基于带宽放大的实时傅里叶变换技术研究

来源 :北京邮电大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:qinyongj
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频谱分析是当今众多领域的一个基本工具,包括无线通信,雷达,电子对抗等等。例如,在无线通信领域,随着通信制式的不断发展、各个波段的持续开发,空间中所包含的频谱越来越密集,资源的合理利用将越来越迫切。因而,宽带、实时的频谱分析是无线资源合理应用的重要前提。微波光子是近几十年来国内外纷纷开展的一个研究领域,期望将射频信号(RF)承载到光频上,利用宽带低损的光子器件实现高性能的射频信号处理。实时傅里叶变换(RTFT),也被称为频域—时域映射技术(FTM),是一种非常有效的获取宽带射频频谱的方法,它成功解决了普通数字信号处理器件对信号带宽的限制。此方案的缺点是,为了实现足够的频谱分辨率(即可同时分析的射频信号时长),所需要的色散太大,以至于在光上也无法实际实现、或者需要的延时太长。本论文主要研究内容为实时傅里叶变换系统的性能优化,主要工作如下:一、介绍了实时傅里叶变换技术基本原理,由时空对应原理可知,类比于空间中的夫琅禾费衍射现象,通过在频域上对光信号进行二次相位调制,可以在输出端时域得到输入信号的频谱信息,从而实现实时傅里叶变换。在此基础上,介绍了两种实时傅里叶变换方案:基于色散的实时傅里叶变换方案以及基于时间透镜的实时傅里叶变换方案。通过详细的数学推导,我们得到了输出端时域信号的具体表达式,以及系统中相关参数需满足的条件。二、研究了国内外相关学者在传统技术基础上提出的各种改进方案。利用时间透镜技术来拉伸时域输出信号,基于时域放大技术的射频频谱分析仪成功地实现了数百MHz级别的频率分辨率。相关学者提出用频率反馈控制的主动光纤环来实现等效大色散。此外,研究人员通过被动光纤环实现了25MHz的频率分辨率。然而,这些基于光纤环的方案通常受限于观测带宽。由于其时域输出的周期性,时域观测窗口会随着观测带宽的增大而减小,这意味系统观测点数的减少。因此,对于宽带信号而言,为了实现较大的瞬时带宽,观测端需要采用大带宽的实时示波器。三、为了在色散的限制下进一步提高频率分辨率,本文提出了一种全新的基于射频信号带宽放大的实时傅里叶变换系统。区别于传统的电-光调制,本方案在进行频域-时域映射之前,引进了一种全新的带宽放大的上变频转换。输入射频信号首先被调制到一个平坦光频梳信号(OFC)上,然后通过一个特定的梳齿状光滤波器(VCF),我们就可以得到一个带宽被严格放大的光载射频信号。梳齿状滤波器的自由光谱范围(FSR)与光频梳的FSR略微有些差别,二者的峰值位置也略微错开,整个滤波过程可以看作是频谱上的游标卡尺效应。经过滤波后,原本间隔为十MHz量级的RF分量在光谱上被分开至十GHz量级。因此,即使借助普通光纤提供的色散,输入的频率分量也能在时域上被严格分开。四、本文设计了具体的实验系统来验证基于射频信号带宽放大的实时傅里叶变换技术的可行性。从实验上来看,基于色散补偿光纤提供的1500ps/nm的普通色散,我们成功实现了60MHz分辨率的线性时频映射,色散被等效放大至1975.5ps/GHz(2.47 × 105ps/nm),等效于1.45 ×104-km的单模光纤。而且,通过调节OFC的FSR,我们可以重构频率分辨率,此外,我们还可以通过调整谱线位置来改变等效色散的符号。与基于相同色散的传统RTFT系统相比,通过基于OFC和VCF的带宽放大技术,色散被等效放大了165倍。
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