一种拓展线性调频信号光采样模数转换瞬时带宽的方法

leaved broadband photonic adc immune to channel mismatches capable for high-speed radar imaging”ieee photonics journal,2019,11(4):5502009),通过设计n个不同激光器之间的波长间隔，利用无谐振腔型超短光脉冲源中啁啾补偿模块的色散效应，使所产生的不同波长脉冲等间隔排列，形成n倍重频的光脉冲。
5.综上所述，目前已报道的光采样模数转换器虽然可以通过提升光采样速率的方式提高线性调频信号接收瞬时带宽，但往往需要通过时域或频域复用的方式，成倍地增加了系统的成本和复杂度，大大限制光采样模数转换系统在宽带线性调频信号接收中的应用。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于：为了解决上述技术问题，本发明提供一种拓展线性调频信号光采样模数转换瞬时带宽的方法。
7.本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
8.一种拓展线性调频信号光采样模数转换瞬时带宽的方法，包括以下步骤：
9.步骤1：输入宽带线性调频信号经过采样速率为fs的光采样模数转换器(1)数字化并输入数字信号处理单元(2)，当输入宽带线性调频信号的频率f
in
不满足时就会发生混叠；
10.步骤2：对数字化后的线性调频信号数据依次进行两次内插，每次内插在每两个数据点中间插入一个零值，经过两次内插后光采样模数转换系统的等效采样率变为内插前的四倍；
11.步骤3：对内插后的数据进行分数阶傅里叶变换，经过变换后的线性调频信号转变为窄脉冲，其他信号则转变为杂散和噪声，再经过分数域数字滤波，可以有效保留目标信号，滤除杂散和噪声；
12.步骤4：对分数域数字滤波后的数据进行逆分数阶傅里叶变换，得到处理后的线性调频信号，只要输入宽带线性调频信号的带宽fb不超过光采样模数转换器的采样速率fs，就可以无混叠接收，实现光采样模数转换器瞬时带宽拓展；
13.作为一种可选方案，所述步骤1中光采样模数转换器输出的数字化线性调频信号，如公式一所示：
[0014][0015]
其中，y
in
(ω)为输入线性调频信号的频域表示，ωs为光采样模数转换器的采样速率，p为输入信号频率对应的奈奎斯特区，m为输入线性调频信号起始频率所对应的奈奎斯特区，m为输入线性调频信号终止频率所对应的奈奎斯特区，h(ω)为光采样模数转换器的频率响应。
[0016]
则当输入宽带线性调频信号的频率ω
in
不满足不满足时就会发生混叠。
[0017]
作为一种可选方案，所述步骤2中内插后的数字化线性调频信号，如公式二所示：
[0018][0019]
其中，δ[n]为狄拉克函数。
[0020]
则经过两次内插后，光采样模数转换器的等效采样率变为内插前的四倍，频谱中混叠的部分被展开，同时产生了镜像信号。
[0021]
作为一种可选方案，所述步骤3中分数阶傅里叶变换后的线性调频信号变换为一个尖峰，如公式三所示：
[0022][0023]
其中，f0为线性调频信号的初始频率，α0为分数阶傅里叶变换时坐标轴旋转的角度。
[0024]
则镜像信号和杂散信号变为噪声，从而可以通过使用数字带通滤波器滤除。
[0025]
作为一种可选方案，所述步骤四中逆分数阶傅里叶变换后的线性调频信号，只要输入宽带线性调频信号的带宽ωb不超过光采样模数转换器的采样速率ωs，就可以无混叠接收，实现光采样模数转换器瞬时带宽拓展。
[0026]
作为一种可选方案，光采样模数转换器采用任意能实现光采样模数转换的结构。
[0027]
作为一种可选方案，数字信号处理单元采用任意能实现数字信号处理的结构。
[0028]
本发明的有益效果如下：
[0029]
1、与常规的光采样模数转换系统相比，该方法将无混叠接收的最大线性调频信号带宽从采样速率的一半提高到与采样速率相等；
[0030]
2、与常规的光采样模数转换系统相比，该方法将无混叠接收的线性调频信号频率范围从符合采样速率一半的特定频率扩展到采样速率以内的任意频率；
[0031]
3、与常规的光采样模数转换系统相比，该方法在扩展线性调频信号接收瞬时带宽的同时能够消除镜像信号和杂散信号，提高接收信号质量。
[0032]
4、与提升采样速率的光采样模数转换系统相比，该方法在数字域实现对线性调频信号瞬时带宽的拓展，大大节约了硬件成本，降低了系统复杂度。
附图说明
[0033]
图1是本发明的结构示意图；
[0034]
图2是本发明中光采样模数转换器输出信号的时频仿真结果图；
[0035]
图3是本发明中数字信号处理单元第一次内插后的时频仿真结果图；
[0036]
图4是本发明中数字信号处理单元第二次内插后的时频仿真结果图；
[0037]
图5是本发明中数字信号处理单元分数阶傅里叶变换后的仿真结果图；
[0038]
图6是本发明中数字信号处理单元分数阶滤波后的仿真结果图；
[0039]
图7是本发明中数字信号处理单元逆分数阶傅里叶变换后的时频仿真结果图；
具体实施方式
[0040]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0041]
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护
的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0042]
实施例1
[0043]
如图1所示，本实施例提供一种拓展线性调频信号光采样模数转换瞬时带宽的方法。
[0044]
本方案中数字信号处理单元对光采样模数转换器接收到的输入线性调频信号进行处理，其中，在数字信号处理单元中首先对光采样模数转换器输出的数字信号依次做两次内插，然后对插值后的信号做分数阶傅里叶变换并在分数域进行数字滤波，最后对分数阶滤波后的数据做逆分数阶傅里叶变换，则对于信号带宽不大于两倍光采样瞬时带宽的输入线性调频信号可实现无混叠接收。该方法借助内插算法，提升系统等效采样速率，并通过两次内插实现全符号宽带线性调频信号无混叠接收；此外，借助分数阶傅里叶变换和滤波算法，可消除镜像信号和杂散信号的影响，最终将线性调频信号光采样模数转换的瞬时带宽拓展为原来的两倍。
[0045]
实施例2
[0046]
本实施例按照图1所示结构和原理仿真实现基于数字域内插和分数阶滤波的线性调频信号光采样模数转换器瞬时带宽拓展。本实施例采用采样速率为10gs/s的光采样模数转换器对输入宽带线性调频信号进行下变频接收，其瞬时带宽为5ghz，模拟带宽大于40ghz。如图2所示为光采样模数转换器对频率为26-34ghz的宽带线性调频信号采样的时频仿真结果。由图2可见虽然线性调频信号可以被完整接收，但因其信号带宽超过光采样系统的瞬时带宽而在频谱发生混叠。
[0047]
将光采样模数转换器的输出结果送入到数字信号处理单元中进行处理，主要包括以下步骤：第一次内插、第二次内插、分数阶傅里叶变换、分数域滤波和逆分数阶傅里叶变换。图3所示为第一次内插后的时频仿真结果，经过内插后光采样模数转换系统的等效采样率变为原来的两倍，对应等效瞬时带宽也变为原来的两倍，同时在高频部分产生了啁啾率相反的镜像频率。图4所示为第二次内插后的时频仿真结果，此时除了等效采样率和等效瞬时带宽的变化，可以发现在镜像频率中，产生了一段与输入信号具有相同频谱成分的无混叠线性调频信号，但与其他镜像信号交叠在一起无法直接提取。图5所示为分数阶傅里叶变换后的仿真结果，可见目标线性调频信号和具有相同啁啾率的信号转变为离散的尖峰，而其他信号都变为噪声和杂散信号。图6所示为分数阶滤波后的仿真结果，只保留目标线性调频信号，滤除其他杂散信号和噪声。图7所示为逆分数阶傅里叶变换后的时频仿真结果，由此提取出与输入信号具有相同频谱成分且无混叠的线性调频信号，实现光采样模数转换器瞬时带宽拓展。
[0048]
可以看出，所提出的光采样模数转换器瞬时带宽拓展实现装置及方法，能够拓展宽带线性调频信号无混叠接收的输入带宽，同时消除输入宽带线性调频信号的频率限制，此外能够有效抑制系统中的杂散信号和噪声，提高接收信号质量。该方法能够有效提升光采样模数转换器的宽带信号接收能力，对于光采样模数转换器面向高速宽带场景的应用具有潜在的实用价值。
[0049]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明的保护范围，任何
熟悉本领域的技术人员在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种拓展线性调频信号光采样模数转换瞬时带宽的方法，其特征在于，针对宽带线性调频信号光采样模数转换瞬时带宽拓展的数字信号处理方法。2.一种拓展线性调频信号光采样模数转换瞬时带宽的方法，其特征在于，基于权利要求1的实现方法，包括以下步骤：步骤1：输入宽带线性调频信号经过采样速率为f
s
的光采样模数转换器数字化并输入数字信号处理单元；步骤2：对数字化后的线性调频信号数据依次进行两次内插，每次内插在每两个数据点中间插入一个零值；步骤3：对内插后的数据进行分数阶傅里叶变换，经过变换后的线性调频信号转变为窄脉冲，其他信号则转变为杂散和噪声，再对窄脉冲做分数域数字滤波；步骤4：对分数域数字滤波后的数据进行逆分数阶傅里叶变换，得到处理后的线性调频信号。3.根据权利要求2所述的一种拓展线性调频信号光采样模数转换瞬时带宽的方法，其特征在于：所述步骤1中光采样模数转换器输出的数字化线性调频信号，如公式一所示：其中，y
in
(ω)为输入线性调频信号的频域表示，ω
s
为光采样模数转换器的采样速率，p为输入信号频率对应的奈奎斯特区，m为输入线性调频信号起始频率所对应的奈奎斯特区，m为输入线性调频信号终止频率所对应的奈奎斯特区，h(ω)为光采样模数转换器的频率响应。4.根据权利要求3所述的一种拓展线性调频信号光采样模数转换瞬时带宽的方法，其特征在于：所述步骤2中内插后的数字化线性调频信号，如公式二所示：其中，δ[n]为狄拉克函数。5.根据权利要求4所述的一种拓展线性调频信号光采样模数转换瞬时带宽的方法，其特征在于：所述步骤3中分数阶傅里叶变换后的线性调频信号变换为一个尖峰，如公式三所示：其中，f0为线性调频信号的初始频率，α0为分数阶傅里叶变换时坐标轴旋转的角度。6.权利要求2-5述的一种拓展线性调频信号光采样模数转换瞬时带宽的方法，其特征在于：光采样模数转换器采用任意能实现光采样模数转换的结构。7.权利要求2-5述的一种拓展线性调频信号光采样模数转换瞬时带宽的方法，其特征在于：数字信号处理单元采用任意能实现数字信号处理的结构。

技术总结
本发明公开了一种拓展线性调频信号光采样模数转换瞬时带宽的方法，涉及光电技术，输入线性调频信号经光采样模数转换器输出数字信号，数字信号处理单元首先对输出的数字信号依次做两次内插，然后对插值后的信号做分数阶傅里叶变换并在分数域进行数字滤波，最后对分数阶滤波后的数据做逆分数阶傅里叶变换，则对于信号带宽不大于两倍光采样瞬时带宽的输入线性调频信号可实现无混叠接收。该方法借助内插算法，提升系统等效采样速率，并通过两次内插实现全符号宽带线性调频信号无混叠接收；此外，借助分数阶傅里叶变换和滤波算法，可消除镜像信号和杂散信号的影响，最终将线性调频信号光采样模数转换的瞬时带宽拓展为原来的两倍。倍。倍。


技术研发人员：李政凯 田欢 吕伟强 张旨遥 李和平 刘永
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2023.06.19
技术公布日：2023/10/11