CN111404547B - 一种宽带毫米波信号模数转换方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带毫米波信号模数转换方法及系统。本方法为：1)将光脉冲输入双输出电光强度调制器的光口；通过该双输出电光强度调制器的电口接收待转换待毫米波信号；其中，毫米波信号的频率范围为[f₁,f₂]，光脉冲频率f₀满足

2)将双输出电光强度调制器的两臂输出的调制光信号分别转换回电信号v₁(t)、v₂(t)；然后对号v₁(t)、v₂(t)分别进行低通滤波、量化后得到信号V₁(t)、V₂(t)并输入数字信号处理单元；3)数字信号处理单元根据信号V₁(t)、V₂(t)计算得到待转换的毫米波信号转换后的数字信号。

Description

一种宽带毫米波信号模数转换方法及系统

技术领域

本发明涉及一种通过基于算法优化的光辅助手段实现宽带毫米波信号模数转换方法及系统。通过推导得到待模数转换的模拟电信号经过电-光-电转换后的数学表达形式，继而通过分析计算得到适合系统的优化算法及对应的工作频率区间。根据模拟电信号的频率调谐系统内光脉冲的重复频率，使毫米波信号的频率落在工作区间之内。通过施加最优的光频梳重复频率，以及应用所推导算法，使宽带毫米波信号经过整个系统后，以高精度转换为基带数字信号，属于微波光子学领域。

背景技术

模数转换器是电子学领域最基础的器件之一。将高载频、宽带的毫米波信号以较高精度转换为基带数字信号的高速模数转换器，当前在雷达、传感、高速通信等领域都有着深入的应用。而由于工艺限制，电子模数转换器很难同时实现高带宽以及高精度的模数转换功能，无法满足这些领域中的需要。因此业界迫切需要有一种能够以高精度将宽带毫米波信号转换为基带数字信号的模数转换方法。

针对使用电子模数转换器直接对宽带毫米波信号进行模拟转换存在困难的问题，传统改进方案是增加使用毫米波本振和工作在毫米波波段的混频器，将输入的宽带毫米波信号下变频为基带模拟信号后，再通过电子ADC进行模数转换。然而，这种方案往往要求准备多个毫米波本振，以应对不同频率的待转换毫米波信号，开销极大。此外，能够工作在毫米波波段的混频器较难制造，并且其噪声性能通常较差，使得最后得到的数字信号精度较差。

光电器件的带宽较大，通过光电手段来实现对宽带的毫米波信号进行模数转换是另一种方案。具体而言，可以将其分为两种技术方案，即光采样和光辅助。例如G.C.Valley在[G.C.Valley,“Photonic analog-to-digital converters,”Optics Express,2007,15(5):1955-1982]中展示了光采样方案，是首先通过电光强度调制器将待转换信号调制到作为时钟的光脉冲上，再使用光电探测器将携带电信号信息的光脉冲转换为电脉冲，最后通过辅助电路和电量化器将每个电脉冲的峰值进行采样保持和量化，全程需要保持光脉冲和电量化器的时钟同步。整个过程即实现了宽带毫米波信号到基带数字信号的转换。这种方案为了保持电脉冲的形状，电量化器前端的辅助电路带宽应不小于光脉冲重复频率的三倍。故光采样方案对电路的模拟带宽要求较高，同时光脉冲重复频率有限，多为1GHz以内，根据奈奎斯特定律，对应的带宽为0.5GHz以内，对宽带信号处理能力较弱。这种方案的优点在于电脉冲的形状保持相对较为完整，如果系统使用的是双输出电光强度调制器，则可以通过数学算法，来克服电光强度调制器引入的非线性，避免电-光-电转换的过程中引入过多的额外干扰，降低整个系统的转换精度。

另外一种光电手段是光辅助。与光采样类似，光辅助方案仍然是通过电光强度调制器将待转换信号调制到作为时钟的光脉冲上，然后用光电探测器将携带电信号信息的光脉冲转换为电脉冲，但是此方案中，辅助电路的带宽无需维持电脉冲的形状，只需大于光脉冲重复频率的一半，同时光脉冲和电量化器的时钟之间也无需复杂地保持同步。故光辅助方案对电路的模拟带宽要求较低，同时光脉冲重复频率可以较大，达到10GHz以上，根据奈奎斯特定律，对应的带宽为5GHz以内，可以满足大多数的宽带毫米波信号。这种方案的缺点在于电脉冲的形状由于较小的模拟带宽而被破坏，并且光脉冲和电量化器的时钟之间不同步，导致传统办法中即便使用了双输出电光强度调制器，也无法应用有效的数学算法来克服电光强度调制器引入的非线性，使得整个系统在经过电-光-电转换后，无杂散动态范围(SFDR)和信号噪声杂散比(SINAD)明显下降，降低了整个系统的模数转换精度。

发明内容

针对现有技术方案中存在的问题，本发明的目的在于提供一种通过基于算法优化的光辅助手段实现宽带毫米波信号模数转换方法及系统。本发明通过理论推导得到待模数转换的模拟电信号经过电-光-电转换后的数学表达形式，继而通过分析计算得到适合系统的优化算法及对应的工作频率区间，结合两种方案的优点，克服各自的缺点。根据模拟电信号的频率调谐系统内光脉冲的重复频率，使毫米波信号的频率落在工作区间之内。通过施加最优的光频梳重复频率，以及应用所推导算法，使宽带毫米波信号经过整个系统后，以高精度转换为基带数字信号。

高功率激光器输出连续种子光，并注入到光梳调制器的光口生成光脉冲，光梳调制器输出光脉冲的重复频率等于控制其电口的可调谐频率综合器输出信号的频率，光梳调制器的输出光信号经过单级掺饵光纤放大器进行光放大。由于掺饵光纤放大器在放大光信号的同时会引入额外噪声，而单级掺饵光纤放大器可以最小程度地降低光噪声的影响，故生成的光脉冲信号较为纯净，可尽量少地引入电-光-电转换过程中产生的电白噪声。将产生的光脉冲输入双输出电光强度调制器的光口，并且将待转换的毫米波信号(以单音信号为例)输入到双输出电光强度调制器的电口，使其对光脉冲的幅度进行调制。然后将双输出电光强度调制器的两臂输出光各输入到一个光电探测器中，将光信号转换回电信号。根据双输出电光强度调制器和光电探测器的工作原理和工作特性，两路光电探测器输出的电压信号v₁(t)、v₂(t)可以表示为如下形式：

其中t代表时间，ω₀代表光脉冲的重复角频率，R代表光电探测器的响应度，P代表输入电光强度调制器的光脉冲功率，Ω代表光电探测器输出端匹配负载的电阻大小，一般固定为50欧姆，v代表构成数学求和式的取值从1到正无穷的正整数；V_IN(t)代表输入的待模数转换毫米波信号的电压，V_AC代表该待模数转换毫米波信号的电压幅值，ω_S代表该待模数转换毫米波信号的频率，V_π代表双输出电光强度调制器的半波电压，M代表调制深度。

v₁(t)、v₂(t)经过辅助电路(模拟带宽为ω₀/4π)的滤波和电量化器的量化后，电量化器的输出可以表示为如下形式的V₁(t)、V₂(t)：

其中ω_r代表毫米波信号通过本方案转换到基带后的基带频率，NL(t)代表在滤波过程中产生的非线性成分，主要由对系统干扰最大的三次谐波构成。

通过理论计算，当且仅当输入的待模数转换毫米波信号的频率满足以下工作频率时，NL(t)取值为0：

kω₀-ω₀/6≤ω_s≤kω₀+ω₀/6,

ω_s＞0

只要使NL(t)取值为0，并且在电量化器后的数字信号处理单元执行如下数学算法，即可在数字信号处理单元的输出得到无畸变的基带数字信号，其中V_OUT(t)代表通过算法计算得到的数字信号：

为了成功得到无畸变的基带数字信号，需要根据待转换毫米波信号角频率ω_S的取值范围调整光脉冲重复角频率ω₀，使待转换毫米波信号频率一直落在系统工作频率范围中。假设输入的毫米波信号频率范围是[f₁,f₂]，为了对所有的频率取值，都保持NL(t)取值为0，光脉冲的重复频率f₀应满足如下关系，其中N应取值为可以使关系成立的最大正整数，并且不小于1：

例如，当输入的毫米波信号频率范围是[40GHz,43GHz]时：为了使该频段落在工作频率范围之内，根据不等式关系，N可取2，f₀的取值范围计算为[19.8GHz,20GHz]，通常根据方便可取为20GHz。即使用重复频率为20GHz的光脉冲，结合上述的数学算法，即可实现对频率范围是[40GHz,43GHz]的宽带毫米波进行高精度的模数转换。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

1.提供了一种针对宽带毫米波信号的模数转换的光电技术方案，利用光电器件的宽带特性，可以回避高频电子器件的不足。

2.与过往的光电方案相比，结合了光采样和光辅助中的优点，克服了缺点，可转换的信号瞬时带宽更大，同时在工作频率之内又抑制了电光强度调制器引入的非线性，提高了高精度，同时也降低了对辅助电路带宽的要求。

附图说明

图1为本发明宽带毫米波信号模数转换结构原理图；

图2为本发明仿真所得系统工作频率内外性能对比图；

图3为本发明实验所得对42.8GHz毫米波信号模数转换后的频谱图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的方案进行进一步详细描述。

本发明的方案原理如图1所示。稳定的高功率激光器输出连续的种子光，注入到光梳调制器生成光脉冲，该光梳调制器是由铌酸锂相位调制器置于法布里-珀罗腔当中构成。光梳调制器输出光脉冲的重复频率等于控制其电口的可调谐频率综合器输出信号的频率，因而可以在一定范围内进行调整。由于光梳调制器存在插损，其输出光信号需经过单级掺饵光纤放大器进行放大。由于掺饵光纤放大器在放大光信号的同时会引入额外噪声，而本发明所述的光脉冲产生方案只需单级掺饵光纤放大器，故生成的光脉冲信号较为纯净，可以较少地引入电-光-电转换过程中产生的电白噪声。生成的光脉冲信号送入双输出电光强度调制器的光口中，同时待模数转换的毫米波信号也通过双输出电光强度调制器的电口对输入的光脉冲信号进行幅度调制。双输出电光强度调制器的两臂输出分别输入到一个光电探测器中。光电探测器的输出电信号分别经过辅助电路低通滤波后，输入到电量化器中进行采样保持和量化。将两个电量化器的输出结果输入数字信号处理单元，数字信号处理单元可由独立计算芯片或者计算机构成，通过上述算法计算最终得到基带数字信号。

根据之前推导得到的数量关系，计算出光脉冲的最佳重复频率。这里指的最佳重复频率意为光脉冲的重复频率应在满足数量关系的同时保持尽量小(即N尽量大)，从而降低驱动光梳调制器的可调谐频率综合器的调谐压力，并且降低电光调制器和后端辅助电路的带宽压力。对于任何带宽(f₂-f₁)小于f₁/6的毫米波信号，一定可以通过上述计算找到至少一个合适的光脉冲重复频率，而这种带宽要求对于大多数情景的毫米波信号均可满足。在可调谐频率综合器上输入计算出的最优光梳重复频率，在数字信号处理单元对电量化器的输出V₁(t)、V₂(t)执行V_π/πsin^-1[(V₁(t)-V₂(t))/(V₁(t)+V₂(t))]的算法运算，即可得到高精度的基带数字信号。

通过仿真，可以得到系统工作频率内外性能的对比图如图2所示，调制深度M设置为0.25。SINAD为对模数转换系统精度的衡量，理论上计算可得，SINAD每提高6.02dB，对应的模数转换的有效位数即提高1位。横坐标采用归一化表示，考虑到实际应用，通常仅需考虑前三个通带的频率范围。可以看出，工作频率内外的SINAD差距大于10dB，意味着对应的模数转换有效位数相差1.5位以上。工作频率以外的区间无法使用本发明所提出的算法，代表了传统光辅助方案中，无算法支撑下的表现。而工作频率之内的区间则代表了本发明的基于算法的光辅助模数转换器的表现。

采用重复频率为20GHz的光脉冲，对42.8GHz的毫米波信号进行模数转换，得到频率为2.8GHz的基带数字信号，并计算其频谱如图3所示。可以看出，分别位于5.6GHz和8.4GHz的二次谐波干扰和三次谐波干扰都得到了明显抑制，SFDR达到了63dB，系统整体精度不在受限于电光调制器产生的非线性效应，而是受限于低速电量化器的量化噪声。系统整体的SINAD为37.1dB，对应的有效位数为5.9位，而所用电量化器的有效位数为5.7位，证明系统的电-光-电转换在实现从宽带毫米波信号向基带数字信号转换的同时，基本没有带来额外的精度损失。根据上述讨论，只要进一步优化系统中的低速电量化器的量化精度，即可进一步提高本系统的采样精度。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (10)

1.一种宽带毫米波信号模数转换系统，其特征在于，包括一双输出电光强度调制器、两光电探测器、两辅助电路、两量化器和一数字信号处理单元；

该双输出电光强度调制器的光口用于接收光脉冲，该双输出电光强度调制器的电口用于接收待转换待毫米波信号，并用接收的待转换毫米波信号对该光脉冲的幅度进行调制；

该双输出电光强度调制器的两臂输出端分别经一光电探测器、辅助电路与一量化器连接，两光电探测器用于将该双输出电光强度调制器输出的光信号转换回电信号v₁(t)、v₂(t)；两辅助电路分别用于对电信号v₁(t)、v₂(t)进行低通滤波后输入对应量化器，两量化器分别用于对输入信号进行量化后得到信号V₁(t)、V₂(t)；

两量化器与数字信号处理单元连接，用于将量化得到的信号输入该数字信号处理单元；

该数字信号处理单元，用于根据信号V₁(t)、V₂(t)计算得到待转换的毫米波信号转换后的数字信号V_OUT(t)；

其中，待转换的毫米波信号的频率范围为[f₁,f₂]，光脉冲的重复频率f₀满足

N取值为使关系

成立的最大正整数，并且不小于1。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，该数字信号处理单元通过

计算得到待转换的毫米波信号转换后的数字信号V_OUT(t)；其中V_π代表双输出电光强度调制器的半波电压。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，产生所述光脉冲的光脉冲单元包括一用于产生连续种子光的激光器，一可调谐频率综合器，该激光器的输出端与一光梳调制器的光口连接，用于生成光脉冲，该可调谐频率综合器的输出端与该光梳调制器的电口连接，用于控制所生成光脉冲的重复频率f₀，光脉冲的重复频率f₀等于可调谐频率综合器输出信号的频率，该光梳调制器输出端与一单级掺饵光纤放大器连接。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，该光梳调制器是由铌酸锂相位调制器置于法布里-珀罗腔中构成。

5.如权利要求1或2或3所述的系统，其特征在于，电信号v₁(t)、v₂(t)分别经过一模拟带宽为ω₀/4π的辅助电路滤波后输入到一对应所述量化器进行量化。

6.一种宽带毫米波信号模数转换方法，其步骤包括：

1)将重复频率f₀由可调谐频率综合器控制的光脉冲输入双输出电光强度调制器的光口；通过该双输出电光强度调制器的电口接收待转换待毫米波信号，并用接收的待转换毫米波信号对该光脉冲的幅度进行调制；其中，待转换的毫米波信号的频率范围为[f₁,f₂]，光脉冲的重复频率f₀满足

N取值为使关系

成立的最大正整数，并且不小于1；

2)将双输出电光强度调制器的两臂输出的调制光信号分别转换回电信号v₁(t)、v₂(t)；然后对电信号v₁(t)、v₂(t)分别进行低通滤波、量化后得到信号V₁(t)、V₂(t)并输入数字信号处理单元；

3)数字信号处理单元根据信号V₁(t)、V₂(t)计算得到待转换的毫米波信号转换后的数字信号V_OUT(t)。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，该数字信号处理单元通过

计算得到待转换的毫米波信号转换后的数字信号V_OUT(t)；其中V_π代表双输出电光强度调制器的半波电压。

8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，电信号v₁(t)、v₂(t)分别经过一带宽为1/2T₀的辅助电路滤波后再进行量化。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，产生所述光脉冲的方法为：首先通过一激光器输出连续种子光，并注入到光梳调制器的光口生成光脉冲，通过可调谐频率综合器输出设定频率的电信号，并注入到该光梳调制器的电口控制光脉冲的重复频率，然后将光梳调制器的输出光信号经过单级掺饵光纤放大器进行光放大产生所述光脉冲。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，该光梳调制器是由铌酸锂相位调制器置于法布里-珀罗腔中构成。

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