CN113359369B - 高频抗混叠带通可调光模数转换装置 - Google Patents
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Abstract
一种高频抗混叠带通光模数转换装置，包括：正交光信号产生模块、电光强度调制模块、正交解复用模块、光电转换模块、电滤波模块、电模数转换模块、数字信号处理单元和频率设置与同步模块；本发明可以同时实现对信号的带通滤波和无混叠数字化，通带带宽不受光滤波器等器件限制，且通带带宽和中心频率分别通过调整电滤波模块中的滤波器带宽和频率设置与同步模块的设置频率进行灵活配置。
Description
技术领域
本发明涉及微波信号抗混叠带通采样，具体是一种高频抗混叠带通可调光模数转换装置。
背景技术
随着信息技术的发展，高频信号的应用越来越广泛，这对于模数转换器的接收带宽和采样率提出了很高的要求。传统的电模数转换器因其极大的高频损耗已经难以满足目前的需求。光模数转换器利用光子技术的大宽带可以有效地解决带宽问题，被认为是未来模数转换器的发展方向。同时，通过带通采样将信号下变频并获取其全部信息的方式，可以有效降低对系统采样率的要求。
信号带通采样往往需要在采样前对信号进行模拟域的预滤波，这可以避免信号中其它频段的噪声干扰，降低对模数转换器的量化精度要求，同时也避免了后端数字信号处理时巨大的计算压力。因此，在对信号进行数字化之前，通过微波光子信号处理技术在模拟域实现信号的可调带通滤波具有重要的意义。
然而，现有的微波光子信号处理和光模数转换研究中，还没有见到将两者高效地结合到一起，实现带通可调频率响应的光模数转换方案。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种高频抗混叠带通可调光模数转换装置。该装置可以同时实现对信号的带通滤波和无混叠数字化，通带带宽不受光滤波器等器件限制，且通带带宽和中心频率分别通过调整电滤波模块中的滤波器带宽和频率设置与同步模块的设置频率进行灵活配置。
基于光模数转换结构，通过对采样光信号的光强时域波形的频率控制可以调整系统频率响应的通带中心频率，同时通过正交采样的方式可以实现通带内的无混叠带通采样。
本发明的技术解决方案如下：
一种高频抗混叠带通可调光模数转换装置，包括并行正交光信号产生模块，其特点在于沿所述的并行正交光信号产生模块的输出光方向依次是电光强度调制模块、正交解复用模块、光电转换模块、电滤波模块、电模数转换模块、数字信号处理单元，频率设置与同步模块的第一输出端与所述的并行正交光信号产生模块的输入端相连，所述的频率设置与同步模块的第二输出端与所述的电模数转换模块相连，所述的数字信号处理单元的第一输出端与所述的频率设置与同步模块的控制端相连，所述的数字信号处理单元的第二输出端与所述的并行正交光信号产生模块的反向控制端相连，待接收的电信号从所述的电光强度调制模块的射频输入端输入。
所述的并行正交光信号产生模块由双波长光源、波分解复用器、可调光延时线和波分复用器构成。
所述的并行正交光信号产生模块由多波长光源、第一波分解复用器、电光调制器、第二波分解复用器、移相器和波分复用器构成，所述的多波长光源为有2N根频梳的锁模激光器，产生2N个波长不同的光频信号，其中N为2以上的正整数，所述的电光调制器为电光强度调制器。
所述的正交光信号产生模块的反向控制端即为所述的可调光延时线的控制端或所述的移相器的控制端，所述的数字信号处理单元通过对所述的并行正交光信号产生模块进行反馈控制，使所述的并行正交光信号产生模块输出的两个正交光信号时域波形均为频率为fc的单音信号和直流的叠加，且两者相位差始终为π/2。
所述的电滤波模块中的每路电滤波器均为低通滤波器且带宽小于通道内的光电转换器和电模数转换器的带宽。
所述的电模数转换模块根据所述的频率设置与同步模块的第二输出端提供的参考时钟与所述的并行正交光信号产生模块产生的光信号时域波形相位锁定，所述的电模数转换模块以fs为采样率对所述的电滤波模块输出的信号进行采样。
该装置的两个通道的频率响应分别表示为：
|HA，n(f)|∝|HE(f-fc)|，
其中，n＝1或2，HE（Ω)为电滤波器的频率响应，装置的通带带宽取决于电滤波模块中对应的电滤波器的带宽，中心频率取决于所述的正交光信号产生模块产生的正交光信号时域波形的频率fc，且通带带宽和中心频率可分别通过调整所述的电滤波模块中电滤波器的带宽和所述的频率设置与同步模块(8)的设置频率进行配置。
当所述的电滤波模块中的电滤波器带宽小于等于fs/2时，装置在接收通带范围内不存在信号混叠，可以准确判断并恢复出接收信号。
通过控制所述的频率设置与同步模块对所述的并行正交光信号产生模块产生的正交光信号波形频率进行控制，可以调整通带的中心频率；通过调整电滤波模块中电滤波器的带宽控制通带的带宽；通过后端两个通道的正交采样，可以得到无混叠的零中频带通采样结果。
基于以上技术特点，本发明具有以下优点：
本发明带通光模数转换装置，有效地突破了电子技术的带宽限制；通过正交采样的方式解决了带通采样的零中频混叠问题；通过将基于光信号整形的频率响应控制与正交采样的电模数转换相结合，同时实现了对微波信号的可调带通滤波和无混叠数字化，为下一步数字信号的存储与处理提供了便利。
附图说明
图1是本发明高频抗混叠带通可调光模数转换装置的结构框图。
图2是本发明高频抗混叠带通可调光模数转换装置实施例一的系统框图。
图3是信号正交调制示意图。
图4是本发明高频抗混叠带通可调光模数转换装置实施例二的系统框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。实施例以本发明的技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
实施例一：
本实施例的系统框图如图2所示，本发明高频抗混叠带通可调光模数转换装置，包括：并行正交光信号产生模块1、电光强度调制模块2、正交解复用模块3、光电转换模块4、电滤波模块5、电模数转换模块6、数字信号处理单元7以及频率设置与同步模块8。
所述的并行正交光信号产生模块1由双波长光源1-1、波分解复用器1-2、可调光延时线1-3和波分复用器1-4构成，所述的双波长光源1-1为有两个波长的可调制激光器，所述的波分解复用器1-2为阵列波导光栅，所述的波分复用器1-4为阵列波导光栅。
所述的双波长光源1-1产生两个波长不同的光信号，所述的频率设置与同步模块8(为一个信号发生器)在所述的数字信号处理单元7的控制下，输出频率为fc(为后端电模数转换模块6中电模数转换器采样率fs的整数倍)的单音信号对光信号进行强度调制，所述的波分解复用器1-2将按照双波长光源1-1的输出波长位置将光信号分为2路，并用所述的可调光延时线1-3在所述的数字信号处理单元7的反馈控制下对其中一路光信号进行时延，使得两路光信号的时域波形相位差为π/2，正交光信号时域波形对应的频谱分别如图3(a)所示，再经所述的波分复用器1-4将光信号复用后输出。
所述的电光强度调制模块2(为马赫-曾德尔电光调制器)，将接收的电信号(频谱如图3(b)所示)调制在正交光信号产生模块1输出的光信号上，此时正交调制光信号时域波形对应的频谱如图3(c)所示。
所述的正交解复用模块3(为阵列波导光栅)，通过波分解复用方式将来自电光调制器2的正交光信号按照双波长光源1-1的输出波长位置解复用为2路。
所述的光电转换模块4与电滤波模块5包含2个通道，每一个通道对应正交解复用模块3的一个输出通道，每个通道上都有一个光电转换器和一个电滤波器，所述的光电转换器用于将光信号转换成电信号，并经过电滤波器完成滤波；
所述的电模数转换模块6由2个采样率为fs的电模数转换器组成，两个电模数转换器分别接收所述的电滤波模块5的一路输出，根据所述的频率设置与同步模块8提供的时钟信号，将输入信号转换为数字信号输出给所述的数字信号处理单元7进行处理。
所述的数字信号处理单元7，对两路正交的采样结果进行数字处理，得到通带内无混叠的带通采样结果。同时，根据采样结果计算得到的信号正交情况，通过第二输出端对可调光延时线1-3进行反馈控制，使得两路光信号的时域波形始终保持正交。
所述的频率设置与同步模块8，如图2所示，该模块的第一输出端与双波长光源1-1相连，在所述的数字信号处理单元7的控制下，输出单音信号fc对光信号进行调制，决定了采样光信号的光强波形频率以及通道中心频率。该模块的第二输出端与模数转换模块6相连，为模数转换模块6提供采样参考时钟，该时钟信号与第一输出端输出的单音调制信号fc同步。
实施例二：
本实施例的系统框图如图4所示，是在本发明高频抗混叠带通可调光模数转换基础上提出的一种微波光子信道化滤波与正交采样接收方案，包括：并行正交光信号产生模块1、电光强度调制模块2、正交解复用模块3、光电转换模块4、电滤波模块5、电模数转换模块6、数字信号处理单元7，频率设置与同步模块8。
所述的并行正交光信号产生模块1由多波长光源4-1、第一波分解复用器1-2、电光调制器4-3、第二波分解复用器4-4、移相器1-5和波分复用器1-6构成，所述的多波长光源4-1为有2N根频梳的锁模激光器，所述的第一波分解复用器1-2为阵列波导光栅，所述的电光调制器4-3为马赫-曾德尔电光调制器，所述的第二波分解复用器4-4为阵列波导光栅，所述的移相器1-5为热移相器，所述的波分复用器1-6为阵列波导光栅。
所述的多波长光源4-1产生2N个波长不同的光频信号，其中N为2以上的正整数，所述的第一波分解复用器1-2将输入的光信号分解为N路，其中每路光信号包含两个波长，并输入所述的电光调制器4-3中。所述的频率设置与同步模块8(为微波源)的第一输出端与各个通道中电光调制器4-3的调制端相连，在所述的数字信号处理单元7的控制下，分别将单音信号fci(为后端电模数转换模块6中电模数转换器采样率的整数倍)通过载波抑制的双边带调制方式调制到光信号上，使得通道内的两个光载波分别对应一对间隔相同的调制光梳；经过调制的光信号输入所述的第二波分解复用器4-4中，如图4所示，将四根调制光频中的任意一根与其它三根分开，并用所述的移相器1-5在所述的数字信号处理单元7的反馈控制下对该光频进行移相，使得两对调制光梳拍得的光强信号正交，正交光信号时域波形对应的频谱分别如图3(a)所示，再经所述的波分复用器1-6将所有的光频复用后输出；
所述的电光强度调制模块2(为马赫-曾德尔电光调制器)，将接收的电信号(频谱如图3(b)所示)调制在并行正交光信号产生模块1输出的光信号上，此时单个信道对应的正交调制光信号波形频谱如图3(c)所示。
所述的正交解复用模块3(为阵列波导光栅)，如图4所示，通过波分解复用方式将来自电光调制器的光信号按照所述的多波长光源4-1产生的光频位置解复用为2N路，每两路为一组正交通道并对应一个信道。
所述光电转换模块4与电滤波模块5包含2N个通道，每一个通道对应正交解复用模块的一个输出通道。每个通道上都有一个光电转换器和一个电滤波器。光电转换器用于将光信号转换成电信号，并经过电滤波器完成滤波。
所述的电模数转换模块6由2N个采样率为fs的电模数转换器组成。每个电模数转换器接收电滤波模块5的一路输出，根据频率设置与同步模块8提供的时钟信号，将输入信号转换为数字信号输出给数字信号处理单元7进行处理。
所述的数字信号处理单元7，分别对N个信道的两路正交通道采样结果进行数字处理，得到N个信道的无混叠的带通采样结果。同时，根据采样结果计算得到的信号正交情况，通过输出端对移相器1-5进行反馈控制，使得各个信道对应的两路正交通道中的光信号时域波形始终保持正交。
所述的频率设置与同步模块8，如图4所示，该模块的第一输出端与各个通道内的电调制器4-3相连，在所述的数字信号处理单元7的控制下，分别输出单音信号fci对通道内的光梳进行调制，决定了该通道的采样光信号的光强波形频率以及通道中心频率。该模块的第二输出端与模数转换模块6相连，为其提供采样参考时钟，该时钟信号与第一输出端输入各通道的单音调制信号fci同步。
实验表明。本发明可以同时实现对信号的带通滤波和无混叠数字化，通带带宽不受光滤波器等器件限制，且通带带宽和中心频率分别通过调整电滤波模块中的滤波器带宽和频率设置与同步模块的设置频率进行灵活配置。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (4)
1.一种高频抗混叠带通可调光模数转换装置，包括并行正交光信号产生模块(1)，其特征在于沿所述的并行正交光信号产生模块(1)的光输出方向依次是电光强度调制模块(2)、正交解复用模块(3)、光电转换模块(4)、电滤波模块(5)、电模数转换模块(6)和数字信号处理单元(7)，频率设置与同步模块(8)的第一输出端与所述的并行正交光信号产生模块(1)的输入端相连，所述的频率设置与同步模块(8)的第二输出端与所述的电模数转换模块(6)相连，所述的数字信号处理单元(7)的第一输出端与所述的频率设置与同步模块(8)的控制端相连，所述的数字信号处理单元(7)的第二输出端与所述的并行正交光信号产生模块(1)的反向控制端相连，待接收的电信号从所述的电光强度调制模块(2)的射频输入端输入；
所述的并行正交光信号产生模块(1)由多波长光源(4-1)、第一波分解复用器(1-2)、电光调制器(4-3)、第二波分解复用器(4-4)、移相器(1-5)和波分复用器(1-6)构成；
所述的并行正交光信号产生模块(1)的反向控制端即为所述移相器(1-5)的控制端，所述的数字信号处理单元(7)通过对所述的并行正交光信号产生模块(1)进行反馈控制，使所述的并行正交光信号产生模块(1)输出的两个正交光信号时域波形均为频率为fc的单音信号和直流的叠加，且两者相位差始终为π/2；所述的多波长光源(4-1)为有2N根频梳的锁模激光器，产生2N个波长不同的光频信号，其中N为2以上的正整数，所述的电光调制器(4-3)为电光强度调制器；所述的多波长光源产生2N个波长不同的光频信号，其中N为2以上的正整数，所述的第一波分解复用器将输入的光信号分解为N路，其中每路光信号包含两个波长，并输入所述的电光调制器中；所述的频率设置与同步模块8的第一输出端与各个通道中电光调制器的调制端相连，在所述的数字信号处理单元的控制下，分别将单音信号fci通过载波抑制的双边带调制方式调制到光信号上，使得通道内的两个光载波分别对应一对间隔相同的调制光梳；经过调制的光信号输入所述的第二波分解复用器中，将四根调制光频中的任意一根与其它三根分开，并用所述的移相器在所述的数字信号处理单元的反馈控制下对该光频进行移相，使得两对调制光梳拍得的光强信号正交，再经所述的波分复用器将所有的光频复用后输出；
所述的电光强度调制模块将接收的电信号调制在并行正交光信号产生模块输出的光信号上；
所述的正交解复用模块通过波分解复用方式将来自电光调制器的光信号按照所述的多波长光源产生的光频位置解复用为2N路，每两路为一组正交通道并对应一个信道；
所述光电转换模块与电滤波模块包含2N个通道，每一个通道对应正交解复用模块的一个输出通道；每个通道上都有一个光电转换器和一个电滤波器；光电转换器用于将光信号转换成电信号，并经过电滤波器完成滤波；
所述的电模数转换模块由2N个采样率为fs的电模数转换器组成，每个电模数转换器接收电滤波模块的一路输出，根据频率设置与同步模块提供的时钟信号，将输入信号转换为数字信号输出给数字信号处理单元进行处理；
所述的数字信号处理单元分别对N个信道的两路正交通道采样结果进行数字处理，得到N个信道的无混叠的带通采样结果；同时，根据采样结果计算得到的信号正交情况，通过输出端对移相器进行反馈控制，使得各个信道对应的两路正交通道中的光信号时域波形始终保持正交；
所述的频率设置与同步模块的第一输出端与各个通道内的电调制器相连，在所述的数字信号处理单元的控制下，分别输出单音信号fci对通道内的光梳进行调制，决定了该通道的采样光信号的光强波形频率以及通道中心频率；
所述的频率设置与同步模块的第二输出端与模数转换模块相连，为其提供采样参考时钟，该时钟信号与第一输出端输入各通道的单音调制信号fci同步。
2.根据权利要求1所述的高频抗混叠带通可调光模数转换装置，其特征在于，所述的电滤波模块(5)中的每路电滤波器均为低通滤波器且带宽小于通道内的光电转换器和电模数转换器的带宽。
3.根据权利要求1所述的高频抗混叠带通可调光模数转换装置，其特征在于，所述的电模数转换模块(6)根据所述的频率设置与同步模块(8)的第二输出端提供的参考时钟，与所述的并行正交光信号产生模块(1)产生的光信号时域波形相位锁定，所述的电模数转换模块(6)以fs为采样率对所述的电滤波模块(5)输出的信号进行采样。
4.根据权利要求1至3任一项所述的高频抗混叠带通可调光模数转换装置，其特征在于，该装置的两个通道的频率响应分别表示为：
|HA，n(f)|∝|HE(f-fc)|，
其中，n＝1或2,HE(Ω)为电滤波器的频率响应，装置的通带带宽取决于电滤波模块(5)中对应的电滤波器的带宽，中心频率取决于所述的并行正交光信号产生模块(1)产生的正交光信号时域波形的频率fc，且通带带宽和中心频率可分别通过调整所述的电滤波模块(5)中电滤波器的带宽和所述的频率设置与同步模块(8)的设置频率进行配置。
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