CN105467717A - 一种基于时间拉伸的微波信号光学模数转换方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光电技术领域，特别涉及一种基于时间拉伸的微波信号光学模数转换方法及装置。本发明的方法，采用差分去包络技术，通过双输出调制器的互补输出特性，在数字域进行差分处理，消除脉冲包络非均匀性引入的失真，实现去包络的目的。利用环形器让两路互补输出信号在同一段色散介质的两个独立时序中实现拉伸，在降低色散介质成本的同时，保证了拉伸倍数的一致性。更重要的是有效避免了Jalali差分去包络方案对最大拉伸倍数的限制，显著地提高了连续时间光学模数转换系统的有效模拟带宽和有效采样速率。

Description

一种基于时间拉伸的微波信号光学模数转换方法及装置

技术领域

本发明涉及光电技术领域，特别涉及一种基于时间拉伸的微波信号光学模数转换方法及装置。

背景技术

数字信号系统具有灵活、抗干扰能力强、易处理、变换、加密和集成等诸多优势，然而自然界中的大部分信号都以模拟信号形式存在，为了充分利用数字系统的优势，人们常常用模数转换器(ADC，Analog-to-digitalconverter)将模拟信号转换成数字信号，再在数字系统中进行信号的处理、传输和存储。于是，ADC成为了构建数字化系统的关键，特别是在骨干网、电子系统中，对数字化处理的精度、速率和带宽提出了很高的要求。然而，由于载流子的迁移速率存在物理极限，电子ADC受到诸如采样时间抖动、采样保持电路设置时间、比较器不确定性、晶体管阈值失配等因素限制，采样速率每增加一倍，有效位数下降一位(R.H.Walden,Analog-to-digitalconvertersurveyandanalysis,IEEE.J.Select.AreasCommun.,Vol.17,1999:539-550)，导致其始终很难取得在10GHz以上带宽前提下的高精度突破。例如，目前最高速的电子模数转换器为美国Tektronix的16GHz带宽ADC，以及日本Fujitsu的15GHz带宽ADC，但它们的有效位数均低于6位。

光学ADC技术利用光脉冲高速、宽带、高稳定性等优点，完成高速、高精度的采样量化，被视为同时实现宽带、高精度模数转换的有效途径。按照光学技术在模数变换中所承担的角色，一般将光学ADC分为光学采样型、光学量化型、光学辅助型和光学采样量化型四种。其中，光学辅助型ADC是利用光子技术对模拟电信号进行预处理，再用电子ADC进行采样、量化和编码。光学预处理的目的在于改善电子ADC带宽、速率、量化精度等性能指标。

在光学辅助ADC技术中，最受业界关注的是光学时间拉伸ADC(TS-ADC)，该方案于1998年由美国加州大学洛杉矶分校的Jalali教授首次提出，它利用光学色散效应对微波信号进行降频预处理，从而有效提高电子ADC的模拟带宽和采样速率。例如，在拉伸倍数为M的情况下，电子ADC的模拟带宽B和采样速率S分别提高到和。基本原理是利用色散效应将线性啁啾光脉冲展宽，从而将调制在光脉冲上的微波信号同步拉伸降频，再用低速的电子ADC完成拉伸后微波信号的数字化。目前，单通道瞬态信号处理系统已实现了高达250倍的拉伸系数，以及10TS/s的有效采样速率，有效位数达4.5bits(J.Chou,O.Boyraz,etal.Femtosecondreal-timesingle-shotdigitizer.AppliedPhysicsLetters,2007,91(16):161105)。

然而，TS-ADC仍然存在技术性的关键问题有待解决，其中首要问题就是脉冲包络的非均匀性。为了提高系统的有效位数，必须去除脉冲包络的非均匀性和脉冲与脉冲间包络形状变化的影响。目前，最常用的方法是利用双输出MZM双端口的互补特性，将两个输出端口信号做差分处理。为了用一段色散介质实现两路互补信号的独立拉伸，需要在其中一个输出端加二分之一重复周期的时延后，再把两路耦合、同步拉伸。如此针对每一个脉冲进行差分处理就解决了包络随时间变化的问题。2003年，Jalali教授团队利用该方法，成功对一个采样速率高达120GS/s,模拟带宽24GHz的光学时间拉伸系统数据，进行了去包络处理(Y.Han,B.Jalali.Differentialphotonictime-stretchanalog-to-digitalconverter.ConferenceonLasersandElectro-OpticsOpticalSocietyofAmerica,2003)。对于连续时间的光学时间拉伸模数转换系统，待数字化的连续微波信号调制在由线性啁啾脉冲首尾相连构成的连续光载波上，再用色散效应将信号与光载波同步拉伸，利用波分复用器将降频后的信号切割，分别经由光电探测器和电子模数转换器完成光电变换和数字化转换。然而，连续时间系统的拉伸倍数受限于波分复用的通道数，这是因为拉伸倍数若大于波分复用的通道数，拉伸后，前后两个脉冲将因为同一波长分量在时间上的重叠而无法分辨。因此，如果将Jalali团队的差分去包络技术应用于连续时间系统，最大拉伸倍数是未应用差分去包络系统的一半。即此时最大有效带宽为，最大有效采样速率为。由此可见，虽然Jalali团队的差分去包络方案解决了系统包络非均匀性的技术问题，但却以牺牲拉伸倍数为代价，限制了系统有效带宽和有效采样速率的提升。

发明内容

本发明针对上述问题，提出一种基于时间拉伸的微波信号光学模数转换方法及装置。

本发明的技术方案：一种基于时间拉伸的微波信号光学模数转换方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.通过色散效应对光脉冲进行时间拉伸，获得啁啾连续光载波；

b.用待采样量化的高速模拟信号对连续光载波进行调制，将调制后的信号分路输出，每一路输出信号经过色散后再输出；

c.对步骤b中输出的信号进行光电转换，然后进行采样量化，完成模数转换。

具体的，步骤b的具体方法为：

将连续光载波信号输入双输出电光调制器，双输出电光调制器的一个输出端输出第一路调制信号，另一个输出端输出第二路调制信号；所述第一路调制信号经过色散介质后输出，输出信号的拉伸倍数M为其中，D1为步骤a中采用色散介质的总色散量，D2为步骤b中色散介质的总色散量；所述第二路调制信号经过相同的色散介质后输出；第一路调制信号与第二路调制信号具有互补关系。

本发明的方法，采用差分去包络技术，通过双输出调制器的互补输出特性，在数字域进行差分处理，消除脉冲包络非均匀性引入的失真，实现去包络的目的。利用环形器让两路互补输出信号在同一段色散介质的两个独立时序中实现拉伸，在降低色散介质成本的同时，保证了拉伸倍数的一致性。更重要的是有效避免了Jalali差分去包络方案对最大拉伸倍数的限制，显著地提高了连续时间光学模数转换系统的有效模拟带宽和有效采样速率。

一种基于时间拉伸的微波信号光学模数转换装置，包括锁模激光器1、第一色散介质2、偏振控制器3、连续光载波生成装置、双输出电光调制器7、第一环形器81、第二环形器82、第二色散介质9、第一波分复用器101、第二波分复用器102、光电探测器和电子模数转换器；所述锁模激光器1的输出端依次通过第一色散介质2、偏振控制器3和连续光载波生成装置后接双输出电光调制器7；所述双输出电光调制器7的第一输出端接第一环形器的第一端口，第一环形器的第二端口通过第二色散介质9后接第二环形器的第二端口，第一环形器的第三端口接第一波分复用器的输入端；双输出电光调制器7的第二输出端接第二环形器的第一端口，第二环形器的第三端口接第二波分复用器的输入端；第一波分复用器的输出端和第二波分复用器的输出端接光电探测器的输入端，光电探测器的输出端接电子模数转换器的输入端；

所述锁模激光器1用于产生超短光脉冲，经过第一色散介质2的群速度色散作用，引入线性啁啾，形成时间-波长的映射关系，使光脉冲展宽，预展宽后的脉冲经过偏振控制器3后进入连续光载波生成模块生成连续光载波；电光调制器7用于将待数字化的微波信号调制到连续光载波上并输出两路互补的调制信号。

本发明的有益效果为，即可去除脉冲包络引入的失真，也可消除包络随时间变化的不利影响，同时有效抑制偶次谐波及乘性噪声，实现系统信噪失真比和有效位数的提升；同时保证了两互补输出信号拉伸倍数的一致性；还能充分利用重复周期内的空白时间窗口资源，使系统的最大拉伸倍数较Jalali团队所提方案的提高了一倍，从而将系统的有效模拟带宽和有效采样速率也提高了一倍。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为Jalali团队方案脉冲拉伸前的时序图。

图3为Jalali团队方案脉冲拉伸后的时序图；

图4为实施例脉冲拉伸前的时序图；

图5为实施例脉冲拉伸后的时序图；

图6是将5GHz连续时间微波信号拉伸3.34倍，经过采样速率为10GS/s的电子ADC采样量化、4通道拼接后的信号恢复时域图；

图7是把4个通道的各一个光脉冲共102个点去包络拼接后进行傅里叶变换得到的频谱图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述

在如图1所示的连续时间光学模数转换系统中，锁模激光器1产生超短光脉冲，经过色散介质2的群速度色散作用，引入线性啁啾，形成时间-波长的映射关系，使光脉冲展宽。需要说明的是，此色散介质可以是色散补偿光纤(DCF)，也可以是比DCF插入损耗更小，色散值更大的线性啁啾光纤光栅和光子晶体光纤等。预展宽后的脉冲经过偏振控制器3后进入连续光载波生成模块。该模块由m分支的波分复用器4、波分复用器6，以及连接二者的m路保偏光纤延迟线5a至5n组成。为了能够承载连续时间电信号，在群速度更大的波长支路加入更长的保偏光纤延迟线；反之，群速度小的波长支路加入更少或者不加延迟线。如此，在波分复用器6合路之后形成首尾交叠的连续光载波，其中的交叠部分即可保证微波信号不被遗漏，也可用于后续数字信号处理中各通道间信号的校正。接着，由push-pull双输出电光调制器7将待数字化的模拟电信号调制在光脉冲的3dB带宽上。

调制器“+”输出端口的光脉冲从81环形器a端口入，b端口出，通过色散介质9，再由82环形器的b端口入，c端口出。由于色散的作用，光脉冲载波与调制在载波上的微波信号同步拉伸，拉伸倍数为

$M=\frac{D_1+D_2}{D_1}---\left(1\right)$

其中D₁为色散介质2的总色散量，D₂为色散介质9的总色散量。此时，微波信号频率降低了M倍，且前后两个光脉冲在时间上形成了交叠，但是由于时间-波长的映射关系，不同脉冲在交叠时间内的谱分量不同，因此可以利用波分复用器102将重叠的信号切割、分离为m份，经由光电探测器12a至12n完成光电转换，用电子模数转换器14a至14n实现“+”支路拉伸后模拟电信号的采样量化过程，并输入数字处理器15的“+”端口。数字处理器15的功能包括去包络处理和按时序拼接恢复拉伸后的电信号。

调制器输出“-”端口的连接方式与“+”端口的完全对称，输出光脉冲从82环形器a端口入，b端口出，通过色散介质9后，脉冲展宽、信号降频，再从81环形器的b端口入，c端口出，利用波分复用器101分路后，分别经过光电探测器11a至11n和电子模数转换器13a至13n完成光电转换和采样量化，并输入数字处理器15的“-”端口。

假设I_env(t)为没有调制信号时载波的光电流，如前所述，由于脉冲包络的不均匀性，它将是一个随时间变化的动态量，则调制器“+”“-”端口输出光电流分别为(2)(3)

$I_{+}=\frac{I_{env}\left(t\right)}{2}\·\[1+sin(m\·V(t\left)\right)\]---\left(2\right)$

$I_{-}=\frac{I_{env}\left(t\right)}{2}\·\[1-sin(m\·V(t\left)\right)\]---\left(3\right)$

其中m为调制系数，V(t)＝V_bias+V_RF(t)包括偏置电压V_bias和时变微波信号V_RF(t)。

对于小信号近似情况(m＜＜1)，(2)(3)式可以变换为(4)(5)式。

$I_{+}=\frac{I_{env}\left(t\right)}{2}\·\[1+m\·V\left(t\right)\]---\left(4\right)$

$I_{-}=\frac{I_{env}\left(t\right)}{2}\·\[1-m\·V\left(t\right)\]---\left(5\right)$

$V\left(t\right)=\frac{1}{m}\left(\frac{I_{+}-I_{-}}{I_{+}+I_{-}}\right)---\left(6\right)$

可见，push-pull双输出调制器的两输出端口具有互补特性。因此，通过公式(6)的差分处理，光源包络的非均匀性或者光学滤波器频谱非平坦特性导致的失真将被消除。除此之外，由于它可以对每一个脉冲单独处理，所以同时也消除了包络随时间变化的影响。

对于采用Jalali团队所提差分方案的连续时间TS-ADC系统，最大拉伸倍数将被限制在波分复用通道数的一半。以4通道系统为例，图2为采用Jalali差分法时，输入色散介质9的光脉冲时序，图3为色散介质9的输出光脉冲时序。由于此方法需要将互补的两路光信号合二为一，并且在同一个色散介质中传输，因此在合路之前需要在两光路之间引入二分之一周期的时延差，这样就有半个周期的时间窗口被占用，拉伸倍数被减小为一半，所以对于图2中波分为4通道的系统，最大拉伸倍数仅为2。而对于本发明提出的方法，其拉伸前后的脉冲时序分别如图4和图5所示。由于两互补光信号在色散介质中的不同时序中传输，所以避免了时间窗口不必要的占用，保证了拉伸倍数的最大化。对于图4中波分为4通道的系统，最大拉伸倍数为4。对比图3和图5可知，本方法较Jalali差分法的最大拉伸倍数增加一倍。另外，push-pull双输出调制器“+”“-”输出端的光电流可表示为(7)式。可见，两输出端的奇次项符号相反，偶次项符号相同，因此，按照(6)式进行差分运算后，所有偶次谐波项将被相除。除此之外，差分处理还能降低相对强度噪声等乘性噪声，有利于提高系统的信噪失真比，进而提高系统的有效位数。

实施例

以4通道连续时间光学时间拉伸系统的软件仿真为例。

本实施例光源采用被动锁模光纤激光器，设其重复频率为323.7MHz,输出平均光功率为77mW，中心波长1556.18nm，3dB带宽为12.16nm。输出脉宽为210fs的光脉冲首先经过长度为5000m的色散补偿光纤2，引入线性啁啾，实现波长与时间的映射。接着，光脉冲经过连续光载波生成模块，该模块包括两个通道数为4、通带宽度均为180GHz的波分复用器4和6，以及连接两者的保偏光纤延迟线。两两相邻通道间的延迟线长度差依次设置为0.34ns、0.64ns、0.94ns。组合后的相邻脉冲之间形成了0.08ns的时间交叠。然后，利用一个线性偏置下的push-pull马赫增德尔调制器(MZM)，将频率为5GHz的连续微波信号调制在连续光脉冲包络上。随后，调制器两互补输出的光信号分别经由两个环形器的指引，从正反两个方向通过色散补偿光纤9。设置色散补偿光纤9的长度为11.7km，那么系统拉伸倍数M为3.34，则此时脉冲宽度进一步展宽，预计微波信号拉伸后频率为1.497GHz。再分别利用一个4通道，且中心波长和带宽设置均与波分复用器4一致的波分复用器101和102，将正负两端的连续光信号分为离散的4路，再依次通过光电探测器的光电转换，以及采样速率为10GS/s、量化位数为8的电子ADC采样和量化，转化为离散电信号。最后把该数据送入数字信号处理器15进行式(6)的差分运算，按照调制器输入的脉冲时序把信号拼接、恢复成拉伸后的微波信号，并进行频谱分析。

本实例采用光学软件Optisystem进行仿真。最终，5GHz信号经过上述光学时间拉伸模数转换系统拉伸降频，以及去包络处理、时序拼接后，得到如图6所示的拉伸后采样量化信号。其中离散点为拉伸后数据的被采样数据点，可见采样速率为10GS/s，而实线是由这些采样点正弦函数拟合得到的连续微波信号，可见，拉伸后的信号频率约为1.5GHz，与已知拉伸倍数的拉伸后频率预算相符，而且采样点与曲线的拟合程度非常高，完全消除了脉冲包络的影响。为了进一步确定拉伸倍数和信号谐波失真情况，对图6中的离散采样点进行了傅里叶变换，得到图7的拉伸后微波信号频谱图。由图可知拉伸后信号频率为1.485GHz，与预算的1.497GHz存在12MHz的误差是由频率分辨率所致，拼接更多脉冲可以增大频率分辨率并且逼近准确的拉伸后频率。另外，可以看出323.7MHz处没有尖峰，说明脉冲包络已被完全消除，而且二次谐波处频率也没有明显尖峰，可见偶次谐波抑制效果显著。综上所述，该系统对连续微波信号实现了3.34倍的时间拉伸，实现了33.4GS/s的有效采样速率，且有效位数为6.5。若要进一步提高采样速率，只需增加波分复用器的通道数，同时增加色散介质9的色散量和减小波分复用器的通带宽度。

由具体实例可知，本发明提出了一种可对连续时间微波信号进行光学时间拉伸的模数转换方法，它具有有效采样速率高和有效位数高的优点，具有广阔的应用前景。

Claims (3)

1.一种基于时间拉伸的微波信号光学模数转换方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.通过色散效应对光脉冲进行时间拉伸，获得啁啾连续光载波；

b.用待采样量化的高速模拟信号对连续光载波进行调制，将调制后的信号分路输出，每一路输出信号经过色散后再输出；

c.对步骤b中输出的信号进行光电转换，然后进行采样量化，完成模数转换。

2.根据权利要求1所述的一种基于时间拉伸的微波信号光学模数转换方法，其特征在于，步骤b的具体方法为：

将连续光载波信号输入双输出电光调制器，双输出电光调制器的一个输出端输出第一路调制信号，另一个输出端输出第二路调制信号；所述第一路调制信号经过色散介质后输出，输出信号的拉伸倍数M为其中，D1为步骤a中色散效应采用色散介质的总色散量，D2为步骤b中色散介质的总色散量；所述第二路调制信号经过相同的色散介质后输出；第一路调制信号与第二路调制信号具有互补关系。

3.一种基于时间拉伸的微波信号光学模数转换装置，包括锁模激光器(1)、第一色散介质(2)、偏振控制器(3)、连续光载波生成装置、双输出电光调制器(7)、第一环形器(81)、第二环形器(82)、第二色散介质(9)、第一波分复用器(101)、第二波分复用器(102)、光电探测器和电子模数转换器；所述锁模激光器(1)的输出端依次通过第一色散介质(2)、偏振控制器(3)和连续光载波生成装置后接双输出电光调制器(7)；所述双输出电光调制器(7)的第一输出端接第一环形器的第一端口，第一环形器的第二端口通过第二色散介质(9)后接第二环形器的第二端口，第一环形器的第三端口接第一波分复用器(101)的输入端；双输出电光调制器(7)的第二输出端接第二环形器的第一端口，第二环形器的第三端口接第二波分复用器(102)的输入端；第一波分复用器(101)的输出端和第二波分复用器(102)的输出端接光电探测器的输入端，光电探测器的输出端接电子模数转换器的输入端；

所述锁模激光器(1)用于产生超短光脉冲，经过第一色散介质(2)的群速度色散作用，引入线性啁啾，形成时间-波长的映射关系，使光脉冲展宽，预展宽后的脉冲经过偏振控制器(3)后进入连续光载波生成模块生成连续光载波；电光调制器(7)用于将待数字化的微波信号调制到连续光载波上并输出两路互补的调制信号。