CN112748622B - 一种基于脉冲位置调制的光学模数转换装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于脉冲位置调制的光学模数转换装置，包括：模拟信号接口，用于接收模拟信号；脉冲位置调制模块，用于根据模拟信号输出模拟信号脉冲；锁模激光器，用于产生光脉冲；色散器件，用于接收光脉冲、输出啁啾光脉冲；马赫‑曾德尔电光调制器，用于根据模拟信号脉冲和啁啾光脉冲发送携带不同波长信息的调制脉冲；分束器，将调制脉冲送至每个滤波器；每个滤波器允许通过的特定频率范围不同；每个滤波器分别连接一个数字接收器，数字接收器根据接收的调制脉冲输出数字信号。本发明的装置及方法，转换过程均为线性且稳定，且用简单的结构实现了高量化级的模数转换，易于操作和集成化。

Description

一种基于脉冲位置调制的光学模数转换装置及方法
技术领域
本发明属于技术领域，具体涉及一种基于脉冲位置调制的光学模数转换装置及方法。
背景技术
模数转换器(analog-to-digital converter,ADC)是连接现实世界和数字系统的重要桥梁。在我们实际生活中常见的信号均为模拟信号，但是模拟信号在传输中极其不稳定，因为外界环境，特别是外界的噪声，极易影响模拟信号的性质。因此将不稳定的模拟信号转换为性质较为稳定的数字信号进行传输是科学技术发展的必然趋势，这是基于数字信号有着抗干扰能力强、可靠性高和安全性好等优点。然而传统的电ADC因为其在采样时钟精度和采样保持电路弛豫时间等方面很难突破限制，所以电ADC的转换速度、转换精度都比较低。而在许多领域，比如超宽带通信、人工智能系统、软件无线电、电子侦察等领域，它们要求较高的模数转换速率。超导量子阱技术和光学技术的出现打开了新的ADC的大门，将这些技术运用到ADC中，可以突破电子ADC的限制，与超导量子阱技术相比，光学技术对温度要求不那么严苛，因此将一些光学技术运用在ADC的光学ADC成为优化ADC的主要手段。
G C.Valley,“Photonic Analog-to-Digital Converters”,Optics Express,2007,15(5):1955-1982中将光学模数转换(photonic Analog-to-Digital Conversion,PADC)大致分为四类：光学辅助ADC、光学采样电量化ADC、光学采样光量化ADC、电采样光量化ADC。Taylor,H.“An optical analog-to-digital converter-Design and analysis”,IEEE Journal of Quantum Electronics,1979,15(4):210-216中Taylor提出了一种将光学知识运用到ADC上的方案，该方案利用了电极长度以2的倍数几何增长的并列马赫-曾德尔电光调制器阵列实现了光量化，并对马赫-曾德尔调制器的调制曲线分别进行阈值比较，得到数字信号，该方案中若要实现更高比特的ADC则要求调制器电极长度无限增加，即对半波电压要求较高，所以该方案很难实现高精度量化。J.Stigwall,S.Galt.“Interferometric analog-to-digital conversion scheme,”IEEE PhotonicsTechnology Letters,2005,17(2):468-470中，Stigwall提出了一种移相光量化的全光模数转换方案，该方案以马赫-曾德尔干涉仪的两臂作为采样器，其中一臂上加一个相位调制器经过PM调制后的光和未被调制的光再进行干涉，在干涉面上产生干涉图样，通过探测器阵列的位置摆放及比较阈值来完成对采样光的量化，数字信号以格雷码的形式展示，此种方案从原理上避免了对低半波电压的调制器的需求，但由于输出是格雷码，也即N路探测通道只能区分2N个量化等级，量化的效能降低。C Xu,X Liu.“Photonic analog-to-digitalconverter using soliton self-frequency shift and interleaving spectralfilters”.Optics Letters,2003,28(12):986-988中，Chris Xu提出利用光孤子自频移将采样后的信号按照光功率大小转换为相应的频率大小问题，再利用滤波器对信号进行滤波即可实现光学量化，该方案结构简单，若想提高量化精度，则需提高自频移范围，即压缩频谱宽度，频谱压缩是一项仍需研究的工作，且由于所用来光孤子自频移的器件高非线性光纤不仅有光孤子自频移现象，还有其他非线性效应存在，因此控制其频移量也是一个问题。因此，需要一种简单有效的结构来实现高量化级的模数转换，且转换过程最好为线性且稳定。
发明内容
基于现有技术中存在的上述缺点和不足，本发明的目的之一是至少解决现有技术中存在的上述问题之一或多个，换言之，本发明的目的之一是提供满足前述需求之一或多个的一种基于脉冲位置调制的光学模数转换装置及方法。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于脉冲位置调制的光学模数转换装置，包括：
模拟信号接口，用于接收模拟信号；
脉冲位置调制模块，用于根据模拟信号输出模拟信号脉冲，模拟信号脉冲在每个时间段内的相对位置随该时间段内模拟信号的电压变化；
锁模激光器，用于产生光脉冲；
色散器件，用于接收光脉冲、输出啁啾光脉冲；
马赫-曾德尔电光调制器，用于接收模拟信号脉冲和啁啾光脉冲，根据模拟信号脉冲和啁啾光脉冲发送携带不同波长信息的调制脉冲；
分束器，具有1个输入端口、N个输出端口，N为大于1的整数；输入端口用于接收马赫-曾德尔电光调制器发送的调制脉冲，每个输出端口连接一个滤波器；调制脉冲通过分束器相同地送至每个滤波器；滤波器被配置为仅允许特定频率范围的调制脉冲通过，每个滤波器允许通过的特定频率范围不同；
每个滤波器分别连接一个数字接收器，将滤波后的调制脉冲发送至数字接收器，数字接收器被配置为将调制脉冲转换为电信号，并具有一电压阈值，根据转换得到的电信号电压与阈值的比较结果输出数字信号。
作为优选方案，设啁啾光脉冲波长范围为ω0-ωN，滤波器中，第n个滤波器具有2n-1个通带，第n个滤波器中第i个通带范围为
Figure BDA0002927277850000031
其中n为正整数，i为不大于2n-1的正整数。
作为优选方案，数字接收器的电压阈值为调制脉冲所转换电信号最大电压值的一半。
作为优选方案，数字接收器被配置为调制脉冲所转换电信号电压高于阈值则输出1，低于阈值则输出0。
作为优选方案，马赫-曾德尔电光调制器的偏置电压为3Vπ/2，其中Vπ为马赫-曾德尔电光调制器的半波电压。
另一方面，本发明还提供一种基于脉冲位置调制的光学模数转换方法，包括步骤：
接收模拟信号，将模拟信号转换为模拟信号脉冲，模拟信号脉冲在每个时间段内的相对位置随该时间段内模拟信号的电压变化；
生成光脉冲，将光脉冲转换为啁啾光脉冲；
根据模拟信号脉冲和啁啾光脉冲生成携带不同波长信息的调制脉冲；
将调制脉冲等分为N束分别发送至N个滤波器，过滤出N个不同频率范围的滤波调制脉冲；
对每个滤波调制脉冲进行光电转换；
检测每个滤波调制脉冲所转换电信号的电压值，输出数字信号。
检测每个滤波调制脉冲的电压值，输出数字信号，是检测每个滤波调制脉冲的电压值是否高于其转换电信号最大电压值的一半，若高于一半则输出1，若低于一半则输出0。
本发明与现有技术相比，有益效果是：
本发明的一种基于脉冲位置调制的光学模数转换装置及方法，使用不同波长的光载波承载不同时刻的模拟信号，利用线性转换的过程，对待转换的模拟信号进行电压-时间映射，时间-波长映射，波长-数字映射，这些转换过程均为线性且稳定，且用简单的结构实现了高量化级的模数转换，易于操作和集成化。
附图说明
图1是本发明实施例1的一种基于脉冲位置调制的光学模数转换装置的结构框图；
图2是本发明实施例1的一种基于脉冲位置调制的光学模数转换方法的数字接收器输出数字信号示例图；
图3是本发明实施例1的一种基于脉冲位置调制的光学模数转换方法的线性转换流程图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
实施例1：
本实施例提供一种基于脉冲位置调制的光学模数转换装置，其结构框图如图1所示，包括：模拟信号接口1，与模拟信号接口1连接的脉冲位置调制模块2、锁模激光器3、与锁模激光器的激光输出端连接的色散器件4。脉冲位置调制模块2和色散器件4的输出端共同连接至马赫-曾德尔电光调制器5的输入端，其中，脉冲位置调制模块2连接至马赫-曾德尔电光调制器5的电信号输入端，色散器件4连接至马赫-曾德尔电光调制器5的光信号输入端。马赫-曾德尔电光调制器5的输出端连接分束器6的输入端，分束器6具有3个输出端，三个输出端分别连接第一滤波器7、第二滤波器8、第三滤波器9的输入端。第一滤波器7的输出端与第一数字接收器10的输入端连接，第二滤波器8的输出端与第二数字接收器11的输入端连接，第三滤波器9的输出端与第三数字接收器12的输入端连接。
上述结构中，模拟信号接口1用于接收模拟信号。脉冲位置调制模块2用于根据接收到的模拟信号输出模拟信号脉冲，该模拟信号脉冲在每个时间段内的相对位置随该时间段内模拟信号的电压变化。锁模激光器3用于产生光脉冲，色散器件4用于接收光脉冲并将其转换为啁啾光脉冲，其中啁啾光脉冲的波长范围为ω0-ωN。马赫-曾德尔电光调制器5用于接收模拟信号脉冲和啁啾光脉冲、输出调制脉冲，以将模拟信号脉冲加载到啁啾光脉冲上，使不同波长的光载波承载不同时刻的模拟信号，马赫-曾德尔电光调制器5的偏置电压为3Vπ/2，Vπ为马赫-曾德尔电光调制器5的半波电压。
分束器6用于将马赫-曾德尔电光调制器发送的调制脉冲分成相同的三份，分别送至第一滤波器7、第二滤波器8、第三滤波器9。其中第一滤波器7的阻带范围
Figure BDA0002927277850000061
通带范围为
Figure BDA0002927277850000062
第二滤波器8的阻带范围为
Figure BDA0002927277850000063
通带范围为
Figure BDA0002927277850000064
第三滤波器9的阻带范围为
Figure BDA0002927277850000065
Figure BDA0002927277850000066
通带范围为
Figure BDA0002927277850000067
Figure BDA0002927277850000068
三个数字接收器用于检测经过滤波的调制脉冲，对脉冲进行光电转换后，检测电信号电压，再根据电压输出数字信号，数字接收器设有阈值，阈值设定为调制脉冲所转换电信号电压最大值的一半，当转换后的电信号电压低于阈值时，即得到数字信号“0”，当转换后的电信号电压高于阈值时，即得到数字信号“1”，以此实现将模拟信号转换为数字信号。而第一、第二、第三数字接收器由于连接不同的滤波器，接收到的调制脉冲波长不同，原模拟信号在不同时刻的信号值已经被加载进了不同波长的光载波中，故第一、第二、第三数字接收器可以分别读取到最高有效比特位、第二有效比特位、最低有效比特位的数字信号值，实现模拟信号和三位数字信号的转换。
本发明的一种基于脉冲位置调制的光学模数转换方法如下：
由脉冲位置调制模块2接收模拟信号接口1发出的模拟信号，将模拟信号转换为模拟信号脉冲，模拟信号脉冲在每个时间段内的相对位置随该时间段内模拟信号的电压变化；
由锁模激光器3生成光脉冲，光脉冲发送至色散器件4，由色散器件4将光脉冲转换为啁啾光脉冲；
将模拟信号脉冲和啁啾光脉冲发送至马赫-曾德尔电光调制器5，由马赫-曾德尔电光调制器5根据模拟信号脉冲和啁啾光脉冲生成携带不同波长信息的调制脉冲；
将调制脉冲从马赫-曾德尔电光调制器5的输出口发送至具有1个输入口、3个输出口的分束器6，并通过三个输出口将调制脉冲相同地发送给第一滤波器7、第二滤波器8、第三滤波器9。其中第一滤波器7的阻带范围
Figure BDA0002927277850000071
通带范围为
Figure BDA0002927277850000072
第二滤波器8的阻带范围为
Figure BDA0002927277850000073
通带范围为
Figure BDA0002927277850000074
第三滤波器9的阻带范围为
Figure BDA0002927277850000075
Figure BDA0002927277850000076
通带范围为
Figure BDA0002927277850000077
Figure BDA0002927277850000078
三个滤波器分别过滤出一个不同频率范围的滤波调制脉冲，并将滤波调制脉冲发送给一个数字信号接收器，第一滤波器7的滤波调制脉冲输出给第一数字接收器10，第二滤波器8的滤波调制脉冲输出给第二数字接收器11，第三滤波器9的滤波调制脉冲输出给第三数字接收器12。
三个数字接收器将自己接受到的滤波调制脉冲进行光电转换，并检测转换后电信号的电压值，当电信号电压低于所转换电信号电压最大值的一半时，即输出数字信号“0”，当电信号电压低于所转换电信号电压最大值的一半时，即输出数字信号“1”。以此实现将模拟信号转换为数字信号。而第一、第二、第三数字接收器由于连接不同的滤波器，接收到的调制脉冲波长不同，原模拟信号在不同时刻的信号值已经被加载进了不同波长的光载波中，故第一、第二、第三数字接收器可以分别读取到最高有效比特位、第二有效比特位、最低有效比特位的数字信号值，实现模拟信号和三位数字信号的转换。以图2中的马赫-曾德尔电光调制器5输出的调制脉冲为例，三个数字接收器联合得到数字信号110、001、100。
与传统的模数转换方案相比，本发明的装置和方法利用线性转换的过程，如图3所示，对待转换的模拟信号进行电压-时间映射，时间-波长映射，波长-数字映射，这些转换过程均为线性且稳定，同时该装置结构简单，易于操作和集成化。
本发明所涉及的光脉冲经过色散器件4后实时傅里叶变换原理如下：
假设锁模激光器3发出的脉冲信号为x(t)，经过一个色散量为Φ的色散器件4，色散器件的色散冲激响应为
Figure BDA0002927277850000081
其中h(t)为色散器件的冲激响应，j为虚数，表示信号的相位发生变化，Φ为色散器件的色散量，π为圆周率，t表示传输时间；
那么其输出y(t)可以表示为
Figure BDA0002927277850000082
其中，y(t)为光脉冲经过色散器件后的输出，x(t)为锁模激光器发出的光脉冲，C为一个常数；
当输入得脉冲x(t)的脉冲宽度Δt0足够小以及色散器件的色散量Φ足够大时，即满足条件：
Figure BDA0002927277850000091
那么由于
Figure BDA0002927277850000092
所以y(t)公式中的
Figure BDA0002927277850000093
可忽略不计，因此上式y(t)可近似为
Figure BDA0002927277850000094
由此可以看出，输入信号的频谱包络经过色散器件后映射到时域上，映射的尺度变换关系为ω＝t/Φ。在式中，当色散参数Φ仅包含一阶色散系数
Figure BDA0002927277850000095
那么该系统就实现线性频率—时间映射。
应当说明的是，以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于脉冲位置调制的光学模数转换装置，其特征在于，包括：
模拟信号接口，用于接收模拟信号；
脉冲位置调制模块，用于根据所述模拟信号输出模拟信号脉冲，所述模拟信号脉冲在每个时间段内的相对位置比例于该时间段内所述模拟信号的电压；
锁模激光器，用于产生光脉冲；
色散器件，用于接收所述光脉冲、输出啁啾光脉冲；
马赫-曾德尔电光调制器，用于接收所述模拟信号脉冲和所述啁啾光脉冲，根据所述模拟信号脉冲和所述啁啾光脉冲发送携带不同波长信息的调制脉冲；
分束器，具有1个输入端口、N个输出端口，所述N为大于1的整数；所述输入端口用于接收所述马赫-曾德尔电光调制器发送的调制脉冲，每个所述输出端口连接一个滤波器；所述调制脉冲通过所述分束器等功率地送至每个所述滤波器；所述滤波器被配置为仅允许特定频率范围的调制脉冲通过，每个所述滤波器允许通过的特定频率范围不同；
每个所述滤波器分别连接一个数字接收器，将滤波后的所述调制脉冲发送至所述数字接收器，所述数字接收器被配置为将所述调制脉冲转换为电信号，并具有一电压阈值，根据转换得到的电信号电压与阈值的比较结果输出数字信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于脉冲位置调制的光学模数转换装置，其特征在于，设所述啁啾光脉冲波长范围为ω0-ωN，所述滤波器中，第n个滤波器具有2n-1个通带，第n个滤波器中第i个通带范围为
Figure FDA0003513794770000011
其中n为正整数，i为不大于2n-1的正整数。
3.根据权利要求1所述的一种基于脉冲位置调制的光学模数转换装置，其特征在于，所述数字接收器的电压阈值为所述调制脉冲所转换电信号最大电压值的一半。
4.根据权利要求1所述的一种基于脉冲位置调制的光学模数转换装置，其特征在于，所述数字接收器被配置为所述调制脉冲所转换电信号电压高于阈值则输出1，低于阈值则输出0。
5.根据权利要求1所述的一种基于脉冲位置调制的光学模数转换装置，其特征在于，所述马赫-曾德尔电光调制器的偏置电压为3Vπ/2，其中Vπ为所述马赫-曾德尔电光调制器的半波电压。
6.一种基于权利要求1所述光学模数转换装置的光学模数转换方法，其特征在于，包括步骤：
接收模拟信号，将所述模拟信号转换为模拟信号脉冲，所述模拟信号脉冲在每个时间段内的相对位置随该时间段内所述模拟信号的电压变化；
生成光脉冲，将所述光脉冲转换为啁啾光脉冲；
根据所述模拟信号脉冲和所述啁啾光脉冲生成携带不同波长信息的调制脉冲；
将所述调制脉冲分为N束分别发送至N个滤波器，过滤出N个不同频率范围的滤波调制脉冲；
对每个滤波调制脉冲进行光电转换；
检测每个滤波调制脉冲所转换电信号的电压值，输出数字信号。
7.根据权利要求6所述的一种基于脉冲位置调制的光学模数转换方法，其特征在于，所述检测每个滤波调制脉冲的电压值，输出数字信号，是检测每个滤波调制脉冲的电压值是否高于其转换电信号最大电压值的一半，若高于一半则输出1，若低于一半则输出0。
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