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[资料] 6G全频段实时傅里叶变换技术研究

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发表于 2021-8-12 11:02:56 | 显示全部楼层 |阅读模式 来自 广东省深圳市
面向未来6G无线通信技术中微波信号的时频信息分析问题,文中提出了一种基于光学离散色散器件的微波光子实时傅里叶变换系统。该离散色散器件在幅频特性上表现出周期性的窄带滤波性质,在相频特性上表现出离散的二次相位分布。利用该色散器件可以完成光栽微波信号的频时映射,在此基础上,可以进一步实时连续地实现对非平稳信号的时间频率信息特征提取。由于只需要实现离散的相移而不是侍统色散器件的真延时,所以可以在较小的体积内实现巨大的等效色散,从而减小系统的处理延时。文中设计了光纤微环级联方案实现离散色散,在此方案中单个光纤微环的环长为4cm,并通过数值仿真实现了θ8 ps/MHz的颏时映射斜率,等效于5800km单模光纤的色散大小,频率分辨率达到了50MH,瞬时带宽为5GHz。以6G感知通信一体化中经常用到的线性调频信号为例,仿真了系统的短时傳里叶变换功能以分析信号的时间和频率信息,其中,时间分辨率达到20ns,频谱分析的速度高达2.5×10^8FTs/s,显著优于传统的数字分析方案。

微波信号的频谱分析是 6G 通信领域的一项关键基础技术。例如在未来6G的感知通信融合系统中,一体化波形常以时分、频分或二者融合的方式划分探测信号和感知信号, 在接收时通常需要在时间-频率联合域分析接收信号以实现正确区分。当前频谱分析的主流思路是先用高速模数转换器(Analog to Digital Convertor,ADC)将接收到的模拟信号转换成数字信号,然后再以数字信号处理 (Digital Signal Processing,DSP)对其做快速傅里叶变换以获取频谱信息。然而这种基于数字处理的频谱分析方案在面向下一代通信技术时存在三个方面的重要缺陷。首先,瞬时带宽有限 (通常在 1 GHz 以下),虽然针对 100 MHz量级瞬时带宽的5G通信而言是够用的,但对于未来 GHz量级瞬时带宽的信号分析却是不够的。其次,实时性不足,难以保证 100%无遗漏地分析时长在毫秒及更短量级信号的信息,不利于短干扰信号的排除。最后,体积重量功耗(Size Weight and Power,SWaP)代价高,数字处理方案在带宽、分辨率等方面的性能严重依赖于算力资源的堆积,这会在未来汽车等移动应用场景中造成严重障碍,为此人们逐渐将目光转向光子技术,利用光超大带宽和超低损耗的天然优势去扩大频谱分析的带宽、提升帧采集速率。例如,采用时间拉伸技术或者光学采样技术可以实现超宽带 ADC,但巨大的数据量同样意味着难以容忍的处理延时。而另一种受到广泛关注的思路是将信号的频谱信息映射到频率外的其他维度,从而可以在该维度上直接测量,而频时映射是其中一种有效的分析方案。
频时映射(Frequency to Time Mapping,FTM),有时也被人们称之为实时傅里叶变换(Real-time Fourier Transform,RTFT),将频谱信息映射到时间维度上,从而使输出信号的时域包络正比于输入微波信号的频谱形状,之后可以通过示波器或 ADC 直接读取输入信号的宽带频谱信息,因此可以节约宝贵的数字算力资源。通常情况下,频时映射都是通过二阶色散(文中简称为色散)来完成的,利用频率不同的光在色散介质中的传输速度不同来实现频率到时间的映射过程。通过电光调制器将微波信号调制到一个时长较长的线性啁啾光脉冲上,对啁啾光信号引入频移,之后经过一段匹配的色散介质。色散一方面对光信号施加一个与频移成正比的延时,另一方面将长的啁啾光脉冲解啁啾,压缩成窄脉冲,从而使不同延时的脉冲能够被示波器区分开来。频时映射中的一个关键元素就是色散,虽然光学色散器件,比如色散补偿光纤、光纤布拉格光栅等,相比于射频色散器件能够有更大的工作带宽并且能提供更大的色散,但在针对微波信号的频谱分析而言,色散值依然不够大。以标准单模光纤为例,倘若想要区分两个频率差为 25 MHz的微波信号,使其频时映射的延时差为 20 ps (这已经几乎是商用实时示波器能达到的最小时间分辨率),需要1×10° ps/nm大小的色散,相当于 5800 km标准单模光纤提供的色散值。为了解决常规色散器件色散值不够大的问题,人们提出了各种思路以实现等效的超大色散或者采取其他措施降低频时映射对色散的要求。加拿大 Azana 团队利用光学色散和宽带激光源实现了超大色散;华中科技大学张新亮团队在频时映射的时域输出之后附加时间拉伸技术改善频时映射的时间分辨率,进而降低了系统对色散值的要求。

文中提出一种离散色散的方案以实现实时傅里叶变换,这种离散色散介质的幅频特性为周期性窄带滤波形状,相频在带通处的特性与传统色散介质近似。这里采用无源光纤微环来等效色散,一方面可以获得极大的色散值,另一方面避免了传统光色散介质(如光纤)可能带来的巨大的伴随延时。以长度约为 4 cm 的光纤微环级联方案为例,仿真分析表明,频时映射的分辨率可达到 50 MHz,瞬时带宽可以达到 5 GHz。为了研究所提方案对非平稳信号的时间-频率联合域分析能力,仿真了针对线性调频信号、通信信号中混杂瞬时干扰信号的短时傅里叶变换功能,结果表明该方案能以 20 ns 的时间分辨率对非平稳信号进行不间断无遗漏的时频分析。

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发表于 2021-8-13 21:47:57 | 显示全部楼层 来自 湖南省长沙市
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