專利名稱：基于壓縮采樣與時(shí)域展寬技術(shù)的微波光子測頻裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光通信與無線通訊領(lǐng)域，尤其涉及一種基于壓縮采樣與時(shí)域展寬技術(shù)的微波光子測頻裝置及其方法。
背景技術(shù)：
近年來，由于在軍事偵察系統(tǒng)中，信號(hào)載波頻率測量技術(shù)的重要應(yīng)用價(jià)值，微波信號(hào)頻率測量技術(shù)受到了各國研究人員的廣泛關(guān)注和深入研究。傳統(tǒng)的電子測頻技術(shù)在帶寬、分辨率、動(dòng)態(tài)范圍以及穩(wěn)定性方面都受到了限制，而微波光子測頻技術(shù)具備的帶寬大、質(zhì)量輕、低損耗以及抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)成為微波信號(hào)測頻技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。微波光子頻率測量技術(shù)中有多頻與單頻的測頻技術(shù)。在單頻測頻技術(shù)中，微波光子瞬時(shí)測頻技術(shù)由于具有結(jié)構(gòu)簡單、速度快以及帶寬大等優(yōu)點(diǎn)，成為最近幾年研究的焦點(diǎn)。該技術(shù)通過設(shè) 計(jì)光功率或微波功率比較曲線來實(shí)現(xiàn)頻率到幅度的映射，實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)頻率的測量。該類方法的限制在于只能測單一頻率的微波信號(hào)，但是在很多情況下，我們需要對(duì)一個(gè)多頻微波信號(hào)的進(jìn)行測量，恢復(fù)其頻譜信息。傳統(tǒng)的信號(hào)頻譜恢復(fù)方法通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器，離散傅里葉變換得到信號(hào)的頻譜信息。而傳統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換受限于奈奎斯特采樣定律，要求采樣頻率高于待測信號(hào)最高頻率的兩倍才能恢復(fù)原信號(hào)的頻譜，這在很大程度上限制了所能測量的信號(hào)帶寬。壓縮采樣技術(shù)克服了傳統(tǒng)奈奎斯特采樣定律的限制，可以在遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于奈奎斯特頻率的觀察頻率下恢復(fù)多頻信號(hào)的頻譜信息?；趬嚎s采樣的測頻技術(shù)對(duì)于待測信號(hào)的要求是在頻域上是稀疏的。而在很多情況下所需測量的信號(hào)在頻域上是稀疏的，簡稱稀疏信號(hào)。比如多載波調(diào)制的信號(hào)，聲音信號(hào)，以及緩變平滑信號(hào)。D. L. Donoho, "Compressed Sensing, 〃 IEEE Trans. Inf.Theory, 2006, vol. 52，no. 4，pp. 1289-1306中提出了壓縮傳感的概念，其思想是對(duì)一個(gè)稀疏信號(hào)，可以用遠(yuǎn)低于奈奎斯特頻率的速度進(jìn)行觀測，通過恢復(fù)算法獲得原信號(hào)的頻譜信息。J. Tropp, J. N. Laska, M. F. Duarte, J. K. Romberg and R. G. Baraniuk,〃Beyond Nyquist: efficient sampling of sparse bandlimited signals, 〃 IEEE Trans.Signal Process, 2010, vol. 56, no. I, pp. 520-544 中給出了一種基于隨機(jī)序列調(diào)制的壓縮采樣技術(shù)。在該技術(shù)中，首先將帶有±1的隨機(jī)比特序列與待測信號(hào)相乘。其中，隨機(jī)比特序列的變化頻率要求達(dá)到待測信號(hào)的奈奎斯特頻率。再通過低通濾波器以及低采樣速率的電子模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字信號(hào)并將其作為觀測信號(hào)。最后通過恢復(fù)算法來實(shí)現(xiàn)原信號(hào)頻譜的重構(gòu)。J. M. Nichols, F. Bucholtz, "Beating Nyquist with light:a compressive sampled photonic link, 〃 Opt. Express, 2011, vol. 19, no. 8, pp.7339-7348中基于J. Tropp等人提出的壓縮采樣原理實(shí)現(xiàn)了微波光子壓縮采樣技術(shù)。該結(jié)構(gòu)利用馬赫增德爾調(diào)制器分別將隨機(jī)比特序列與待測微波信號(hào)調(diào)制在光信號(hào)上，然后通過光電轉(zhuǎn)換，低通濾波以及電子模數(shù)轉(zhuǎn)換對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。最后通過恢復(fù)算法獲得原信號(hào)的頻譜信息。該方法在光域上實(shí)現(xiàn)了微波信號(hào)與隨機(jī)比特序列的相乘，由于光電調(diào)制器的帶寬大于電相乘器，從而提高了所能測量的信號(hào)帶寬。上述幾種壓縮采樣技術(shù)要求采用的隨機(jī)比特序列達(dá)到奈奎斯特頻率。雖然這些技術(shù)大大降低了系統(tǒng)中電子模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣頻率，但是所需的隨機(jī)比特序列仍然受限于奈奎斯特采樣定律。本文提出的一種基于壓縮采樣與時(shí)域展寬技術(shù)的微波光子測頻裝置及其方法引入了色散延時(shí)技術(shù)，通過降低待測微波信號(hào)的頻率，提高隨機(jī)比特序列的相對(duì)頻率，使得壓縮采樣測頻技術(shù)完全突破了奈奎斯特定律的限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于壓縮采樣與時(shí)域展寬技術(shù)的微波光子測頻裝置及其方法，以較低的采樣頻率實(shí)現(xiàn)高頻信號(hào)的頻譜重構(gòu)，突破了傳統(tǒng)奈奎斯特定律的限制。比起現(xiàn)有的壓縮采樣測頻技術(shù)，降低了系統(tǒng)的采樣頻率。 基于壓縮采樣與時(shí)域展寬技術(shù)的微波光子測頻裝置包括待測微波信號(hào)、觀測矩陣模塊、觀測信號(hào)、數(shù)字信號(hào)處理模塊、信號(hào)輸出口 ；待測微波信號(hào)經(jīng)觀測矩陣模塊產(chǎn)生觀測信號(hào)再通過數(shù)字信號(hào)處理模塊由信號(hào)輸出口輸出；觀測矩陣模塊包括超連續(xù)譜光源，第一色散介質(zhì)，第一馬赫增德爾調(diào)制器、第二色散介質(zhì)、第二馬赫增德爾調(diào)制器、高速光電探測器、低通濾波器、電子模數(shù)轉(zhuǎn)換器、第一馬赫增德爾調(diào)制器的射頻輸入口、第一馬赫增德爾調(diào)制器的偏執(zhí)電壓輸入口、第二馬赫增德爾調(diào)制器的射頻輸入口，第二馬赫增德爾調(diào)制器的偏執(zhí)電壓輸入口 ；超連續(xù)譜光源，第一色散介質(zhì)，第一馬赫增德爾調(diào)制器、第二色散介質(zhì)、第二馬赫增德爾調(diào)制器、高速光電探測器、低通濾波器、電子模數(shù)轉(zhuǎn)換器順次相連，第一馬赫增德爾調(diào)制器上設(shè)有第一馬赫增德爾調(diào)制器的射頻輸入口、第一馬赫增德爾調(diào)制器的偏執(zhí)電壓輸入口，第二馬赫增德爾調(diào)制器上設(shè)有第二馬赫增德爾調(diào)制器的射頻輸入口，第二馬赫增德爾調(diào)制器的偏執(zhí)電壓輸入口?；趬嚎s采樣與時(shí)域展寬技術(shù)的微波光子測頻方法超連續(xù)譜光源通過正色散介質(zhì)，在時(shí)域上得到延時(shí)展寬后的光載波，超連續(xù)譜光源的重復(fù)時(shí)間間隔等于光脈沖通過正色散介質(zhì)后的時(shí)間展寬量；待測微波信號(hào)通過第一馬赫增德爾調(diào)制器的射頻輸入口調(diào)制在經(jīng)過時(shí)域展寬的光載波上，調(diào)制器工作在線性偏置點(diǎn)，第一馬赫增德爾調(diào)制器的偏執(zhí)電壓輸入口輸入的偏置電壓是第一馬赫增德爾調(diào)制器半波電壓的一半；調(diào)制后的信號(hào)通過第二色散介質(zhì)，在時(shí)域上得到進(jìn)一步展寬；隨機(jī)比特序列通過第二馬赫增德爾調(diào)制器的射頻輸入口調(diào)制在第一馬赫增德爾調(diào)制器輸出的已調(diào)光信號(hào)上，第二馬赫增德爾調(diào)制器工作在線性偏置點(diǎn)，第二馬赫增德爾調(diào)制器的偏執(zhí)電壓輸入口輸入的偏置電壓是第二馬赫增德爾調(diào)制器半波電壓的一半；第二馬赫增德爾調(diào)制器的輸出口與高速光電探測器、低通濾波器、電子模數(shù)轉(zhuǎn)換器順次相連實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，濾波以及模數(shù)轉(zhuǎn)換功能。本發(fā)明具有的有益效果是
目前已有的壓縮采樣技術(shù)需要將待測微波信號(hào)與滿足奈奎斯特頻率的隨機(jī)比特信號(hào)相乘，雖然在系統(tǒng)末端只需接低速的電子模數(shù)轉(zhuǎn)換器，但是輸入信號(hào)的頻率受到了隨機(jī)比特序列重復(fù)頻率的限制。本發(fā)明提出的測頻技術(shù)不需要輸入滿足奈奎斯特頻率的隨機(jī)比特序列，降低了測頻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的要求；有利于實(shí)現(xiàn)高頻微波信號(hào)的頻譜重構(gòu)，提高了系統(tǒng)的可應(yīng)用范圍。


圖I是壓縮采樣測頻裝置的結(jié)構(gòu)示意 圖2是圖I的詳細(xì)器件連接 圖中超連續(xù)譜光源I、第一色散介質(zhì)2、第一馬赫增德爾調(diào)制器3、第二色散介質(zhì)4、第二馬赫增德爾調(diào)制器5、高速光電探測器6、低通濾波器7、電子模數(shù)轉(zhuǎn)換器8、第一馬赫增德爾調(diào)制器的射頻輸入口 9、第一馬赫增德爾調(diào)制器的偏執(zhí)電壓輸入口 10、第二馬赫增德爾調(diào)制器的射頻輸入口 11，第二馬赫增德爾調(diào)制器的偏執(zhí)電壓輸入口 12、待測微波信號(hào)13、觀測矩陣模塊14、觀測信號(hào)15、數(shù)字信號(hào)處理模塊16、信號(hào)輸出口 17。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述
如附圖1、2所示，基于壓縮采樣與時(shí)域展寬技術(shù)的微波光子測頻裝置包括待測微波信號(hào)13、觀測矩陣模塊14、觀測信號(hào)15、數(shù)字信號(hào)處理模塊16、信號(hào)輸出口 17 ;待測微波信號(hào)13經(jīng)觀測矩陣模塊14產(chǎn)生觀測信號(hào)15再通過數(shù)字信號(hào)處理模塊16由信號(hào)輸出口 17輸出；觀測矩陣模塊14包括超連續(xù)譜光源I，第一色散介質(zhì)2，第一馬赫增德爾調(diào)制器3、第二色散介質(zhì)4、第二馬赫增德爾調(diào)制器5、高速光電探測器6、低通濾波器7、電子模數(shù)轉(zhuǎn)換器8、第一馬赫增德爾調(diào)制器的射頻輸入口 9、第一馬赫增德爾調(diào)制器的偏執(zhí)電壓輸入口 10、第二馬赫增德爾調(diào)制器的射頻輸入口 11，第二馬赫增德爾調(diào)制器的偏執(zhí)電壓輸入口 12 ;超連續(xù)譜光源1，第一色散介質(zhì)2，第一馬赫增德爾調(diào)制器3、第二色散介質(zhì)4、第二馬赫增德爾調(diào)制器5、高速光電探測器6、低通濾波器7、電子模數(shù)轉(zhuǎn)換器8順次相連，第一馬赫增德爾調(diào)制器3上設(shè)有第一馬赫增德爾調(diào)制器的射頻輸入口 9、第一馬赫增德爾調(diào)制器的偏執(zhí)電壓輸入口 10，第二馬赫增德爾調(diào)制器5上設(shè)有第二馬赫增德爾調(diào)制器的射頻輸入口 11，第二馬赫增德爾調(diào)制器的偏執(zhí)電壓輸入口 12。本發(fā)明的工作原理如下
1，假設(shè)原始信號(hào)X是由一組Λ/ΧΛ/的正交矩陣W表示的稀疏信號(hào)，左是對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)。即X = Wt ;假設(shè)T是Λ/ΧΛ/的對(duì)角矩陣，代表第二色散介質(zhì)的對(duì)微波信號(hào)的展寬過程；假設(shè)R是;ΓΧΛ的對(duì)角矩陣，代表帶有±1的隨機(jī)比特序列；假設(shè)F是Λ/ΧΛ/的矩陣，代表濾波器的濾波過程；假設(shè)D是Z X# (Ζ Ν)的矩陣，代表模數(shù)轉(zhuǎn)換器的降采樣過程；假設(shè)y是LXl的列向量，是最后輸出的觀測值矩陣。2，由原理I可以得到J = GWJf，其中O = Dmr是壓縮采樣系統(tǒng)的觀測矩陣。Y, @和1已知。選擇合適的算法恢復(fù)
權(quán)利要求
1.一種基于壓縮采樣與時(shí)域展寬技術(shù)的微波光子測頻裝置，其特征在于包括待測微波信號(hào)(13)、觀測矩陣模塊(14)、觀測信號(hào)(15)、數(shù)字信號(hào)處理模塊(16)、信號(hào)輸出口(17);待測微波信號(hào)(13)經(jīng)觀測矩陣模塊(14)產(chǎn)生觀測信號(hào)(15)再通過數(shù)字信號(hào)處理模塊(16)由信號(hào)輸出口(17)輸出；觀測矩陣模塊(14)包括超連續(xù)譜光源(1)，第一色散介質(zhì)(2)，第一馬赫增德爾調(diào)制器(3)、第二色散介質(zhì)(4)、第二馬赫增德爾調(diào)制器(5)、高速光電探測器(6)、低通濾波器(7)、電子模數(shù)轉(zhuǎn)換器(8)、第一馬赫增德爾調(diào)制器的射頻輸入口(9)、第一馬赫增德爾調(diào)制器的偏執(zhí)電壓輸入口(10)、第二馬赫增德爾調(diào)制器的射頻輸入口(11)、第二馬赫增德爾調(diào)制器的偏執(zhí)電壓輸入口(12);超連續(xù)譜光源(I)、第一色散介質(zhì)(2)、第一馬赫增德爾調(diào)制器(3)、第二色散介質(zhì)(4)、第二馬赫增德爾調(diào)制器(5)、高速光電探測器(6)、低通濾波器(7)、電子模數(shù)轉(zhuǎn)換器(8)順次相連；第一馬赫增德爾調(diào)制器(3)上設(shè)有第一馬赫增德爾調(diào)制器的射頻輸入口(9)、第一馬赫增德爾調(diào)制器的偏執(zhí)電壓輸入口(10)，第二馬赫增德爾調(diào)制器(5)上設(shè)有第二馬赫增德爾調(diào)制器的射頻輸入口(11)，第二馬赫增德爾調(diào)制器的偏執(zhí)電壓輸入口(12)。
2.一種使用如權(quán)利要求I所述裝置的基于壓縮采樣與時(shí)域展寬技術(shù)的微波光子測頻方法，其特征在于超連續(xù)譜光源(I)通過第一色散介質(zhì)(2)，在時(shí)域上得到延時(shí)展寬后的光載波，超連續(xù)譜光源(I)的重復(fù)時(shí)間間隔等于光脈沖通過第一色散介質(zhì)(2)后的時(shí)間展寬量；待測微波信號(hào)通過第一馬赫增德爾調(diào)制器(3)的射頻輸入口(9)調(diào)制在經(jīng)過時(shí)域展寬的光載波上，調(diào)制器工作在線性偏置點(diǎn)，第一馬赫增德爾調(diào)制器(3)的偏執(zhí)電壓輸入口(10)輸入的偏置電壓是第一馬赫增德爾調(diào)制器(3)半波電壓的一半；調(diào)制后的信號(hào)通過第二色散介質(zhì)(4)，在時(shí)域上得到進(jìn)一步展寬；隨機(jī)比特序列通過第二馬赫增德爾調(diào)制器(5)的射頻輸入口( 11)調(diào)制在第一馬赫增德爾調(diào)制器(3 )輸出的已調(diào)光信號(hào)上，第二馬赫增德爾調(diào)制器(5)工作在線性偏置點(diǎn)，第二馬赫增德爾調(diào)制器(5)的偏執(zhí)電壓輸入口(12)輸入的偏置電壓是第二馬赫增德爾調(diào)制器(5)半波電壓的一半；第二馬赫增德爾調(diào)制器(5)的輸出口與高速光電探測器(6)、低通濾波器(7)、電子模數(shù)轉(zhuǎn)換器(8)順次相連實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，濾波以及模數(shù)轉(zhuǎn)換功能。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于壓縮采樣與時(shí)域展寬技術(shù)的微波光子測頻裝置及其方法。超連續(xù)譜光源通過色散介質(zhì)在時(shí)間上得到展寬,實(shí)現(xiàn)頻率到時(shí)間的映射。待測微波信號(hào)通過馬赫增德爾調(diào)制器調(diào)制在經(jīng)過時(shí)間展寬的光載波上。調(diào)制后的光信號(hào)，再經(jīng)過色散介質(zhì)將已調(diào)光信號(hào)進(jìn)一步展寬，降低了待測微波信號(hào)的頻率。帶有±1的隨機(jī)比特序列通過馬赫增德爾調(diào)制器調(diào)制在展寬后的光信號(hào)上，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換，低通濾波器，電子模數(shù)轉(zhuǎn)換器得到帶有待測信號(hào)信息的觀測數(shù)據(jù)。通過現(xiàn)有的壓縮采樣恢復(fù)算法可以恢復(fù)原信號(hào)的頻譜?，F(xiàn)有的基于壓縮采樣的測頻技術(shù)要求將原信號(hào)調(diào)制在達(dá)到奎斯特頻率的隨機(jī)比特序列上。本發(fā)明可以降低所需隨機(jī)比特序列的頻率，同時(shí)進(jìn)一步降低了系統(tǒng)中模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣頻率從而提高系統(tǒng)的可行性。
文檔編號(hào)H04B10/516GK102932067SQ20121045578
公開日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月14日
發(fā)明者陳瑩, 池灝, 章獻(xiàn)民, 金曉峰, 鄭史烈 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)