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Photonics-based real-time spectrogram analysis and processing of broadband waveforms

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Konatham, Saikrishna Reddy (2021). Photonics-based real-time spectrogram analysis and processing of broadband waveforms Thèse. Québec, Doctorat en télécommunications, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 157 p.

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Résumé

La transformée de Fourier décompose un signal temporel en ses composantes spectrales de fréquence. En tant que telle, c’est une idée simple et pourtant élégante, et la pierre angulaire de l’analyse des signaux. Les spectres de fréquence de Fourier fournissent des informations indispensables à la caractérisation des signaux rencontrés dans une grande variété de domaines. Le calcul de la trans formée de Fourier numérique est tellement omniprésent que son algorithme de calcul numérique, la transformée de Fourier rapide (TFR), est souvent considéré comme l’algorithme numérique le plus important pour la résolution de nombreux problèmes scientifiques et techniques. L’acquisition en temps réel du contenu spectral dynamique du monde physique est une exigence encore plus fonda mentale et difficile. La transformée de Fourier à court terme (TFCT), en tant qu’outil d’analyse du signal, est le cheval de bataille de la représentation spectrale dynamique de Fourier. La représenta tion spectrale dynamique en temps réel ou l’analyse spectrale en temps réel (AS-TR) est un outil indispensable pour capturer les phénomènes transitoires rapides ou les événements fréquentiels rares ou de courte durée. Dans un tel scénario, les techniques d’analyse spectrale en temps réel doivent être capables de fonctionner de manière continue et sans interruption, sur toute la largeur de bande d’observation, afin de pouvoir capturer les spectres changeant dynamiquement. Les formes d’onde de largeur GHz avec un contenu spectral dynamique se retrouvent dans tout le spectre électromagnétique, allant des micro-ondes au domaine optique, en passant par les ondes millimétriques et THz. Le AS-TR de ces formes d’onde à large bande et à grande vitesse, d’une durée de l’ordre de la nanoseconde ou de la sub-nanoseconde, sans interruption, est fondamental pour de nombreuses applications importantes, notamment les communications à large bande, les radars, la caractérisation ultra-rapide, la détection, la spectroscopie et la recherche en radioastronomie. Le AS-TR avec ces spécifications est un défi et dépasse les performances des instruments AS-TR basés sur la TFR numérique. Dans cette Thèse, j’ai développé une architecture universelle de traitement du signal analogique qui est particulièrement adaptée à la AS-TR de formes d’onde temporelles à large bande et à grande vitesse, sans interruption. Le TFCT ou spectrogramme mappé dans le temps (SP-MT) proposé saisit le TFCT des signaux large bande entrants (par exemple, micro-ondes à optique) directement dans le domaine d’onde analogique temporel natif, fournissant un accès en temps réel au contenu spectral dynamique du signal large bande d’entrée, évitant complètement le besoin de convertisseurs analogique-numérique et d’algorithmes TFR intensifs en calcul. Le SP-MT comprend deux unités de traitement du signal de base, à savoir l’échantillonnage temporel et les unités de retard dispersif. Une mise en œuvre photonique du concept SP-MT a permis d’obtenir des performances AS-TR sans précédent pour des signaux micro-ondes d’une largeur de bande de GHz, répondant ainsi aux exigences critiques des applications mentionnées ci-dessus. L’architecture SP-MT proposée est universelle et peut être mise en œuvre dans d’autres domaines d’ondes. Plus important encore, l’approche SP-MT ouvre la voie à la mise en œuvre efficace en temps réel dans le domaine des ondes analogiques de fonctionnalités de traitement du signal telles que l’analyse/synthèse temps fréquence, le filtrage à fréquence variable dans le temps, la convolution/corrélation, le filtrage adapté, les banques de filtres, etc.

Abstract

Fourier transform decomposes a temporal signal into its constituent frequency spectral components. As such it is a simple and yet elegant idea, and the cornerstone in signal analysis. The Fourier frequency spectra provide indispensable information in characterizing signals encountered in a wide variety of areas. The digital Fourier transform computation is so ubiquitous that, it’s numerical computation algorithm, the fast Fourier transform (FFT) is often referred to as the most important numerical algorithm in solving many scientific and engineering problems. Real-time acquisition of dynamic spectral content from the physical world is even more fundamental and challenging requirement. The short-time Fourier transform (STFT), as a signal analysis tool, is the workhorse of dynamic Fourier spectral representation. Real-time dynamic spectral representation or the real time spectral analysis (RT-SA) is an indispensable tool for capturing rapid transient phenomenon, or rare/short-lived frequency events. In such a scenario, the RT-SA techniques must be able to operate in a real-time continuous and gap-free fashion, over the entire bandwidth of observation, to be able capture the dynamically changing spectra. GHz-bandwidth waveforms with dynamic spectral content are found across the electromag netic spectrum, ranging from microwave to optical domain, including millimeter and THz waves. The continuous gap-free RT-SA of these high-speed broadband waveforms, with durations in the nanosecond/sub-nanosecond range, is fundamental to many important applications, including broad band communications, radar, ultra-fast characterization, sensing, spectroscopy, radio astronomy research. The RT-SA with these specifications is challenging, and beyond the performance of the state-of-the-art digital FFT based RT-SA instrumentation. In this Thesis, I have developed a universal analog signal processing architecture that is partic ularly suitable for continuous gap-free RT-SA of high-speed broadband temporal waveforms. The proposed time-mapped STFT or time-mapped spectrogram (TM-SP), captures the STFT of the incoming broadband signals (e.g., microwave to optical) directly in native temporal analog wave domain, providing real-time access to the dynamic spectral content of the input broadband sig nal, completely avoiding the need for analog-to-digital converters and computationally intensive FFT algorithms. The TM-SP involves two basic signal processing units, namely temporal sam pling and dispersive delay units. A photonic implementation of the TM-SP concept has enabled unprecedented RT-SA performance for GHz-bandwidth microwave signals, fulfilling critical require ments in the above mentioned applications. The proposed TM-SP architecture is universal, and can be implemented in other wave domains. Most importantly, the TM-SP approach paves the way for efficient real-time analog wave domain implementation of signal processing functionalities such as time-frequency analysis/synthesis, time-varying frequency filtering, convolution/correlation, matched filtering, filter-banks, etc.

Type de document: Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Azaña, José
Mots-clés libres: transformée de Fourier à court terme (TFCT); analyse spectrale en temps réel; echantillonnage; dispersion; traitement du signal analogique; short-time Fourier transform (STFT); real-time spectral analysis; sampling; analog signal processing
Centre: Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt: 20 mai 2022 18:24
Dernière modification: 20 mai 2022 18:24
URI: https://espace.inrs.ca/id/eprint/12553

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