[发明专利]基于光采样的射频频率测量方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及通信机信号检测技术领域，尤其涉及一种基于光采样的射频频率测量方法及装置。

背景技术

射频频率测量(也称为微波频率测量)，即从纷乱复杂的电磁环境中接收有用的微波信号，进行处理并分辨出目标信息的频率，是微波系统的一个重要组成部分。在通信、信号检测等领域有着广泛应用。

现有技术1：传统的基于电子器件的微波频率测量系统

传统的基于电子器件的微波频率测量系统的框架如图1所示，无线射频信号被天线接收、射频前端放大和变频后，经模数转换(ADC)为比特信号输出。通过分析输出比特信号的特征，然后通过数字信号处理(DSP)推测出接收的微波频率。

该技术的缺陷在于：一方面，传统微波频率测量系统以比特而非信息为目标，造成了过度的“信息冗余”和功能浪费；另一方面，金属链路的实施方案由于动态范围、宽带衰落等，又造成“信息失真”。该问题在微波系统实施过程中的表现，就是SWAP(Size，Weight，And Power)的增长，即：由于“信息冗余和失真”的存在，宽带RF信息精确数字化这一目标带来了微波感知接收系统的尺寸、重量和功耗的急剧增加。

现有技术2：基于光子技术的微波频率测量系统

和由金属器件构建的传统微波链路不同，射频光链路(radio over fiber，RoF)则是以光纤和宽带光电转换、电光转换器件为基础搭建的微波链路，通过测量模拟输出信号的频谱，推测射频输入的频率。典型的RoF系统结构如图2所示。

目前，已经有很多方案提出了基于光子技术的射频频率测量方法，这些方法主要集中在当信号中有一个射频信号时，分析出这个信号的频率和强度。例如，参考文献[1]中利用马赫泽德干涉仪(MZI)，建立了微波频率和被调制光透过功率之间的幅度比较函数，通过测量MZI后接收到的光功率来推断微波频率。这种方法的优点是实时性好，测量范围可调，方法简单。参考文献[2]利用在色散介质中被调制了不同微波频率的光相对时延不同的特性，建立起微波频率和相对时延的映射关系，通过观测脉冲的相对时延量大小推测多个微波信号的频率。参考文献[2]初步解决了光子技术无法测量多个微波频率的问题。

基于光子技术的微波频率测量系统虽然突破了电子器件动态范围和带宽的限制，而且解决了电缆传输信号时无法拉远的问题。但是，这项技术在射频谱分析方面依然没能超越传统电子器件。

参考文献[1]所提出的技术的缺点是只能测量一个微波频率，不够实用。参考文献[2]的方法分辨率极低，只有12.5GHz，也就是说，两个微波只有频率差大于12.5GHz时才能用这种方法被感知；而且该方法的测量误差很大，大约±1.56GHz，这样低的分辨率和巨大的误差，也严重阻碍这光子微波感、接收和分析技术的真正应用。

现有技术3：基于压缩采样的稀疏宽带射频信号探测，如图3所示。

压缩采样是一种新的信号处理理论。它的研究对象是稀疏信号，即以众多窄带带通信号的形式、稀疏地分布在一个超宽带(比如0.1～20GHz)的电磁环境中；也就是说，射频信号的奈奎斯特带宽很宽，但实际覆盖的带宽却不大。在处理稀疏信号时，若依据香农采样定律，很多被ADC采样量化的信息没有利用价值，最终要被丢弃。而根据压缩采样理论提出的算法进行处理，所需的ADC采样速率将远低于稀疏信号的奈奎斯特带宽，从而避免了ADC和后续DSP处理能力的极大浪费。

而根据压缩采样定理，参考文献[3，4]提出了一种宽带稀疏信号探测方法。这种方法首先将接收的微波信号分成若干路，每一路分别与一个预先设定的周期性编码信号相乘，相乘后微波信号的频谱被编码信号折叠并以不同的权重搬移到基带上。然后混合信号被低通滤波并以远低于奈奎斯特带宽的速率采样。根据采样数据和参考文献[4]提出的算法，就能恢复出宽带稀疏信号内所包含的信息。

该技术的缺陷在于：

1)成本昂贵：该技术需要40个左右信道并行处理，每一路都需要编码信号发生装置，混频器，滤波器和ADC，几乎不能实现。

2)同步困难：多路信号的采样之间需要同步，在电上这种多路信号同步需要制作特殊的采集卡和同步电路，非常复杂，并且同步电路功耗很大。

3)SWAP高：该技术在电域完成，所用都是电子器件，所以SWAP很高，较难实用。

4)系统稳定性差：由于需要若干信道的编码方式同时确定后才能实现ADC，该技术存在不稳定性，即若某一个编码信号发生装置出现故障，则整个算法将立即崩溃。

5)耗时：算法较为复杂，运算速度慢，对迅速跳变的微波信号，难以实现。