CN109254471B - 一种比特精度改善的光子模数转换方法及系统 - Google Patents

一种比特精度改善的光子模数转换方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种比特精度改善的光子模数转换方法及系统，利用飞秒脉冲激光器提供脉冲光源，由光纤分束器分成两路并行采样脉冲源，在电光调制器完成对模拟射频信号采样，通过光电探测器进行光电转换成为电信号，经射频运算电路模块运算处理后由比较器阵列进行阈值判决，判决完成后得到的四路数字信号即为模拟信号数字化后的信号。该光子模数转换系统与传统光子模数转换系统相比，不需要额外采用大量的比较器阵列来进行多阈值判决，只利用射频运算电路模块对射频信号进行加减运算来等效增加量化通道数，从而可以有效提高模数转换系统的比特精度，同时该系统具有结构简单、易集成等特点。

Description

一种比特精度改善的光子模数转换方法及系统
技术领域
本发明涉及光通信的信号处理领域，具体涉及一种比特精度改善的光子模数转换方法及系统。
背景技术
模数转换器(ADC)是连接现实模拟世界和数字化世界的桥梁。具有高采样率和高比特精度的模数转换器是现代模拟传感器和数字信号处理系统之间不可或缺的核心器件之一，在宽带雷达、电子侦察、软件无线电、实时测量等领域中发挥着重要作用。然而，由于存在固有的定时抖动和带宽瓶颈，传统的电子ADC的性能很难满足现代应用的需求，急需寻找一种新的技术来提高模数转换器的性能。
相比于电子ADC，光子ADC具有较大的优势，可以避免一系列电域固有的麻烦。首先，光子技术具有大带宽、低损耗、抗电磁干扰等特性，可以突破电子ADC的带宽瓶颈；其次，脉冲光源的时钟抖动已经达到飞秒量级，比电子时钟抖动低两个数量级，这使得实现采样速率达到100GS/s的ADC成为可能。因此，光子模数转换技术在信号处理方面具有很大的研究空间和巨大的应用前景。
早在1979年，Taylor首次提出基于马赫曾德尔调制器(MZM)阵列来实现光量化编码的方案。在方案中，各路调制器的传递函数不同，对于不同的输入电压，会得到不同的量化编码。但由于现有制造工艺的限制，调制器阵列的半波电压不可能随着ADC比特位数增加而呈2的倍数减小，因而此方案所获得的比特位数是有限的。为了避免这一问题，Stigwall提出利用空间MZ干涉结构来实现相移光量化。在他的方案中，空间干涉仪的其中一条臂上带有一个相位调制器，调制上模拟射频信号后与另一条臂的光信号发生空间干涉。由于光信号在空间的不同位置处具有不同的干涉输出，在一些特定位置处放置光电探测器(PD)阵列，可以得到所需的多路输出。但空间光干涉易受环境影响，为了提高系统的稳定性，一种采用偏振相关相位调制器的方案被提了出来，其利用光脉冲经过相位调制器产生两个偏振态正交的脉冲序列，对一个偏振方向的序列调制，达到和Stigwall空间MZ干涉类似的结构。在此基础上，采用半波电压相同的调制器阵列且通过控制调制器阵列的偏置电压来实现不同通道相移的方案可同样实现量化编码。但相移光量化方案的不足之处在于码元利用率不高，对于一个3比特精度ADC，需要四路通道来接收，而在Taylor方案中，实现相同比特精度的ADC只需要3路通道来接收。因此，通道数相同时相移光量化方案的比特精度较低。为了解决码元浪费的问题，可以引入折叠码(SNS)的编码方式，即每一路信号经过光电转换成电信号后由多个阈值不同的比较器进行量化，不过系统的结构较为复杂，尤其是比特数较大时，成本较高。
发明内容
本发明的目的在于解决传统相移光量化方案中比特精度较低的问题，提供一种结构简单、易集成、比特精度改善的光子模数转换系统。
本发明解决其技术问题所采用的方案如下：
一种比特精度改善的光子模数转换方法，包括以下步骤：
步骤一、由飞秒脉冲激光器发出的采样光脉冲经过光纤分束器，分成两路并行的采样脉冲源；
步骤二、两路采样脉冲分别在第一电光调制器、第二电光调制器同时对模拟射频信号进行采样，使采样光脉冲携带有模拟信号的信息，得到两个通道的输出光；
步骤三、两个通道的输出光分别在第一光电探测器、第二光电探测器中完成光电转换；
步骤四、第一光电探测器和第二光电探测器输出的两路电信号经射频运算电路模块运算处理后由比较器阵列进行阈值判决，判决完成后得到的四路数字信号即为模拟信号数字化后的信号。
进一步的，其中步骤二中，模拟射频信号是由信号发生器产生并同步输入到第一电光调制器和第二电光调制器。
进一步的，所述第一电光调制器和第二电光调制器的偏置电压由直流电源控制，分别偏置在调制器的最大点和线性点。
进一步的，步骤三中，两个通道的输出光在第一光电探测器、第二光电探测器中完成光电转换后，输出电流信号I1、I2表达式分别为：
Figure BDA0001889844560000031
Figure BDA0001889844560000032
其中，I0是与输入光功率和探测器响应度有关的常数，
Figure BDA0001889844560000033
为输入模拟信号引起的相移。
进一步的，步骤四中、两路电流信号在射频运算电路模块中进行加减运算，输出的四路电流信号C1、C2、C3、C4表达式分别为：
Figure BDA0001889844560000034
Figure BDA0001889844560000035
Figure BDA0001889844560000036
Figure BDA0001889844560000037
其中，I0是与输入光功率和探测器响应度有关的常数，
Figure BDA0001889844560000038
为输入模拟信号引起的相移。
进一步的，一种比特精度改善的光子模数转换系统，包括飞秒脉冲激光器、光纤分束器、第一电光调制器、第二电光调制器、信号发生器、直流电源、第一光电探测器、第二光电探测器、射频运算电路模块和比较器阵列；所述的飞秒脉冲激光器与光纤分束器相连；光纤分束器的一个输出端、第一电光调制器、第一光电探测器依次相连；光纤分束器的另一个输出端、第二电光调制器、第二光电探测器依次相连；第一电光调制器和第二电光调制器的射频口与信号发生器相连；第一电光调制器和第二电光调制器的直流偏置口与直流电源相连；第一光电探测器和第二光电探测器的输出端与射频运算电路模块的输入端相连；射频运算电路模块的输出端与比较器阵列相连。
由于采用上述技术方案，本发明的有益效果为：本发明提出的一种比特精度改善的光子模数转换系统，和传统光子模数转换系统相比，不需要额外采用大量的比较器阵列来进行多阈值判决，只利用射频运算电路模块对射频信号进行加减运算来等效增加量化通道数，从而可以有效提高模数转换系统的比特精度，同时该系统具有结构简单、易集成等特点。
附图说明
图1是本发明提出的一种比特精度改善的光子模数转换系统结构示意图。
图2是本发明提供的一种比特精度改善的光子模数转换系统的量化编码原理图。
图中：1、飞秒脉冲激光器，2、光纤分束器，3、光纤分束器第一个输出端口，4、光纤分束器第二个输出端口，5、第一电光调制器，6、第二电光调制器，7、信号发生器，8、直流电源，9、第一光电探测器，10、第二光电探测器10，11、射频运算电路模块，12、比较器阵列。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点比较清楚明白，以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明提出的一种比特精度改善的光子模数转换系统，包括飞秒脉冲激光器1、光纤分束器2、第一电光调制器5、第二电光调制器6、信号发生器7、直流电源8、第一光电探测器9、第二光电探测器10、射频运算电路模块11和比较器阵列12；所述的飞秒脉冲激光器1与光纤分束器2相连；光纤分束器2的输出端3、第一电光调制器5、第一光电探测器9依次相连；光纤分束器2的输出端4、第二电光调制器6、第二光电探测器10依次相连；第一电光调制器5和第二电光调制器6的射频口与信号发生器7相连；第一电光调制器5和第二电光调制器6的直流偏置口与直流电源8相连；第一光电探测器9和第二光电探测器10的输出端与射频运算电路模块11的输入端相连；射频运算电路模块11的输出端与比较器阵列12相连。
本发明所涉及的比特精度改善的光子模数转换系统的方法，具体如下：
如图1所示，三比特的ADC需要两路移相通道。
步骤一、由飞秒脉冲激光器1发出的采样光脉冲经过光纤分束器2，分成两路并行的采样脉冲源；
步骤二、两路采样脉冲分别在第一电光调制器5、第二电光调制器6同时对模拟射频信号进行采样，使采样光脉冲携带有模拟信号的信息，得到两个通道的输出光；
步骤三、两个通道的输出光分别在第一光电探测器9、第二光电探测器(10)中完成光电转换。每个通道中的光电调制器的传输函数与输入模拟信号的大小和偏置位置有关，第一电光调制器和第二电光调制器偏置在最大点和线性点。两个通道的输出光经过探测器光电转换后，输出电流信号可表达为：
Figure BDA0001889844560000051
Figure BDA0001889844560000052
其中I0是与输入光功率和探测器响应度有关的常数，
Figure BDA0001889844560000053
为输入模拟信号引起的相移。
步骤四、第一光电探测器9和第二光电探测器10输出的两路电信号经射频运算电路模块11运算处理后由比较器阵列12进行阈值判决，判决完成后得到的四路数字信号即为模拟信号数字化后的信号。随后两路电流信号在射频运算电路模块中进行加减运算，输出的四路电流信号表达式为：
Figure BDA0001889844560000061
Figure BDA0001889844560000062
Figure BDA0001889844560000063
Figure BDA0001889844560000064
如图2所示，四路输出电流信号的波形各不相同，且相互之间存在π4的相移。随后这些波形输入到比较器阵列进行阈值判决。各个通道的比较器阈值依次设为0.5，1，0.5和0。当信号大于阈值时，比较器输出“1”；当信号小于阈值时，比较器输出“0”。判决完成后得到的就是模拟信号数字化后的信号，如图2下方所示。可以发现，输出的二进制码是格雷码，可以尽量减小读取误差；另外，输出总共有8个码元，此光子ADC系统的比特精度为3bit，而采用传统的两路相移光量化方案则只能实现2bit的光子ADC。
本发明提出的一种比特精度改善的光子模数转换系统，与传统光子模数转换系统相比，不需要额外采用大量的比较器阵列来进行多阈值判决，只利用射频运算电路模块对射频信号进行加减运算来等效增加量化通道数，从而可以有效提高模数转换系统的比特精度，同时该系统具有结构简单、易集成等特点。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (5)

1.一种比特精度改善的光子模数转换方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、由飞秒脉冲激光器(1)发出的采样光脉冲经过光纤分束器(2)，分成两路并行的采样脉冲源；
步骤二、两路采样脉冲分别在第一电光调制器(5)、第二电光调制器(6)同时对模拟射频信号进行采样，使采样光脉冲携带有模拟信号的信息，得到两个通道的输出光；
步骤三、两个通道的输出光分别在第一光电探测器(9)、第二光电探测器(10)中完成光电转换；
步骤四、第一光电探测器(9)和第二光电探测器(10)输出的两路电信号经射频运算电路模块(11)运算处理后由比较器阵列(12)进行阈值判决，判决完成后得到的四路数字信号即为模拟信号数字化后的信号；两路电流信号在射频运算电路模块中进行加减运算，输出的四路电流信号C1、C2、C3、C4表达式分别为：
Figure FDA0003011961680000011
Figure FDA0003011961680000012
Figure FDA0003011961680000013
Figure FDA0003011961680000014
其中，I0是与输入光功率和探测器响应度有关的常数，
Figure FDA0003011961680000015
为输入模拟信号引起的相移。
2.根据权利要求1所述的一种比特精度改善的光子模数转换方法，其特征在于：其中步骤二中，模拟射频信号是由信号发生器(7)产生并同步输入到第一电光调制器(5)和第二电光调制器(6)。
3.根据权利要求1所述的一种比特精度改善的光子模数转换方法，其特征在于：所述第一电光调制器(5)和第二电光调制器(6)的偏置电压由直流电源(8)控制，分别偏置在调制器的最大点和线性点。
4.根据权利要求1所述的一种比特精度改善的光子模数转换方法，其特征在于：步骤三中，两个通道的输出光在第一光电探测器(9)、第二光电探测器(10)中完成光电转换后，输出电流信号I1、I2表达式分别为：
Figure FDA0003011961680000021
Figure FDA0003011961680000022
其中，I0是与输入光功率和探测器响应度有关的常数，
Figure FDA0003011961680000023
为输入模拟信号引起的相移。
5.一种比特精度改善的光子模数转换系统，其特征在于：包括飞秒脉冲激光器(1)、光纤分束器(2)、第一电光调制器(5)、第二电光调制器(6)、信号发生器(7)、直流电源(8)、第一光电探测器(9)、第二光电探测器(10)、射频运算电路模块(11)和比较器阵列(12)；所述的飞秒脉冲激光器(1)与光纤分束器(2)相连；光纤分束器(2)的输出端(3)、第一电光调制器(5)、第一光电探测器(9)依次相连；光纤分束器(2)的输出端(4)、第二电光调制器(6)、第二光电探测器(10)依次相连；第一电光调制器(5)和第二电光调制器(6)的射频口与信号发生器(7)相连；第一电光调制器(5)和第二电光调制器(6)的直流偏置口与直流电源(8)相连；第一光电探测器(9)和第二光电探测器(10)的输出端与射频运算电路模块(11)的输入端相连；射频运算电路模块(11)的输出端与比较器阵列(12)相连；两路电流信号在射频运算电路模块中进行加减运算，输出的四路电流信号C1、C2、C3、C4表达式分别为：
Figure FDA0003011961680000024
Figure FDA0003011961680000025
Figure FDA0003011961680000026
Figure FDA0003011961680000027
其中，I0是与输入光功率和探测器响应度有关的常数，
Figure FDA0003011961680000031
为输入模拟信号引起的相移。
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