[发明专利]一种基于时域Talbot效应的射频信号频谱分析系统及方法

说明书

本发明涉及一种基于时域Talbot效应的射频信号频谱分析系统，包括依次连接的锁模激光器、马赫‑曾德尔调制器、色散介质、光电探测器、示波器，马赫‑曾德尔调制器设有射频输入口和偏置电压输入口，色散介质的色散系数满足一阶时域Talbot效应。本发明利用锁模激光器产生高重复频率的窄脉冲串，将待测量的射频信号通过马赫‑曾德尔调制器调制到光载波上，接着将调制信号经过满足一阶Talbot效应的色散介质，后由光电探测器进行光电转换并通过示波器获得经过色散介质后输出脉冲序列的光功率，为射频信号的频谱分析提出了新的方法，且系统结构简单，易于操作。

技术领域

本发明属于光通信信号处理技术领域，具体涉及一种基于时域Talbot效应的射频信号频谱分析系统及方法。

背景技术

射频(RF)信号的频谱分析在许多不同领域的现代应用中都发挥了重要作用，例如无线和光通信、雷达、射电天文学等，因此一种能够提供快速频谱分析的方法能够在这些领域的研究中发挥重要的作用。频谱分析的技术和设计随着RF信号传输技术的变化以及测量技术的进步也发生了巨大变化。最早的形式是手动调谐的滤波器和探测器的组合，它简单地以其被调谐到的频率指示信号电平。电调谐信号转换电路的引入出现了扫频频谱分析仪，但扫频分析只能检测到检测器带宽内包含的总功率。数字信号转换技术与数字信号处理(DSP)用于频谱分析可以捕获更宽的频谱，捕获信号后执行分析。H.Chi,X.Zou andJ.Yao,An Approach to the Measurement of Microwave Frequency Based on OpticalPower Monitoring,in IEEE Photonics Technology Letters,vol.20,no.14,pp.1249-1251中提出一种基于光功率监控的微波频率测量方法，待测的射频信号在两个光学载波上进行调制，其波长设置为正弦滤波器光谱相应的一个峰值和谷值，通过马赫-曾德尔调制器进行调制，通过简单地检测两个波长通道输出处的光功率，可以计算得到微波射频信号的频率，但是只能测量单频信号，无法同时测量多频信号。L.Yan et al.,IntegratedMultifrequency Recognition and Down-conversion Based on Photonics-AssistedCompressive Sampling,in IEEE Photonics Journal,vol.4,no.3,pp.664-670中提出一种基于光子压缩采样的稀疏信号多频点频谱分析，即通过低速ADC(500MHz)采样实现对宽带微波信号的多频测量，精度可达到500kHz，采用低速ADC极大降低了后续数字信号处理的难度和功耗，但是只适用于稀疏信号环境，不适用于高密度复杂环境。

目前基于DSP的频谱分析的仪器仅限于GHz范围(通常＜500MHz)，时间分辨率在微秒范围内，并且最大处理速度大约为每秒2.6×10⁶次FFT。这些限制了高速射频信号的频谱分析，因此本发明提出了一种基于时域Talbot效应的射频信号频谱分析系统及方法，能够提供高速且实时的射频信号频谱分析。它是在一阶时域Talbot效应的结构下，首先用高速的周期性脉冲串对待测量色射频信号进行采样，待测量的射频信号可以是单频率，也可以是多频率，然后经过一阶色散系数与采样周期满足的色散介质输出的光脉冲序列，经过色散之后得到的信号仍是周期的，且每个周期内的脉冲是关于所在周期内的中心位置对称；每个频率成分对应一对对称的脉冲，脉冲距离中心位置的距离与输入射频信号的频率大小有关，它的幅值又由射频信号的振幅决定，根据输入射频信号与系统输出脉冲之间的关系，用A_u＝2h_u计算出待测量射频信号对应的频率和幅值，利用这种简单高效的系统结构对射频信号的频谱分析具有重要意义。

发明内容

本发明提供一种基于时域Talbot效应的射频信号频谱分析系统及方法，采用光子学的方法对射频信号进行频谱分析，突破了传统基于数字信号处理频谱分析方法的限制。通过对射频信号采样，然后经过满足整数阶时域Talbot效应的色散介质。根据射频信号的频率和振幅与系统输出的光脉冲序列所处位置和其振幅之间的关系对待测射频信号的频谱进行分析。