CN110995270B

CN110995270B - 分段式光子数模转换器及其波形产生方法

Info

Publication number: CN110995270B
Application number: CN201911139581.6A
Authority: CN
Inventors: 李佳钉; 薛晓晓; 李尚远; 郑小平
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2019-11-20
Filing date: 2019-11-20
Publication date: 2022-10-25
Anticipated expiration: 2039-11-20
Also published as: CN110995270A

Abstract

本发明公开了一种分段式光子数模转换器及其波形产生方法，其中，该转换器包括M+N_b路数字码流调制单元、波分复用器和光电探测器，调制单元包括M+N_b个可调谐激光器、M+N_b个调制器和M+N_b路数字码源，M为一元加权结构的分支数，N_b为二进制加权结构的分支数，以组成一元加权结构和二进制加权结构；对于满足第一预设条件的比特位，采用一元加权结构，每路有相同的光功率，而对于满足第二预设条件的比特位，采用二进制赋权结构，光功率以2为倍数依次递减，使得每一路分别被不同的数字码率OOK调制和延时调整之后，在波分复用器中非相干叠加，以在光电探测器中转化为输出的目标模拟信号。本转换器可以实现同时较高的ENOB和较低的结构复杂度。

Description

分段式光子数模转换器及其波形产生方法

技术领域

本发明涉及信号产生技术领域，特别涉及一种分段式光子数模转换器及其波形产生方法。

背景技术

针对于射频的任意波形产生技术在现代通讯系统中发挥着重要的作用。随着现代通讯系统，例如雷达、通信、导航定位系统的发展，对产生信号的带宽和频率要求越来越高。而受限于电子信号的带宽、基准时钟的稳定性等因素，传统电域的直接频率合成、电DAC等方法产生的信号带宽、频率和信号质量，已经不能满足现代通信系统对于信号源的需求。而随着光电器件和技术的发展，光域任意射频信号产生技术近段时间受到研究人员广泛关注。由于光的频率高达数百THz，所以任意射频信号的光学产生方法具有大带宽、高频率和抗电磁干扰的优势。

相比于频域合成的光学任意波形产生方法，基于光子数模转换器(PDAC)的时域合成方法可以同时做到大时宽和大带宽。PDAC由于在光域进行数字到模拟的转换，可以有效克服传统电数模转换器的时钟抖动等问题，最近受到广泛关注。PDAC原理和电DAC类似，基于的是加权求和的结构。经过功率调整之后，多通道的光源分别被多路数字码流开关键控调制(OOK)。合路之后，在光电探测器中转化为目标的模拟微波信号。现有的PDAC都是采用的二进制赋权结构，即从最高比特位开始，每路的光功率依次折半减少。在这种结构下，尤其是在量化比特位数较高的PDAC中，最低比特位(LSB)的光功率非常低。因此，LSB的信噪比严重受限于PDAC中的固有噪声(激光器的相对强度噪声、光电探测器的散弹噪声等)，以至于二进制加权结构的PDAC的整体噪声性能较差，有效比特位(ENOB)较低。因此解决PDAC中LSB光功率较低的问题，对于提高PDAC的整体噪声性能和有效比特位有着重要意义。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种分段式光子数模转换器，相比于传统的二进制PDAC，该转换器大大提高了整体PDAC的噪声性能和有效比特位；相比于一元PDAC，结构更加简单，消耗的资源更少，进而可以实现同时具有高ENOB和较低结构复杂度的光子数模转换器。

本发明的另一个目的在于提出一种分段式光子数模转换器的波形产生方法。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种分段式光子数模转换器，包括：M+N_b路数字码流调制单元，所述M+N_b路数字码流调制单元包括M+N_b个可调谐激光器、M+N_b个调制器和M+N_b路数字码源，其中，M为一元加权结构的分支数，N_b为二进制加权结构的分支数，以组成一元加权结构和二进制加权结构；波分复用器和光电探测器，其中，对于满足第一预设条件的比特位，采用所述一元加权结构，每路有相同的光功率，而对于满足第二预设条件的比特位，采用所述二进制赋权结构，光功率以2为倍数依次递减，使得每一路分别被不同的数字码率OOK调制和延时调整之后，在所述波分复用器中非相干叠加，以在所述光电探测器中转化为输出的目标模拟信号。

本发明实施例的分段式光子数模转换器，在相同量化比特下，相比于传统的二进制赋权结构，本发明提出的结构中的LSB的光功率和信噪比得到有效地提升，因此大大提高了整体PDAC的噪声性能和有效比特位；而由于本分段式结构中同时存在二进制加权和一元加权，相比于全一元加权结构(PDAC中每一路的光功率都完全相等)，结构更加简单，消耗的资源更少，进而可以实现同时具有高ENOB和较低结构复杂度的光子数模转换器。

另外，根据本发明上述实施例的分段式光子数模转换器还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，每个可调谐激光器输出端与对应的调制器的输入端相连，每路数字码源的输出端分别与对应的调制器的微波输入端相连，每个调制器的输出端与所述波分复用器的输入端的相连，所述波分复用器的输出端与所述光电探测器的光输入口相连。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述波分复用器的各个通道对应的光波长与激光器的光波长对应。

进一步地，在本发明的一个实施例中，数字码源的码率大于所述目标模拟信号的两倍最高频率。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述光电探测器的响应速率大于所述目标模拟信号的最高频率。

进一步地，在本发明的一个实施例中，各激光器的激光频率间隔大于所述光电探测器的最大带宽。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述调制器的调制速率大于数字码源的码率。

为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种基于分段式光子数模转换器的波形产生方法，采用上述实施例所述的分段式光子数模转换器，其中，方法包括以下步骤：将目标信号进行以码源码率作为采样率进行采样，得到多个不同的采样点，并将所述多个不同的采样点进行量化，得到相应的离散量化值；通过预设关系式得到需要进行不同加权的量化值，并分别进行二进制加权量化和一元加权量化，得到M+N_b路非归零数字码流；根据所述M+N_b路非归零数字码流通过所述M+N_b路数字码流调制单元得到M+N_b路经过OOK调制之后的光信号；将所述M+N_b路经过OOK调制之后的光信号通过波分复用器耦合到一个光路中，得到一路光信号；将所述一路光信号通过所述光电探测器转换为电信号，得到所述目标模拟信号。

本发明实施例的基于分段式光子数模转换器的波形产生方法，在相同量化比特下，相比于传统的二进制赋权结构，本发明提出的结构中的LSB的光功率和信噪比得到有效地提升，因此大大提高了整体PDAC的噪声性能和有效比特位；而由于本分段式结构中同时存在二进制加权和一元加权，相比于全一元加权结构(PDAC中每一路的光功率都完全相等)，结构更加简单，消耗的资源更少，进而可以实现同时具有高ENOB和较低结构复杂度的光子数模转换器。

另外，根据本发明上述实施例的基于分段式光子数模转换器的波形产生方法还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述预设关系式为：

其中，X_i为第i个采样点对应的离散量化值，N_b为二进制加权部分的分支数，i为采样点序号，Y_i为需要进行一元加权的量化值，Z_i为需要进行二进制加权的量化值。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的分段式光子数模转换器的结构示意图；

图2为根据本发明实施例的分段式光子数模转换器的原理图；

图3为根据本发明实施例的分段式光子数模转换器具体实施方案框图；

图4为根据本发明实施例的基于分段式光子数模转换器的波形产生方法的流程图；

图5为根据本发明实施例的比特分段式PDAC原理图；

图6为根据本发明实施例的产生单频信号的有效比特数曲线图；

图7为根据本发明实施例的提供的3比特分段式PDAC产生的0～4GHz的LFMW信号的频谱图；

图8为根据本发明实施例的提供的3比特分段式PDAC产生的0～4GHz的LFMW信号的时频图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的分段式光子数模转换器及其波形产生方法，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的分段式光子数模转换器。

图1是本发明一个实施例的分段式光子数模转换器的结构示意图。

如图1所示，该分段式光子数模转换器10包括：M+N_b路数字码流调制单元100、波分复用器200和光电探测器300。

其中，M+N_b路数字码流调制单元100包括M+N_b个可调谐激光器、M+N_b个调制器和M+N_b路数字码源，其中，M为一元加权结构的分支数，N_b为二进制加权结构的分支数，以组成一元加权结构和二进制加权结构；波分复用器200和光电探测器300，其中，对于满足第一预设条件的比特位，采用一元加权结构，每路有相同的光功率，而对于满足第二预设条件的比特位，采用二进制赋权结构，光功率以2为倍数依次递减，使得每一路分别被不同的数字码率OOK调制和延时调整之后，在波分复用器中非相干叠加，以在光电探测器中转化为输出的目标模拟信号。本发明实施例的转换器10相比于传统的二进制PDAC，大大提高了整体PDAC的噪声性能和有效比特位；相比于一元PDAC，结构更加简单，消耗的资源更少，进而可以实现同时具有高ENOB和较低结构复杂度的光子数模转换器。

可以理解的是，针对现有的二进制加权结构的PDAC中存在着LSB的光功率低的问题，本发明实施例提出了一种分段式加权的光子数模转换器结构，结构图如图2所示。整个PDAC包括两种加权方式：二进制赋权和一元赋权。在较高的比特位，采用一元结构，每一路有着相同的光功率；而较低的比特位则采用二进制赋权结构，光功率以2为倍数依次递减。每一路分别被不同的数字码率OOK调制和精确的延时调整之后，在波分复用器(WDM)中非相干叠加。最后在光电探测器中转化为目标的模拟信号输出。

具体而言，如图2和图3所示，M+N_b路数字码流调制单元(M+N_b个可调谐激光器，M+N_b个调制器，M+N_b路数字码源，其中M+N_b为任意正整数，M为一元加权结构的分支数，N_b为二进制加权部分的分支数)，波分复用器，光电探测器；可调谐激光器输出端连接调制器的输入端，M+N_b路数字码源的输出端分别与M+N_b个调制器的微波输入端相连，调制器的输出端连接波分复用器的输入端，波分复用器的输出则与光电探测器的光输入口相连。

进一步，本发明实施例的转换器10的各部件实现如下：

波分复用器各个通道对应的光波长严格对应激光器的光波长；

数字码源的码率应大于目标模拟信号最高频率的两倍；

光电探测器的响应速率大于目标模拟信号的最高频率；

激光器采用常规激光器，各激光器的激光频率间隔大于光电探测器的最大带宽；

调制器的调制速率大于数字码源的码率；

在本发明的实施例中，令M＝3，N_b＝1激光器采用四通道的AgilentN7714A，四路激光器输出光的功率分别为16dbm、16dBm、16dBm、13dBm，波长分别为1548.19nm、1549.77nm、1541.38nm、1542.94nm；数字信号发生器为AWG70002A；通道波长与激光器的输出波长对应的四通道波分复用器，40GHz的光电探测器。

综上，本发明实施例提出的分段式光子数模转换器，在相同量化比特下，相比于传统的二进制赋权结构，本发明提出的结构中的LSB的光功率和信噪比得到有效地提升，因此大大提高了整体PDAC的噪声性能和有效比特位；而由于本分段式结构中同时存在二进制加权和一元加权，相比于全一元加权结构(PDAC中每一路的光功率都完全相等)，结构更加简单，消耗的资源更少，进而可以实现同时具有高ENOB和较低结构复杂度的光子数模转换器。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的基于分段式光子数模转换器的波形产生方法。

图4是本发明一个实施例的基于分段式光子数模转换器的波形产生方法的流程图。

如图4所示，该基于分段式光子数模转换器的波形产生方法，采用上述实施例分段式光子数模转换器，其中，方法包括以下步骤：

在步骤S401中，将目标信号进行以码源码率作为采样率进行采样，得到多个不同的采样点，并将多个不同的采样点进行量化，得到相应的离散量化值。

具体地，将目标信号进行以码源码率作为采样率进行采样，对于任意采样点Q_i，进行

个台阶的量化，最多可以得到

范围内

个不同的量化值X_i。

在步骤S402中，通过预设关系式得到需要进行不同加权的量化值，并分别进行二进制加权量化和一元加权量化，得到M+N_b路非归零数字码流。

具体地，将步骤S401中得到量化值X_i,根据预设关系式：

得到相应的Y_i,Z_i。其中a|b意为a整除b。

进一步地，将上述得到的Z_i进行N_bbit的二进制加权量化，得到1～N_b路的数字码流S_ij,j∈{1,2...N_b}，S_ij为第i个采样点第j路数字码的取值。将上述得到的Y_i进行一元加权量化，即分别与j-N_b相比较，其中j∈{N_b+1,N_b+2,...N_b+M}，得到：

在步骤S403中，根据M+N_b路非归零数字码流通过M+N_b路数字码流调制单元得到M+N_b路经过OOK调制之后的光信号。

具体地，将步骤S402产生的M+N_b路非归零数字码流S_ij，利用M+N_b个光电调制器，将其开关键控(OOK)调制到M+N_b路不同波长的激光上，这M+N_b路都为非相干光，每两路的波长之差都远大于数字信号的码率，每路光信号的光功率之比为

其中有M路的光功率为

得到N_b+M路经过OOK调制之后的光信号。

在步骤S404中，将M+N_b路经过OOK调制之后的光信号通过波分复用器耦合到一个光路中，得到一路光信号。

具体地，将S403得到的N_b+M路光信号通过波分复用器耦合到一个光路中，得到一路光信号。波分复用器有N_b+M个输入通道，且波分复用器的每个通道的中心波长对应着相应输入光信号的波长。

在步骤S405中，将一路光信号通过光电探测器转换为电信号，得到目标模拟信号。

具体地，将S404得到的光信号通过光电探测器转换为电信号，最终获得步骤S401设定的目标射频模拟信号波形。

下面将通过一个具体示例对基于分段式光子数模转换器的波形产生方法进行进一步阐述，具体如下：

以分支数(N_b+M＝)4为例，其N_b＝1，M＝3。实现了量化比特数为3的分段式加权的光子数模转换器结构。在实验中设置四路光源的波长分别为1548.19nm、1549.77nm、1541.38nm、1542.94nm，光功率之比为2:2:2:1。生成3bit量化的模拟信号的示意图如图5所示。其中前三分支的光功率相同，作为两比特的一元加权结构；最后一个分支采用二进制加权。对该结构产生的单频信号进行测试，有限比特位结果如图6所示，最大值高达2.94bits。利用该结构产生了0～4GHz的宽带线性调频信号，其频谱图和时频曲线分别如图7和图8所示。

需要说明的是，前述对基于分段式光子数模转换器实施例的解释说明也适用于该实施例的基于分段式光子数模转换器的波形产生方法，此处不再赘述。

根据本发明实施例提出的基于分段式光子数模转换器的波形产生方法，在相同量化比特下，相比于传统的二进制赋权结构，本发明提出的结构中的LSB的光功率和信噪比得到有效地提升，因此大大提高了整体PDAC的噪声性能和有效比特位；而由于本分段式结构中同时存在二进制加权和一元加权，相比于全一元加权结构(PDAC中每一路的光功率都完全相等)，结构更加简单，消耗的资源更少，进而可以实现同时具有高ENOB和较低结构复杂度的光子数模转换器。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种基于分段式光子数模转换器的波形产生方法，其特征在于，包括以下步骤：

将目标信号进行以码源码率作为采样率进行采样，得到多个不同的采样点，并将所述多个不同的采样点进行量化，得到相应的离散量化值；

通过预设关系式得到需要进行不同加权的量化值，并分别进行二进制加权量化和一元加权量化，得到M+N_b路非归零数字码流；

根据所述M+N_b路非归零数字码流通过M+N_b路数字码流调制单元得到M+N_b路经过OOK调制之后的光信号；

将所述M+N_b路经过OOK调制之后的光信号通过波分复用器耦合到一个光路中，得到一路光信号；

将所述一路光信号通过光电探测器转换为电信号，得到目标模拟信号；

其中，所述将目标信号进行以码源码率作为采样率进行采样，得到多个不同的采样点，并将所述多个不同的采样点进行量化，得到相应的离散量化值，包括：

将目标信号进行以码源码率作为采样率进行采样，对于任意采样点Q_i，进行

个台阶的量化，最多得到

范围内

个不同的量化值X_i；

所述通过预设关系式得到需要进行不同加权的量化值，并分别进行二进制加权量化和一元加权量化，得到M+N_b路非归零数字码流，包括：

将得到量化值X_i,根据预设关系式：

得到相应的Y_i,Z_i，其中a|b意为a整除b；

将得到的Z_i进行N_bbit的二进制加权量化，得到1～N_b路的数字码流S_ij,j∈{1,2...N_b}，S_ij为第i个采样点第j路数字码的取值，将上述得到的Y_i进行一元加权量化，分别与j-N_b相比较，其中j∈{N_b+1,N_b+2,...N_b+M}，得到：

所述根据所述M+N_b路非归零数字码流通过所述M+N_b路数字码流调制单元得到M+N_b路经过OOK调制之后的光信号，包括：

将产生的M+N_b路非归零数字码流S_ij，利用M+N_b个光电调制器，将其开关键控OOK 调制到M+N_b路不同波长的激光上，其中M+N_b路都为非相干光，每两路的波长之差都远大于数字信号的码率，每路光信号的光功率之比为

其中有M路的光功率为

得到N_b+M路经过OOK调制之后的光信号；

所述将所述M+N_b路经过OOK调制之后的光信号通过波分复用器耦合到一个光路中，得到一路光信号，包括：

将得到的N_b+M路光信号通过波分复用器耦合到一个光路中，得到一路光信号，波分复用器有N_b+M个输入通道，且波分复用器的每个通道的中心波长对应着相应输入光信号的波长；

其中，所述分段式光子数模转换器包括：

M+N_b路数字码流调制单元，所述M+N_b路数字码流调制单元包括M+N_b个可调谐激光器、M+N_b个调制器和M+N_b路数字码源，其中，M为一元加权结构的分支数，N_b为二进制加权结构的分支数，以组成一元加权结构和二进制加权结构；

波分复用器和光电探测器，其中，对于满足第一预设条件的比特位，采用所述一元加权结构，每路有相同的光功率，而对于满足第二预设条件的比特位，采用二进制赋权结构，光功率以2为倍数依次递减，使得每一路分别被不同的数字码率OOK调制和延时调整之后，在所述波分复用器中非相干叠加，以在所述光电探测器中转化为输出的目标模拟信号，其中，数字码源的码率大于所述目标模拟信号的两倍最高频率；所述光电探测器的响应速率大于所述目标模拟信号的最高频率；各激光器的激光频率间隔大于所述光电探测器的最大带宽；所述调制器的调制速率大于数字码源的码率。

2.根据权利要求1所述的基于分段式光子数模转换器的波形产生方法，其特征在于，每个可调谐激光器输出端与对应的调制器的输入端相连，每路数字码源的输出端分别与对应的调制器的微波输入端相连，每个调制器的输出端与所述波分复用器的输入端的相连，所述波分复用器的输出端与所述光电探测器的光输入口相连。

3.根据权利要求1所述的基于分段式光子数模转换器的波形产生方法，其特征在于，所述波分复用器的各个通道对应的光波长与激光器的光波长对应。