專利名稱：基于光采樣的射頻頻率測量方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通信機(jī)信號檢測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于光采樣的射頻頻率測量方法及裝置。
背景技術(shù)：
射頻頻率測量(也稱為微波頻率測量)，即從紛亂復(fù)雜的電磁環(huán)境中接收有用的微波信號，進(jìn)行處理并分辨出目標(biāo)信息的頻率，是微波系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。在通信、信號檢測等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)有技術(shù)1:傳統(tǒng)的基于電子器件的微波頻率測量系統(tǒng)傳統(tǒng)的基于電子器件的微波頻率測量系統(tǒng)的框架如

圖1所示，無線射頻信號被天線接收、射頻前端放大和變頻后，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)為比特信號輸出。通過分析輸出比特信號的特征，然后通過數(shù)字信號處理(DSP)推測出接收的微波頻率。該技術(shù)的缺陷在于一方面，傳統(tǒng)微波頻率測量系統(tǒng)以比特而非信息為目標(biāo)，造成了過度的“信息冗余”和功能浪費(fèi)；另一方面，金屬鏈路的實(shí)施方案由于動(dòng)態(tài)范圍、寬帶衰落等，又造成“信息失真”。該問題在微波系統(tǒng)實(shí)施過程中的表現(xiàn)，就是SWAP (Size，Weight,And Power)的增長，SP :由于“信息冗余和失真”的存在，寬帶RF信息精確數(shù)字化這一目標(biāo)帶來了微波感知接收系統(tǒng)的尺寸、重量和功耗的急劇增加?，F(xiàn)有技術(shù)2 :基于光子技術(shù)的微波頻率測量系統(tǒng)和由金屬器件構(gòu)建的傳統(tǒng)微波鏈路不同,射頻光鏈路(radio over fiber,RoF)則是以光纖和寬帶光電轉(zhuǎn)換、電光轉(zhuǎn)換器件為基礎(chǔ)搭建的微波鏈路，通過測量模擬輸出信號的頻譜，推測射頻輸入的頻率。典型的RoF系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。目前，已經(jīng)有很多方案提出了基于光子技術(shù)的射頻頻率測量方法，這些方法主要集中在當(dāng)信號中有一個(gè)射頻信號時(shí)，分析出這個(gè)信號的頻率和強(qiáng)度。例如，參考文獻(xiàn)[I]中利用馬赫澤德干涉儀(MZI)，建立了微波頻率和被調(diào)制光透過功率之間的幅度比較函數(shù)，通過測量MZI后接收到的光功率來推斷微波頻率。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性好，測量范圍可調(diào)，方法簡單。參考文獻(xiàn)[2]利用在色散介質(zhì)中被調(diào)制了不同微波頻率的光相對時(shí)延不同的特性，建立起微波頻率和相對時(shí)延的映射關(guān)系，通過觀測脈沖的相對時(shí)延量大小推測多個(gè)微波信號的頻率。參考文獻(xiàn)[2]初步解決了光子技術(shù)無法測量多個(gè)微波頻率的問題。基于光子技術(shù)的微波頻率測量系統(tǒng)雖然突破了電子器件動(dòng)態(tài)范圍和帶寬的限制，而且解決了電纜傳輸信號時(shí)無法拉遠(yuǎn)的問題。但是，這項(xiàng)技術(shù)在射頻譜分析方面依然沒能超越傳統(tǒng)電子器件。參考文獻(xiàn)[I]所提出的技術(shù)的缺點(diǎn)是只能測量一個(gè)微波頻率，不夠?qū)嵱?。參考文獻(xiàn)[2]的方法分辨率極低，只有12. 5GHz，也就是說，兩個(gè)微波只有頻率差大于12. 5GHz時(shí)才能用這種方法被感知；而且該方法的測量誤差很大，大約±1. 56GHz，這樣低的分辨率和巨大的誤差，也嚴(yán)重阻礙這光子微波感、接收和分析技術(shù)的真正應(yīng)用。現(xiàn)有技術(shù)3 :基于壓縮采樣的稀疏寬帶射頻信號探測，如圖3所示。
壓縮采樣是一種新的信號處理理論。它的研究對象是稀疏信號，即以眾多窄帶帶通信號的形式、稀疏地分布在一個(gè)超寬帶(比如O.1 20GHz)的電磁環(huán)境中；也就是說，射頻信號的奈奎斯特帶寬很寬，但實(shí)際覆蓋的帶寬卻不大。在處理稀疏信號時(shí)，若依據(jù)香農(nóng)采樣定律，很多被ADC采樣量化的信息沒有利用價(jià)值，最終要被丟棄。而根據(jù)壓縮采樣理論提出的算法進(jìn)行處理，所需的ADC采樣速率將遠(yuǎn)低于稀疏信號的奈奎斯特帶寬，從而避免了ADC和后續(xù)DSP處理能力的極大浪費(fèi)。而根據(jù)壓縮采樣定理，參考文獻(xiàn)[3，4]提出了一種寬帶稀疏信號探測方法。這種方法首先將接收的微波信號分成若干路，每一路分別與一個(gè)預(yù)先設(shè)定的周期性編碼信號相乘，相乘后微波信號的頻譜被編碼信號折疊并以不同的權(quán)重搬移到基帶上。然后混合信號被低通濾波并以遠(yuǎn)低于奈奎斯特帶寬的速率采樣。根據(jù)采樣數(shù)據(jù)和參考文獻(xiàn)[4]提出的算法，就能恢復(fù)出寬帶稀疏信號內(nèi)所包含的信息。該技術(shù)的缺陷在于I)成本昂貴該技術(shù)需要40個(gè)左右信道并行處理，每一路都需要編碼信號發(fā)生裝置，混頻器，濾波器和ADC，幾乎不能實(shí)現(xiàn)。2)同步困難多路信號的采樣之間需要同步，在電上這種多路信號同步需要制作特殊的采集卡和同步電路，非常復(fù)雜，并且同步電路功耗很大。3) SWAP高該技術(shù)在電域完成，所用都是電子器件，所以SWAP很高，較難實(shí)用。4)系統(tǒng)穩(wěn)定性差由于需要若干信道的編碼方式同時(shí)確定后才能實(shí)現(xiàn)ADC，該技術(shù)存在不穩(wěn)定性，即若某一個(gè)編碼信號發(fā)生裝置出現(xiàn)故障，則整個(gè)算法將立即崩潰。5)耗時(shí)算法較為復(fù)雜，運(yùn)算速度慢，對迅速跳變的微波信號，難以實(shí)現(xiàn)。上面提到的參考文獻(xiàn)如下[I]Dai, J. ；Xu, K. ；Sun, X. ；Niu, J. ；Lv, Q. ；ffu, J. ；Hong, X. ；Li, ff. ；Lin,J. ； , " A Simple Photonic-Assisted Microwave Frequency Measurement SystemBased on MZI With Tunable Measurement Range and High Resolution, " PhotonicsTechnology Letters, IEEE, vol. 22,no.15,pp.1162-1164, Aug. 1,2010[2]Nguyen, L. ； , " Microwave Photonic Technique for FrequencyMeasurement of Simultaneous Signals, " Photonics Technology Letters, IEEE,vol. 21, no. 10, pp. 642-644, May15,2009[3] Candes, E. J. ；Romberg, J. ；Tao, T. ； , " Robust uncertaintyprinciples exact signal reconstruction from highly incomplete frequencyinformation," Information Theory,IEEE Transactions on,vol.52,no. 2,pp. 489-509,Feb.2006[4]Mishali, M. ；Eldar, Y. C. ； , " From Theory to Practice Sub-NyquistSampling of Sparse Wideband Analog Signals, " Selected Topics in SignalProcessing, IEEE Journal of, vol. 4, no. 2,pp.375-391,April 2010

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何以低成本實(shí)現(xiàn)微波頻率測量。
( 二)技術(shù)方案為解決上述技 術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于光采樣的射頻頻率測量方法，包括以下步驟SI、產(chǎn)生周期性的脈沖序列；S2、用周期編碼信號調(diào)制所述脈沖序列，然后用微波信號調(diào)制所述編碼后的脈沖序列，得到處理后的脈沖序列；或者先用微波信號調(diào)制所述脈沖序列，然后用周期編碼信號調(diào)制所述脈沖序列，得到處理后的脈沖序列；使用并行結(jié)構(gòu)得到處理后的脈沖序列，即，在并行結(jié)構(gòu)的輸入端將所述脈沖序列分成兩路，一路用微波信號調(diào)制，另一路用周期編碼信號調(diào)制，然后將兩路信號合成一路得到處理后的脈沖序列；S3、探測所述處理后的脈沖序列，并將該脈沖序列轉(zhuǎn)換成光電流；S4、將所述光電流以低于所述微波信號的奈奎斯特帶寬一定值的速率進(jìn)行采樣；S5、將采樣后得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后恢復(fù)出所述微波信號，從而得到該微波信號的頻率。其中，步驟S5中，將所述光電流以模擬帶寬
權(quán)利要求
1.一種基于光采樣的射頻頻率測量方法，其特征在于，包括以下步驟 51、產(chǎn)生周期性的脈沖序列； 52、用周期編碼信號調(diào)制所述脈沖序列，然后用微波信號調(diào)制所述編碼后的脈沖序列，得到處理后的脈沖序列；或者先用微波信號調(diào)制所述脈沖序列，然后用周期編碼信號調(diào)制所述脈沖序列，得到處理后的脈沖序列；或者使用并行結(jié)構(gòu)得到處理后的脈沖序列，即，在并行結(jié)構(gòu)的輸入端將所述脈沖序列分成兩路，一路用微波信號調(diào)制，另一路用周期編碼信號調(diào)制，然后將兩路信號合成一路得到處理后的脈沖序列； 53、探測所述處理后的脈沖序列，并將該脈沖序列轉(zhuǎn)換成光電流； 54、將所述光電流以低于所述微波信號的奈奎斯特帶寬一定值的速率進(jìn)行采樣； 55、將采樣后得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后恢復(fù)出所述微波信號，從而得到該微波信號的頻率。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S5中，將所述光電流以模擬帶寬
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S5中，利用觀察矩陣恢復(fù)出所述微波信號。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述觀察矩陣為托普利茲矩陣。
5.一種基于光采樣的射頻頻率測量裝置，其特征在于，包括依次連接的脈沖光源產(chǎn)生裝置、脈沖編碼模塊、光調(diào)制器、光探測器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及數(shù)字信號處理器，還包括天線和周期編碼信號產(chǎn)生裝置，所述天線與所述光調(diào)制器連接，所述周期編碼信號產(chǎn)生裝置分別與所述脈沖編碼模塊和數(shù)字信號處理器連接； 其中，所述脈沖光源產(chǎn)生裝置用于產(chǎn)生脈沖光源產(chǎn)生周期性的脈沖序列；所述脈沖編碼模塊用于用周期編碼信號調(diào)制所述脈沖序列，得到編碼后的脈沖序列；所述天線用于接收微波信號；周期編碼信號產(chǎn)生裝置用于產(chǎn)生周期編碼信號并提供給脈沖編碼模塊和數(shù)字信號處理器；所述光調(diào)制器用于用微波信號調(diào)制所述編碼后的脈沖序列；所述光探測器用于探測被微波信號調(diào)制后的脈沖序列，并將該脈沖序列轉(zhuǎn)換成光電流；所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于將所述光電流以低于所述微波信號的奈奎斯特帶寬一定值的速率進(jìn)行采樣；所述數(shù)字信號處理器用于將采樣后得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后恢復(fù)出所述微波信號。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述脈沖光源產(chǎn)生裝置為主動(dòng)鎖模激光器，所述脈沖編碼模塊和光調(diào)制器均為馬赫澤德調(diào)制器，光探測器為光電探測管，周期編碼信號產(chǎn)生裝置為偽隨機(jī)碼產(chǎn)生裝置。
7.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述脈沖光源產(chǎn)生裝置為主動(dòng)鎖模激光器，所述脈沖編碼模塊為馬赫澤德調(diào)制器，所述光調(diào)制器為極化調(diào)制器，所述光探測器為平衡探測器，周期編碼信號產(chǎn)生裝置為偽隨機(jī)碼產(chǎn)生裝置。
8.一種基于光采樣的射頻頻率測量裝置，其特征在于，包括依次連接的脈沖光源產(chǎn)生裝置、光調(diào)制器、脈沖編碼模塊、光探測器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及數(shù)字信號處理器，還包括天線和周期編碼信號產(chǎn)生裝置，所述天線與所述光調(diào)制器連接，所述周期編碼信號產(chǎn)生裝置分別與所述脈沖編碼模塊和數(shù)字信號處理器連接； 其中，所述脈沖光源產(chǎn)生裝置用于產(chǎn)生脈沖光源產(chǎn)生周期性的脈沖序列；所述光調(diào)制器用于用微波信號調(diào)制所述脈沖序列；所述天線用于接收微波信號；周期編碼信號產(chǎn)生裝置用于產(chǎn)生周期編碼信號并提供給脈沖編 碼模塊和數(shù)字信號處理器；所述脈沖編碼模塊用于用周期編碼信號調(diào)制微波信號調(diào)制后的脈沖序列；所述光探測器用于探測被周期編碼信號調(diào)制后的脈沖序列，并將該脈沖序列轉(zhuǎn)換成光電流；所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于將所述光電流以低于所述微波信號的奈奎斯特帶寬一定值的速率進(jìn)行采樣；所述數(shù)字信號處理器用于將采樣后得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后恢復(fù)出所述微波信號。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述脈沖光源產(chǎn)生裝置為主動(dòng)鎖模激光器，所述脈沖編碼模塊為光開關(guān)，所述光調(diào)制器為馬赫澤德調(diào)制器，所述光探測器為平衡探測器，周期編碼信號產(chǎn)生裝置為偽隨機(jī)碼產(chǎn)生裝置。
10.一種基于光采樣的射頻頻率測量裝置，其特征在于，包括依次連接的脈沖光源產(chǎn)生裝置、光探測器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及數(shù)字信號處理器，還包括脈沖編碼模塊、光調(diào)制器、天線和周期編碼信號產(chǎn)生裝置，所述脈沖編碼模塊與光調(diào)制器組成并行結(jié)構(gòu)連接于脈沖光源產(chǎn)生裝置與光探測器之間，所述天線與所述光調(diào)制器連接，所述周期編碼信號產(chǎn)生裝置分別與所述脈沖編碼模塊和數(shù)字信號處理器連接； 其中，所述脈沖光源產(chǎn)生裝置用于產(chǎn)生脈沖光源產(chǎn)生周期性的脈沖序列；所述脈沖編碼模塊用于用周期編碼信號調(diào)制所述脈沖序列，得到編碼后的脈沖序列；所述天線用于接收微波信號；周期編碼信號產(chǎn)生裝置用于產(chǎn)生周期編碼信號并提供給脈沖編碼模塊和數(shù)字信號處理器；所述光調(diào)制器用于用微波信號調(diào)制所述編碼后的脈沖序列；所述光探測器用于探測被微波信號調(diào)制后的脈沖序列，并將該脈沖序列轉(zhuǎn)換成光電流；所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于將所述光電流以低于所述微波信號的奈奎斯特帶寬一定值的速率進(jìn)行采樣；所述數(shù)字信號處理器用于將采樣后得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后恢復(fù)出所述微波信號。
11.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，所述脈沖光源產(chǎn)生裝置為主動(dòng)鎖模激光器，所述光調(diào)制器和脈沖編碼模塊為馬赫澤德調(diào)制器與延時(shí)線組成的并行結(jié)構(gòu)，所述光探測器為平衡探測器，周期編碼信號產(chǎn)生裝置為偽隨機(jī)碼產(chǎn)生裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及通信機(jī)信號檢測技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種基于光采樣的射頻頻率測量方法及裝置，該方法包括以下步驟S1、脈沖光源產(chǎn)生周期性的脈沖序列；S2、用周期編碼信號和微波信號調(diào)制脈沖序列；S3、探測處理后的脈沖序列，并將該脈沖序列轉(zhuǎn)換成光電流；S4、將光電流以低于微波信號的奈奎斯特帶寬一定值的速率進(jìn)行采樣；S5、將采樣后得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后恢復(fù)出微波信號，從而得到該微波信號的頻率。本發(fā)明能以低成本和低于微波信號奈奎斯特帶寬的采樣率，無需下變頻實(shí)現(xiàn)寬帶內(nèi)多個(gè)微波頻率實(shí)時(shí)精確測量。
文檔編號G01R23/02GK102981048SQ20111026212
公開日2013年3月20日 申請日期2011年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月6日
發(fā)明者戴一堂, 閆勵(lì), 徐坤, 伍劍, 李巖, 洪小斌, 郭宏翔, 左勇, 林金桐 申請人:北京郵電大學(xué)