CN106814517B - 基于光子复制缓存辅助的模数转换方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光子复制缓存辅助的模数转换方法。该方法首先将待转换电信号调制于光载波上，生成第一调制光信号；利用光子复制缓存方法将第一调制光信号按照ΔT的时间间隔连续复制N‑1次，从而生成由第一调制光信号与N‑1个复制信号所组成的信号序列，N为大于等于2的整数，ΔT大于待转换电信号的脉冲时宽；将所述信号序列调制于重复周期T=ΔT/（n+1/N）的光脉冲上，得到第二调制光信号，n为自然数；最后对第二调制光信号进行光电转换，并将转换后电信号送入电模数转换器进行量化。本发明还公开了一种基于光子复制缓存辅助的模数转换装置。本发明能够基于低重复频率光脉冲和低速电模数转换器将等效采样率提高N倍，且系统结构简单。

Description

基于光子复制缓存辅助的模数转换方法及装置

技术领域

本发明涉及一种光模数转换方法，尤其涉及一种基于光子复制缓存辅助的模数转换方法及装置，属于微波光子学、信息光电子学、通信与信息系统、信号与信息处理等多学科交叉的技术领域。

背景技术

光模数转换将模拟信号转换成数字信号，是当前射频系统的重要功能单元。电子模数转换器在采样保持电路、弛豫时间、采样时钟精度等诸多方面存在着电子瓶颈的限制，已难以满足雷达等高性能射频系统对大带宽、高采样率、高有效比特位数和低定时抖动等的要求。利用光子辅助技术实现模数转换在复用、脉冲时间抖动、处理信号带宽、抗干扰、远距离传输等方面具有显著的优势。如何将光子技术引入到对模拟电信号的采样和量化过程中，突破电子瓶颈的限制，实现高速模数转换，已经成为当前的研究热点。

基于光子量化为核心的光子辅助模数转换技术(H.Taylor,"An electroopticanalog-to-digital converter,"Proc.of the IEEE,vol.63,no.10,pp.1524-1525,1975.),其关键是由多个具有不同电光强度调制特性的支路和电子比较器阵列构成的光子量化器；当输入信号变化时，各调制支路输出的光强按照不同的规律变化，各光电探测器将各路的光强转变为电信号，并送入电子比较器与判决门限进行比较。电子比较器阵列的输出即为电信号的模数转换结果。但是由于调制器的半波电压高，且高精度的调制特性“相移”难以实现，该种方法实现的光子辅助模数转换器的转换精度往往较低。

时域拉伸型光子辅助模数转换技术(A.M.Fard,S.Gupta,and B.Jalali,"Photonic time-stretch digitizer and its extension to real-time spectroscopyand imaging,"Laser& Photon.Rev.,vol.7,no.2,pp.207-263,2013.)，其关键在于利用光脉冲在色散介质中的展宽来在时域上拉伸待转换的模拟信号，然后采用低速的电模数转换完成模数转换。由于输入电模数转换器信号的时域变化被减缓，其带宽缩小，使得电模数转换对时钟抖动、模拟带宽的要求降低，并且提升了等效采样效率，从而拓展了先有模数转换器的性能。此外，人们还在偏振复用、连续信号多路并行拉伸等方面进一步拓展时域拉伸型光子辅助模数转换的性能(X.W.Ye,F.Z.Zhang,and S.L.Pan,"Photonic Time-StretchedAnalog-to-Digital Converter with Suppression of Dispersion-induced PowerFading Based on Polarization Modulation,"in the 2014 IEEE PhotonicsConference(IPC 2014),San Diego, USA,Oct.12-16,2014.)。但该方法仅能对特定到达时间的脉冲电信号进行采样，无法应用到达时间未知的信号采样。

光采样模数转换技术(G.C.Valley,"Photonic analog-to-digitalconverters,"Opt. Express,vol.15,no.5,pp.1955-1982,Mar.2007.)，其关键是利用光脉冲对输入的电信号进行采样。光脉冲被待转换电信号所调制，光电探测器将光脉冲序列携带的电信号提取出来并送入电模数转换器进行量化。这种光采样模数转换技术，利用了基于光子技术产生的激光脉冲的脉宽极窄、脉冲间隔时间抖动极小等特性，使得传统电模数转换中因时钟抖动导致的噪声和失真大大降低。但是该技术一方面需要用时分复用方法提高采样脉冲的重复频率(简称重频)，一方面要用并行架构降低每路的采样率以便后续低速电模数转换器进行量化，使得系统异常复杂，一致性和稳定性难以保证。

综上可知，亟需提供一种可基于低重复频率光脉冲和低速电模数转换器获得较高的等效采样率的光模数转换方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种基于光子复制缓存辅助的模数转换方法，能够基于低重复频率光脉冲和低速电模数转换器获得较高的等效采样率，且系统结构简单，大幅降低了成本和复杂度。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

基于光子复制缓存辅助的模数转换方法，首先将待转换电信号调制于光载波上，生成第一调制光信号；利用光子复制缓存方法将第一调制光信号按照ΔT的时间间隔连续复制N-1次，从而生成由第一调制光信号与N-1个复制信号所组成的信号序列，N为大于等于2的整数，ΔT大于待转换电信号的脉冲时宽；将所述信号序列调制于重复周期T＝ΔT/(n+1/N)的光脉冲上，得到第二调制光信号，n为自然数；最后对第二调制光信号进行光电转换，并将转换后电信号送入电模数转换器进行量化。

进一步地，先对第二调制光信号进行脉宽展宽，然后再进行光电转换。

优选地，利用半导体光放大器将所述信号序列调制于重复周期T＝ΔT/(n+1/N)的光脉冲上。或者，将所述信号序列调制于重复周期T＝ΔT/(n+1/N)的光脉冲上的方法具体如下：先对所述信号序列进行光电转换，然后将转换后的电信号通过电光调制器调制于重复周期T＝ΔT/(n+1/N)的光脉冲上。

根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案：

基于光子复制缓存辅助的模数转换装置，包括：

第一调制单元，用于将待转换电信号调制于光载波上，生成第一调制光信号；

光子复制缓存单元，利用光子复制缓存方法将第一调制光信号按照ΔT的时间间隔连续复制N-1次，从而生成由第一调制光信号与N-1个复制信号所组成的信号序列，N为大于等于2的整数，ΔT大于待转换电信号的脉冲时宽；

脉冲光源，用于生成重复周期T＝ΔT/(n+1/N)的光脉冲，n为自然数；

第二调制单元，用于将光子复制缓存单元生成的信号序列调制于脉冲光源生成的光脉冲上，得到第二调制光信号；

第一光电探测器，用于对第二调制光信号进行光电转换；

电模数转换器，用于对第一光电探测器输出的电信号进行量化。

进一步地，还包括设置于第二调制单元与第一光电探测器之间的脉宽展宽单元，用于对第二调制光信号进行脉宽展宽。

优选地，所述第二调制单元包括光耦合器、半导体光放大器，光耦合器的两个输入端分别与光子复制缓存单元的输出端、脉冲光源的输出端连接，光耦合器的输出端连接半导体光放大器的输入端。或者，所述第二调制单元包括第二光电探测器、电光调制器，第二光电探测器的输入端、输出端分别连接光子复制缓存单元的输出端、电光调制器的电信号输入端，电光调制器的光信号输入端连接脉冲光源的输出端。

优选地，所述光子复制缓存单元包括第一光耦合器、光开关、光放大器、光纤、第二光耦合器，第一调制单元的输出端连接第一光耦合器的第一输入端口，第一光耦合器的输出端依次与光开关、第二光耦合器、光纤、光放大器、第一光耦合器的第二输入端形成一个时延为ΔT的环路，第二光耦合器的第二输出端作为所述光子复制缓存单元的输出端。或者，所述光子复制缓存单元为基于微环的集成光子复制缓存芯片，其微环延时量为ΔT。

相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

本发明通过引入光子复制和缓存的方式，基于光子技术低损耗和大带宽的优势，复制和缓存待转换信号，从而可将等效采样率提高为光脉冲重频的N倍。

本发明克服了现有光子模数转换技术难以满足射频系统一体化收发的需求，本发明装置能够基于低重复频率的光脉冲和低速电模数转换器实现较高等效采样率的光子辅助模数转换，满足了射频系统的发射和接收一体化的需求，且系统结构简单，大幅降低了装置的成本和复杂度。

附图说明

图1为本发明模数转换装置的结构原理示意图；

图2为本发明第一个优选实施例的具体结构示意图；

图3给出了脉宽为50ns的待转换电脉冲信号，脉内波形为重频为20MHz的正弦信号；

图4给出了重频为100MHz的光脉冲对三个复制信号的采样结果；

图5(a)-图5(c)分别给出了对三个复制采样数据进行幅度归一化后的结果；

图6给出了对三个复制信号采样数据进行分插处理的结果以及相应的最终等效采样结果；

图7(a)给出了脉宽为80ns的待转换电脉冲信号，脉内信号为重频200MHz的正弦信号；图7(b)给出了经过光纤环复制后的信号序列的波形；

图8给出了重频为100MHz的光脉冲对五个复制信号采样的结果；

图9给出了对图8中五个复制信号采样数据进行分插处理的结果以及相应的最终等效采样结果；

图10为本发明第二个优选实施例的具体结构示意图。

具体实施方式

本发明的思路是通过将光子复制和缓存技术引入光子辅助模数转换过程，从而能够基于低重复频率光脉冲和低速电模数转换器获得较高的等效采样率。下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示，本发明基于光子复制缓存辅助的模数转换装置，包括：第一调制单元、光子复制缓存单元、脉冲光源、第二调制单元、第一光电探测器、电模数转换器。其中，第一调制单元用于将待转换电信号调制于光载波上，生成第一调制光信号；光子复制缓存单元利用光子复制缓存方法将第一调制光信号按照ΔT的时间间隔连续复制N-1次，从而生成由第一调制光信号与N-1个复制信号所组成的信号序列，N为大于等于2的整数，ΔT大于待转换电信号的脉冲时宽；脉冲光源用于生成重复周期T＝ΔT/(n+1/N) 的光脉冲，n为自然数；第二调制单元用于将光子复制缓存单元生成的信号序列调制于脉冲光源生成的光脉冲上(即利用光脉冲对所述信号序列进行采样)，得到第二调制光信号；第一光电探测器用于对第二调制光信号进行光电转换；电模数转换器用于对第一光电探测器输出的电信号进行量化。

由于光子复制缓存单元所输出信号序列(共N个信号)中相邻两个信号的时间间隔ΔT为(n+1/N)T，因此每两个相邻信号的采样时刻都相差T/N；对N个采样后的信号数据进行分插处理，相当于对单个信号进行了间隔为T/N的采样，从实现了N/T的等效采样率，将整个系统的采样率提高为光脉冲重频的N倍。

上述技术方案中，光子复制缓存单元可采用基于光纤环的光子复制缓存腔或基于微环的集成光子复制缓存芯片等方式实现，或者采用其它现有或将有的技术手段实现。

第二调制单元实际上是一个将光信号调制于光脉冲信号上的光光调制器，可采用先将信号序列进行光电探测，然后将探测到的电信号再进行电光调制的方式实现，或者利用半导体光放大器，基于交叉增益调制等非线性作用直接进行光光调制。

为了降低对第一光电探测器的性能要求，本发明可进一步在第二调制单元与第一光电探测器之间设置用于对第二调制光信号进行脉宽展宽的脉宽展宽单元(例如色散元件)，从而使得第一光电探测器能够更好地探测到光脉冲。

图2显示了本发明第一个优选实施例的结构，如图所示，该实施例中的模数转换装置包括：第一调制单元、光子复制缓存单元、锁模激光器、第二调制单元、色散元件、第一光电探测器和低速电模数转换器；光子复制缓存单元的光输出端口连接第二调制单元的光调制端口，第二调制单元的光输入端、光输出端分别与锁模激光器的输出端、色散元件的输入端相连；色散元件的输出端和第一光电探测器、电模数转换器依次相连；电模数转换器输出模数转换后的信号，实现了高等效采样率的模数转换。

其中，第一调制单元由激光器、第一电光调制器构成；光子复制缓存单元采用基于光纤环的光子复制缓存腔，基于光纤环的光子复制缓存腔由第一光耦合器、光开关、光放大器、光纤、第二光耦合器组成；如图2所示，激光器的输出和第一电光调制器的光输入口相连，待转换电信号输入端与第一电光调制器的电端口相连，第一电光调制器的光输出口连接到第一光耦合的第一输入端口，第一光耦合器的输出口依次和光开关、第二光耦合器、光纤、光放大器、第一光耦合器的第二输入端口相连构成基于光纤环的光子复制缓存腔；第二光耦合器的第二输出端口作为光子复制缓存单元的输出端口。

本实施例中的第二调制单元由第二光电探测器和第二电光调制器组成。第二光电探测器的光输入端口连接光子复制缓存单元的输出端口，第二光电探测器的电输出端口连接第二电光调制器的电输入端口。第二光电探测器的光输入端、第二电光调制器的光输出端分别作为第二调制单元的光输入端、光输出端。

锁模激光器产生重复周期为T的光脉冲；第一调制单元中的激光器输出的光载波频率为ω₀，接收到的待转换电信号通过第一电光调制器调制到光载波上，然后通过第一光耦合器和光开关进入到基于光纤环的光子复制缓存腔中；设置光子复制缓存腔的延时量为ΔT＝(n+1/N)T，n为自然数，N为大于等于2的整数，且ΔT大于待转换电信号的脉冲时宽。调制光信号在光纤环中每转一圈，就通过第二光耦合器的第二输出端口分出一部分信号能量进入第二调制单元，剩余能量继续在环内循环；光纤环内的光放大器补偿因分出环外而损失的信号能量；调制光信号在光子复制缓存腔内复制N-1次之后，便得到包含原始的调制光信号和N-1个复制调制光信号的信号序列，通过第二光耦合器的第二输出端口输出到第二调制单元的光调制端口。然后通过对基于光纤环的光子复制缓存腔内的光开关进行控制，将光子复制缓存腔内剩余信号完全排出腔外，避免对下一个进入光子复制缓存腔的信号造成影响。另一方面，第二光电探测器的电输出端和第二电光调制器的电输入端相连，将复制得到的N个调制光信号的信号序列调制到光脉冲上，进行采样后输入到色散元件；色散元件用于适当展宽光脉冲的脉宽，使得第一光电探测器能够探测到光脉冲；第一光电探测器对光采样后的信号实现光电转换，将信号序列携带的复制后的电信号提取出来，并送入电模数转换器进行量化。由于N个调制光信号所构成的信号序列中相邻两个信号的时间间隔为(n+1/N)T，因此每两个相邻信号的采样时刻都相差T/N；对N个采样后的信号数据进行分插处理，相当于对单个信号进行了间隔为T/N的采样，从实现了N/T的等效采样率，将整个系统的采样率提高为光脉冲重频的N倍。

图3给出了脉宽为50ns的待转换电脉冲信号，脉内波形为重频20MHz的正弦信号。

图4给出了锁模激光器产生的重频100MHz光脉冲对三个复制信号的采样结果。图5(a)-图5(c)分别给出了对三个复制信号的采样结果进行幅度归一化后的结果，图6 给出了对三个复制信号采样数据进行分插处理的结果以及相应的拟合结果，为最终的等效采样结果。可以看出，由于复制产生的信号序列中相邻两个信号的时间间隔为102ns ＝(10+1/5)×10ns,因此每两个相邻复制信号的采样时刻都相差10ns/5；对5个采样后的信号数据进行分插处理，相当于对单个信号进行了间隔为10ns/5＝2ns的采样，从实现了500MHz的等效采样率，将整个系统的采样率提高为光脉冲重频的5倍。

图7(a)给出了脉宽为80ns的待转换电脉冲信号，脉内信号为重频200MHz的正弦信号。图7(b)给出了经过光纤环复制后的信号序列，脉冲信号被有效复制了7次。

图8给出了重频100MHz的光脉冲对五个复制信号的采样结果。

图9给出了对图8中五个复制信号采样数据进行分插处理的结果以及相应的拟合结果，为最终的等效采样结果。

本发明模数转换装置的第二个优选实施例如图10所示，包括：第一调制单元、光子复制缓存单元、光耦合器、半导体光放大器、光脉冲产生器、色散元件、光电探测器和电模数转换器；光子复制缓存单元的光输出端口连接光耦合器的第一输入端口，光脉冲产生器的输出端连接光耦合器的第二输入端口，半导体光放大器的光输入端、光输出端分别与光耦合器的输出端、色散元件的输入端相连；色散元件的输出端和光电探测器、电模数转换器依次相连；电模数转换器输出模数转换后的信号，实现了高等效采样率的模数转换。

其中，第一调制单元由放大自发辐射光源、电光调制器构成，本实施例中的光子复制缓存单元采用基于微环的集成光子复制缓存芯片如图10所示，放大自发辐射光源的输出端和电光调制器的光输入口相连，待转换电信号输入端和电光调制器的电输入端口相连，电光调制器的光输出口连接到基于微环的集成光子复制缓存芯片的光输入口；集成光子复制缓存芯片实现复制缓存作用，其由微环、光放大器集成相连构成，开关控制信号加载到微环控制电极上，控制微环输出臂光信号的通断；集成光子复制缓存芯片的光输出端口作为光子复制缓存单元的光输出端口。

本实施例中以半导体光放大器作为第二调制单元，光脉冲发生器产生的光脉冲与集成光子复制缓存芯片输出的复制后的信号序列经由一个光耦合器一起输入半导体光放大器，基于交叉增益调制等非线性作用将复制后的信号序列调制到光脉冲上，实现对复制后信号序列的采样。

光脉冲发生器产生重复周期设为T的光脉冲；第一调制单元中的放大自发辐射光源注入到电光调制器中，接收到的待转换电信号通过电光调制器调制到该自发辐射光源上，并进入到基于微环的集成光子复制缓存芯片中；设置微环的延时量，使得光子复制缓存芯片中光传输一圈的延时量为ΔT＝(n+1/N)T,n为自然数，N为大于等于2的整数，且ΔT大于待转换电信号的脉冲时宽。信号在基于微环的集成光子复制缓存芯片中每转一圈，就通过光输出端口输出一部分信号能量进入光耦合器的第一输入端口，从而进入半导体光放大器，剩余能量继续在芯片内循环；芯片内的光放大器补偿因分出芯片外而损失的信号能量；信号在集成光子复制缓存芯片内复制N-1次之后，便复制得到包含N个光调制信号(一个原始光调制信号和N-1个复制信号)的信号序列。然后由微环上的开关控制信号控制，将集成光子复制缓存芯片内的剩余信号完全排出，避免对下一个进入集成光子复制缓存芯片的电信号造成影响。另一方面，集成光子复制缓存芯片的光输出端口和光耦合器的第一输入端口相连，光脉冲产生器输出口和光耦合器的第二输入端口相连，光耦合器将两部分光耦合，光耦合器的输出端口和半导体光放大器的光输入端口相连；光脉冲产生器产生重复周期为T的光脉冲，半导体光放大器在此作为光光调制器，基于交叉增益调制等非线性作用将复制后的信号序列调制到光脉冲上，对复制得到的由N个光调制信号组成的信号序列进行采样后输入到色散元件；色散元件用于适当展宽光脉冲的脉宽，使得光电探测器能够探测到光脉冲；光电探测器对光采样后的信号实现光电转换，将信号序列携带的复制后的电信号提取出来，并送入电模数转换器进行量化。由于N个调制光信号所构成的信号序列中相邻两个信号的时间间隔为 (n+1/N)T，因此每两个相邻信号的采样时刻都相差T/N；对N个采样后的信号数据进行分插处理，相当于对单个信号进行了间隔为T/N的采样，从实现了N/T的等效采样率，将整个系统的采样率提高为光脉冲重频的N倍。

综上，本发明提供的基于光子复制缓存辅助的模数转换装置实现了基于低重复频率光脉冲实现高等效采样率的光子辅助模数转换。本发明装置克服了现有光子模数转换技术难以满足射频系统一体化收发需求、系统实现复杂的缺点，针对现有技术难以利用低重频光脉冲实现高等效采样率的挑战，基于低重复频率光脉冲和光缓存复制结构构建高等效采样率的光子辅助模数转换，可实现信号射频直接采样，满足了射频系统的发射和接收一体化的需求，且系统结构简单，大幅降低了装置的成本和复杂度。这使得本发明可广泛用于未来雷达、电子对抗等收发一体化射频系统应用领域。

Claims (10)

1.基于光子复制缓存辅助的模数转换方法，其特征在于，首先将待转换电信号调制于光载波上，生成第一调制光信号；利用光子复制缓存方法将第一调制光信号按照ΔT的时间间隔连续复制N-1次，从而生成由第一调制光信号与N-1个复制信号所组成的信号序列，N为大于等于2的整数，ΔT大于待转换电信号的脉冲时宽；将所述信号序列调制于重复周期T=ΔT/（n+1/N）的光脉冲上，得到第二调制光信号，n为自然数；最后对第二调制光信号进行光电转换，并将转换后电信号送入电模数转换器进行量化。

2.如权利要求1所述模数转换方法，其特征在于，先对第二调制光信号进行脉宽展宽，然后再进行光电转换。

3.如权利要求1或2所述模数转换方法，其特征在于，利用半导体光放大器将所述信号序列调制于重复周期T=ΔT/（n+1/N）的光脉冲上。

4.如权利要求1或2所述模数转换方法，其特征在于，将所述信号序列调制于重复周期T=ΔT/（n+1/N）的光脉冲上的方法具体如下：先对所述信号序列进行光电转换，然后将转换后的电信号通过电光调制器调制于重复周期T=ΔT/（n+1/N）的光脉冲上。

5.基于光子复制缓存辅助的模数转换装置，其特征在于，包括：

第一调制单元，用于将待转换电信号调制于光载波上，生成第一调制光信号；

光子复制缓存单元，利用光子复制缓存方法将第一调制光信号按照ΔT的时间间隔连续复制N-1次，从而生成由第一调制光信号与N-1个复制信号所组成的信号序列，N为大于等于2的整数，ΔT大于待转换电信号的脉冲时宽；

脉冲光源，用于生成重复周期T=ΔT/（n+1/N）的光脉冲，n为自然数；

第二调制单元，用于将光子复制缓存单元生成的信号序列调制于脉冲光源生成的光脉冲上，得到第二调制光信号；

第一光电探测器，用于对第二调制光信号进行光电转换；

电模数转换器，用于对第一光电探测器输出的电信号进行量化。

6.如权利要求5所述模数转换装置，其特征在于，还包括设置于第二调制单元与第一光电探测器之间的脉宽展宽单元，用于对第二调制光信号进行脉宽展宽。

7.如权利要求5或6所述模数转换装置，其特征在于，所述第二调制单元包括光耦合器、半导体光放大器，光耦合器的两个输入端分别与光子复制缓存单元的输出端、脉冲光源的输出端连接，光耦合器的输出端连接半导体光放大器的输入端。

8.如权利要求5或6所述模数转换装置，其特征在于，所述第二调制单元包括第二光电探测器、电光调制器，第二光电探测器的输入端、输出端分别连接光子复制缓存单元的输出端、电光调制器的电信号输入端，电光调制器的光信号输入端连接脉冲光源的输出端。

9.如权利要求5或6所述模数转换装置，其特征在于，所述光子复制缓存单元包括第一光耦合器、光开关、光放大器、光纤、第二光耦合器，第一调制单元的输出端连接第一光耦合器的第一输入端口，第一光耦合器的输出端依次与光开关、第二光耦合器、光纤、光放大器、第一光耦合器的第二输入端形成一个时延为ΔT的环路，第二光耦合器的第二输出端作为所述光子复制缓存单元的输出端。

10.如权利要求5或6所述模数转换装置，其特征在于，所述光子复制缓存单元为基于微环的集成光子复制缓存芯片，其微环延时量为ΔT。