基于压缩采样与时域展宽技术的微波光子测频装置及其方法.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 102932067 A (43)申请公布日 2013.02.13 CN 102932067 A *CN102932067A* (21)申请号 201210455785.2 (22)申请日 2012.11.14 H04B 10/516(2013.01) H04B 1/00(2006.01) (71)申请人 浙江大学 地址 310027 浙江省杭州市西湖区浙大路 38 号 (72)发明人 陈莹 池灏 章献民 金晓峰 郑史烈 (74)专利代理机构 杭州求是专利事务所有限公 司 33200 代理人 张法高 (54) 发明名称 基于压缩采样与时域展宽技术的微波光子测 频装置及其。

2、方法 (57) 摘要 本发明公开了一种基于压缩采样与时域展宽 技术的微波光子测频装置及其方法。超连续谱光 源通过色散介质在时间上得到展宽 , 实现频率到 时间的映射。待测微波信号通过马赫增德尔调制 器调制在经过时间展宽的光载波上。调制后的光 信号， 再经过色散介质将已调光信号进一步展宽， 降低了待测微波信号的频率。带有 1 的随机比 特序列通过马赫增德尔调制器调制在展宽后的光 信号上， 经光电转换， 低通滤波器， 电子模数转换 器得到带有待测信号信息的观测数据。通过现有 的压缩采样恢复算法可以恢复原信号的频谱。现 有的基于压缩采样的测频技术要求将原信号调制 在达到奎斯特频率的随机比特序列上。本。

3、发明可 以降低所需随机比特序列的频率， 同时进一步降 低了系统中模数转换器的采样频率从而提高系统 的可行性。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 1 页 1/1 页 2 1. 一种基于压缩采样与时域展宽技术的微波光子测频装置， 其特征在于包括待测微波 信号 （13） 、 观测矩阵模块 （14） 、 观测信号 （15） 、 数字信号处理模块 （16） 、 信号输出口 （17） ； 待测微波信号 （13） 经观测矩阵模块 （14） 产生观测信号 （15） 再通。

4、过数字信号处理模块 （16） 由信号输出口 （17） 输出 ； 观测矩阵模块 （14） 包括超连续谱光源 （1） ， 第一色散介质 （2） ， 第一马赫增德尔调制器 （3） 、 第二色散介质 （4） 、 第二马赫增德尔调制器 （5） 、 高速光电探测 器 （6） 、 低通滤波器 （7） 、 电子模数转换器 （8） 、 第一马赫增德尔调制器的射频输入口 （9） 、 第 一马赫增德尔调制器的偏执电压输入口 （10） 、 第二马赫增德尔调制器的射频输入口 （11） 、 第二马赫增德尔调制器的偏执电压输入口 （12） ； 超连续谱光源 （1） 、 第一色散介质 （2） 、 第 一马赫增德尔调制器 （3。

5、） 、 第二色散介质 （4） 、 第二马赫增德尔调制器 （5） 、 高速光电探测器 （6） 、 低通滤波器 （7） 、 电子模数转换器 （8） 顺次相连 ； 第一马赫增德尔调制器 （3） 上设有第 一马赫增德尔调制器的射频输入口 （9） 、 第一马赫增德尔调制器的偏执电压输入口 （10） ， 第二马赫增德尔调制器 （5） 上设有第二马赫增德尔调制器的射频输入口 （11） ， 第二马赫增 德尔调制器的偏执电压输入口 （12） 。 2. 一种使用如权利要求 1 所述装置的基于压缩采样与时域展宽技术的微波光子测频 方法， 其特征在于 ： 超连续谱光源 （1） 通过第一色散介质 （2） ， 在时域上得。

6、到延时展宽后的 光载波， 超连续谱光源 （1） 的重复时间间隔等于光脉冲通过第一色散介质 （2） 后的时间展 宽量 ； 待测微波信号通过第一马赫增德尔调制器 （3） 的射频输入口 （9） 调制在经过时域展 宽的光载波上， 调制器工作在线性偏置点， 第一马赫增德尔调制器 （3） 的偏执电压输入口 （10） 输入的偏置电压是第一马赫增德尔调制器 （3） 半波电压的一半 ； 调制后的信号通过第 二色散介质 （4） ， 在时域上得到进一步展宽 ； 随机比特序列通过第二马赫增德尔调制器 （5） 的射频输入口 （11） 调制在第一马赫增德尔调制器 （3） 输出的已调光信号上， 第二马赫增德 尔调制器 （5。

7、） 工作在线性偏置点， 第二马赫增德尔调制器 （5） 的偏执电压输入口 （12） 输入 的偏置电压是第二马赫增德尔调制器 （5） 半波电压的一半 ； 第二马赫增德尔调制器 （5） 的 输出口与高速光电探测器 （6） 、 低通滤波器 （7） 、 电子模数转换器 （8） 顺次相连实现光电转 换， 滤波以及模数转换功能。 权 利 要 求 书 CN 102932067 A 2 1/4 页 3 基于压缩采样与时域展宽技术的微波光子测频装置及其方 法 技术领域 0001 本发明涉及光通信与无线通讯领域， 尤其涉及一种基于压缩采样与时域展宽技术 的微波光子测频装置及其方法。 背景技术 0002 近年来， 由。

8、于在军事侦察系统中， 信号载波频率测量技术的重要应用价值， 微波信 号频率测量技术受到了各国研究人员的广泛关注和深入研究。传统的电子测频技术在带 宽、 分辨率、 动态范围以及稳定性方面都受到了限制， 而微波光子测频技术具备的带宽大、 质量轻、 低损耗以及抗电磁干扰等优点成为微波信号测频技术领域的一个研究热点。微波 光子频率测量技术中有多频与单频的测频技术。在单频测频技术中， 微波光子瞬时测频技 术由于具有结构简单、 速度快以及带宽大等优点， 成为最近几年研究的焦点。 该技术通过设 计光功率或微波功率比较曲线来实现频率到幅度的映射， 实现微波信号频率的测量。该类 方法的限制在于只能测单一频率的微。

9、波信号， 但是在很多情况下， 我们需要对一个多频微 波信号的进行测量， 恢复其频谱信息。 传统的信号频谱恢复方法通过模数转换器， 离散傅里 叶变换得到信号的频谱信息。而传统的模数转换受限于奈奎斯特采样定律， 要求采样频率 高于待测信号最高频率的两倍才能恢复原信号的频谱， 这在很大程度上限制了所能测量的 信号带宽。压缩采样技术克服了传统奈奎斯特采样定律的限制， 可以在远远低于奈奎斯特 频率的观察频率下恢复多频信号的频谱信息。 0003 基于压缩采样的测频技术对于待测信号的要求是在频域上是稀疏的。而在很多 情况下所需测量的信号在频域上是稀疏的， 简称稀疏信号。比如多载波调制的信号， 声音 信号， 。

10、以及缓变平滑信号。D. L. Donoho, “Compressed Sensing,“ IEEE Trans. Inf. Theory, 2006, vol. 52, no. 4, pp. 1289-1306 中提出了压缩传感的概念， 其思想是对 一个稀疏信号， 可以用远低于奈奎斯特频率的速度进行观测， 通过恢复算法获得原信号的 频谱信息。 J. Tropp, J. N. Laska, M. F. Duarte, J. K. Romberg and R. G. Baraniuk, “Beyond Nyquist: efficient sampling of sparse bandlimite。

11、d signals,“ IEEE Trans. Signal Process, 2010, vol. 56, no. 1, pp. 520-544 中给出了一种基于随机序列调制 的压缩采样技术。在该技术中， 首先将带有 1 的随机比特序列与待测信号相乘。其中， 随机比特序列的变化频率要求达到待测信号的奈奎斯特频率。再通过低通滤波器以及低 采样速率的电子模数转换器输出数字信号并将其作为观测信号。最后通过恢复算法来实 现原信号频谱的重构。J. M. Nichols, F. Bucholtz, “Beating Nyquist with light: a compressive sampled ph。

12、otonic link,“ Opt. Express, 2011, vol. 19, no. 8, pp. 7339-7348中基于J. Tropp等人提出的压缩采样原理实现了微波光子压缩采样技术。 该结 构利用马赫增德尔调制器分别将随机比特序列与待测微波信号调制在光信号上， 然后通过 光电转换， 低通滤波以及电子模数转换对信号进行处理。最后通过恢复算法获得原信号的 频谱信息。该方法在光域上实现了微波信号与随机比特序列的相乘， 由于光电调制器的带 说 明 书 CN 102932067 A 3 2/4 页 4 宽大于电相乘器， 从而提高了所能测量的信号带宽。 0004 上述几种压缩采样技术要求采。

13、用的随机比特序列达到奈奎斯特频率。 虽然这些技 术大大降低了系统中电子模数转换器的采样频率， 但是所需的随机比特序列仍然受限于奈 奎斯特采样定律。 本文提出的一种基于压缩采样与时域展宽技术的微波光子测频装置及其 方法引入了色散延时技术， 通过降低待测微波信号的频率， 提高随机比特序列的相对频率， 使得压缩采样测频技术完全突破了奈奎斯特定律的限制。 发明内容 0005 本发明的目的在于提供一种基于压缩采样与时域展宽技术的微波光子测频装置 及其方法， 以较低的采样频率实现高频信号的频谱重构， 突破了传统奈奎斯特定律的限制。 比起现有的压缩采样测频技术， 降低了系统的采样频率。 0006 基于压缩采。

14、样与时域展宽技术的微波光子测频装置包括待测微波信号、 观测矩阵 模块、 观测信号、 数字信号处理模块、 信号输出口 ； 待测微波信号经观测矩阵模块产生观测 信号再通过数字信号处理模块由信号输出口输出 ； 观测矩阵模块包括超连续谱光源， 第一 色散介质， 第一马赫增德尔调制器、 第二色散介质、 第二马赫增德尔调制器、 高速光电探测 器、 低通滤波器、 电子模数转换器、 第一马赫增德尔调制器的射频输入口、 第一马赫增德尔 调制器的偏执电压输入口、 第二马赫增德尔调制器的射频输入口， 第二马赫增德尔调制器 的偏执电压输入口 ； 超连续谱光源， 第一色散介质， 第一马赫增德尔调制器、 第二色散介质、 。

15、第二马赫增德尔调制器、 高速光电探测器、 低通滤波器、 电子模数转换器顺次相连， 第一马 赫增德尔调制器上设有第一马赫增德尔调制器的射频输入口、 第一马赫增德尔调制器的偏 执电压输入口， 第二马赫增德尔调制器上设有第二马赫增德尔调制器的射频输入口， 第二 马赫增德尔调制器的偏执电压输入口。 0007 基于压缩采样与时域展宽技术的微波光子测频方法 ： 超连续谱光源通过正色散介 质， 在时域上得到延时展宽后的光载波， 超连续谱光源的重复时间间隔等于光脉冲通过正 色散介质后的时间展宽量 ； 待测微波信号通过第一马赫增德尔调制器的射频输入口调制在 经过时域展宽的光载波上， 调制器工作在线性偏置点， 第。

16、一马赫增德尔调制器的偏执电压 输入口输入的偏置电压是第一马赫增德尔调制器半波电压的一半 ； 调制后的信号通过第二 色散介质， 在时域上得到进一步展宽 ； 随机比特序列通过第二马赫增德尔调制器的射频输 入口调制在第一马赫增德尔调制器输出的已调光信号上， 第二马赫增德尔调制器工作在线 性偏置点， 第二马赫增德尔调制器的偏执电压输入口输入的偏置电压是第二马赫增德尔调 制器半波电压的一半 ； 第二马赫增德尔调制器的输出口与高速光电探测器、 低通滤波器、 电 子模数转换器顺次相连实现光电转换， 滤波以及模数转换功能。 0008 本发明具有的有益效果是 ： 目前已有的压缩采样技术需要将待测微波信号与满足奈。

17、奎斯特频率的随机比特信号 相乘， 虽然在系统末端只需接低速的电子模数转换器， 但是输入信号的频率受到了随机比 特序列重复频率的限制。 本发明提出的测频技术不需要输入满足奈奎斯特频率的随机比特 序列， 降低了测频系统实现的要求 ； 有利于实现高频微波信号的频谱重构， 提高了系统的可 应用范围。 说 明 书 CN 102932067 A 4 3/4 页 5 附图说明 0009 图 1 是压缩采样测频装置的结构示意图 ； 图 2 是图 1 的详细器件连接图 ； 图中 ： 超连续谱光源 1、 第一色散介质 2、 第一马赫增德尔调制器 3、 第二色散介质 4、 第 二马赫增德尔调制器5、 高速光电探测器。

18、6、 低通滤波器7、 电子模数转换器8、 第一马赫增德 尔调制器的射频输入口 9、 第一马赫增德尔调制器的偏执电压输入口 10、 第二马赫增德尔 调制器的射频输入口 11， 第二马赫增德尔调制器的偏执电压输入口 12、 待测微波信号 13、 观测矩阵模块 14、 观测信号 15、 数字信号处理模块 16、 信号输出口 17。 具体实施方式 0010 以下结合附图对本发明作进一步描述 ： 如附图 1、 2 所示， 基于压缩采样与时域展宽技术的微波光子测频装置包括待测微波信 号 13、 观测矩阵模块 14、 观测信号 15、 数字信号处理模块 16、 信号输出口 17 ； 待测微波信号 13 经观。

19、测矩阵模块 14 产生观测信号 15 再通过数字信号处理模块 16 由信号输出口 17 输 出 ； 观测矩阵模块 14 包括超连续谱光源 1， 第一色散介质 2， 第一马赫增德尔调制器 3、 第二 色散介质4、 第二马赫增德尔调制器5、 高速光电探测器6、 低通滤波器7、 电子模数转换器8、 第一马赫增德尔调制器的射频输入口 9、 第一马赫增德尔调制器的偏执电压输入口 10、 第 二马赫增德尔调制器的射频输入口 11， 第二马赫增德尔调制器的偏执电压输入口 12 ； 超连 续谱光源1， 第一色散介质2， 第一马赫增德尔调制器3、 第二色散介质4、 第二马赫增德尔调 制器5、 高速光电探测器6、。

20、 低通滤波器7、 电子模数转换器8顺次相连， 第一马赫增德尔调制 器 3 上设有第一马赫增德尔调制器的射频输入口 9、 第一马赫增德尔调制器的偏执电压输 入口 10， 第二马赫增德尔调制器 5 上设有第二马赫增德尔调制器的射频输入口 11， 第二马 赫增德尔调制器的偏执电压输入口 12。 0011 本发明的工作原理如下 ： 1， 假设原始信号 x 是由一组NN的正交矩阵 W 表示的稀疏信号，k是 对应的权重系数。即； 假设 T 是NN的对角矩阵， 代表第二色散介质的对微 波信号的展宽过程 ； 假设 R 是NN的对角矩阵， 代表带有 1 的随机比特序列 ； 假设 F 是 NN的矩阵， 代表滤波器。

21、的滤波过程 ； 假设 D 是LN (LN) 的矩阵， 代表模数转换器的降 采样过程 ； 假设 y 是L1 的列向量， 是最后输出的观测值矩阵。 0012 2， 由原理 1 可以得到, 其中是压缩采样系统的观测矩阵。 y,和W已知。 选择合适的算法恢复k：,其中是稀疏优化项， 得到原信号的近似估计 :。 0013 基于压缩采样与时域展宽技术的微波光子测频方法 ： 超连续谱光源 1 通过正色散 介质 2， 在时域上得到延时展宽后的光载波， 超连续谱光源 1 的重复时间间隔等于光脉冲通 过第一色散介质 2 后的时间展宽量 ； 待测微波信号通过第一马赫增德尔调制器 3 的射频输 入口 9 调制在经过时。

22、域展宽的光载波上， 调制器工作在线性偏置点， 第一马赫增德尔调制 器3的偏执电压输入口10输入的偏置电压是第一马赫增德尔调制器3半波电压的一半 ； 调 说 明 书 CN 102932067 A 5 4/4 页 6 制后的信号通过第二色散介质 4， 在时域上得到进一步展宽 ； 低于乃奎斯特频率的随机比 特序列通过第二马赫增德尔调制器 5 的射频输入口 11 调制在第一马赫增德尔调制器 3 输 出的已调光信号上， 第二马赫增德尔调制器 5 工作在线性偏置点， 第二马赫增德尔调制器 5 的偏执电压输入口12输入的偏置电压是第二马赫增德尔调制器5半波电压的一半 ； 第二马 赫增德尔调制器 5 的输出口与高速光电探测器 6、 低通滤波器 7、 电子模数转换器 8 顺次相 连实现光电转换， 滤波以及模数转换功能。 说 明 书 CN 102932067 A 6 1/1 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102932067 A 7 。