CN112865794A - 一种移相非均匀光量化模数转换器及其转换方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种移相非均匀光量化模数转换器，包括电光调制器、非均匀移相器模块以及多阈值判决模块，在模数转换器中，首先将待量化的模拟电信号和光脉冲信号输入到电光调制器中进行调制，再将得到的调制光信号输入到非均匀移相器模块中进行移相操作，最后通过多阈值判决模块对移相信号进行比较判决输出非均匀量化编码。本发明所述移相非均匀光量化模数转换器降低了量化误差，提高了采样精度，能够更好的满足大带宽通信系统及信号采集系统的需求。

Description

一种移相非均匀光量化模数转换器及其转换方法

技术领域

本发明属于微波光子技术领域，具体涉及一种移相非均匀光量化模数转换器及其转换方法。

背景技术

作为连接模拟信号和数字信号之间的桥梁，高速模数转换器(Analog to DigitalConversion，ADC)有着重大的研究意义和应用前景。近年来，随着大数据、人工智能、云计算等技术的发展，人们对于信号带宽的要求逐年提升，对超带宽信号的采集以及数字化的速率提出了更高的要求。传统电子ADC的性能由于受到来自采样保持电路带宽、比较器弛豫以及采样时钟抖动等因素的影响，其发展变得愈发困难。为了解决目前存在的这些问题，利用光子技术的显著优势来实现高速模数转换成为了目前光电子领域的一个研究热点。然而，在实际应用中，通常要权衡系统的性能和成本，不论是电ADC还是光ADC，器件的成本总是随着精度的提升而增加。因此，研究如何在有限量化精度条件下提升量化性能是非常有必要的。

此外，ADC的量化方式主要有均匀量化和非均匀量化两种。均匀量化ADC由于其实现简单、编解码容易的优点获得了广泛关注。然而，该量化方式的量化噪声与信号的分布曲线存在密切的联系，尤其是在小幅值信号占大多数的信号的模数转换中，其量化性能会出现大幅下降的情况。非均匀量化方式可以根据信号的不同分布来对信号进行量化以达到降低量化噪声的目的。例如，2018年在IEEE Photonics Journal发表的《PerformanceOptimization by Nonparametric Histogram Estimation for Low Resolution inIMDD-OQAM-OFDM System》中提出使用一种基于信号分布估计的非均匀量化方式，该非均匀量化方式在提升系统传输性能的同时降低了量化位数。因此，研究基于非均匀量化的光ADC来提升系统的传输性能是非常有必要的。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种移相非均匀光量化模数转换器，以改进现有均匀量化ADC的量化性能。

为了实现以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种移相非均匀光量化模数转换器，包括：

电光调制器，用于对待量化的电信号和光脉冲信号进行调制，得到调制光信号；

非均匀移相器模块，用于对调制光信号进行移相操作，得到移相光信号；

多阈值判决模块，用于对移相光信号进行阈值判决操作得到编码输出。

作为优选方案，所述非均匀移相器模块包括分光镜和m个移相器，m个移相器分别与分光镜连接，m为大于1的整数。

作为优选方案，所述多阈值判决模块包括与m个移相器一一对应连接的m个阈值判决器组，每个阈值判决器组包括1个非均匀阈值判决器和1个均匀阈值判决单元，均匀阈值判决单元包括k-1个均匀阈值判决器，k为大于1的整数。

本发明还提供如上方案所述的移相非均匀光量化模数转换器的转换方法，包括以下步骤：

步骤1、对待量化的电信号和光脉冲信号进行调制，得到的调制光信号；

步骤2、对调制光信号进行移相操作，得到移相光信号；

步骤3、对移相光信号进行阈值判决操作得到编码输出。

作为优选方案，所述步骤1中，待量化的电信号为x，调制后的输出光强y归一化为：

其中，V_π为电光调制器的半波电压；

作为优选方案，所述步骤2中，输入的调制光信号通过分光镜分成m路，以分别输入m个移相器中进行移相，得到第i个光通道的光强y_i归一化为：

其中，

即

作为优选方案，所述步骤3中，m路移相光信号进入多阈值判决模块，每一路移相光信号分为k路信号，分别输入1个非均匀阈值判决器和k-1个均匀阈值判决器进行阈值判决操作得到编码输出；其中，非均匀阈值判决器用于信号的非均匀量化，均匀阈值判决器用于信号的均匀量化。

作为优选方案，所述步骤3中，首先通过非均匀阈值判决器对输入信号进行判决，其m个判决区间为：

其中，输入信号峰值不超过2倍的半波电压；

第i路(即对应第i组/区间)光信号对应的非均匀阈值判决器C_i1的判决阈值T_i1为：

其中，A为输出光强的最大值，采用归一化操作，设定A等于1。

作为优选方案，所述步骤3中，均匀阈值判决器对非均匀划分的区间进行组内均匀量化；

m和k之间满足目标条件：2^m-2≥k，若不满足目标条件，则通过第m+1条光通道信号完成第m组的均匀量化，即G₁组的均匀量化由阈值判决器C₂₂,C₂₃,…,C_2k实现，G₂组的均匀量化由阈值判决器C₃₂,C₃₃,…,C_3k实现，以此类推；另外，G_m组的均匀量化由阈值判决器C₁₂,C₁₃,…,C_1k实现；

阈值判决器C_ij的阈值T_ij为：

其中，i＝1,2,…,m,j＝2,3,…,k。

作为优选方案，所述步骤3中，在各阈值判决器的判决中，信号强度大于阈值，编码输出为“1”，反之则为“0”；

判决输出的量化编码与量化电平的转换公式为：

其中，a_i为第k×(i-1)+1位的量化编码，b_i+1为第i+1个均匀阈值判决器组输出编码中“1”的个数。

本发明的移相非均匀光量化模数转换器(简称：非均匀量化ADC)，充分考虑了非均匀量化以及光信号的优势，可大幅提高了ADC的量化性能。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明的量化方式采用非均匀量化方式，相比均匀量化，大大降低了量化噪声，提升了对小幅值信号的量化效果。

2、本发明为基于光器件的非均匀量化ADC，可解决了传统电子ADC中存在的时钟抖动等问题的同时，有效解决传统基于电的非均匀量化ADC的量化电平优化带来的信号处理复杂度问题。

3、本发明使用非均匀阈值判决器组与均匀阈值判决器组相结合的方式，有效减少了器件要求的光通道数，降低了系统的成本，提高了器件实施的可行性。

附图说明

图1为本发明实施例的移相非均匀光量化模数转换器的原理示意图；

图2为本发明实施例的非均匀移相模块的原理示意图；

图3为本发明实施例的多阈值判决模块的原理示意图；

图4为本发明实施例的m＝5，k＝3时的移相曲线图及其编码；

图5为本发明实施例的基于马赫曾德尔调制器(Mach-Zehnder Modulator，MZM)的移相非均匀光量化模数转换器。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明实施例的移相非均匀光量化模数转换器，以改进现有均匀量化ADC的量化性能。

如图1-3所示，本发明实施例的移相非均匀光量化模数转换器包括电光调制器、非均匀移相器模块和多阈值判决模块。

其中，电光调制器用于对输入的电信号进行采样，将电信号转换为光信号；

非均匀移相器模块用于对输入的光信号进行移相操作；具体地，非均匀移相器模块包括分光镜和m个移相器，m个移相器分别与分光镜连接，m为大于1的整数。

多阈值判决模块用于比较输入的光信号强度与阈值来输出编码；具体地，多阈值判决模块包括与m个移相器一一对应连接的m个阈值判决器组，每个阈值判决器组包括1个非均匀阈值判决器和1个均匀阈值判决单元，均匀阈值判决单元包括k-1个均匀阈值判决器，k为大于1的整数。

具体地，移相非均匀光量化模数转换器的转换方法，包括以下步骤：

步骤1：电光调制，将待量化的模拟电信号和光脉冲信号输入到电光调制器中进行调制，采样得到的调制光信号输入非均匀移相器模块；

其中，输入电信号为x，调制后的输出光强y归一化为：

其中，V_π为调制器的半波电压；

步骤2：移相，使用m个移相器对输入的光信号进行移相操作，移相后信号输入多阈值判决器模块；

其中，非均匀移相模块由m个移相器组成，输入的光信号通过分光镜分成m路分别输入m个移相器中，经过移相器后第i个光通道的光强y_i归一化为：

其中，

即

步骤3：判决编码，对输入的移相光信号进行阈值判决操作得到编码输出。

其中，m路经过非均匀移相的光信号(S1、…、Sm)进入多阈值判决模块，每一路光信号都将会分为k路信号输入k个阈值比较器进行判决编码操作。多阈值判决模块由k个阈值判决器组构成，每个阈值判决器组由1个非均匀阈值判决器和1个均匀阈值判决器组构成，均匀阈值判决器由k-1个均匀阈值判决器组成。

非均匀阈值判决器用于信号的非均匀量化，均匀阈值判决器用于信号的均匀量化。经过非均匀阈值判决器后，输入电压可以被划分为以下m个区间，相当于每个区间为一组，即为m组(G，Group)；每条光路对应每一组：

第i路光信号对应的非均匀阈值判决器C_i1的判决阈值T_i1为：

其中，A为输出光强的最大值，采用归一化操作，设定A等于1。

均匀阈值判决器将会对非均匀划分的区间进行进一步的组内均匀量化，m和k之间必须满足条件2^m-2≥k，若不满足该条件则无法完成第m组的组内均匀量化，但仍可以通过第m+1条光通道信号的完成第m组的均匀量化。

第i组(G_i，i＝1,2,…,m)的组内均匀量化是通过第(i+1)mod m条通道的均匀阈值判决器来实现的，即G₁组的均匀量化由阈值判决器C₂₂,C₂₃,…,C_2k来实现的，G₂组的均匀量化由阈值判决器C₃₂,C₃₃,…,C_3k来实现的，以此类推。另外，G_m组的均匀量化是通过阈值判决器C₁₂,C₁₃,…,C_1k来实现的。

阈值判决器C_ij(i＝1,2,…,m,j＝2,3,…,k)的阈值T_ij为

在阈值判决器的判决中，信号强度大于阈值，编码输出为“1”，反之则为“0”。

判决输出的量化编码与量化电平的转换公式为：

其中，a_i为第k×(i-1)+1位的量化编码，b_i+1为第i+1个均匀阈值判决器组输出编码中“1”的个数。如图4所示，为m＝5，k＝3时的移相曲线图及其量化编码。

本发明实施例还公开了具体应用实例，即一种基于MZM的移相非均匀光量化模数转换器，如图5所示，包括MZM、光电探测器(Photonics Detector，PD)、比较器(Comparator，COMP)。其中，MZM负责电信号的调制和移相，PD和COMP组合成为多阈值判决器模块，负责阈值比较输出量化编码。此外，V_bi(i＝1,2,…,m)为MZM的偏置电压，用于控制相移量；V_s(t)为待量化的模拟电信号。在所述基于MZM的移相非均匀光量化模数转化器中，首先通过调节V_bi来调整相移量为

再分别输入V_s(t)到m个MZM进行移相操作，最后通过调节COMP的阈值来对输入的电信号进行判决比较输出量化编码。

综上所述，采用本发明移相非均匀光量化模数转换器，可以更好地考虑到小幅值信号在信号量化中的影响因素，提升了相同位数下ADC的量化性能。同时光电子技术可以解决传统电子ADC存在的时钟抖动等问题。因此，本发明的模数转换器，能比较好的应用于实际通信系统及信号采集系统的需求。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种移相非均匀光量化模数转换器，其特征在于，包括：

电光调制器，用于对待量化的电信号和光脉冲信号进行调制，得到调制光信号；

非均匀移相器模块，用于对调制光信号进行移相操作，得到移相光信号；

多阈值判决模块，用于对移相光信号进行阈值判决操作得到编码输出。

2.根据权利要求1所述的移相非均匀光量化模数转换器，其特征在于，所述非均匀移相器模块包括分光镜和m个移相器，m个移相器分别与分光镜连接，m为大于1的整数。

3.根据权利要求2所述的移相非均匀光量化模数转换器，其特征在于，所述多阈值判决模块包括与m个移相器一一对应连接的m个阈值判决器组，每个阈值判决器组包括1个非均匀阈值判决器和1个均匀阈值判决单元，均匀阈值判决单元包括k-1个均匀阈值判决器，k为大于1的整数。

4.如权利要求3所述的移相非均匀光量化模数转换器的转换方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、对待量化的电信号和光脉冲信号进行调制，得到的调制光信号；

步骤2、对调制光信号进行移相操作，得到移相光信号；

步骤3、对移相光信号进行阈值判决操作得到编码输出。

5.根据权利要求4所述的转换方法，其特征在于，所述步骤1中，待量化的电信号为x，调制后的输出光强y归一化为：

其中，V_π为电光调制器的半波电压。

6.根据权利要求5所述的转换方法，其特征在于，所述步骤2中，输入的调制光信号通过分光镜分成m路，以分别输入m个移相器中进行移相，得到第i个光通道的光强y_i归一化为：

其中，

即

7.根据权利要求6所述的转换方法，其特征在于，所述步骤3中，m路移相光信号进入多阈值判决模块，每一路移相光信号分为k路信号，分别输入1个非均匀阈值判决器和k-1个均匀阈值判决器进行阈值判决操作得到编码输出；其中，非均匀阈值判决器用于信号的非均匀量化，均匀阈值判决器用于信号的均匀量化。

8.根据权利要求7所述的转换方法，其特征在于，所述步骤3中，首先通过非均匀阈值判决器对输入信号进行判决，其m个判决区间为：

其中，输入信号峰值不超过2倍的半波电压；

第i路光信号对应的非均匀阈值判决器C_i1的判决阈值T_i1为：

其中，A为输出光强的最大值，采用归一化操作，设定A等于1。

9.根据权利要求8所述的转换方法，其特征在于，所述步骤3中，均匀阈值判决器对非均匀划分的区间进行组内均匀量化；

m和k之间满足目标条件：2^m-2≥k，若不满足目标条件，则通过第m+1条光通道信号完成第m组的均匀量化，即G₁组的均匀量化由阈值判决器C₂₂,C₂₃,…,C_2k实现，G₂组的均匀量化由阈值判决器C₃₂,C₃₃,…,C_3k实现，以此类推；另外，G_m组的均匀量化由阈值判决器C₁₂,C₁₃,…,C_1k实现；

阈值判决器C_ij的阈值T_ij为：

其中，i＝1,2,…,m,j＝2,3,…,k。

10.根据权利要求9所述的转换方法，其特征在于，所述步骤3中，在各阈值判决器的判决中，信号强度大于阈值，编码输出为“1”，反之则为“0”；

判决输出的量化编码与量化电平的转换公式为：

其中，a_i为第k×(i-1)+1位的量化编码，b_i+1为第i+1个均匀阈值判决器组输出编码中“1”的个数。

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