[论文解读] Microwave Analog Signal Processing (ASP) Based on Group Delay Engineering for High Speed and High Frequency Applications

Christophe Caloz, Shulabh Gupta+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2013

Microwave Engineering and Waveguides参考文献 34被引用 3

一句话总结

本文提出基于群时延工程的微波模拟信号处理（ASP），以支持高速、高频应用。通过设计具有定制化非线性群时延响应的变频器，实现了实时傅里叶变换，并支持可调脉冲延迟、频谱探测和高分辨率、大带宽的实时频谱分析等高级功能。

ABSTRACT

Analog signal processing (ASP) is presented as a systematic approach to address future challenges in high speed and high frequency microwave applications. The general concept of ASP is explained with the help of examples emphasizing basic ASP effects, such as time spreading and compression, chirping and frequency discrimination. Phasers, which represent the core of ASP systems, are explained to be elements exhibiting a frequency-dependent group delay response, and hence a nonlinear phase response versus frequency, and various phaser technologies are discussed and compared. Real-time Fourier transformation (RTFT) is derived as one of the most fundamental ASP operations. Upon this basis, the specifications of a phaser resolution, absolute bandwidth and magnitude balance are established, and techniques are proposed to enhance phasers for higher ASP performance. Novel closed-form synthesis techniques, applicable to all-pass transmission-type cascaded Csection phasers, all-pass reflection-type coupled resonator phasers and band-pass cross-coupled resonator phasers are described. Several applications using these phasers are presented, including a tunable pulse delay system, a spectrum sniffer and a realtime spectrum analyzer (RTSA). Finally, future challenges and opportunities are discussed.

研究动机与目标

• 解决下一代通信与传感系统中对高速、高频信号处理日益增长的需求。
• 通过利用模拟域处理，克服传统数字信号处理在实时、宽带应用中的局限性。
• 设计具有精确频率相关群时延响应的变频器，以实现时间压缩和频率辨别等基础ASP操作。
• 确立性能规范——分辨率、绝对带宽和幅度平衡，以指导实用ASP系统的设计。
• 通过先进的变频器设计，实现可调脉冲延迟、频谱探测和实时频谱分析等新型应用。

提出的方法

• 利用具有非线性群时延响应的变频器作为核心组件，在微波域内执行模拟信号处理。
• 基于变频器响应特性，推导出实时傅里叶变换（RTFT）作为基础ASP操作。
• 提出三种变频器类型的闭式合成技术：级联C节全通传输型、反射型耦合谐振器型以及带通交叉耦合谐振器型。
• 优化变频器设计，以提升分辨率、扩展绝对带宽并实现幅度响应均衡，从而增强ASP性能。
• 采用分布式和谐振结构实现变频器系统，以实现可调性与实时信号处理能力。
• 将变频器集成至功能系统中，如可调脉冲延迟系统、频谱探测器和实时频谱分析仪（RTSA）。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过变频器中的群时延工程实现在微波系统中的实时模拟信号处理？
• RQ2 定义高性能ASP系统的关键性能规范——分辨率、带宽和幅度平衡是什么？
• RQ3 闭式合成技术如何应用于多种变频器架构，以实现最优群时延响应？
• RQ4 基于变频器的系统在多大程度上能够支持频谱探测和实时频谱分析等高级应用？
• RQ5 在使用模拟域处理实现高速、高频ASP时，其基本权衡与设计约束是什么？

主要发现

• 本文确立了实时傅里叶变换（RTFT）作为由群时延工程化变频器所支持的基础操作。
• 成功开发了三种不同变频器架构的闭式合成技术：级联C节全通传输型、全通反射型耦合谐振器型以及带通交叉耦合谐振器型。
• 展示了具有增强分辨率和宽绝对带宽的变频器，实现了在高频应用中高保真度的信号处理。
• 基于所提出的变频器设计，实现了可调脉冲延迟系统，验证了对信号传输时间的控制能力。
• 实现了功能型频谱探测器和实时频谱分析仪（RTSA），验证了ASP框架的实际应用价值。
• 本研究识别出未来微波ASP发展中面临的关键挑战与机遇，特别是在向更高频率和更宽带宽扩展方面。