多通道光模数转换系统中宽带信号采集通道失配校正方法与流程

本发明涉及一种光信息处理，具体是一种多通道光模数转换系统中宽带信号采集通道失配的校正方法。

背景技术：

光学模数转换技术(PADC)利用光子学的高速、宽带的特点实现对高速信号的采集和处理，具有高采样率、大带宽、无电子瓶颈和便于并行处理等优点，是一种实现超高速模数转换的有效途径。目前已提出多种光模数转换技术方案，包括光学辅助的模数转换器、光采样电量化的模数转换器、电采样光量化的模数转换器和全光模数转换器。其中，光采样电量化的模数转换器能同时利用光子学的大带宽、高精度以及成熟的电量化技术等优点，成为目前光电子领域的一大研究热门。目前，光学模数转换两个主要发展方向分别是超高采样率与超高精度。对于前者，为得到超高采样率，光采样电量化的模数转换器一般采取多通道复用技术，如基于波分复用的方案(T.R.Clark,J.U.Kang and R.D.Esman,“Performance of a time and wavelength interleaved photonic sampler for analog-digital conversion,”IEEE Photon.Tech.Lett.,vol.11,1168～1169,1999)，和基于时分复用技术的方案(A.Yariv and R.G.M.P.Koumans et al.,“Time interleaved optical sampling for ultra-high speed A/D conversion,”Electronics Letters,34(21):2012-2013,1998)。基于多通道复用的光模数转换方案的性能很大程度上取决于通道匹配程度，因此通道匹配的标定非常重要(邹卫文，杨光，张华杰，陈建平.超高速光采样时钟的多通道失配测量方法及测量补偿装置:中国,CN201410567490.3,2014)。

然而在另一方面，实际应用中对于不同频段的模拟输入信号，一般需要不同采样率的模数转换器，传统的模数转换装置均为固定采样频率，对于过高或过低的输入频率容易造成性能不足或性能浪费，这就对光模数转换中光采样率的可重构性提出了要求。在多通道复用的模数转换方案中，为实现光采样率的可重构性，一般会通过改变复用通道数来改变重频倍增数，进而改变总的光采样率。然而，复用通道数的改变往往会导致通道匹配的破坏，对通道进行重新标定和匹配又会造成重构响应速率的下降。因此，为了保证光模数转换系统的性能及重构响应速率，需要一种在不破坏通道匹配精度的前提下实现采样率可重构的光模数转换方案(邹卫文，杨光，陈建平.采样率按2的任意幂次可重构的光学模数转换装置:中国，CN201510785573.4,2015)。

在许多信号传输实际应用中，采用的往往是带宽信号，宽带信号是由基带信号调制到一个远高于信号带宽的中心频率上得到的。假设带通信号的上截止频率为f_H，下截止频率为f_L。在传统的Nyquist采样系统中，必须满足采样速率f_S大于被采样信号最高频率f_H的2倍这一条件，才可以保证在频谱上采样后的信号没有混叠现象发生。然而对于宽带信号采样系统，一般情况下，f_H是一个比较大的值，如果仍然按照上述条件，则对采样系统的采样率和器件的处理速度提出了很高的要求，往往会造成采样率的浪费且将导致成本的上升。实际上，在宽带信号的采样系统中并不需要严格满足这一定理，可按照带通采样定理来确定合适的采样频率，又称为欠采样、谐波采样、超奈奎斯特采样等。这样既可以保证最终可以没有失真地对信号进行恢复，同时又不会造成过高采样率的浪费。在多通道宽带信号采样过程中，通道间幅度和延时的失配是决定采样性能的关键，因此我们提出了一种宽带信号采集的通道失配的校正方法来重建采样信号。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种多通道光模数转换系统中宽带信号采集的通道失配校正方法，采用多参数傅里叶变换法，消除宽带信号量化频谱混叠效应，从离散的频谱中提取通道的幅度和延时适配，进而对光模数转换系统中的通道适配进行校正，消除了通道适配的杂散信号，保证了多通道光模数转换系统中带宽信号的量化精度。

本发明的技术方案如下：

一种多通道光模数转换系统中宽带信号采集的通道失配校正方法，所述的多通道光模数转换系统，包含光源模块、多通道复用模块、电光采样模块、解复用模块、光电转换模块和数字化模块；该方法包括如下步骤：

步骤1、光源模块产生的光载波经过多通道复用模块产生复用信号的光载波输入电光采样模块，同时，待采样宽带信号通过电光采样模块加载到所述的复用信号的光载波，电光信号采样模块输出的携带被采样信号信息的光载波进入解复用模块，解复用为多个通道，解复用后的每路信号再经过光电转换模块，将光信号转换为电信号，被转换的多路电信号经过数字化模块后进行量化处理；

步骤2、经量化处理后获得量化结果，具体如下：

对于待采样宽带信号，在时刻t＝T₀，等效为瞬时输入f₀的点频输入，得到的量化结果公式如下：

其中，电光采样模块的响应T_M(t)由输入信号f₀确定，即待采样宽带信号；k表示数字化采样的点数，a_n＝G_nR_PD,nA_n与Δt_n分别表示量化的幅度和时间偏差；

步骤3、对t＝T₀时刻的宽带信号的量化结果进行短时傅里叶变换变换，结果表示为S[t,ω]：

其中，S[T₀,ω]为t＝T₀时刻信号量化结果的多参数傅里叶变换的时频信息，也是该时刻信号的频谱信息，ω_IN＝2πf₀T_S为时刻t＝T₀时的系统归一化输入角频率，M＝πV₀/V_π定义为光电采样模块的调制深度，J_2m+1为第2m+1阶贝塞尔函数：

步骤4、计算延时误差Δt_n和幅度误差a_n，每个通道的幅度误差a_n和延时误差Δt_n由或的DFT反变换得到，公式如下：

或

步骤5、根据延时误差Δt_n和幅度误差a_n进行失配补偿，得到补偿结果，公式如下：

其中，

其中和分别为和的反傅里叶变换，和和分别为和V_Q[ω]的正部和负部，为无通道失配的频谱，V_Q[ω]为通道失配频谱，h₀[k]＝F^-1{H₀[ω]},h₁[k]＝F^-1{H₁[ω]}。

所述的通道适配校正方法为利用多参数傅里叶变换得到带宽信号的时谱信息，得到每个时间点上的离散化的频谱信息，从中提取多通道光模式转换系统中通道的幅度和延时失配量，通过对失配量的修正以消除宽带信号在采样过程中的频谱混叠，完成通道失配的校正。

基于多参数傅里叶变换的宽带信号通道失配校正技术，消除通道失配引入的杂散信号，提升信号量化精度。

所述的光源模块用于产生光学载波，可采用但不限于脉冲激光器、连续激光器和多激光器合成等方法实现。

所述的多通道复用模块用于产生时间按照规定间隔的复用信号，其实现方式包括但不限于波分复用、时分复用等复用技术。

所述的电光采样模块将电信号加载至光载波，电光采样门输出为携带被采样信号信息的光载波，可采用但不限于强度调制器、相位调制器、非线性介质等方法实现。

所述的解复用模块为与所述的多通道复用模块对应的解复用模块，用于将单通道复用信号分解为多通道信号。

所述的光电转换模块包含多个输入通道，每个输入通道上都有一个光电探测器，用于将光信号转换成电信号。

所述的数字化模块包含多个输入通道，每个输入通道上都有一个电模数转换器，用于将模拟信号量化成数字信号。

所述的多参数傅里叶变换，其包括但不限于短时傅里叶变换和分数阶傅里叶变换，用于将一维时域序列映射至多维变换空间。

所述的宽带信号通道失配校正技术，通过利用在多参数傅里叶变换结果中信号与杂散不发生混叠的现象，将宽带信号量化结果转换为多个不同点频信号量化结果的组合，并利用适用于点频信号的通道失配校正方法进行失配校正。

基于以上技术特点，本发明具有以下优点：

1、采用多参数傅里叶变换处理的算法，消除宽带信号频谱混叠效应，从而实现宽带信号的带通采样。

2、采用通道失配校正算法，能够滤除通道失配引起的杂散，提高量化的有效比特位，从而提升模数转换系统的性能。

附图说明

图1为本发明的一个实施例图；

图2为宽带信号采样示意图，其中a为宽带信号量化结果频谱图，b为量化结果短时傅里叶变换的时谱图；

图3为采样后的宽带信号消除频谱混叠现象的示意图，其中，a利用短时傅里叶变换消除信号与杂散的混叠现象，b为经过消除频谱混叠后的信号频谱图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例中如图1所示，光源模块1产生的光载波经过多通道复用模块2产生复用信号，待采样宽带信号3通过电光采样模块4加载到光载波。电光信号采样模块4输出携带被采样信号信息的光载波进入解复用模块5中解复用为多个通道，解复用后的每路信号再经过光电转换模块6，将光信号转换为电信号。被转换的多路电信号经过数字化模块7，从而获得量化结果8，而后通过多参数傅里叶变换得到变换结果9。分数阶傅里叶变换在变换域中可以在某一角度将频谱混叠消除，进而通过适用于点频信号的通道失配补偿算法得到通道失配信息10并得到补偿后结果11。

本发明的技术原理如下：

对于一个N通道的光模数转换系统,其光采样脉冲经过多通道复用模块后，第n个通道的脉冲串时间上可表示为：

其中p_n(t)为对应的第n个通道的脉冲串，A_n(Δt_n)表示该脉冲串的幅度(时间偏差)。δ(·)为狄拉克函数，用来作为总采样时间间隔为T_S＝1/f_S的光脉冲的波形近似。

复合后的光采样脉冲经过电光采样模块4、解复用模块5以及光电转换模块6变成N路采样后的电信号，其中第n路电信号为：

v_S,n(t)＝G_nR_PD,nT_M(t)p_n(t),n＝1,2,...,N, (2)

其中，v_s,n(t)为第n路采样后的电信号，R_PD,n和G_n分别为第n路光电转换的响应度和传输增益(损耗)，T_M(t)为被采信号经过电光采样模块4后的系统响应。最终，被采信号的峰值通过多个通道被获取和量化，经过通道复合从而获得完整的数字化信号8：

其中，v_Q[k]为信号量化后的数字信号，k表示数字化采样的点数，a_n＝G_nR_PD,nA_n与Δt_n分别表示量化的幅度和时间偏差。

本发明实施例如下：获得量化结果8后，通过多参数傅里叶变换得到变换结果9，分数阶傅里叶变换在变换域中可以在某一角度将频谱混叠消除，进而通过适用于点频信号的通道失配补偿算法得到通道失配信息10并得到补偿后结果11，具体如下：

1)、对于待采样宽带信号3，在时刻t＝T₀，等效为瞬时频率f₀的点频输入，其量化信号可由公式(3)给出，其中电光采样模块的响应T_M(t)由输入信号f₀确定，从而对t＝T₀时刻的宽带信号的量化结果8进行短时傅里叶变换作为多参数傅里叶变换，变换结果9可表述为S[t,ω]：

其中，S[T₀,ω]为信号量化结果8在t＝T₀时的多参数傅里叶变换的时频信息，也是该时刻信号的频谱信息，ω_IN＝2πf₀T_S为t＝T₀时的系统归一化输入角频率，M＝πV₀/V_π定义为光电采样模块的调制深度，J_2m+1为第2m+1阶贝塞尔函数：

其中(4)式中的S[T₀,ω]和(5)式中的为复数形式，可以从量化信号8中推出；

2)、计算延时误差Δt_n和幅度误差a_n，每个通道的幅度误差a_n和延时误差Δt_n由或的DFT反变换得到。以为例，得到公式如下：

3)、根据延时误差Δt_n和幅度误差a_n进行失配补偿。以双通道时间波长交织的光模数转换系统为例，无通道失配的频谱和通道失配频谱V_Q[ω]满足：

其中，和和分别为和V_Q[ω]的正部和负部，ω_S＝2πf_ST_S为归一化的系统采样角频率。同时，

其中，a₁和a₂是双通道的幅度，δt＝Δt₂-Δt₁是双通道延时差，可由公式(6)给出。再利用DFT反变换，公式(7)可以转换为

其中和分别为和的反傅里叶变换，h₀[k]＝F^-1{H₀[ω]},h₁[k]＝F^-1{H₁[ω]},补偿后的量化结果为

4)、通过公式(8)，系统补偿结果9可以表示成如下形式：

公式(10)可以反复应用于奇数号通道和偶数号通道，直至所有N通道完全匹配。

上述过程中采用多参数傅里叶变换算法，消除宽带信号量化频谱混叠效应，从而实现宽带信号采样中的通道失配校正技术，消除了通道失配产生的杂散信号，保证了较高的量化精度。本系统通过本发明可广泛用于超宽带雷达、瞬态信号检测、对抗、高能物理等领域的高速宽带信号采集与处理等领域。