ES2947665T3 - Analizador de espectro óptico de RF - Google Patents

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ES2947665T3 ES17842446T ES17842446T ES2947665T3 ES 2947665 T3 ES2947665 T3 ES 2947665T3 ES 17842446 T ES17842446 T ES 17842446T ES 17842446 T ES17842446 T ES 17842446T ES 2947665 T3 ES2947665 T3 ES 2947665T3
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Abstract

Esta descripción se refiere a analizadores de espectro de RF ópticos y métodos para analizar una señal de RF de entrada. Un modulador óptico modula una señal RF de entrada en una frecuencia portadora y un peso espectral óptico con una función de peso espectral modifica la señal óptica modulada. El peso espectral define una relación de frecuencia entre la función de peso espectral y la frecuencia de la portadora. Un módulo de control de frecuencia modifica la relación de frecuencia entre la función de ponderación espectral y la frecuencia de la portadora a lo largo del tiempo. Un sensor óptico detecta la señal óptica modificada a lo largo del tiempo y genera una señal de RF a lo largo del tiempo. Un módulo de recuperación de señal calcula el espectro de RF en función de la señal de RF a lo largo del tiempo. Desplazar el peso espectral contra la frecuencia de la portadora a lo largo del tiempo da como resultado una alta resolución espectral incluso si el peso espectral es una banda relativamente ancha. El resultado es una mayor resolución espectral a un precio/complejidad reducidos y una mayor robustez. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Analizador de espectro óptico de RF
Campo técnico
La presente descripción se refiere a analizadores de espectro de RF ópticos y a métodos para analizar una señal de RF de entrada.
Antecedentes
La creciente demanda de ampliar la funcionalidad de los sistemas electrónicos de RF presenta un desafío sin precedentes para proveer sistemas capaces de reconocer señales de microondas con alta resolución y amplio ancho de banda operativo. Los siguientes documentos pueden ser útiles para comprender los antecedentes de la presente descripción: por ejemplo, la patente de Estados Unidos No. 4 695 790 de Mathis Ronald enseña un sistema para analizar el contenido de frecuencia de una señal de RF, mediante la utilización de filtros discretos para monitorear cambios de potencia óptica en rangos espectrales ópticos discretos. La descripción de Berger Perrine y otros con el título "Analizador de espectro de RF de ancho de banda instantáneo de 20 GHz con alta resolución de tiempo" en Microwave Phontonics (MWP) y en 20149th Asia Pacific Microwave Photonics conference (APMP) 2014 International Topical Meeting, IEICE, 20 de octubre de 2014, páginas 331-334, XP032712399 enseña otro analizador de espectro. Además, el documento EP 0586 889 A2 de Dornier GmbH describe un método para medir la amplitud y la fase de múltiples señales de alta frecuencia y el documento US 2014/133521 A1 de Ling Mi-Chiang se refiere al método para analizar el espectro de señales de radiofrecuencia mediante el uso de un bucle de recirculación de fibra óptica.
Existen varios enfoques de canalización asistida por fotónica para informar la existencia de señales de microondas detectadas y llevar a cabo un monitoreo instantáneo de la actividad del espectro, incluida la mezcla paramétrica, los peines de frecuencias ópticas coherentes y la dispersión estimulada de Brillouin. Dichos esquemas se basan en el uso de múltiples fuentes luminosas, lo cual aumenta la complejidad y el coste del sistema. Además, los receptores canalizados asistidos por fotónica existentes están limitados por la relación uno a uno entre el ancho de banda de filtrado óptico y la resolución de medición de radiofrecuencia (RF), a saber, la resolución de medición de RF depende únicamente del ancho de banda de filtrado óptico. Por ejemplo, con el fin de tener una resolución de medición de RF de 20 MHz, se requiere un filtro óptico altamente selectivo con un ancho de banda de 3 dB de 20 MHz, lo cual es extremadamente complejo o incluso imposible de lograr en la fabricación óptica.
La presente limitación intrínseca es causada por el efecto de ensanchamiento espectral entre los componentes de frecuencia vecinos causados por el ancho de banda limitado y la selectividad de los filtros ópticos. Esto degrada significativamente la capacidad del sistema para retener con precisión la información de frecuencia de la señal de microondas. Además, el procesamiento de señales utilizando resonadores de anillo de silicio es de gran interés debido a su tamaño compacto, así como su compatibilidad con las técnicas de fabricación de CMOS. Para producir un filtro óptico altamente selectivo con respuesta cuadrada superior y banda de paso estrecha (menos de 100 MHz) para el receptor canalizado asistido por fotónica, los enfoques utilizan una gran cantidad de anillos con condiciones críticas de acoplamiento y un control preciso de la dimensión de cada anillo y cada espacio en el acoplamiento. Dicho proceso tecnológico complejo limita severamente la viabilidad de integrar un receptor canalizado en un solo chip.
Compendio
La presente descripción se refiere a un analizador de espectro de RF óptico y al método correspondiente según se define en las reivindicaciones. Un analizador de espectro de RF óptico comprende:
un modulador óptico para modular una señal de RF de entrada en una frecuencia portadora para generar una señal óptica modulada;
una ponderación espectral que tiene una función de ponderación espectral para modificar la señal óptica modulada, definiendo la ponderación espectral una relación de frecuencia entre la función de ponderación espectral y la frecuencia portadora;
un módulo de control de frecuencia para modificar la relación de frecuencia entre la función de ponderación espectral y la frecuencia portadora a lo largo del tiempo llevando a cabo un barrido en un rango de frecuencia para modificar la frecuencia portadora y la señal óptica modulada para generar una señal óptica modificada a lo largo del tiempo;
un sensor ópti
del tiempo según la señal óptica modificada;
un módulo de recuperación de señal para calcular el espectro de RF en función de la señal de RF a lo largo del tiempo.
Es una ventaja que modificar la relación entre la función de ponderación espectral y la frecuencia portadora a lo largo del tiempo y luego calcular el espectro de RF a partir de la señal de RF filtrada a lo largo del tiempo resulte en una alta resolución espectral incluso si la ponderación espectral es de banda relativamente ancha. Esta es una ventaja con respecto a otros métodos que dependen de un filtro de banda extremadamente estrecho, que es difícil y/o costoso de fabricar y/o utilizar. El resultado del método propuesto es una mayor resolución espectral a un precio/complejidad reducida y una mayor robustez.
El módulo de recuperación de señal puede configurarse para llevar a cabo una desconvolución de la señal de RF a lo largo del tiempo según la función de ponderación espectral.
La desconvolución puede basarse en una aproximación analítica de la función de ponderación espectral.
El módulo de recuperación de señal puede configurarse para llevar a cabo la desconvolución de la señal de RF a lo largo del tiempo utilizando una forma de onda de la señal de RF a lo largo del tiempo como una señal de dominio de la frecuencia.
El uso de la forma de onda de la señal de RF a lo largo del tiempo como una señal de dominio de la frecuencia puede comprender la creación de un eje de frecuencia asociado a la señal de RF a lo largo del tiempo según una tasa de modificación de la relación de frecuencia entre la función de ponderación espectral y la frecuencia portadora a lo largo del tiempo.
El peso espectral puede ser una resonancia. La resonancia puede ser un oscilador de anillo.
El modulador óptico puede comprender una fuente de láser para generar un láser en la frecuencia portadora. El módulo de control de frecuencia puede modificar la relación entre la función de ponderación espectral y la frecuencia portadora variando la frecuencia portadora. El variar la frecuencia portadora puede comprender llevar a cabo un barrido a lo largo de un rango de frecuencia.
La modificación de la relación entre la función de ponderación espectral y la frecuencia portadora a lo largo del tiempo puede basarse en una tasa de cambio por unidad de tiempo y el módulo de recuperación de señal puede calcular el espectro de RF según la tasa de cambio.
Un método para analizar una señal de RF de entrada comprende:
modular la señal de RF de entrada en una frecuencia portadora óptica para generar una señal óptica modulada; modificar la señal óptica modulada aplicando un peso espectral que tiene una función de ponderación espectral, definiendo el peso espectral una relación de frecuencia entre la función de ponderación espectral y la frecuencia portadora;
modificar la relación entre la función de ponderación espectral y la frecuencia portadora a lo largo del tiempo para generar una señal óptica modificada a lo largo del tiempo;
detectar la señal óptica modificada a lo largo del tiempo para generar una señal de RF a lo largo del tiempo; y calcular un espectro de la señal de RF de entrada en función de la señal de RF a lo largo del tiempo.
El calcular el espectro de la señal de RF de entrada puede comprender llevar a cabo una desconvolución de la señal de RF a lo largo del tiempo según la función de ponderación espectral.
La desconvolución puede basarse en una aproximación analítica de la función de ponderación espectral.
El llevar a cabo la desconvolución de la señal de RF a lo largo del tiempo puede comprender usar una forma de onda de la señal de RF a lo largo del tiempo como una señal de dominio de la frecuencia.
El uso de la forma de onda de la señal de RF a lo largo del tiempo como una señal de dominio de la frecuencia puede comprender la creación de un eje de frecuencia asociado a la señal de RF a lo largo del tiempo según una tasa de modificación de la relación de frecuencia entre la función de ponderación espectral y la frecuencia portadora a lo largo del tiempo.
La modificación de la relación entre la función de ponderación espectral y la frecuencia portadora puede comprender la variación de la frecuencia portadora de una fuente de láser.
La variación de la frecuencia portadora puede comprender llevar a cabo un barrido a lo largo de un rango de frecuencia. La modificación de la relación entre la función de ponderación espectral y la frecuencia portadora a lo largo del tiempo puede basarse en una tasa de cambio por unidad de tiempo y el cálculo del espectro de RF se basa en la tasa de cambio.
Un método para controlar un analizador de señales de RF, comprendiendo el método:
generar una señal de control de modulador para controlar la modulación de una señal de RF de entrada en una frecuencia portadora mediante un modulador óptico para modificar una relación entre una función de ponderación espectral y la frecuencia portadora a lo largo del tiempo, caracterizando la función de ponderación espectral una ponderación espectral para modificar la señal óptica modulada;
recibir una señal de RF detectada a lo largo del tiempo indicativa de la señal modificada creada por la ponderación espectral óptica; y
calcular un espectro de la señal de RF de entrada según la señal de RF a lo largo del tiempo.
Breve descripción de los dibujos
Ahora se describirá un ejemplo con referencia a:
La Figura 1 ilustra un analizador de espectro de RF óptico.
La Figura 2 ilustra un método para el análisis del espectro de RF.
La Figura 3 ilustra esquemáticamente señales a modo de ejemplo dentro del analizador de espectro de RF óptico de la Figura 1.
La Figura 4 ilustra una configuración experimental de la medición de RF asistida por fotónica.
La Figura 5a ilustra las respuestas espectrales medidas (línea continua) y simuladas (línea discontinua) del filtro óptico. La Figura 5b es una imagen de microscopio de vista superior del filtro de adición y caída de anillo único fotónico de silicio fabricado.
La Figura 5c ilustra la intensidad de la luz de salida medida y modelada.
La Figura 5d ilustra la frecuencia de la señal de RF estimada a 20 GHz.
La Figura 6a ilustra una intensidad de luz de salida medida y modelada.
La Figura 6b ilustra una señal de RF estimada cuando la frecuencia de RF de entrada es de 0,5 GHz.
La Figura 7a ilustra la intensidad de luz de salida medida y la Figura 7b ilustra la RF estimada cuando la frecuencia de RF de entrada es de 20 GHz y su potencia varía. Recuadro: Resultado de la estimación ampliada. Sólido superior: potencia de RF de 0dBm; Medio discontinuo: -10dBm de potencia de RF; Sólido inferior: -20dBm de potencia de RF. La Figura 8 ilustra un diagrama esquemático de un analizador de espectro de RF óptico basado en un banco de filtros. La Figura 9 ilustra los espectros del analizador de espectro de RF óptico de la Figura 8.
La Figura 10 ilustra un diagrama esquemático de un analizador de espectro de RF óptico basado en una matriz de filtros láser.
La Figura 11 ilustra los espectros del analizador de espectro de RF óptico de la Figura 10.
La Figura 12 ilustra un diagrama esquemático de un analizador de espectro de RF óptico basado en un filtro sintonizable.
La Figura 13 ilustra los espectros del analizador de espectro de RF óptico de la Figura 12.
La Figura 14 ilustra un diagrama esquemático del analizador de espectro de RF óptico basado en un elemento dispersivo.
La Figura 15 ilustra los espectros del analizador de espectro de RF óptico de la Figura 14.
La Figura 16 ilustra un diagrama esquemático del analizador de espectro de RF óptico basado en un multiplicador de RF.
La Figura 17 ilustra los espectros del analizador de espectro de RF óptico de la Figura 16.
Descripción de realizaciones
La presente descripción provee una tecnología que rompe la relación de uno a uno entre la resolución de medición de RF y el ancho de banda óptico, provee una alta resolución de medición de RF sin aumentar la complejidad del diseño y la fabricación, recupera la información de amplitud y frecuencia de las señales de microondas y permite el sistema de medición de frecuencia de RF en chip.
La Figura 1 ilustra un analizador de espectro de RF óptico 100 que comprende una entrada de señal 101, un modulador 102, un control de frecuencia 103, una ponderación espectral 104 como, por ejemplo, un filtro, un integrador de campo óptico 105 y un módulo de recuperación de señal 106.
La Figura 2 ilustra un método 200 para el análisis del espectro de RF y la Figura 3 ilustra un flujo de señal 300 para el análisis del espectro de RF. Los numerales de referencia en las Figuras 1,2 y 3 se corresponden entre sí en el sentido de que los numerales de referencia 101,201 y 301 se corresponden entre sí.
Cuando está en uso, la entrada de señal 101 recibe 201 una señal de entrada 301, el modulador 102 crea 202 una señal modulada 302 con bandas laterales ópticas. El control de frecuencia 103 mapea 203 la señal de frecuencia 302 hacia un dominio temporal 303 y el peso espectral 104 aplica 204 un peso espectral 304 a la señal de dominio temporal. Finalmente, el integrador de frecuencia 105 integra 205 la señal para crear una señal de tiempo integrada 305 y el módulo de recuperación de señal 106 recupera 206 la señal para calcular el espectro de RF de la señal de entrada 301.
La entrada 101 puede ser una antena que recibe una señal de entrada limitada espectralmente (banda estrecha). En el espectro de frecuencia de la señal de entrada 301, la señal de banda estrecha se muestra en 310. En aras de la simplicidad de la explicación, se supone que la señal de banda estrecha 310 es simétrica alrededor de la frecuencia central 311. En otras palabras, el medio de la señal de banda estrecha 310 está espaciado del origen del eje de frecuencia por la frecuencia central 311. Sin embargo, se observa que la señal de entrada puede tener cualquier espectro y, en la mayoría de los casos, el espectro de entrada se desconoce.
La modulación en la etapa 202 por el modulador 102 genera una banda lateral superior 320 y una banda lateral inferior 321. Como resultado de la modulación, el centro de la banda lateral superior 320 y de la banda lateral inferior 321 se encuentran espaciados de una frecuencia de modulador 322 por la frecuencia central 311. La frecuencia central 311 puede ser la frecuencia óptica de un láser. Dado que las frecuencias ópticas son en magnitudes superiores a las radiofrecuencias, el eje de frecuencia se divide en la Figura 3. Una frecuencia central de RF 311 a modo de ejemplo puede ser de 20 GHz y una frecuencia óptica a modo de ejemplo de la portadora 322 puede ser de 195 THz.
El control de frecuencia 103 mapea 203 la señal modulada 302 hacia el dominio temporal barriendo la frecuencia portadora 322 desde una longitud de onda óptica baja hasta una longitud de onda óptica alta como, por ejemplo, de 1546,45 nm a 1547,25 nm. En efecto, esto desplaza las bandas laterales 320, 321 así como la portadora 322 hacia la derecha con el tiempo como indica la flecha de tiempo 303. En un ejemplo, la tasa de barrido es de 10 MHz por 1 ms.
Se observa que aplicar el integrador 105 como, por ejemplo, un fotodiodo, a la señal 302 modulada y mapeada en el tiempo directamente resultará en cambios insignificantes a lo largo del tiempo ya que la mayoría de los integradores son de banda ancha e integran efectivamente todo el espectro de la señal modulada 302. Por lo tanto, cambiar las bandas laterales 320, 321 y la portadora resultaría en poco o ningún cambio útil a lo largo del tiempo. Sin embargo, antes de aplicar el integrador 105, se aplica un peso espectral 104 a la señal. El peso espectral puede ser una resonancia óptica y una respuesta de frecuencia a modo de ejemplo se traza en 304 en la Figura 3. La aplicación de un peso espectral básicamente significa multiplicar el espectro de frecuencia 302 en cada frecuencia con el peso espectral 304 en dicha frecuencia y luego integrar en todo el rango de frecuencia. Esto también se conoce como convolución en el dominio temporal, que se convierte en la multiplicación en el dominio de la frecuencia.
En la posición relativa de la señal modulada 302 y el peso espectral 304 que se muestran en la Figura 3, puede verse que no hay superposición entre las dos señales. En otras palabras, en cada punto del eje de frecuencia al menos una de las señales es cero. Como resultado, el producto de las dos señales también es cero a lo largo de todo el eje de frecuencia. La integración de una señal cero resulta en una salida cero que se muestra en el tiempo t1350 en la señal de tiempo integrada 305. A medida que la señal modulada 302 se desplaza 303 a la derecha con el tiempo, la banda lateral superior 320 comienza a moverse sobre el peso espectral 304 y el producto de la banda lateral superior y el peso espectral se vuelve distinto de cero. Con el tiempo, la superposición crece, lo cual se indica mediante un primer pico 351 de la señal de tiempo integrada 305. A medida que la banda lateral superior 320 sale del peso espectral 304, la señal de tiempo integrada 305 vuelve a caer hacia cero hasta que la portadora 322 se mueve a lo largo del peso espectral 304, lo cual resulta en un segundo pico 352. De manera similar, la banda lateral inferior que se mueve a lo largo del peso espectral 304 resulta en un tercer pico 353.
En otras palabras, la superposición de espectros se puede describir como una relación de frecuencia entre la función de ponderación espectral 304 y la frecuencia portadora 322. La relación de frecuencia se define por el peso espectral en el sentido de que el peso espectral define el posicionamiento relativo o la alineación entre la frecuencia portadora 322 y la función de ponderación espectral 304. Ello puede comprender una función de ponderación espectral fija como, por ejemplo, implementada por un oscilador de anillo óptico fijo. En otros ejemplos, el peso espectral puede ser sintonizable como, por ejemplo, sintonizando el oscilador de anillo óptico o usando un procesador óptico. Independientemente de la sintonización, el peso espectral define una relación de frecuencia entre la frecuencia portadora 322 y la función de ponderación espectral 304. Una relación espectral particular puede ser que la función de ponderación espectral esté ubicada a una frecuencia significativamente más alta que la portadora, ubicada a 10 GHz por encima de la portadora o que se encuentre por encima de la portadora por más de la frecuencia de la banda lateral superior 320. La modificación de la relación de frecuencia a lo largo del tiempo puede comprender el barrido descrito anteriormente y provoca la superposición como se describe más arriba.
En un ejemplo, los tres picos 351, 352 y 353 están claramente separados como se muestra en la señal de tiempo integrada 305 en la Figura 3. En el presente caso, el módulo de recuperación 106 puede detectar los tres picos 351, 352 y 353 como los máximos locales y medir el tiempo tü 354 entre el pico de la banda lateral superior 351 y el pico de la portadora 352. Este tiempo t0354 es indicativo del tiempo entre la superposición de la banda lateral superior 320 sobre el peso espectral 304 y la portadora 322 sobre el peso espectral. En otras palabras, el tiempo t0 es indicativo del período durante el cual el espectro de la señal modulada se desplazó por f0. Dado que la tasa de desplazamiento, es decir, la tasa de barrido en Hz/s, se conoce o está preconfigurada como entrada al control de frecuencia 103, la frecuencia f0 se puede calcular por f0 = tasa*t0. Esto muestra que el peso espectral 304 puede ser una banda relativamente ancha sin reducir significativamente la resolución espectral de la salida siempre que se puedan distinguir los picos 351,352 y 353.
En otros ejemplos, sin embargo, los tres picos 351,352 y 353 son más difíciles de distinguir debido a que los picos se superponen fuertemente. En el presente caso, el módulo de recuperación 106 puede aplicar un algoritmo de desconvolución a la señal de tiempo. Se observa que muchos procesos en el procesamiento de señales se describen mediante una convolución de dos señales de tiempo como, por ejemplo, una señal de entrada y una respuesta de filtro, que se puede transformar en una multiplicación en el espacio de la frecuencia. En contraste, aquí la convolución ocurre en el espacio de frecuencia entre la señal modulada 302 y el espectro de peso espectral 304 pero la salida es una señal de tiempo integrada 305 en el dominio temporal. Sin embargo, es posible reemplazar el eje de tiempo de la señal de tiempo integrada 305 por un eje de frecuencia según la tasa de barrido. Por ejemplo, si la tasa de barrido es de 10 MHz por segundo, el módulo de recuperación puede multiplicar los valores de tiempo en el eje de tiempo de la señal de tiempo integrada 305 por 10 MHz/s para convertirlos en frecuencias y aplicar un desplazamiento si corresponde. La forma de onda de la señal de tiempo integrada 305 se puede pasar luego como una señal de dominio de la frecuencia usando el eje de frecuencia determinado a un algoritmo de desconvolución para calcular una estimación de la señal original 302. La desconvolución puede llevarse a cabo por un procesador de un sistema informático como, por ejemplo, mediante la ejecución del código Python desde el paquete scipy.signal.deconvolve. En otros ejemplos, una FPGA lleva a cabo la desconvolución.
La precisión del resultado de la desconvolución se puede aumentar usando el espectro real del peso espectral 204 o una aproximación de él. Una aproximación puede ser una distribución gaussiana. Una aproximación más precisa puede ser un impulso de Dirac.
En resumen, el sistema de análisis espectral se puede llevar a cabo a través de 5 etapas de procesamiento de señales tanto en el dominio óptico como en el eléctrico, que incluyen generación de banda lateral óptica (OSB, por sus siglas en inglés), mapeo de frecuencia a tiempo, ponderación espectral, integración de campo óptico y recuperación de señal. En primer lugar, la señal de RF de entrada se aplica a la portadora óptica generada por una fuente óptica a través de una modulación electro-óptica, por lo que se lleva a cabo la generación de banda lateral óptica. En segundo lugar, la información de la banda lateral óptica en el espectro óptico se traduce en una forma de onda en el dominio temporal a través del mapeo de dominio de frecuencia a tiempo donde su perfil de intensidad se convierte en una réplica a escala de su espectro óptico. En tercer lugar, la forma de onda variable en el tiempo se transmite a través de un módulo de ponderación espectral como, por ejemplo, un filtro óptico, donde su intensidad en la salida en cada instancia de tiempo se pondera según el componente de frecuencia contribuyente. En cuarto lugar, se emplea un integrador de campo óptico como, por ejemplo, un fotodetector o un medidor de potencia óptica para medir la intensidad de luz exacta en cada instancia de tiempo. Finalmente, se utiliza un módulo de recuperación de señal basado en el teorema de la desconvolución para reconstruir el espectro de la señal de RF de entrada a partir de la intensidad de la luz medida por el integrador de campo óptico.
Aplicaciones de la presente tecnología incluyen:
• Receptores de escaneo;
• Análisis de espectro de RF;
• Análisis de espectro óptico;
• Procesamiento de señales fotónicas;
• Chip fotónico integrado; y
• Radar.
Con el fin de verificar el concepto de desconvolución, se han llevado a cabo experimentos basados en la configuración 400 que se muestra en la Figura 4 que comprende una entrada 401 para proveer una señal de entrada de RF desconocida a un generador de banda lateral óptica 402 modulado por una fuente de láser sintonizable 403. Se observa que el rango de medición de frecuencia alcanzable está predominantemente limitado por el generador de banda lateral óptica empleado en el sistema. Los desarrollos actuales en moduladores electro-ópticos proveen un ancho de banda de modulación superior a 100 GHz, lo cual puede facilitar el sistema propuesto con un análisis de espectro de RF de banda ultraancha. La señal modulada se alimenta a un resonador de anillo único 404 que actúa como un peso espectral, que se conecta a un integrador de campo óptico 405 que provee una señal a un módulo de recuperación de señal 405. En un experimento, un láser sintonizable (Keysight) 403 con una tasa de barrido constante de 80 nm/s se barrió de 1546,45 nm a 1547,25 nm. Ello da 4000 puntos y una duración total de barrido de aproximadamente 10 ms, donde un intervalo de tiempo de 1 microsegundo en el dominio temporal corresponde a un cambio de frecuencia de 10 MHz. Para otras aplicaciones como, por ejemplo, el análisis del espectro óptico, donde se requiere una medición de banda ancha, el rango de barrido se puede ampliar aún más, p. ej., banda C+L. El filtro óptico 404 para proveer ponderación espectral en el sistema 400 se basa en un resonador de anillo único centrado en 1546,85 nm con un ancho de banda de 3 dB de aproximadamente 1,4 GHz. El espectro óptico medido del filtro se muestra en la Figura 5a.
En primer lugar, se utilizó en la prueba una señal de microondas de entrada 401 con una frecuencia de RF de 20 GHz. La Figura 5c muestra la forma de onda de la intensidad de la luz medida en la salida del integrador de campo óptico 405, que era un medidor de potencia óptica en el experimento. Los resultados muestran el mapeo de la intensidad de la potencia óptica en el dominio temporal, el efecto de la generación OSB 402 y la ponderación de las intensidades ópticas. La frecuencia estimada de la señal de RF en la salida del módulo de recuperación de señal 406 se muestra en la Figura 5d. La recuperación de la señal de entrada se lleva a cabo mediante una transformación inversa a través de varios algoritmos de desconvolución de señal existentes. Por ejemplo, los métodos de desconvolución ciega para aplicaciones de procesamiento de imágenes y audio se pueden adaptar y utilizar en el módulo de recuperación.
El error de medición es inferior a 25 MHz, que es mucho menor que el ancho de banda del filtro de 1,4 GHz.
Las Figuras 6a y 6b representan la medición cuando la frecuencia de microondas de entrada se reduce a 0,5 GHz, que es mucho menor que el ancho de banda de 3dB del filtro óptico. Aunque la intensidad de la luz de salida del medidor de potencia óptica se amplía a un solo pico, como se puede ver en la Figura 6a, la frecuencia de la señal de RF se puede identificar con precisión a través de la nueva tecnología, como se muestra en la Figura 6b.
La Figura 7a y la Figura 7b muestran, respectivamente, la forma de onda de la intensidad de la luz medida y la señal modulada estimada cuando la frecuencia de RF de entrada se fijó en 20 GHz y se varió su potencia. Como puede verse, la tecnología recupera con éxito tanto la amplitud como la frecuencia de la señal. Los errores de amplitud estimados son 0,72, 0,126 y 0,06 dB en 0 dBm, -10 dBm y -20 dBm de potencia de RF de entrada, respectivamente.
La combinación del módulo de mapeo de frecuencia a tiempo y el módulo de ponderación espectral con el integrador de campo óptico y un módulo de recuperación de señal permite la reconstrucción de espectros de señal de RF de entrada con alta resolución y también reduce significativamente la complejidad del diseño y la fabricación. La presente tecnología mejora la resolución de medición y el ancho de banda utilizable y rompe la relación uno a uno entre la resolución de medición de RF y el ancho de banda óptico, recupera la información de amplitud y frecuencia de las señales de microondas y también habilita el sistema de medición de frecuencia de RF en chip. La solución propuesta para la medición de la frecuencia de microondas es insensible a la desviación de la longitud de onda de la fuente óptica y los dispositivos, ya que la información de la portadora óptica y las bandas laterales provee funciones de autorreferencia.
Como se ha descrito anteriormente, la desconvolución puede llevarse a cabo por un procesador de un sistema informático como, por ejemplo, el módulo de recuperación 106. El presente procesador también puede llevar a cabo tareas de control del analizador de espectro 100 como, por ejemplo, bajo las instrucciones del código de software que se almacena en la memoria del programa conectada al procesador. Dichas tareas de control pueden incluir generar una señal de control de modulador para controlar la modulación de la señal de RF de entrada 101 en una frecuencia portadora 322 mediante el modulador óptico 102 para modificar una relación entre una función de ponderación espectral 304 y la frecuencia portadora 322 a lo largo del tiempo. Básicamente, ello significa que hay otra conexión en la Figura 1 entre el módulo de recuperación 106 y el control de frecuencia 103. El procesador recibe además la señal de RF detectada a lo largo del tiempo 305 indicativa de la señal modificada creada por el peso espectral óptico 104. El procesador entonces calcula un espectro de la señal de RF de entrada según la señal de RF a lo largo del tiempo como, por ejemplo, mediante aplicación de un algoritmo de desconvolución a la señal de RF a lo largo del tiempo como se describe más arriba.
0tras realizaciones
La siguiente descripción provee realizaciones adicionales. En general, los dos últimos dígitos de los numerales de referencia indican características correspondientes, en el sentido de que, por ejemplo, la señal de RF 801 en la Figura 8 corresponde a la señal de RF 101 en la Figura 1.
La Figura 8 muestra el diagrama esquemático de otro método para el análisis del espectro de RF óptica, que emplea un banco de filtros 804 para modificar la relación entre la función de ponderación espectral 804 y la frecuencia portadora 803 sin variar la frecuencia portadora 803. La señal óptica modulada se genera modulando la señal de RF 801 de interés en la señal portadora de longitud de onda fija del láser 803. Luego se divide uniformemente y se envía a un banco de filtros ópticos de banda estrecha 804 con formas de línea idénticas. Cada filtro individual está centrado en una frecuencia distinta (f1, f2 , ... fN) con un espaciado constante. Se observa que la relación entre la portadora y los filtros individuales cambia con el tiempo como se describió más arriba como, por ejemplo, mediante el barrido de la frecuencia portadora. El uso de múltiples filtros como se muestra en la Figura 8 reduce el tiempo requerido para el análisis. Por ejemplo, con cuatro filtros solo se requiere una cuarta parte del tiempo de análisis para un filtro.
La Figura 9 muestra cómo cada parte dividida de la señal modulada se multiplica con un peso espectral desplazado. El espectro ponderado de la señal modulada se envía luego a un fotodiodo 805 donde se implementa la integración en todo el espectro de la señal modulada. En el elemento de recuperación de señal 806, las salidas de potencia de los fotodiodos se unen y desconvolucionan con la forma de la línea de filtro, por consiguiente, se obtiene el espectro en tiempo real de la señal de RF de entrada.
La Figura 10 ilustra otro ejemplo 1000 del uso del banco de filtros 1004 para realizar el analizador de espectro de RF óptico. Se utiliza una matriz de láser 1003 para generar múltiples señales portadoras en diferentes frecuencias (fc1, fc2 , ... fc2N). Luego, las señales de la portadora se inyectan al modulador 1002. La información de RF se mapea a cada señal de la portadora y, por consiguiente, se generan 2N copias de la señal modulada centradas en fc1, fc2 , ... fc2N, respectivamente. Luego se divide uniformemente y se envía a un banco de filtros ópticos de banda estrecha 1004 con formas de línea idénticas. Mediante la sintonización de las frecuencias centrales de los filtros en el banco de filtros 1004, el espaciado relativo entre la n-ésima copia (1<n<N) de la señal modulada y la posición del filtro es nAf y, por consiguiente, cada salida del filtro es el producto de la función de ponderación espectral desplazada y la señal modulada.
La Figura 11 ilustra los espectros del analizador de espectro de RF óptico según una matriz de filtros láser.
La relación entre la función de ponderación espectral también se puede modificar con el tiempo mediante el uso de un filtro óptico sintonizable. La Figura 12 muestra el diagrama esquemático de un sistema de análisis de espectro de RF óptico 1200 basado en una fuente láser 1203 que genera una portadora de longitud de onda fija, un modulador 1202, un filtro óptico sintonizable 1204, un fotodiodo 1205 y un elemento de recuperación de señal 1206. Mediante la variación de la frecuencia central del filtro sintonizable 1204 con una tasa de velocidad fija, el filtro óptico se encuentra en una ubicación distinta en cada instancia de tiempo (t1, t2 , ... tN) como se muestra en la Figura 13, se puede lograr un barrido a lo largo de un rango de frecuencia.
La Figura 14 muestra otro ejemplo. Como se muestra en la Figura 14, la matriz de láser 1403 genera múltiples señales portadoras con un espaciado de frecuencia constante (fc1, fc2 , ... fcN). Las señales portadoras ópticas se inyectan al modulador 1402 para obtener N copias de la señal óptica modulada 1401 centradas en fc1, fc2 , ... fcN y luego la salida del modulador se envía a un elemento de retardo 1410 (p. ej., línea de retardo dispersiva). El retardo de tiempo provisto por el elemento de retardo depende de la frecuencia óptica, lo cual indica que cada copia de la señal modulada llegará al filtro 1404 en un momento diferente. Si se emplea un elemento dispersivo con una pendiente de retardo lineal en el sistema como una línea de retardo óptico 1410, ello lleva a un retardo de tiempo constante entre las n y n+1 (1 <n<N) copias de la señal modulada. Por consiguiente, la relación entre la función de ponderación espectral y el espectro de RF a lo largo del tiempo se controla por la característica de dispersión del elemento dispersivo. La Figura 15 ilustra los espectros correspondientes.
La Figura 16 ilustra cómo, en lugar de aplicar la señal de RF de entrada 1601 directamente a la señal portadora generada por la fuente láser 1603, la señal de RF 1601 se puede enviar primero a un multiplicador de frecuencia 1610 y luego a un modulador 1602. Por ejemplo, un duplicador de frecuencia podría duplicar la frecuencia de RF de entrada como se muestra en la Figura 17 y, por consiguiente, el espaciado relativo entre la señal portadora y las bandas laterales también aumenta en un factor de 2 en el dominio de la frecuencia óptica antes de inyectarse en el módulo de ponderación espectral. Al variar la relación del multiplicador 1610, la banda lateral de la señal modulada se asigna en una ubicación distinta en cada instancia de tiempo. Por consiguiente, se puede lograr un barrido a lo largo de un rango de frecuencia.

Claims (13)

REIVINDICACI0NES
1. Un analizador de espectro de RF óptico (100) que comprende:
un modulador óptico (102) para modular una señal de RF de entrada (101) en una frecuencia portadora (322) para generar una señal óptica modulada (302);
un peso espectral (104) que tiene una función de ponderación espectral (304) para modificar la señal óptica modulada (302), definiendo el peso espectral (104) una relación de frecuencia entre la función de ponderación espectral (304) y la frecuencia portadora (322);
un módulo de control de frecuencia (103) para modificar la relación de frecuencia entre la función de ponderación espectral (304) y la frecuencia portadora (322) a lo largo del tiempo llevando a cabo un barrido a lo largo de un rango de frecuencia para modificar la frecuencia portadora (322) y la señal óptica modulada (302) para generar una señal óptica modificada (305) a lo largo del tiempo;
un sensor óptico (105) para detectar la señal óptica modificada a lo largo del tiempo y generar una señal de RF a lo largo del tiempo según la señal óptica modificada (305);
un módulo de recuperación de señal (106) para calcular el espectro de RF según la señal de RF a lo largo del tiempo.
2. El analizador de espectro (100) de la reivindicación 1, en donde el módulo de recuperación de señal (106) se configura para llevar a cabo una desconvolución de la señal de RF a lo largo del tiempo según la función de ponderación espectral.
3. El analizador de espectro (100) de la reivindicación 2, en donde la desconvolución se basa en una aproximación analítica de la función de ponderación espectral (304).
4. El analizador de espectro (100) de las reivindicaciones 2 o 3, en donde el módulo de recuperación de señal (106) se configura para llevar a cabo la desconvolución de la señal de RF a lo largo del tiempo utilizando una forma de onda de la señal de RF a lo largo del tiempo como una señal del dominio de la frecuencia.
5. El analizador de espectro (100) de la reivindicación 4, en donde el uso de la forma de onda de la señal de RF a lo largo del tiempo como una señal del dominio de la frecuencia comprende crear un eje de frecuencia asociado a la señal de RF a lo largo del tiempo según una tasa de modificación de la relación de frecuencia entre la función de ponderación espectral (304) y la frecuencia portadora (322) a lo largo del tiempo.
6. El analizador de espectro de (100) cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el peso espectral (104) es un resonador o un oscilador de anillo.
7. Un método para analizar una señal de RF de entrada (101) que comprende:
modular la señal de RF de entrada (101) en una frecuencia portadora óptica (322) para generar una señal óptica modulada (302);
modificar la señal óptica modulada (302) aplicando una función de ponderación espectral (304) usando un peso espectral (104), definiendo el peso espectral (104) una relación de frecuencia entre la función de ponderación espectral (304) y la frecuencia portadora (322);
modificar la relación entre la función de ponderación espectral (304) y la frecuencia portadora (322) a lo largo del tiempo llevando a cabo un barrido a lo largo de un rango de frecuencia para modificar la frecuencia portadora (322) y la señal óptica modulada (302) para generar una señal óptica modificada (305) con el tiempo;
detectar la señal óptica modificada a lo largo del tiempo para generar una señal de RF a lo largo del tiempo según la señal óptica modificada (305); y
calcular un espectro de la señal de RF de entrada (101) según la señal de RF a lo largo del tiempo.
8. El método de la reivindicación 7, el cálculo del espectro de la señal de RF de entrada (101) comprende llevar a cabo una desconvolución de la señal de RF a lo largo del tiempo según la función de ponderación espectral (304).
9. El método de la reivindicación 8, en donde la desconvolución se basa en una aproximación analítica de la función de ponderación espectral (304).
10. El método de las reivindicaciones 7 u 8, en donde llevar a cabo la desconvolución de la señal de RF a lo largo del tiempo comprende usar una forma de onda de la señal de RF a lo largo del tiempo como una señal del dominio de la frecuencia.
11. El método de la reivindicación 10, en donde usar la forma de onda de la señal de RF a lo largo del tiempo como una señal del dominio de la frecuencia comprende crear un eje de frecuencia asociado a la señal de RF a lo largo del tiempo según una tasa de modificación de la relación de frecuencia entre la función de ponderación espectral (304) y la frecuencia portadora (322) a lo largo del tiempo.
12. El método de cualquiera de las reivindicaciones 7 a 11, en donde modular la señal de RF de entrada (101) en una frecuencia portadora óptica comprende modular la señal de RF de entrada (101) en múltiples frecuencias portadoras ópticas simultáneamente y la función de ponderación espectral (304) comprende múltiples picos correspondientes a las múltiples frecuencias portadoras ópticas y/o en donde modificar la relación entre la función de ponderación espectral (304) y la frecuencia portadora comprende sintonizar un filtro óptico y/o variar una frecuencia portadora de una fuente láser.
13. El método de cualquiera de las reivindicaciones 7 a 12, en donde modular la señal de RF de entrada (10) en una frecuencia portadora óptica comprende modular la señal de RF de entrada (101) en múltiples frecuencias portadoras ópticas simultáneamente y modificar la relación entre la función de ponderación espectral (304) y la frecuencia portadora a lo largo del tiempo comprende acoplar la señal modulada a un elemento de retardo dependiente de la frecuencia para aplicar un retardo diferente a cada frecuencia portadora óptica y la señal de RF de entrada modulada correspondiente y/o en donde modificar la relación entre la función de ponderación espectral (304) y la frecuencia portadora a lo largo del tiempo se basa en una tasa de cambio por unidad de tiempo y el cálculo del espectro de RF se basa en la tasa de cambio.
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU2019230458B2 (en) * 2018-03-08 2020-10-08 Jehmy Pty Ltd A high sensitivity and selectivity real-time spectrum analyser
CN108918966B (zh) * 2018-05-23 2020-06-23 成都玖锦科技有限公司 基于频谱仪的底噪对消方法
US11313930B1 (en) 2020-11-13 2022-04-26 Rohde & Schwarz Gmbh & Co. Kg Alternation pulsed double resonance detection scheme for gapless detection in atomic vapor quantum sensors
ES2972517T3 (es) 2021-05-12 2024-06-13 Univ Paris Cite Dispositivo para análisis de espectro de señales de radiofrecuencia
US11223432B1 (en) * 2021-08-09 2022-01-11 King Abdulaziz University System and method for determining unknown radio frequencies
US12596019B1 (en) * 2023-03-15 2026-04-07 The Government Of The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy RF spectrum analyzer using Rayleigh backscattering

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61198935A (ja) * 1985-02-28 1986-09-03 Toshiba Corp 光伝送方式
US4695790A (en) * 1986-01-02 1987-09-22 General Dynamics Electronics Division RF frequency spectrum analyzer subsystem
US4922256A (en) * 1988-11-18 1990-05-01 Grumman Aerospace Corporation Tracking receiver for broadband chirp emissions
JP2688301B2 (ja) * 1991-10-16 1997-12-10 三菱電機株式会社 受信装置
DE4229745C2 (de) * 1992-09-05 1995-06-08 Dornier Gmbh Verfahren zur Messung von Amplitude und Phase mehrerer hochfrequenter Signale
JPH08101066A (ja) * 1994-09-30 1996-04-16 Anritsu Corp 光スペクトラム測定装置
US6307655B1 (en) * 1999-11-03 2001-10-23 Lockhead Martin Corporation Wideband frequency analyzer employing optical chirp transform
JP2001242201A (ja) * 2000-02-25 2001-09-07 Mitsubishi Electric Corp 周波数分析装置
JP3642569B2 (ja) * 2001-06-25 2005-04-27 三菱電機株式会社 周波数分析装置
JP2007212427A (ja) * 2006-01-16 2007-08-23 Tokyo Univ Of Agriculture & Technology 光周波数検出装置、光スペクトラムアナライザおよび光信号処理装置
WO2013164009A1 (en) * 2012-04-30 2013-11-07 Telefonaktiebolaget L M Ericsson (Publ) Radio frequency signal transceiver, coherent radar receiver and method of processing radio frequency signals
US8861567B2 (en) * 2012-11-15 2014-10-14 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Method and apparatus for analyzing the spectrum of radio-frequency signals using a fiber optic recirculation loop
JP5970405B2 (ja) * 2013-03-28 2016-08-17 アンリツ株式会社 ミリ波帯スペクトラム解析装置および解析方法
US9288557B2 (en) * 2013-05-01 2016-03-15 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Method and apparatus for analyzing the spectrum of radio-frequency signals using unamplified fiber optic recirculation loops
JP2015129732A (ja) * 2014-01-09 2015-07-16 アンリツ株式会社 信号処理装置、信号処理方法および信号処理システム

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