"Photonics-based time-frequency analysis and processing of high-speed electromagnetic waves."

Zhu, Xinyi (2024). "Photonics-based time-frequency analysis and processing of high-speed electromagnetic waves." Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en télécommunications, 184 p.

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Résumé

L'analyse et le traitement temps-fréquence (T-F) d'une onde électromagnétique (EM), allant des micro-ondes au domaine optique, sont indispensable dans divers domaines. La distribution T-F d'un signal révèle l’évoluent dans le temps, cruciale pour caractériser les signaux non stationnaires et décrire les états des canaux de télécommunication et les cibles en détection. Manipuler l'évolution temporelle des composantes spectrales d'une onde électro-magnétiques (EM) est critique pour résoudre de nombreux problèmes scientifiques et techniques, comme la sélection de canaux, la réduction du bruit/interférences et l'amélioration de l'efficacité spectrale. Les applications pratiques, incluant les systèmes de télécommunication de nouvelle génération et les plateformes Radar/Lidar, exigent une analyse T-F en temps réel de signaux dynamiques à haute vitesse (jusqu'à plusieurs dizaines de GHz de bande passante) avec une flexibilité définie par l'utilisateur. Réaliser une analyse spectrale et un traitement en temps réel avec ces spécifications reste un défi. Dans cette thèse, je développe une méthode pour analyser et manipuler les propriétés T-F des ondes EM adaptée aux signaux à haute vitesse. J'introduis l'équivalence entre la modulation par lentille temporelle et la propagation par dispersion du second ordre, offrant ainsi un aperçu de la relation temps-fréquence entre ces deux concepts. Sur cette base, je propose une architecture photonique pour un analyseur temps-fréquence, utilisant la modulation de phase temporelle et un milieu dispersif. Cette méthode permet de capturer le spectrogramme du signal entrant directement dans le domaine temporel, offrant un accès en temps réel à l’évolution des composantes spectrales du signal large bande. Cela est démontré avec les spécifications pratiques requises, permettant l'analyse des signaux à haute vitesse sur une bande passante complète approchant 100 GHz, incluant la capacité d'intercepter des signaux rapides aléatoires, avec une résolution temporelle de la nanoseconde et une résolution fréquentielle de l'ordre du MHz. Le spectrogramme cartographié dans le temps permet une manipulation via des techniques de modulation temporelle disponibles. Comme le spectre dynamique du signal est raporté le long du domaine temporel, on peut manipuler directement les composantes spectrales dynamiques en utilisant ces méthodes. Les opérations de cartographie temporelle peuvent être inversées pour reconstruire le signal traité T-F. En utilisant des composants de télécommunication disponibles, je démontre un contrôle arbitraire de la distribution T-F des signaux à haute vitesse programmable à l'échelle de la nanoseconde. Cette méthode représente une avancée significative dans la manipulation des propriétés T-F des ondes EM, répondant aux exigences strictes de nombreuses applications modernes et émergentes.

Time-frequency (T-F) analysis and processing of electromagnetic (EM) waves, ranging from the microwave to optical domains, are desired for various fields. The joint T-F distribution of a signal gives key information on how the frequency components change over time, providing a powerful tool to characterize non-stationary signals. This is essential for a wide range of fields, for instance to describe the states of telecommunication channels or target information in sensing. Moreover, manipulating the temporal evolution of an EM wave’s frequency components is crucial for solving many scientific and engineering problems. The capability of processing at will non-stationary signals is essential for channel selection, noise/interference mitigation, and improving spectral efficiency in communication and sensing systems. Practical applications, including nextgeneration telecommunication systems, Radar/Lidar platforms, require real-time T-F analysis and processing of dynamic signals at high speeds (up to tens of GHz bandwidth) with user-defined versatility. Achieving real-time spectral analysis and processing with these specifications remains challenging. In this thesis, I develop a method for analyzing and manipulating the T-F properties of arbitrary EM waves, suited for high-speed signals. I firstly introduce the equivalence between time-lens modulation and second-order dispersion propagation, providing insight into the time-frequency relationship between these two units. Based on this, I propose a photonic-based architecture for a time-frequency analyzer, using temporal phase modulation and dispersive medium. This method enables capturing the spectrogram of the incoming signal directly in the temporal domain, providing real-time access to the evolving frequency spectrum of the input broadband signal. This is demonstrated with the practical required specifications, i.e., enabling high-speed signals analysis over a full bandwidth approaching 100 GHz, including the capability of intercepting random fast signals, with nanosecond time resolution and MHz-level frequency resolution. The time-mapped spectrogram paves the way for user-defined manipulation via widely-available temporal modulation techniques. As the dynamic spectrum of the signal is consecutively mapped along the time domain, one can directly manipulate the time-varying frequency contents using available temporal modulation methods. The time-mapping operations can then be inverted to reconstruct the T-F-processed signal. Using off-the-shelf telecommunication components, I demonstrate arbitrary control of the T-F distribution of high-speed signals with nanosecond-scale programmability. This scheme is further applied for mitigating rapidly changing frequency interference and the direct synthesis of fast waveforms with customized T-F distributions. The method represents a significant advancement in manipulating the T-F properties of EM waves and it fulfils the stringent requirements for many modern and emerging applications.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Azana, Jose
Mots-clés libres:	Short-time Fourier transform (STFT) ; real-time spectral analysis ; microwave photonic filter ; signal processing ; group-velocity dispersion ; time lens ; transformation de Fourier à court terme (STFT) ; analyse spectrale en temps réel ; filtre photonique à micro-ondes ; traitement du signal ; dispersion de la vitesse de groupe ; lentille temporelle.
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	29 nov. 2024 15:55
Dernière modification:	29 nov. 2024 15:55
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/16220

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