en forma de un bombeo coherente e inducen una modificación medible de sus poblaciones fotónicas. Los acoplamientos J entre cavidades contiguas pueden inducir correlaciones espaciales entre las poblaciones o las coherencias de las excitaciones almacenadas en cavidades distintas. Los valores J de estos acoplamientos presentan generalmente una heterogeneidad espacial en el interior de la red plana.

Una cuarta parte secundaria del dispositivo es un dispositivo 22 que realiza una medición de la amplitud, la fase o la intensidad de los campos ópticos de las cavidades ópticas, por ejemplo, la medición de la intensidad I<n>de la luz irradiada por cada cavidad n, por medio de una cámara dispuesta frente a la estructura de red; o la medición de las poblaciones fotónicas de los modos ópticos normales de la red acoplada, por ejemplo mediante la medición de la intensidad de la luz emitida a las frecuencias propias de la red en una guía de onda óptica acoplada en campo próximo.

Este dispositivo 22 devuelve las cantidades medidas (M valores, variando n de 1 a N; normalmente M=N) en formato numérico en forma de un vector de números de tamaño M indicado como x<(m)>, donde m es el índice asociado a la mésima señal de entrada s<(m)>(t) que va a analizarse. Este vector contiene las cantidades medidas durante el tiempo de integración del sensor en régimen transitorio o en el estado estacionario, pero también podría agregar varias mediciones separadas en el tiempo.

Una quinta parte secundaria del dispositivo comprende una o varias unidades 23 electrónicas de cálculo aritmético, por ejemplo matrices de puertas programables en el campo (FPGA), que pueden realizar transformaciones afines del vector procedente del dispositivo anterior, devolviendo nuevos vectores (y<i (m)>,...,y<K(m)>) con la forma

y[m) = Wt •<X (m )>bt

y de dimensiones eventualmente diferentes de las del vector anterior.

Los parámetros (W<i>, b<i>) de las transformaciones afines descritas anteriormente deben poder ajustarse de manera arbitraria al menos una primera vez, a lo largo del proceso de optimización asociado a la tarea de análisis.

Pero, una vez fijados tras la optimización, los parámetros (W<i>, b<i>) siguen siendo independientes de la señal de entrada. Los valores de estos parámetros se eligen de manera que minimicen determinadas funciones de coste definidas por la tarea de análisis.

El proceso de entrenamiento (aprendizaje) tiene ventajosamente lugar en una única etapa preliminar según el siguiente esquema:

(i) Un conjunto de N<entrenamiento>señales de entrenamiento s<(m)>(t) (m= 1,...,N<entrenamiento>), cuyas K características de interés(target)descriptibles mediante una serie de vectores (y<1(m)>,...,y<K(m)>) se conocen (por ejemplo, mediante el uso de la técnica anterior o mediante el control de su generación), se transmiten en la entrada del dispositivo, generando N<entrenamiento>vectores de cantidades medidas (x<(1)>,...,x<(Nentrenamiento)>).

(ii) Se transforma cada vector mediante las unidades de cálculo aritmético con el fin de obtener una serie de predicciones (y<i (m)>,...,y<K(m)>) asociadas a las características objetivo (y<i (m)>,...,y<K(m)>).

(iii) Las predicciones asociadas a la m-ésima señal (y<i (m)>,...,y<K(m)>) dependen paramétricamente de los pesos (W<i>, b<i>) (con i = 1,...,K).

Por tanto, es posible optimizar estos pesos, de manera que se minimice el error E<entrenamiento>entre las predicciones (y<i (m)>,...,y<n(m)>) y las cantidades objetivo (y<i (m)>,...,y<n(m)>).

Este error siempre puede minimizarse de manera iterativa mediante algoritmos del estado de la técnica, tales como, por ejemplo, la reducción de gradiente, sin necesidad de volver a evaluar los vectores (x<( i )>,...,x<(Nentrenamien>to<)>).

En particular, para una elección típica de función de error expresada como los mínimos cuadrados, E<entrenamiento>= I<m,¡>|y<¡(m)>- y<i(m)>|<2>, eventualmente complementada mediante regularizaciónridge,pueden determinarse los pesos óptimos mediante una simple inversión de matriz.

(iv) Una vez fijados los pesos de las unidades aritméticas (W<i>, b<i>) a sus valores óptimos, puede evaluarse la calidad de la predicción con una serie de N<prueba>señales de prueba s<(m)>(t) cuyas características objetivo también se conocen de antemano, pero a las que no se ha expuesto nunca el dispositivo.

De este modo, con el error E<prueba>del dispositivo, en el conjunto de las señales de prueba, se obtiene una buena estimación de la eficacia del dispositivo cuando se enfrenta a señales desconocidas.

Ahora van a presentarse los rendimientos de la invención.

Diferentes simulaciones numéricas, en diversas configuraciones, permiten comparar los rendimientos de la invención con los de una transformada de Fourier rápida numérica.

A continuación se facilita el detalle de estas simulaciones.

La respuesta a la m-ésima señal modulada S<(m)>(t) de la red de cavidades ópticas lineales puede modelizarse fielmente por medio del siguiente sistema de ecuaciones diferenciales:

donde

a<i>designa el campo óptico de la i-ésima cavidad;

A<i>= W<p>- w<i>, el desafinado de la i-ésima cavidad;

w<i>, la frecuencia angular de la l-ésima cavidad;

w<o>, el centro de la banda espectral que va a analizarse;

K<i>, la tasa de disipación de la i-ésima cavidad;

J<<m,i>>el acoplamiento coherente entre las cavidades m y i;

v<i>, el peso del acoplamiento de la señal de entrada en el sitio i.

El sensor se modeliza mediante una media temporal de las intensidades

k (t) = \a i(t) \2

a lo largo de un tiempo superior al tiempo de relajación i/K<i>, dando como resultado un vector de intensidades x<(m)>. La transformación afín parametrizada se realiza mediante una simple multiplicación matricial y<(m)>= Wx'<(m)>, donde x'<(m)>= ( i, x<(m)>)<T>, cuyos pesos W se optimizan numéricamente durante la etapa de entrenamiento.

io

A continuación se describe en detalle el ejemplo de la extracción de densidad espectral de energía (ESD) de pulsos en presencia de ruido mediante una red cuadrada de L x L cavidades lineales.

Se genera un conjunto de pulsos s(m)(t) mediante transformada de Fourier inversa a partir de Nentrenamiento espectros complejos aleatorios s(m) [w], con

s(m)M =TF{s(m)( t)},

cuya densidad espectral de energía,

ESD(m)[u ]<=>|<s ( m )>M | 2,

está dotada de una determinada estructura (es decir, más correlacionada que el ruido).

Después, se añade ruido blanco, hasta alcanzar una determinada relación señal a ruido, indicada como SNR.

Esta relación SNR se elige como la relación de las energías de la señal y del ruido a lo largo del intervalo de frecuencias angulares de interés [w<o>-Aw/2; w<o>+Aw/2].

Se muestrean de manera uniforme los espectros de entrenamiento y de prueba, conocidos, en un conjunto de N<b>agrupaciones con la forma

yk<( m )>= ESD(m)[v 0 - A v/2 (k - 1) Av / (N b - 1)].

Por otro lado, la integración numérica del sistema de ecuaciones descrito anteriormente da como resultado Nentrenamiento vectores x'(m), de dimensión L2+1, que se transforman mediante una matriz W de tamaño Nb x (L2+1) tal que y(m) = Wx'(m), estos últimos vectores constituyen la evaluación del espectro mediante el dispositivo.

Para esta tarea, el entrenamiento consiste en encontrar la matriz W* que minimiza la diferencia entre los espectros sin ruido de partida y(m), que se busca determinar, y las predicciones realizadas mediante el dispositivo y(m).

De manera equivalente, se busca el óptimo del error cuadrático medio regularizado

C\W] = (1 /N entrenamiento)^m\í>(m') - y (m') \2 (^/2)\W \22

donde el último término es un término de regularizaciónridge.

Para esta función de coste, la matriz óptima W* viene dada de manera analítica por

W * T= (XTX Á1)~1XTY

donde

Xij = x 'j (í)et YtJ = Vj<( °>

El hiperparámetro A de la regularizaciónridgese ajusta mediante búsqueda en cuadrícula a lo largo de un procedimiento de validación cruzada de 10 bloques en el conjunto de entrenamiento.

Une vez fijada la matriz W a su valor óptimo W*, previamente determinado, las predicciones del dispositivo para una m-ésima señal vienen dadas por y(m) = W*x'(m).

Con el fin de evaluar su precisión, se generan Nprueba nuevos pulsos aleatorios con ruido, a los que no se ha expuesto nunca el dispositivo durante el entrenamiento, después se evalúa la cantidad relativa de energía del pulso mal clasificado

A E / E o = ( 1 / N , e s t ) I m | y ( m ) - y ( m ) | / | y ( m ) | ,

métrica pertinente para cuantificar el error en esta tarea.

El rendimiento típico de la invención para una red 21 de 30x30 cavidades se ilustra en la figura 4, en 3 de las 3000 señales del conjunto de prueba para varios valores de la relación señal a ruido, SNR.

El espectro original antes de la adición de ruido que se busca reconstruir se reproduce en la misma en forma de una zona sombreada. La estimación realizada mediante la invención, tras un entrenamiento con 7000 señales aleatorias por valor de SNR, se representa mediante puntos. El espectro de la señal con ruido se representa mediante un trazo continuo.

La estimación realizada mediante la invención es muy próxima al espectro original antes de la adición de ruido. La invención puede reproducir fielmente detalles ocultos en el fondo con ruido.

El error AE/E<o>(en %) en el conjunto de 3000 señales de prueba, tal como se evalúa mediante la métrica de error introducida anteriormente, se ilustra en las ordenadas en la figura 5, para una red cuadrada de lado L (N = L<2>cavidades) para diversos valores de este parámetro, para los dos tipos de mediciones de poblaciones ópticas (intensidades).

El error de la invención para dos tipos de mediciones de intensidad (en trazo negro en la figura 5) se compara con el de la transformada de Fourier rápida (FFT) de la señal, suponiendo en este último caso un muestreo ideal de la señal con ruido, lo que demuestra una mejor precisión de la invención en esta tarea a partir de L = 5.

Se calcula la media de estos datos en cinco realizaciones aleatorias de los parámetros de la red óptica y de los coeficientes de acoplamiento v<n>; las barras de error verticales en la figura 5 enmarcan los valores extremos del error para estas cinco realizaciones.

Esto muestra las bajas restricciones impuestas por el principio de la invención sobre el grado de control de la fabricación de su elemento central. En estos mismos conjuntos de datos (X,Y), se realizó un entrenamiento para un clasificador con la forma y<(m)>= a(W<2>x<'(m)>), donde a designa la función softmax, parametrizada mediante una segunda matriz de pesos W<2>.

Este entrenamiento tiene como objetivo determinar la frecuencia angular a la que la potencia de la señal es máxima, es decir la posición del pico más alto del espectro; su etapa de optimización se realizó mediante reducción estocástica de gradiente mediante el algoritmo de Adam.

Dado que los espectros pueden contener varios picos, no se busca realizar una predicción directa de la posición del pico. En lugar de ello, se muestrea el dominio espectral de análisis en N<b>(en este caso 50) agrupaciones de anchura Sw = Aw/N<b>y se busca estimar mediante y<i(m)>las probabilidades de presencia y<i(m)>del pico máximo en la i-ésima agrupación. A continuación se obtiene la posición del pico para la m-ésima señal con una precisión de Sw, encontrando la componente máxima del vector y<(m)>.

En las situaciones ambiguas, por ejemplo, dos picos de altura similar, el vector y<(m)>presenta dos componentes aproximadamente equiprobables. Por tanto, la invención también proporciona al usuario un medio de estimar la calidad de la predicción, que será tanto más alta cuanto próxima a la unidad sea la probabilidad asociada.

Los resultados de este segundo entrenamiento se representan en la figura 6, para tres valores de la relación señal a ruido.

Los diagramas en la figura 6 presentan los resultados obtenidos mediante un procesamiento según la invención, para una medición de las intensidades de los modos normales (en rayas negras) o de las intensidades de los modos locales (en trazos continuos negros).

Al igual que en la figura 5, se calcula la media de estos datos en cinco realizaciones aleatorias de los parámetros de la red óptica y de los coeficientes de acoplamiento v<n>; las barras de error verticales en la figura 6 enmarcan los valores extremos del error para estas cinco realizaciones.

En la figura 7 se ilustra la posibilidad de realizar una medición ultrarrápida de la frecuencia de una señal sinusoidal continua con ruido.

Para la simulación de esta tarea, se generan señales sinusoidales con ruido (SNR = 20) con frecuencias y fases iniciales aleatorias y se inyectan en la entrada del dispositivo.

Una transformación simple y<(m)>= w x '<(m)>, parametrizada mediante un vector de pesos w, debidamente entrenado, permite estimar la frecuencia angular y<(m)>de la m-ésima señal de partida tras algunas decenas de picosegundos. Los resultados obtenidos se presentan en la figura 7, para una medición de las intensidades de los modos normales (curva a rayas) y para una medición local (curva en trazo continuo).

La invención presenta numerosas ventajas.

La invención permite extraer directamente la información espectral de una señal de radiofrecuencia analógica, sin tener nunca que realizar un procesamiento previo digital, una conversión digital ni siquiera realizar un muestreo temporal.

La invención funciona a una tasa de procesamiento (en inglés, “ throughput” ) que puede ser superior al gigahercio, ventajosamente una decena de gigahercios, aprovechando el tiempo característico ultracorto de un sistema físico óptico y lineal, una tasa sin precedentes en este tipo de operaciones.

La invención puede implementarse en forma de un dispositivo de fotónica integrada: la carga de cálculo se basa en hardware no electrónico, sino óptico.

La invención también se distingue de los métodos del estado de la técnica por la posibilidad de realizar varias operaciones simultáneamente a partir de un único procedimiento de medición.

De este modo puede reprogramarse, por medio de un entrenamientoad hoc.Mediante el protocolo de entrenamiento propuesto con señales con ruido, identificado y validado mediante amplias campañas de simulaciones numéricas, los resultados obtenidos mediante la invención son resistentes a la presencia de ruido, más que una simple FFT.

La invención no requiere ningún medio óptico no lineal.

Por la linealidad de las cavidades ópticas empleadas, la invención no es equiparable a un dispositivo de cálculo neuromórfico de depósito(reservoir computing)convencional, del cual se distingue por su simplicidad.

La invención permite determinar, en un tiempo de algunas decenas de picosegundos, la densidad espectral de energía de un pulso así como su frecuencia dominante, o la frecuencia de una señal continua.

Por tanto, en el campo de la óptica y del análisis de señales de radiofrecuencia, la invención permite realizar las tareas que habitualmente corresponden a los espectrógrafos y monocromadores.

En el campo de las telecomunicaciones, la invención, por su tasa de procesamiento alta, permite decodificar señales procedentes de protocolos de modulación por desplazamiento de frecuencia (FSK), que, por ende, podrán funcionar a velocidades más altas.

En el campo del análisis mediante radar Doppler pulsado, la invención permite aumentar la velocidad máxima a la que pueden detectarse objetivos en movimiento, limitada en el estado de la técnica por la frecuencia de repetición de los pulsos, elegida suficientemente baja para permitir su análisis.

Claims (45)

1. REIVINDICACIONES

   i. Dispositivo optoelectrónico de extracción de características contenidas en el espectro de señales de radiofrecuencia analógicas continuas o pulsadas, con ruido, que forman una señal analógica de entrada,

   estando el dispositivo optoelectrónico de extraccióncaracterizado por quecomprende:

   -un módulo de entrada que genera una onda óptica portadora (1) y que realiza una modulación de esta portadora óptica (1) mediante la señal de entrada analógica, mediante multiplicación/mezclado, para formar una señal óptica modulada;

   -una red (5, 21) de cavidades ópticas lineales acopladas y bombeadas ópticamente por la totalidad o parte de la señal óptica modulada, dirigida a la red (5) mediante un medio para dirigir luz;

   -un dispositivo (7) de medición óptica directa o indirecta de cantidades medidas de los campos ópticos, que son: intensidades, amplitudes y/o fases de los campos ópticos en el interior de las cavidades lineales acopladas, induciéndose estos campos ópticos mediante la señal óptica modulada mediante la señal analógica de entrada;

   -un módulo (8) de cálculo conectado al dispositivo de medición óptica, que realiza una transformación lineal con las cantidades medidas de los campos ópticos, mediante multiplicación con una matriz W y adición de un vector de sesgo b;

   para permitir reconstruir y extraer características objetivo contenidas en el espectro de la señal de entrada de radiofrecuencia,

   habiendo realizado el módulo (8) de cálculo un aprendizaje automático con señales de radiofrecuencia analógicas con ruido de entrenamiento que presentan las mismas características objetivo con el fin de determinar los parámetros W y b.
2. 2. Dispositivo según la reivindicación 1,caracterizado por queel dispositivo optoelectrónico extrae las características sin usar una unidad óptica no lineal entre la red de cavidades ópticas lineales y el dispositivo de medición, ni muestreo de la señal analógica de entrada.
3. 3. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 2,caracterizado por queel dispositivo optoelectrónico extrae las características con una cadencia superior a un gigahercio.
4. 4. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 3,caracterizado por quelas cavidades ópticas lineales se acoplan mediante acoplamientos fijos.
5. 5. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 3,caracterizado por quelas cavidades ópticas lineales se acoplan de manera aleatoria.
6. 6. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 4,caracterizado por quelas cavidades ópticas lineales se realizan en forma de estructuras nanométricas/micrométricas grabadas en un material semiconductor o dieléctrico, organizadas en una red de cavidades ópticas de geometría plana, con acoplamientos directos entre sitios contiguos más próximos, o indirectos entre sitios alejados de manera arbitraria.
7. 7. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 5,caracterizado por quela red de cavidades ópticas se implementa en un chip fotónico.
8. 8. Dispositivo según la reivindicación 7,caracterizado por queel chip fotónico comprende resonadores en anillos lateralmente acoplados, o una red de micro o nanopilares, o una red plana de cavidades ópticas en forma de disco, o una red plana de cavidades basadas en cristales fotónicos.
9. 9. Dispositivo según una de las reivindicaciones 7 u 8,caracterizado por queel chip fotónico es de silicio y/o dióxido de silicio.
10. 10. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5,caracterizado por quela red de cavidades ópticas es un conjunto desordenado u ordenado de difusores ópticos lineales, que forman un material denso o un medio diluido difusor.
11. 11. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10,caracterizado por queel módulo de entrada que realiza la modulación de la portadora óptica mediante la señal de entrada analógica comprende un modulador (2) electroóptico.
12. 12. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11,caracterizado por queel módulo de entrada genera varias ondas portadoras ópticas diferentes moduladas mediante la señal de entrada.
13. 13. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12,caracterizado por quelas señales de entrada de radiofrecuencia analógicas tienen una frecuencia limitada por el módulo de entrada.
14. 14. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13,caracterizado por quela red (21) de cavidades ópticas presenta al menos 5*5 cavidades ópticas.
15. 15. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14,caracterizado por quela matriz W se entrena para extraer las siguientes características objetivo:

    -la densidad espectral, es decir el espectro, de la señal de entrada

    -la frecuencia de un pico identificado en este espectro,

    -la forma espectral de un pulso, por ejemplo gaussiana o lorentziana.
16. 16. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15,caracterizado por quecomprende un demultiplexor óptico que separa las señales emitidas por los diferentes modos normales de la red de cavidades, de longitud de onda diferente.
17. 17. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16,caracterizado por queel módulo que realiza la transformación lineal comprende una unidad electrónica de cálculo aritmético, que forma un circuito lógico programable.
18. 18. Dispositivo según la reivindicación 17,caracterizado por queel circuito lógico programable es una red de puertas programablesin situ.
19. 19. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18,caracterizado por queel dispositivo de medición óptica de las cantidades asociadas a los campos de las cavidades ópticas comprende una cámara dispuesta frente a la estructura de la red de cavidades, y es adecuado para medir la intensidad, la amplitud y/o la fase de la luz irradiada por cada cavidad.
20. 20. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 19,caracterizado por queel dispositivo de medición óptica de las cantidades asociadas a los campos de las cavidades ópticas comprende guías de ondas acopladas en campo próximo a las cavidades ópticas lineales, y es adecuado para medir la intensidad, la amplitud y/o la fase de la luz emitida a las frecuencias propias de la red.
21. 21. Dispositivo optoelectrónico de extracción de características contenidas en el espectro de señales de radiofrecuencia analógicas continuas o pulsadas, con ruido, que forman una señal analógica de entrada, estando el dispositivo optoelectrónico de extraccióncaracterizado por quecomprende:

    -un módulo de entrada que genera una onda óptica portadora y que realiza una modulación de esta portadora óptica mediante la señal de entrada analógica, mediante multiplicación/mezclado, para formar una señal óptica modulada;

    -una red de cavidades ópticas lineales acopladas y bombeadas ópticamente por la totalidad o parte de la señal óptica modulada, dirigida a la red mediante un medio para dirigir luz;

    -un módulo de óptica lineal aguas abajo de la red de cavidades lineales, que permite obtener superposiciones lineales a partir de campos ópticos irradiados por las cavidades de la red, expresándose la m-ésima señal así generada en forma de una suma ponderada de estos campos, cuya matriz de pesos W y el vector de sesgo b proceden de un proceso de aprendizaje automático con señales de radiofrecuencia análogas con ruido de entrenamiento;

    -un dispositivo de medición óptica de las intensidades, de las amplitudes y/o de las fases de las N' superposiciones lineales de los campos ópticos irradiados por las cavidades lineales acopladas.
22. 22. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 21,caracterizado por quela matriz de pesos W es una matriz de números complejos.
23. 23. Dispositivo según la reivindicación 21,caracterizado por queel módulo de óptica lineal aguas abajo de la red de cavidades comprende un dispositivo de óptica adaptativa que actúa sobre la amplitud y/o la fase de los campos irradiados.
24. 24. Dispositivo según la reivindicación 23,caracterizado por queel dispositivo de óptica adaptativa comprende un modulador espacial de luz.
25. 25. Dispositivo según la reivindicación 23 o 24,caracterizado por queel dispositivo de óptica adaptativa comprende una matriz de microespejos.
26. 26. Dispositivo según la reivindicación 21,caracterizado por queel módulo de óptica lineal aguas abajo de la red de cavidades comprende un dispositivo de óptica de fibra o integrada.
27. 27. Procedimiento de extracción de características contenidas en el espectro de señales de radiofrecuencia analógicas continuas o pulsadas, con ruido, que forman una señal analógica de entrada, usando el procedimiento de extracción el dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 20, y comprendiendo:

    -una etapa de mezclado/multiplicación de la señal s<(m)>(t) de entrada de radiofrecuencia mediante modulación de una onda portadora óptica c(t), para formar una señal óptica modulada S<(m)>(t); -una etapa de acoplamiento y bombeo óptico de una red (21) de cavidades ópticas lineales por la totalidad o parte de la señal óptica modulada S<(m)>(t);

    -una etapa de medición de las intensidades, amplitudes y/o fases de los campos ópticos de las cavidades;

    -una etapa de transformación lineal con las cantidades medidas asociadas a los campos;

    -una etapa de aprendizaje automático para la transformación lineal.
28. 28. Procedimiento según la reivindicación 27,caracterizado por quela etapa de mezclado/multiplicación se realiza mediante un módulo constituido por un oscilador local óptico que genera la onda portadora óptica c(t), y un modulador de señal que genera una señal S<(m)>(t) mediante modulación en fase o en amplitud de la portadora óptica en función de la señal de entrada de radiofrecuencia s<(m)>(t).
29. 29. Procedimiento según la reivindicación 27 o 28,caracterizado por quela frecuencia angular W<p>de la onda óptica portadora c(t)~exp(-iW<p>t) se elige de tal manera que W<p>= w - W<0>, donde w designa el centro del espectro de la red de cavidades ópticas, y W<0>el centro del intervalo espectral de radiofrecuencia en el que se realiza el análisis de las señales de entrada.
30. 30. Procedimiento según la reivindicación 29,caracterizado por quela anchura Aw del intervalo espectral de análisis es igual a la anchura espectral de la red (21) de cavidad.
31. 31. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 27 a 30,caracterizado por quela amplitud del bombeo efectivo de las cavidades individuales que constituyen la red (21) es proporcional a la amplitud de la señal óptica dirigida hasta las cavidades de la red.
32. 32. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 27 a 31,caracterizado por quela etapa de medición de las cantidades físicas asociadas a los campos de las cavidades ópticas proporciona esas cantidades en formato numérico en forma de un vector de números x<(m)>, donde m es el índice asociado a la m-ésima señal de entrada s<(m)>(t) que va a analizarse.
33. 33. Procedimiento según la reivindicación 32,caracterizado por quela etapa de transformación lineal realiza transformaciones afines del vector de números x<(m)>, devolviendo vectores (y<1(m)>,...,y<K(m)>) con la forma y<i(m)>= W<i>x<(m)>+ b<i>.
34. 34. Procedimiento según la reivindicación 33,caracterizado por quela etapa de aprendizaje automático se realiza para ajustar los parámetros (W<i>, b<i>) de las transformaciones afines, generando un conjunto de N<entrenamiento>señales de entrenamiento s<(m)>(t) (m=1,...,N<entrenamiento>), cuyas K características de interés descriptibles mediante una serie de vectores (y<1(m)>,...,y<K(m)>) se conocen, N<entrenamiento>vectores de números (x<(1)>,...,x<(Nentrenamiento)>), transformándose cada vector con el fin de obtener una serie de predicciones (y<1(m)>,...,y<K(m)>) asociadas a las características objetivo (y<1(m)>,...,y<K(m)>).
35. 35. Procedimiento según la reivindicación 34,caracterizado por quese ajustan los parámetros (W<i>, b<i>) de manera que se minimice el error E<entrenamiento>entre las predicciones (y<1(m)>,...,y<K(m)>) y las cantidades objetivo (y<1(m)>,...,y<K(m)>).
36. 36. Procedimiento según la reivindicación 35,caracterizado por que, una vez fijados los pesos (W<i>, b<i>) a sus valores óptimos, se evalúa la calidad de la predicción en una serie de N<prueba>señales de prueba s<(m)>(t) con las características objetivo conocidas de antemano.
37. 37. Procedimiento de extracción de características contenidas en el espectro de señales de radiofrecuencia analógicas continuas o pulsadas, con ruido, que forman una señal analógica de entrada, usando el procedimiento de extracción el dispositivo según una de las reivindicaciones 21 a 26, y comprendiendo:

    -una etapa de mezclado/multiplicación de la señal de entrada de radiofrecuencia mediante modulación de una onda portadora óptica, para formar una señal óptica modulada;

    -una etapa de acoplamiento y bombeo óptico de una red de cavidades ópticas lineales por la totalidad o parte de la señal óptica modulada;

    -una etapa de superposición lineal de los campos ópticos irradiados por las cavidades de la red; -una etapa de medición óptica de las intensidades, de las amplitudes y/o de las fases de las superposiciones lineales de los campos ópticos irradiados por las cavidades lineales acopladas, expresándose cada superposición lineal de los campos ópticos irradiados por las cavidades de la red en forma de una suma ponderada de estos campos, cuya matriz de pesos W y el vector de sesgo proceden de un aprendizaje automático con señales de radiofrecuencia analógicas con ruido de entrenamiento.
38. 38. Procedimiento según la reivindicación 37,caracterizado por quela matriz de pesos W es una matriz de números complejos.
39. 39. Procedimiento según la reivindicación 37 o 38,caracterizado por quela generación de las superposiciones lineales se realiza tras la extracción de N componentes de longitudes de onda distintas a partir del campo óptico recopilado.
40. 40. Uso de un dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 26, para la determinación de la densidad espectral de una señal de radiofrecuencia.
41. 41. Uso de un dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 26, para la determinación de la frecuencia angular de un máximo objetivo en el espectro de una señal de radiofrecuencia.
42. 42. Uso de un dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 26, para la determinación de la frecuencia de una señal armónica.
43. 43. Uso de un dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 26, en las telecomunicaciones, por ejemplo para decodificar señales procedentes de protocolo FSK.
44. 44. Uso de un dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 26, para el análisis de radar Doppler pulsado.
45. 45. Aplicación del procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 27 a 36, o 37 a 39, para la determinación de la densidad espectral de energía y/o la frecuencia dominante de un pulso de radiofrecuencia.