CN111965918B - 基于光信道化的模数转换装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于光信道化的模数转换装置，包括信号光产生单元、N个并行的变频量化单元、辅助量化单元和数字信号处理单元；其中信号光产生单元与N个并行的变频量化单元通过保偏光纤连接；N个并行的变频量化单元与辅助量化单元间通过同轴射频线缆连接；N个并行的变频量化单元及辅助量化单元通过通信协议与数字信号处理单元连接。本发明使用光信道化技术将被测信号经在频域上切割为若干窄带，分别进行量化。大幅降低了采样频率，从而规避了高采样频率下采样孔径抖动带来的高杂散问题。在相同采样带宽下，其有效位数较已公开模数转换方法有明显提高。
Description
技术领域
本发明涉及微波光子技术领域，尤其涉及一种基于光信道化的模数转换装置及方法。
背景技术
模数转换器(Analog to digital converter，ADC)是一类将模拟电信号转换为数字信号的器件。在信号处理算法复杂程度不断提高的今天，基于数字技术的信号处理方法已成为主流。而作为联结模拟域与数字域的关键器件，ADC也已成为绝大多数电子系统必不可少的一部分。随着电子技术应用领域的不断拓展和深入，模数转换器的转换带宽和精度飞速提升。然而，现有基于传统电子技术和器件的模数转换器架构存在带内一致性差、采样孔径抖动、延迟失配等问题，其采样带宽和有效位数(Effective number of bits，ENOB)难以进一步提升。
近年来，微波光子技术(Microwave photonics，MWP)的飞速发展为解决上述问题提供了可能。得益于光子技术和器件的使用，微波光子技术在处理带宽、带内一致性、抗电磁串扰、可调谐性和动态范围等方面较传统电子技术有明显优势。将微波光子技术手段应用于模数转换器中，构造光子模数转换装置(Optical analog to digital converter，OADC)，已成为国内外研究热点。当前典型的光子模数转换装置沿用了传统高速模数转换器中常用的时间交替模数转换装置(Time-interleaved ADC，TIADC)的架构，即：首先，使用不同波长、重复频率相同的光脉冲对被测信号轮流进行采样；随后，对不同波长脉冲串的采样序列分别进行色散拉伸、光电转换和量化；最后，将各脉冲串的量化输出结果按照采样的顺序重新排列，得到被测信号的模数转换结果。此类光子模数转换装置受益于光子技术的优势，具有较宽的采样带宽。但由于使用了相似的架构，因而与传统时间交替模数转换装置存在相同的问题，即：(1)该方案要求任意相邻脉冲串间的时间间隔严格一致，而实际中光脉冲串间的延时匹配精度有限，会在光子模数转换装置的输出中引入始终相关的杂散；(2)该方案同时要求各光采样脉冲串对应的后续处理链路(包含滤波、放大、光电转换和量化等过程)的传输特性严格一致，这在实际中也是难以实现的，从而在最终输出中引入采样时钟相关的非线性失真。此外，此类光子模数转换装置的关键部件——高重复频率超窄光脉冲源存在结构复杂、调试困难和系统稳定性不高等问题。这些问题进一步增加了系统复杂度和应用难度，削弱了系统的可靠性，限制了光子模数转换装置的采样带宽和ENOB，及其实用化。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于光信道化的模数转换装置及方法，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一方面，提供了一种基于光信道化的模数转换装置，包括信号光产生单元、N个并行的变频量化单元、辅助量化单元和数字信号处理单元；其中信号光产生单元与N个并行的变频量化单元通过保偏光纤连接；N个并行的变频量化单元与辅助量化单元间通过同轴射频线缆连接；N个并行的变频量化单元及辅助量化单元通过通信协议与数字信号处理单元连接。
其中，所述信号光产生单元包括：
可调谐激光器，用于产生波长为f0的连续波光载波；
波形发生器，用于产生设计的导频信号；
电光调制器，用于将被测信号和导频信号分别调制到光载波的互相正交的两个偏振态上；
1×N光耦合器，用于将信号平均分配为N路，并送入N个并行的变频量化单元中。
其中，所述N个并行的变频量化单元中的每个变频量化单元均包括：
本振激光器，用于产生波长为fn的本振光，其中，n为该变频量化单元对应的信道号；
偏振及相位分集相干光接收机，信号光和本单元内的本振光将在该器件内发生偏振分集的相干探测，从而实现对被测信号和导频信号的正交变频和光电转换；
至少两个模数转换器，用于量化偏振及相位分集相干光接收机在X偏振方向的I路和Q路输出。
其中，所述辅助量化单元包括：
至少两个N×1电耦合器，用于将N个并行的变频量化单元Y偏振方向输出的I路和Q路信号分别耦合在一起；
至少两个模数转换器，分别用于量化耦合后的所有变频量化单元Y偏振方向输出的I路和Q路信号。
其中，所述数字信号处理单元包含数字信号处理器，用于将导频信号进光信道化前端处理和量化后的信号分离，并通过比较获取各信道的非理想传输特性；随后将所获得的各信道非理性传输特性补偿到对应信道所输出的被测信号信道化结果中，完成信道均衡；最后，将各信道均衡后的结果进行数字变频和滤波，并叠加在一起，实现被测信号的重建。
其中，所述模数转换装置在电光调制器与偏振及相位分集相干光接收机之间增设双偏振掺饵光纤放大器。
其中，所述模数转换装置在各模数转换器前端增设抗混叠滤波器，以防止偏振及相位分集相干光接收机输出带宽模数转换器采样带宽不匹配而带来的采样混叠问题。
作为本发明的另一方面，提供了一种基于光信道化的模数转换方法，包括以下步骤：
在信号光产生单元中，被测信号和导频信号由双偏振电光调制器分别调制到频率为f0的连续光的两个相互正交的偏振态上，分别为X偏振和Y偏振，获得信号光；随后，信号光经光分路器均匀分为N路，并被送入N个并行的变频量化单元中；其中，X偏振为被测信号所在偏振方向，Y偏振为导频信号所在偏振方向；
在每个变频量化单元中，信号光被送入偏振及相位分集相干光接收机的“信号”输入端；频率为fn的连续波光，作为本振光n输入偏振及相位分集相干光接收机的“本振”输入端；其中，fn满足fn-f0＝(n-1)×Fch，Fch为设定的信道间隔；在偏振及相位分集相干光接收机中，信号光与本振光n发生偏振分集的正交混频，同时完成光电转换；变频量化单元中X偏振方向的正交混频输出信号由模数转换器进行量化，分别记作数字信号SnI和数字信号SnQ；而所有信道的Y偏振方向的正交混频输出信号则被送入辅助量化单元中；
在辅助量化单元中，所有变频量化单元Y偏振方向输出的I路和Q路信号分别经N×1电耦合器合路后，分别由模数转换器进行量化，分别记作数字信号PI和数字信号PQ；
在数字信号处理单元中，原始被测信号被重建。
其中，在导频信号中增加时分复用和频分复用设计以保证在后端信号处理中能够区分各变频量化单元中Y偏振方向的输出。
其中，所述原始被测信号经被重建的方法包括以下步骤：
对数字信号SnI、数字信号SnQ、数字信号PI和数字信号PQ这些2N+2个数字信号进行时域对准，并将每一对I、Q信号进行正交合成，分别获得复数字信号Sn和复数字信号P；
基于导频信号的时分、频分复用特征，将复数字信号P按信道区分开来，获得导频信道化后在信道对应的信号，记作复数字信号Pn；
对于每个信道，对比原始输入的导频信号和复数字信号Pn，得到相应信道非理想传输特性，并将该非理想传输特性补偿到对应信道的复数字信号Sn中，完成信道均衡；
将均衡后的复数字信号进行数字变频、求和的操作，即可获得原始被测信号。
基于上述技术方案可知，本发明的基于光信道化的模数转换装置及方法相对于现有技术至少具有如下有益效果之一或其中的一部分：
1、本发明公开了一种新型光模数转换方法。使用光信道化技术将被测信号经在频域上切割为若干窄带，分别进行量化。本方法大幅降低了采样频率，从而规避了高采样频率下采样孔径抖动带来的高杂散问题。在相同采样带宽下，其有效位数较已公开模数转换方法有明显提高。
2、本发明利用了光能够偏振复用的特性，通过在电光转换阶段插入与被测信号偏振复用的导频信号，将信道匹配、中心频率对准等工作从模拟前端移入后端的数字信号处理中。该方法大幅降低了系统硬件复杂度，提高了信道匹配、频率对准等操作的精度，增强了系统可靠性和稳定性。
附图说明
图1为本发明基于光信道化的模数转换装置的结构示意图；
图2为本发明实施例中的偏振及相位分集相干光接收机结构示意图；
图3为本发明基于光信道化的模数转换装置一个优选实施例的结构示意图；
图4为本发明基于光信道化的模数转换方法的流程示意图。
具体实施方式
本发明公开了一种基于光信道化的模数转换方法及装置。通过使用外差式光信道化技术将被测信号在频域切分为若干信道，各信道分别进行量化，有效降低了大带宽信号模数转换所需的采样频率，突破了采样带宽和采样精度间的权衡关系。此外，本发明还具有结构简单，可调谐性强的优势，可满足多种应用需求。
具体的，本发明公开了基于光信道化的模数转换装置，如图1所示，包括信号光产生单元、N个并行的变频量化单元、辅助量化单元和数字信号处理单元；其中信号光产生单元与N个并行的变频量化单元通过保偏光纤连接；N个并行的变频量化单元与辅助量化单元间通过同轴射频线缆连接；N个并行的变频量化单元及辅助量化单元通过通信协议与数字信号处理单元连接。
其中，所述信号光产生单元包括：
可调谐激光器，用于产生波长为f0的连续波光载波；
波形发生器，用于产生设计的导频信号；
电光调制器，用于将被测信号和导频信号分别调制到光载波的互相正交的两个偏振态上；
1×N光耦合器，用于将信号平均分配为N路，并送入N个并行的变频量化单元中。
其中，所述N个并行的变频量化单元中的每个变频量化单元均包括：
本振激光器，用于产生波长为fn的本振光，其中，n为该变频量化单元对应的信道号；
偏振及相位分集相干光接收机，信号光和本单元内的本振光将在该器件内发生偏振分集的相干探测，从而实现对被测信号和导频信号的正交变频和光电转换；如图2所示，为偏振及相位分集相干光接收机结构示意图；
至少两个模数转换器，用于量化偏振及相位分集相干光接收机在X偏振方向的I路和Q路输出。
其中，所述辅助量化单元包括：
至少两个N×1电耦合器，用于将N个并行的变频量化单元Y偏振方向输出的I路和Q路信号分别耦合在一起；
至少两个模数转换器，分别用于量化耦合后的所有变频量化单元Y偏振方向输出的I路和Q路信号。
其中，所述数字信号处理单元包含数字信号处理器，用于将导频信号进光信道化前端处理和量化后的信号分离，并通过比较获取各信道的非理想传输特性；随后将所获得的各信道非理性传输特性补偿到对应信道所输出的被测信号信道化结果中，完成信道均衡；最后，将各信道均衡后的结果进行数字变频和滤波，并叠加在一起，实现被测信号的重建。
其中，所述模数转换装置在电光调制器与偏振及相位分集相干光接收机之间增设双偏振掺饵光纤放大器。
其中，所述模数转换装置在各模数转换器前端增设抗混叠滤波器，以防止偏振及相位分集相干光接收机输出带宽模数转换器采样带宽不匹配而带来的采样混叠问题。
如图4所示，本发明还公开了一种基于光信道化的模数转换方法，包括以下步骤：
在信号光产生单元中，被测信号和导频信号由双偏振电光调制器分别调制到频率为f0的连续光的两个相互正交的偏振态上，分别为X偏振和Y偏振，获得信号光；随后，信号光经光分路器均匀分为N路，并被送入N个并行的变频量化单元中；其中，X偏振为被测信号所在偏振方向，Y偏振为导频信号所在偏振方向；
在每个变频量化单元中，信号光被送入偏振及相位分集相干光接收机的“信号”输入端；频率为fn的连续波光，作为本振光n输入偏振及相位分集相干光接收机的“本振”输入端；其中，fn满足fn-f0＝(n-1)×Fch，Fch为设定的信道间隔；在偏振及相位分集相干光接收机中，信号光与本振光n发生偏振分集的正交混频，同时完成光电转换；变频量化单元中X偏振方向的正交混频输出信号由模数转换器进行量化，分别记作数字信号SnI和数字信号SnQ；而所有信道的Y偏振方向的正交混频输出信号则被送入辅助量化单元中；
在辅助量化单元中，所有变频量化单元Y偏振方向输出的I路和Q路信号分别经N×1电耦合器合路后，分别由模数转换器进行量化，分别记作数字信号PI和数字信号PQ；
在数字信号处理单元中，原始被测信号被重建。
其中，在导频信号中增加时分复用和频分复用设计以保证在后端信号处理中能够区分各变频量化单元中Y偏振方向的输出。
其中，所述原始被测信号经被重建的方法包括以下步骤：
对数字信号SnI、数字信号SnQ、数字信号PI和数字信号PQ这些2N+2个数字信号进行时域对准，并将每一对I、Q信号进行正交合成，分别获得复数字信号Sn和复数字信号P；
基于导频信号的时分、频分复用特征，将复数字信号P按信道区分开来，获得导频信道化后在信道对应的信号，记作复数字信号Pn；
对于每个信道，对比原始输入的导频信号和复数字信号Pn，得到相应信道非理想传输特性，并将该非理想传输特性补偿到对应信道的复数字信号Sn中，完成信道均衡；
将均衡后的复数字信号进行数字变频、求和的操作，即可获得原始被测信号。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图图3，对本发明作进一步的详细说明。
本发明的基于光信道化的模数转换装置，如图3所示，包括：1个可调谐激光器、N个激光器、1个双偏振正交相移键控电光调制器、1个任意波形发生器、1个双偏振掺饵光纤放大器、1个1×N路光耦合器、N个偏振及相位分集相干光接收机、(2N+2)个低通滤波器、(2N+2)个模数转换器、2个N×1电耦合器、1个数字信号处理器。
信号光产生单元中，频率为f0的光载波由可调谐连续波激光器产生并送入双偏振正交相移键控电光调制器中。在调制器中，被测信号和导频信号分别以载波抑制的单边带调制(Single sideband suppressed carrier，SSB-SC)的方式调制在载波光的两个互相正交的偏振态上，形成信号光，其电场表达式为：
其中E0为光载波强度；α0为调制器插入损耗；β为DP-QPSK中子MZM的调制系数。sRF(t)为被测信号。spilot(t)为导频信号。
在本优选方案中，导频信号spilot(t)由任意波形发生器产生，表达式为：spilot(t)＝u(t)+v(t)
u(t)为一依信道时分复用的步进调频信号，其中f0为系统能够接收信号的最低频率，Fch为信道频率间隔，Δf为频率步进值，T为每个频点持续的时间，N为信道数，M＝Bch/Δf，Bch为每个信道的带宽。在第一个时间长度为Nτ的步进周期内，u(t)以f0为起始频率Fch为间隔，T为脉冲宽度和重复间隔依次扫过所有信道对应的频率范围；随后，在下一个步进周期内，u(t)的起始频率频率增加Δf，并重复前一过程依次扫过所有信道对应的频率范围；如此重复，直至最后一个步进周期中u(t)的起始频率为f0+Bch-Δf。如此，当以T为间隔在时域切分u(t)，并以N为周期依次重组后，即可得到N个步进值为Δf的频率步进信号，且每个信号覆盖一个信道所对应的频率范围。v(t)为由多个点频信号相加而成，每个频率点对应一个信道所覆盖的频率范围。该信号用于估计各信道中心频率的抖动。μ为频率保护间隔，用于防止正交混频后各信道所对应的频率点无法区分。
信号光经1×N光耦合器分配到N个变频量化单元中形成N个信道。经保偏光纤传输到N各变频量化单元中。在每个变频量化单元中，信号光与该变频量化单元中的本振光在偏振及相位分集相干光接收机中发生混频，并完成光电转换。对于第m个单元，偏振及相位分集相干光接收机输出的电信号的表达式为：
其中，fm满足fm＝f0+mFch；其中
为第m信道本振光与信号光的光载波间非理想特性的差异引入的相位噪声，包含两激光器线宽(通常在MHz量级)引入的相位噪声和两激光器波长抖动(通常在102MHz量级)之差引入的相位噪声。δ[t-τm(η)]为光链路，主要是光纤受环境应力、温度变化及震动影响而引入的延时抖动，其中δ(t)为单位冲激函数。由于光信道传输特性变化频率在10kHz量级以下，远远小于单个信道带宽，因此使用慢时间变量η用来描述延时f随时间缓慢变化情况。hXI(t)，hXQ(t)，hYI(t)和hYQ(t)分别为XI路、XQ路、YI路和YQ路中低通滤波器等电子器件的冲激响应函数。因电器件的响应特性基本不随时间变化，可以通过事先测量来补偿。由式(3)可见，X偏振方向与Y偏振方向的输出信号携带了相同的相位噪声
和完全相同的延时抖动τ(η)。因此在导频信号设计合理的前提下，可以通过比较输入的导频信号spilot(t)与yI，m(t)、yQ，m(t)估计得到相位噪声、频率抖动和光链路冲击响应等非理想特性，并在xI，m(t)、xQ，m(t)中进行补偿，相应算法将在信号重建方法中介绍。
最后，X偏振方向的I路和Q路输出信号经变频量化单元内模数转换器量化，获得数字信号SnI和数字信号SnQ(n＝1，2，3，…，N)，送入数据处理单元中进行后端数字信号处理。而Y偏振方向的I路和Q路输出信号则被分别送入辅助量化单元中。在辅助量化单元中所有变频量化单元Y偏振方向输出的I路和Q路信号分别经2个N×1电耦合器合路后，分别由一个模数转换器采样量化，得到数字信号PI和数字信号PQ。
在数据处理单元中，基于光信道化的模数转换装置获取的2N+2路信号由如下信号重建方法处理得到原始被测信号：
首先，对于2N路各变频量化单元采集到的X偏振方向输出，在补偿预先测得的电子器件响应特性后，进行IQ合成，得到复数字信号S，对于第m信道，其表达式为：
其中Bch为低通滤波器带宽，sinc(t/Bch)为补偿电子器件冲激响应后的理想低通滤波器的冲击响应。对于采集到的数字信号PI和数字信号PQ，依据u(t)的时分复用特性和v(t)的频分复用特性分别重新分离为N个信号，补偿电子器件响应特性和IQ合成后，得到复数字信号P。在本实施例中，对于第m信道，表达式为：
Pm(t)＝um(t)+vm(t)
因vm(t)为单点频信号，可以容易地从中分离出
将之补偿到um(t)中得到：
观察式(6)右侧，仅延时量τm(η)未知，于是可通过自相关或解卷积等方式估计得到τm(η)。
随后，依据上述过程估计得到的
和τm(η)对Sm(t)进行补偿，得：
经过数字变频即可得到原始输入被测信号在第m信道频率范围内的模数转换结果：sRF(t)*{sinc(t/Bch)×exp[j2π(Fch+Bch/2)t]}，其中sinc(t/Bch)×exp[j2π(Fch+Bch/2)t]为中心频率为Fch+Bch/2，带宽为Bch的理想矩形带通滤波器的冲激响应函数。
最后，将每个通道的处理结果叠加在一起，即可重建原始被测信号sRF(t)的模数转化结果。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于光信道化的模数转换装置，其特征在于，包括信号光产生单元、N个并行的变频量化单元、辅助量化单元和数字信号处理单元；其中信号光产生单元与N个并行的变频量化单元通过保偏光纤连接；N个并行的变频量化单元与辅助量化单元间通过同轴射频线缆连接；N个并行的变频量化单元及辅助量化单元通过通信协议与数字信号处理单元连接；
所述信号光产生单元包括：可调谐激光器，用于产生波长为f0的连续波光载波；波形发生器，用于产生设计的导频信号；电光调制器，用于将被测信号和导频信号分别调制到光载波的互相正交的两个偏振态上；1×N光耦合器，用于将信号平均分配为N路，并送入N个并行的变频量化单元中；
所述N个并行的变频量化单元中的每个变频量化单元均包括：本振激光器，用于产生波长为fn的本振光，其中，n为该变频量化单元对应的信道号；偏振及相位分集相干光接收机，信号光和本单元内的本振光将在该器件内发生偏振分集的相干探测，从而实现对被测信号和导频信号的正交变频和光电转换；至少两个模数转换器，用于量化偏振及相位分集相干光接收机在X偏振方向的I路和Q路输出；
所述辅助量化单元包括：至少两个N×1电耦合器，用于将N个并行的变频量化单元Y偏振方向输出的I路和Q路信号分别耦合在一起；至少两个模数转换器，分别用于量化耦合后的所有变频量化单元Y偏振方向输出的I路和Q路信号。
2.根据权利要求1所述的模数转换装置，其特征在于，所述数字信号处理单元包含数字信号处理器，用于将导频信号进光信道化前端处理和量化后的信号分离，并通过比较获取各信道的非理想传输特性；随后将所获得的各信道非理性传输特性补偿到对应信道所输出的被测信号信道化结果中，完成信道均衡；最后，将各信道均衡后的结果进行数字变频和滤波，并叠加在一起，实现被测信号的重建。
3.根据权利要求1所述的模数转换装置，其特征在于，所述模数转换装置在电光调制器与偏振及相位分集相干光接收机之间增设双偏振掺饵光纤放大器。
4.根据权利要求1所述的模数转换装置，其特征在于，所述模数转换装置在各模数转换器前端增设抗混叠滤波器，以防止偏振及相位分集相干光接收机输出带宽模数转换器采样带宽不匹配而带来的采样混叠问题。
5.一种根据权利要求1-4任一所述的模数转换装置的模数转换方法，其特征在于，包括以下步骤：
在信号光产生单元中，被测信号和导频信号由双偏振电光调制器分别调制到频率为f0的连续光的两个相互正交的偏振态上，分别为X偏振和Y偏振，获得信号光；随后，信号光经光分路器均匀分为N路，并被送入N个并行的变频量化单元中；其中，X偏振为被测信号所在偏振方向，Y偏振为导频信号所在偏振方向；
在每个变频量化单元中，信号光被送入偏振及相位分集相干光接收机的“信号”输入端；频率为fn的连续波光，作为本振光n输入偏振及相位分集相干光接收机的“本振”输入端；其中，fn满足fn-f0＝(n-1)×Fch，Fch为设定的信道间隔；在偏振及相位分集相干光接收机中，信号光与本振光n发生偏振分集的正交混频，同时完成光电转换；变频量化单元中X偏振方向的正交混频输出信号由模数转换器进行量化，分别记作数字信号SnI和数字信号SnQ；而所有信道的Y偏振方向的正交混频输出信号则被送入辅助量化单元中；
在辅助量化单元中，所有变频量化单元Y偏振方向输出的I路和Q路信号分别经N×1电耦合器合路后，分别由模数转换器进行量化，分别记作数字信号PI和数字信号PQ；
在数字信号处理单元中，原始被测信号被重建。
6.根据权利要求5所述的转换方法，其特征在于，在导频信号中增加时分复用和频分复用设计以保证在后端信号处理中能够区分各变频量化单元中Y偏振方向的输出。
7.根据权利要求5所述的转换方法，其特征在于，所述原始被测信号经被重建的方法包括以下步骤：
对数字信号SnI、数字信号SnQ、数字信号PI和数字信号PQ这些2N+2个数字信号进行时域对准，并将每一对I、Q信号进行正交合成，分别获得复数字信号Sn和复数字信号P；
基于导频信号的时分、频分复用特征，将复数字信号P按信道区分开来，获得导频信道化后在信道对应的信号，记作复数字信号Pn；
对于每个信道，对比原始输入的导频信号和复数字信号Pn，得到相应信道非理想传输特性，并将该非理想传输特性补偿到对应信道的复数字信号Sn中，完成信道均衡；
将均衡后的复数字信号进行数字变频、求和的操作，即可获得原始被测信号。
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