CN111786674B - 一种模数转换系统模拟带宽扩展的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模数转换系统模拟带宽扩展的方法及系统，其步骤包括：1)将带宽超过模数转换系统模拟带宽的宽带毫米波模拟信号电光调制在两套重复频率不同的光学频率梳上，通过光电转换在频谱上分别抓取该信号的半边频谱；当所述信号的频率范围不超过[f₁,f₂]时，两光频梳的重复频率为R₁、R₂，

2)将该半边频谱通过电子模数转换器转换为数字信号，然后通过数字信号处理对两段数字信号进行拼接和恢复。本发明实现了带宽的加倍扩展并保持原有的转换精度。

Description

一种模数转换系统模拟带宽扩展的方法及系统

技术领域

本发明涉及一种通过频谱分割实现模数转换系统模拟带宽扩展的方法及系统。将带宽超过模数转换系统模拟带宽的宽带毫米波模拟信号电光调制在两套重复频率不同的光学频率梳上，继而通过光电转换，在频谱上分别抓取宽带毫米波模拟信号的半边频谱，并将对应的时域信号分别通过电子模数转换器转换为数字信号，最后通过数字信号处理对两段数字信号进行拼接和恢复，从而实现模数转换系统模拟带宽的加倍扩展，并且不影响模数转换系统的转换精度，属于微波光子学领域。

背景技术

模数转换系统是电子学领域最基础的系统之一。随着宽带微波、毫米波在高速通信、宽带雷达、导航等领域的广泛应用，对高频、宽带的模拟信号进行高精度的模数转换变得十分重要。由于工艺限制，单纯的电子模数转换系统很难同时实现高载频、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。

光电器件的带宽较大，通过将待转换的模拟信号调制在光学频率梳上，可以在没有特定高频电本振的条件下，实现对高载频毫米波信号的下变频，再通过电子模数转换系统对下变频后的基带信号进行模数转换。然而这种方案仅解决了高载频信号模数转换的难题，整个系统的带宽仍受限于系统采样时钟所决定的奈奎斯特带宽和电子模数转换系统的模拟带宽。前者可以通过采样时钟的重复频率倍频直接扩展，目前已有较成熟的技术方案。而后者则取决于模数转换辅助电路中电放大器、电滤波器等电子元件的模拟带宽，仅能通过材料和工艺的逐渐改进来提升，故在高模拟带宽的基础上难以实现加倍的模拟带宽提升，并且在提升的过程中，电子元件的噪声系数会进一步恶化，从而影响模数转换系统的转换精度。因此业界迫切地需要一种有效的手段对模数转换系统的模拟带宽进行提升。考虑到上述基于光学频率梳的光电方案可以实现对高载频信号的下变频，若能在此基础上构建模拟带宽扩展系统，则系统可以同时满足对高载频、高带宽的模拟信号进行高精度模数转换的需求。

光电时钟同步时域交错方案是一种基于光学频率梳的模拟带宽扩展方案，麻省理工大学的F.X.

小组在[F.X.

“Photonic ADC:overcoming the bottleneckof electronic jitter,”Optics Express,2012,20(4):4454-4469]中展示了这种方案。该方案通过光电器件实现了时域上的双路复用，以时域复用的办法实现了整个模数转换系统模拟带宽的加倍扩展。但该方案要求光时钟和电时钟保持严格的同步，即需通过初始校准使得同步通道和信号通道之间长度严格相等。实际应用中，二者之间的长度匹配极易受到外界干扰。对于高重频的光频梳，1mm的长度不匹配就足以使模数转换系统的输出信号产生显著的畸变，因而系统难以满足长时间的连续采样需求。此外该方案还要求模数转换辅助电路的模拟带宽精确等于每一路的奈奎斯特带宽(即光频梳重频的一半)，否则系统会产生信号丢失或镜频干扰的问题，但实际电子元件的模拟带宽总是会存在误差或不理想的滚降。这两大挑战极大地限制了该方案在长时高带宽条件下的模拟带宽扩展应用。

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出一种通过频谱分割实现模数转换系统模拟带宽扩展的方法及系统。本发明将带宽超过模数转换系统模拟带宽的宽带毫米波模拟信号电光调制在两套重复频率不同的光学频率梳上，继而通过光电转换，在频谱上分别抓取模拟信号的半边频谱，并将该半边频谱通过电子模数转换器转换为数字信号，最后通过数字信号处理对两段数字信号进行拼接和恢复，这样电子模数转换器的模拟带宽仅需等于半边频谱所覆盖的带宽，即初始模拟信号带宽的一半，模数转换系统的整体模拟带宽则等于电子模数转换器模拟带宽的两倍，从而实现了模数转换系统模拟带宽的加倍扩展，并同时保持原有的转换精度。与现有技术方案的原理相比，本发明放弃了时域复用的技术，而改用频域切分的技术，故本方案无需维持光时钟和电时钟之间的同步，省去了系统装置中的同步线，避免了同步失配对长时工作稳定性和转换精度的干扰。此外，本方案采样数字滤波对采样后信号进行整形，相较于模拟滤波器，数字滤波器可以很容易实现非常理想的滚降系数，有效克服了现有技术方案中存在的信号丢失或镜频干扰的问题。

本发明的技术方案为：

一种模数转换系统模拟带宽扩展的方法，其步骤包括：

1)将带宽超过模数转换系统模拟带宽的宽带毫米波模拟信号电光调制在两套重复频率不同的光学频率梳上，通过光电转换在频谱上分别抓取该信号的半边频谱；当所述信号的频率范围不超过[f₁,f₂]时，第一套光频梳的重复频率设置为R₁、第二套光频梳的重复频率设置为R₂；

2)将该半边频谱通过电子模数转换器转换为数字信号，然后通过数字信号处理对两段数字信号进行拼接和恢复。

进一步的，m、n的取值为使不等式

成立范围内的最大值。

进一步的，所述数字信号处理单元对输入的两段数字信号进行低通滤波，然后对其中一段数字信号进行补偿载波，最后将载波补偿后的数字信号与另一段低通滤波后的数字信号相加，完成拼接和恢复，得到模拟带宽扩展后的数字采样结果。

一种模数转换系统模拟带宽扩展系统，其特征在于，包括两扩展支路和一数字信号处理单元，每一扩展支路包括一光频梳发生器、一电光强度调制器、一光电探测器、一模数转换辅助电路和电子模数转换器；其中，每条扩展支路的光频梳发生器输出端与电光强度调制器的光口连接，用于将产生的光频梳输入电光强度调制器，待转换的宽带毫米波模拟信号输入到该电光强度调制器的电口，在频域上实现该宽带毫米波模拟信号对光频梳的调制；该电光强度调制器的输出光输入到光电探测器中，将光信号转换回电信号；光电探测器的输出端与模数转换辅助电路连接，用于将输出的电信号送入模数转换辅助电路进行预放大和抗混叠低通滤波，模数转换辅助电路与电子模数转换器连接，用于将处理后的电信号送入电子模数转换器中进行采样量化；电子模数转换器与数字信号处理单元连结，用于将输出的数字信号送入数字信号处理单元，所述数字信号处理单元对两扩展支路输入的数字信号进行拼接和恢复，得到模拟带宽扩展后的数字采样结果；当所述信号的频率范围不超过[f₁,f₂]时，第一扩展支路的光频梳的重复频率设置为R₁、第二扩展支路的光频梳的重复频率设置为R₂；

进一步的，所述模数转换辅助电路包含电放大器和电滤波器；其中电放大器用于对输入的电信号进行预放大；电滤波器的带宽等于所述宽带毫米波模拟信号带宽的一半，用于对输入的电信号进行抗混叠低通滤波。

进一步的，所述光频梳发生器经一单级掺饵光纤放大器与电光强度调制器的光口连接。

进一步的，两套光频梳的种子光不相干。

本方案采用两套独立的光频梳，两套光频梳的种子光无需相干，光频梳的产生由光梳调制器来实现。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频梳，光频梳的重复频率由输入光梳调制器电口的可调谐频率综合器输出信号的频率所控制设定。光梳调制器的输出光频梳经过单级掺饵光纤放大器进行光功率放大。将两套重复频率经过设定的光频梳分别输入到两个独立电光强度调制器的光口，待转换的宽带毫米波模拟信号输入到两个电光强度调制器的电口，则在频域上实现了宽带毫米波模拟信号对两套光频梳的调制。两个电光强度调制器的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。然后送入包含电放大器和电滤波器的模数转换辅助电路进行预放大和抗混叠低通滤波，从而使其满足后级电子模数转换器的量化电平要求。经模数转换辅助电路预处理后的电信号被送入电子模数转换器中进行采样量化，其输出的数字信号送入数字信号处理单元。在该过程中，由于电子通过分别设置两套光频梳的重复频率，可以在频谱上使待转换模拟信号的不同频谱区域分别位于两套光频梳的光梳齿附近。光电检测后，通过模数转换辅助电路的低通滤波(带宽约等于待转换模拟信号带宽的一半)仅保留光梳齿附近的频谱，即带宽为待转换宽带毫米波模拟信号带宽一半的频谱，则两条电-光-电链路最终得到的信号分别占宽带毫米波模拟信号频谱的一半，通过数字信号处理单元进行数字低通滤波(带宽等于宽带毫米波模拟信号带宽的一半)，而后使其中一个通道与一余弦函数相乘，即补偿载波，最后将两通道相加，则拼接恢复得到了模拟带宽扩展后的数字采样结果。即首先对两扩展支路输入的数字信号进行低通滤波，然后对第一扩展支路的数字信号进行补偿载波，最后将第一支路载波补偿后的数字信号与第二扩展支路低通滤波后的数字信号相加，得到了模拟带宽扩展后的数字采样结果。

在上述过程中，为了在频谱上实现待转换宽带毫米波模拟信号的不同频谱区域位于两套光频梳的光梳齿附近，需要根据待转换宽带毫米波模拟信号的频率范围[f₁,f₂]，设定两套光频梳的重复频率R₁、R₂。假设未进行模拟带宽扩展前，电子模数转换系统的模拟带宽为f_BW，则为了避免信号丢失，则两套光脉冲的重复频率R₁、R₂应满足下式，其中m、n均为正整数。

同时为了避免光电检测后电信号正负边带的混叠，重复频率R₁、R₂还应满足下式。

R₁-(f₂-f₁)≥f_BW

考虑到最节约初始模拟带宽的情况，即电子模数转换系统的初始模拟带宽刚好为待转换宽带毫米波模拟信号带宽的一半，即f_BW＝(f₂-f₁)/2，上面三式可以转化为下述形式。

通过上面转化后的二式即可计算出适合实际信号频率范围的光脉冲重频，m和n一般取值为使不等式成立范围内的最大值。例如，待转换宽带毫米波模拟信号频率范围为[30GHz,40GHz]，则根据上面转化后的二式，R₁、R₂可以取值为15GHz、20GHz或30GHz、40GHz。需要注意的是，输入的频率范围不需要严格满足[f₁,f₂]，而只需要为其子集即可。这也就是说，频率范围为[31GHz,39GHz]的宽带毫米波模拟信号同样可以通过R₁、R₂取值为15GHz、20GHz或30GHz、40GHz的该系统实现模拟带宽扩展下的模数转换。因此在实际应用中，考虑到光频梳重复频率设定便利性的因素，可以选择距离实际频率范围最近的整数[f₁,f₂]，来设定相应的光频梳重复频率。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

1.本发明提供了一种扩展模数转换系统模拟带宽的光电技术方案，可以实现对高频、宽带模拟信号的模数转换，回避了高频电子器件的匮乏和不足。

2.与过往的时域复用方案相比，本发明的频域切分方案采用了数字低通滤波，降低了对模数转换辅助电路中模拟低通滤波器的滚降要求，提高了整个转换系统的精度；允许光、电时钟异步工作，省去了过往装置中的同步线路和步骤，避免了同步失配对系统长时工作稳定性和转换精度的干扰。

附图说明

图1为本发明模数转换系统模拟带宽扩展结构原理图；

图2为本发明数字信号处理单元运算原理图；

图3为30GHz重频光频梳通道中得到的数字信号时域波形及频谱图；

(a)为30GHz重频光频梳通道中得到的数字信号时域波形，

(b)为30GHz重频光频梳通道中得到的数字信号频谱图；

图4为40GHz重频光频梳通道中得到的数字信号时域波形及频谱图；

(a)为40GHz重频光频梳通道中得到的数字信号时域波形，

(b)为40GHz重频光频梳通道中得到的数字信号频谱图；

图5为整个模拟带宽扩展系统得到的数字信号时域波形及频谱图；

(a)为整个模拟带宽扩展系统得到的数字信号时域波形，

(b)为整个模拟带宽扩展系统得到的数字信号频谱图。

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。本方案采用两套独立的光频梳，激光器输出连续的种子光，注入到光梳调制器生成光频梳，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，因而可以根据需要进行设定。输出光频梳的光功率需经过单级掺饵光纤放大器进行放大。两套重复频率经过设定的光频梳分别输入到两个独立电光强度调制器的光口，待转换的宽带毫米波模拟信号输入到两个电光强度调制器的电口，则在频域上实现了宽带毫米波模拟信号对两套光频梳的调制。两个电光强度调制器的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，然后送入模数转换辅助电路及电子模数转换器中，其输出的数字信号送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。由于两套光频梳的重复频率不同，两条电-光-电链路最终得到的信号分别占宽带毫米波模拟信号频谱的一半。通过数字信号处理对两路数字信号进行数字低通滤波，并拼接恢复得到模拟带宽扩展后的采样结果，数字信号处理单元内的运算原理图如图2所示。

根据之前推导得到的数量关系，为了两路光频梳分别实现对宽带毫米波模拟信号不同频谱区域的抓取，可根据信号的频率范围[f₁,f₂]，设定两套光频梳的最佳重复频率。这里指的最佳重复频率意为光脉冲的重复频率应在满足上述推导的R₁、R₂数量关系的同时保持尽量小(即m，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。对于任何待转换宽带毫米波模拟信号的频率范围，一定可以通过上述计算找到至少一对合适的光脉冲重复频率。

采用重复频率分别为30GHz、40GHz的两套光频梳，将电子模数转换系统的模拟带宽从6GHz扩展为10GHz。测试信号为双音模拟信号，频率为32GHz和39GHz。该双音模拟信号输入本方案模拟带宽扩展的模数转换系统后，32GHz(30～35GHz)频谱分量由上方的电-光-电链路所抓取并进行模数转换，39GHz(35～40GHz)频谱分量由下方的电-光-电链路所抓取并进行模数转换。上、下链路最终得到的数字信号时域波形和频谱分别如图3、图4所示，模数转换的有效位数通过计算分别为6.0位和5.9位。通过数字信号处理单元对两路数字信号进行数字低通滤波，并拼接恢复得到模拟带宽扩展后的采样数字信号，对应的时域波形和频谱如图5所示，模数转换的有效位数通过计算为6.0位。该实验结果也证明了本方案在扩展系统模拟带宽的同时，基本没有带来额外的采样精度损失，系统整体的有效位数仍与模拟带宽扩展前的位数相同。

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 (8)

1.一种模数转换系统模拟带宽扩展的方法，其步骤包括：

1)将带宽超过模数转换系统模拟带宽的宽带毫米波模拟信号电光调制在两套重复频率不同的光学频率梳上，通过光电转换在频谱上分别抓取该信号的半边频谱；当所述信号的频率范围不超过[f₁,f₂]时，第一套光频梳的重复频率设置为R₁、第二套光频梳的重复频率设置为R₂；

为正整数集合；

2)将该半边频谱通过电子模数转换器转换为数字信号，然后通过数字信号处理对两段数字信号进行拼接和恢复。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，m、n的取值为使不等式

成立范围内的最大值。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数字信号处理单元对输入的两段数字信号进行低通滤波，然后对其中一段数字信号进行载波补偿，最后将载波补偿后的数字信号与另一段低通滤波后的数字信号相加，完成拼接和恢复，得到模拟带宽扩展后的数字采样结果。

4.一种模数转换系统模拟带宽扩展系统，其特征在于，包括两扩展支路和一数字信号处理单元，每一扩展支路包括一光频梳发生器、一电光强度调制器、一光电探测器、一模数转换辅助电路和电子模数转换器；其中，每条扩展支路的光频梳发生器输出端与电光强度调制器的光口连接，用于将产生的光频梳输入电光强度调制器，待转换的宽带毫米波模拟信号输入到该电光强度调制器的电口，在频域上实现该宽带毫米波模拟信号对光频梳的调制；该电光强度调制器的输出光输入到光电探测器中，将光信号转换回电信号；光电探测器的输出端与模数转换辅助电路连接，用于将输出的电信号送入模数转换辅助电路进行预放大和抗混叠低通滤波，模数转换辅助电路与电子模数转换器连接，用于将处理后的电信号送入电子模数转换器中进行采样量化；电子模数转换器与数字信号处理单元连结，用于将输出的数字信号送入数字信号处理单元，所述数字信号处理单元对两扩展支路输入的数字信号进行拼接和恢复，得到模拟带宽扩展后的数字采样结果；当所述信号的频率范围不超过[f₁,f₂]时，第一扩展支路的光频梳的重复频率设置为R₁、第二扩展支路的光频梳的重复频率设置为R₂；

为正整数集合。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述模数转换辅助电路包含电放大器和电滤波器；其中电放大器用于对输入的电信号进行预放大；电滤波器的带宽等于所述宽带毫米波模拟信号带宽的一半，用于对输入的电信号进行抗混叠低通滤波。

6.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述光频梳发生器经一单级掺饵光纤放大器与电光强度调制器的光口连接。

7.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述数字信号处理单元对两扩展支路输入的数字信号进行低通滤波，然后对第一扩展支路的数字信号进行补偿载波，最后将第一支路载波补偿后的数字信号与第二扩展支路低通滤波后的数字信号相加，得到模拟带宽扩展后的数字采样结果。

8.如权利要求4所述的系统，其特征在于，两套光频梳的种子光不相干。

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