Ultrafast real-time photonic spectrograms.

Rowe, Connor (2023). Ultrafast real-time photonic spectrograms. Mémoire. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en sciences de l'énergie et des matériaux, 119 p.

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Résumé

Les signaux micro-ondes sont un pilier fondamental des communications sans fil modernes, de la détection et de la télémétrie, et de l’imagerie. L’analyse de ces signaux en temps et en fréquence simultanément produit l’une des descriptions les plus intuitives disponibles pour le traitement des signaux. Les représentations conjointes temps-fréquence, telles que le spectrogramme, ont été largement utilisées dans les techniques de traitement du son et de la parole, jusqu’à permettre la caractérisation complète des ondes électromagnétiques les plus rapides produites par l’homme ou la nature. Pour de nombreuses applications, ce type d’analyse doit être effectué en temps réel, mais sans interruption de l’acquisition.
Le traitement électronique des signaux est trop lent pour permettre une analyse en temps réel et sans interruption des signaux micro-ondes avec des largeurs de bande de plus de quelques GHz et des variations inférieures à l’échelle de quelques nanosecondes. Les techniques antérieures de traitement des spectrogrammes photoniques ont fourni soit la vitesse nécessaire (résolution temporelle), soit la largeur de bande, mais pas les deux à la fois. Cette thèse présente deux nouveaux spectrogrammes photoniques développés par le groupe Ultrafast Optical Processing de l’INRS, qui atteignent des performances sans précédent en termes de vitesse et de largeur de bande. Le premier, le Time Lens Spectrogram, peut atteindre une bande passante élevée dans la gamme des centaines de GHz, ainsi qu’une haute résolution temporelle jusqu’à des dizaines de picosecondes. Le second, le Talbot Array Illuminator Spectrogram, offre des résolutions de haute fréquence dans la gamme des MHz et des centaines de points d’analyse sur l’axe des fréquences. Ces deux spectrogrammes créent un système complémentaire unique qui est versatile et reconfigurable pour répondre à une plus large gamme d’applications.
Les résultats de ces deux spectrogrammes appliqués à des signaux micro-ondes sont présentés ici. Ils permettent l’analyse en temps réel et sans lacune de signaux d’une largeur de bande de dizaines de GHz avec des résolutions temporelles inférieures à la nanoseconde ou des résolutions de fréquence inférieures au GHz, selon le souhait de l’utilisateur. Une connexion théorique est établie entre les deux spectrogrammes, facilitant une analyse détaillée de leurs compromis et de leurs comparaisons. La capacité de ces spectrogrammes photoniques à analyser des signaux ayant une largeur de bande considérablement plus élevée que les appareils de détection ou de digitalisation utilisés est démontrée, pour ce que l’on appellera l’analyse de la super largeur de bande. L’exemple orienté vers l’application des signaux de saut de fréquence est utilisé pour souligner que les signaux qui se situent facilement dans les limites des spectrogrammes proposés sont complètement inaccessibles à la technologie de pointe. Enfin, cette thèse démontre l’application du Time Lens Spectrogram à un signal avec information de phase, afin de reconnaître le large éventail de travaux démontrés et futurs sur les signaux optiques.

Microwave signals are a fundamental pillar of modern wireless communications, sensing and ranging, and imaging. Analysing these signals in time and frequency simultaneously, produces one of the most intuitive descriptions available in signal processing. Joint time-frequency representations, such as the spectrogram, have been widely used from sound and speech processing techniques, to enabling the full characterization of the fastest electromagnetic waves produced by man or nature. For many applications this type of analysis must be done in real-time, but without gaps in acquisition.
Digital signal processing is too slow to provide real-time and gapless analysis of microwave signals with more than a few GHz bandwidths and variations below the scale of hundreds of nanoseconds. Earlier photonic spectrogram processing techniques have provided either the necessary speed (temporal resolution) or bandwidth, but not both. In this thesis, two new photonics spectrograms are presented which were developed in the Ultrafast Optical Processing group at the INRS, which achieve unprecedented performance in speed and bandwidth. The first, the Time Lens Spectrogram, can achieve both high bandwidth into the hundreds of GHz range as well as high temporal resolution down to tens of picoseconds. The second, the Talbot Array Illuminator Spectrogram, provides high frequency resolutions in the MHz range and hundreds of analysis points along the frequency axis. These two spectrograms create a single complementary system which is versatile and reconfigurable to address a wider range of applications.
Presented here are results for these two spectrograms applied to microwave signals, achieving the real-time and gapless analysis of tens of GHz bandwidth signals with sub-nanosecond time resolutions or sub-GHz frequency resolutions, as desired. A theoretical connection is made between the two spectrograms, facilitating an in-depth analysis of their trade-offs and comparisons. The capability of these photonics spectrograms to analyse signals with significantly higher bandwidth than the detection or digitization devices employed is demonstrated, for what will be called superbandwidth analysis. The application-oriented example of frequency hopping signals is utilized to emphasize that signals easily within the bounds of the proposed spectrograms are completely inaccessible to the state-of-the-art. Finally, this thesis demonstrates the Time Lens Spectrogram applied to a signal with phase information, to acknowledge the wide range of demonstrated and future work on optical signals.

Type de document:	Thèse Mémoire
Directeur de mémoire/thèse:	Azana, Jose
Mots-clés libres:	Spectrogramme ; analyse temps-fréquence ; photonique des micro-ondes ; lentille temporelle ; illuminateur de réseau Talbot ; communications cognitives ; Spectrogram ; Time-Frequency Analysis ; Microwave Photonics ; Time Lens ; Talbot Array Illuminator ; Cognitive Communications
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	23 mai 2024 16:12
Dernière modification:	09 juin 2024 04:00
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/15678

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