CN114124098A - 基于光子射频存储的相干探测型时间交织采样模数转换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光子射频存储的相干探测型时间交织采样模数转换器，包括信号移频接收模块、射频存储模块和混频探测量化模块；信号移频接收模块用于形成原始探测光脉冲以及原始本振光脉冲；射频存储模块用于将原始光脉冲转化为多个延时光脉冲序列；混频探测量化模块根据采样时间间隔依次接收多个延时光脉冲序列，并和原始本振光进行混频后将其转换为电信号；设定原始光脉冲的持续时间为TP；延时光脉冲序列中每个延时光脉冲在射频存储模块中的持续时间为To；混频探测量化模块的采样时间间隔为TE，三者需满足以下条件：TP＜To＜TE。该转换器的使用克服电子系统采样速度和精度无法兼顾的问题，实现了超高频率电脉冲的高灵敏度接收与采样量化。
Description
技术领域
本发明涉及微波光子、射频存储及模数转换领域，特别涉及一种基于光子射频存储的相干探测型时间交织采样模数转换器。
背景技术
模数转换器(Analog-to-digital converter,ADC)是一种将时间连续、幅值也连续的模拟信号转换为时间、幅度均离散的数字信号的器件，是雷达和通信领域的基础器件，也是信息化社会由各种信号由传感器向信息转换的基础关键模块。
然而由于电子技术物理和工艺瓶颈的限制，模数转换器的速度提升收到了极大地制约。同时，模数转换器速度与有效位数之间存在着天然的矛盾，具体参见文献【Walden RH.Analog-to-digital converter survey and analysis[J].IEEE Journal on selectedareas in communications,1999,17(4):539-550.】。
为了解决这个矛盾，实现更高速、更高位数的模数转换，光子辅助的模数转换器被提出来。因为光子技术的天然具备超高速、大带宽等优良特性，光子辅助的模数转换器成为了当前微波光子学领域的研究热点之一。
2012年美国休斯顿研究实验室提出了一种基于有限时间光学拉伸的大拉伸倍数、高有效位数的光学时间拉伸型ADC,对带宽10GHz模拟信号进行采样，模数转换后有效位数达到8.27bits，具体内容详见文献【NgW,Rockwood T D,Sefler G A,et al.Demonstrationof a Large Stretch-Ratio(M＝41)Photonic Analog-to-Digital Converter With 8ENOB for an Input Signal Bandwidth of 10GHz[J].IEEE Photonics TechnologyLetters,2012,24(14):1185-1187.】。
2017年广东工业大学和电子科技大学共同提出了利用耗散孤子被动锁模激光器来实现高精度的光学时间拉伸型ADC，在100GS/s采样速率下实现了4.1bits有效位数，具体内容详见文献【Peng D,Zhang Z,Zeng Z,et al.Single-shot photonic time-stretchdigitizer using adissipative soliton-based passively mode-locked fiber laser[J].Optics express,2018,26(6):6519-6531.】。
2019年上海交通大学首次将深度学习技术与光子时间交织模数转换技术相结合，极大提升了光子模数转换系统的性能，进一步将光子模数转换器推向了实用化，具体内容详见文献【Xu S,Zou X,Ma B,et al.Deep-learning-powered photonic analog-to-digital conversion[J].Light:Science&Applications,2019,8(1):1-11.】。
然而，以上三个文献公开的模数转换器，其拉伸倍数或等效采样速率受到了光纤长度和通道数量的制约，无法实现较大的等效采样倍数，同时由于系统原理结构限制，均采用了强度探测性光子链路，导致系统噪声系数大，灵敏度较低。
发明内容
本发明提供一种基于光子射频存储的相干探测型时间交织采样模数转换器，目的在于利用光子射频存储技术具有的低损耗存储、相干探测宽带变频和高灵敏度接收等特点，克服电子系统采样速度和精度无法兼顾的问题，实现超高频率电脉冲的高灵敏度接收与采样量化。
本发明的具体技术方案如下：
一种基于光子射频存储的相干探测型时间交织采样模数转换器，包括信号移频接收模块、射频存储模块和混频探测量化模块；
信号移频接收模块包括激光器、功分器、马赫曾德尔调制器、天线、光学滤波器、微波源和双平行马赫曾德尔调制器；
激光器与功分器输入端相连，功分器包含两个信号输出端，其中一个输出端与马赫曾德尔调制器输入端相连，天线与马赫曾德尔调制器射频输入端相连，马赫曾德尔调制器输出端与光学滤波器输入端相连；功分器的另外一个输出端与双平行马赫曾德尔调制器的光学输入端相连，微波源与双平行马赫曾德尔调制器射频输入端相连；
马赫曾德尔调制器工作在线性0偏置点，天线接收到的外部高频宽带信号经过马赫曾德尔调制器的载波抑制双边带调制加载至功分器输出的其中一路光信号上形成一路双边带光，该双边带光经过光学滤波器滤除其中一个信号边带，从而形成了原始探测光脉冲；
双平行马赫曾德尔调制器工作在载波抑制单边带调制模式，功分器输出的另一路光信号经过双平行马赫曾德尔调制器实现移频，从而形成了原始本振光脉冲；
射频存储模块用于接收原始光脉冲，并将一个原始光脉冲转化为多个延时光脉冲序列；
混频探测量化模块根据采样时间间隔依次接收多个延时光脉冲序列，并和原始本振光进行混频后将其转换为电信号；
同时，设定原始光脉冲的持续时间为TP；延时光脉冲序列中每个延时光脉冲在射频存储模块中的持续时间为To；混频探测量化模块的采样时间间隔为TE，三者需满足以下条件：TP＜To＜TE。
进一步地，所述射频存储模块包括光学耦合器、第一光学开关、第二光学开关、光学放大器以及N根延时光纤；N≥1
光学耦合器为2X2类型的4端口耦合器；
第一光学开关具有一个输入端口以及N个输出端口；
第二光学开关具有N个输入端口以及一个输出端口；
光学耦合器的第1端口用于接收信号接收模块输出的原始光脉冲，原始光脉冲经光学耦合器的第1端口进入后分为两路，分别从光学耦合器的第2端口以及光学耦合器的第4端口输出；
光学耦合器的第2端口作为射频存储模块的总输出端口与探测量化模块相连，实现采样；
光学耦合器的第4端口与第一光学开关输入口相连；
第一光学开关的N个输出端口和第二光学开关的N个输入端口之间一一对应，且分别通过N根延时光纤连通，从而形成N个光传输通道；
第二光学开关的输出端口通过光学放大器与光学耦合器的第3端口连接。
进一步地，所述探测量化模块包括第二光学耦合器、光电平衡探测器和电子模数转换器；
第二光学耦合器为2X2类型的4端口耦合器；
第二光学耦合器的第3端口与第一光学耦合器的第2端口连接，第二光学耦合器的第1端口与双平行马赫曾德尔调制器的输出端连接，第二光学耦合器的第4端口与光电平衡探测器的一个输入端口连接，第二光学耦合器的第2端口与光电平衡探测器的另一个输入端口连接，光电平衡探测器的输出端与电子模数转换器连接。
进一步地，所述N个光传输通道中，从N根延时光纤长度递增，以满足处理不同长度原始光脉冲的需求。
进一步地，所述电子模数转换器采样频率可调，以满足等效采样频率需求。
本发明的有益效果如下：
1、本发明采用光子射频存储的方式，相比电子单模数转换器时间交织采样方法具备采集单次非重频微波脉冲的能力；相比电子多模数转换器时间交织采样方法，系统结构大大简化。
2、本发明通过信号光与本振光混频方法实现射频信号下变频，与光子射频存储技术结合实现超高频率(几十GHZ)微波脉冲信号接收能力。
3、本发明通过不同延时光纤的切换选择，具备实现处理多种脉冲长度的能力。
4、本发明通过调整电子模数转换器采样时间间隔科实现灵活的等效采样频率切换能力。
5、采用相干接收方式，相比于强度探测方式，系统噪声系数更低，灵敏度更高。
附图说明：
图1为本发明的结构原理图；
图2为相干探测频谱演化图；
图3为时间交织采样效果图。
附图标记如下：
10-信号移频接收模块、20-射频存储模块、30-混频探测量化模块。
具体实施方式：
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接：同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本实施例提供的一种基于光子射频存储的相干探测型时间交织采样模数转换器的具体结构如图1所示：包括信号移频接收模块10、射频存储模块20和混频探测量化模块30；
具体来说，激光器LD与功分器PS输入端相连，功分器PS包含两个信号输出端，其中一个输出端与马赫曾德尔调制器MZM输入端相连，天线Antenna与马赫曾德尔调制器MZM射频输入端相连，马赫曾德尔调制器MZM输出端与光学滤波器OF输入端相连；功分器PS的另外一个输出端与双平行马赫曾德尔调制器DPMZM的光学输入端相连，微波源MW与双平行马赫曾德尔调制器DPMZM射频输入端相连；
马赫曾德尔调制器MZM工作在线性0偏置点，天线Antenna接收到的外部高频宽带信号经过马赫曾德尔调制器MZM的载波抑制双边带调制加载至功分器PS输出的其中一路光信号上形成一路双边带光，该双边带光经过光学滤波器OF滤除其中一个信号边带，从而形成了原始探测光脉冲；
双平行马赫曾德尔调制器DPMZM工作在载波抑制单边带调制模式，功分器PS输出的另一路光信号经过双平行马赫曾德尔调制器DPMZM实现移频，从而形成了原始本振光脉冲；
射频存储模块用于接收原始探测光脉冲，并将一个原始探测光脉冲转化为多个延时光脉冲序列；
具体来说，射频存储模块20包括第一光学耦合器OC1、第一光开关Switch1、第二光开关Switch2、光学放大器以及N根延时光纤；N≥1；
第一光学耦合器OC1为2X2类型的4端口耦合器；；第一光学开关Switch1具有一个输入端口以及N个输出端口；第二光学开关Switch2具有N个输入端口以及一个输出端口；
第一光学耦合器OC1的第1端口与光学滤波器OF的输出端相连，以接收传输来的原始探测光脉冲；由第一光学耦合器OC1第1端口进入的原始探测光脉冲经过第一光学耦合器OC1分为两路，分别从第一光学耦合器OC1的第2端口和第4端口输出；
第一光学耦合器OC1的第2端口与第二光学耦合器OC2的第3端口相连，由第一光学耦合器OC1的第2端口的原始探测光脉冲经第二光学耦合器OC2的第3端口第一次进入混频探测量化模块30；
第一光学耦合器OC1的第4端口与第一光学开关Switch1输入口相连，第一光学开关Switch1的N个输出端口和第二光学开关Switch2的N个输入端口之间一一对应，且分别通过N根延时光纤连通，从而形成N个光传输通道，需要说明一点是：N个光传输通道中，N根延时光纤长度递增，利用不同长度延时光纤具有以下两个功能：一是，长度不同可实现不同的信号延时；二是，长度不同可适用于不同波长的原始探测光脉冲；
第2光学开关Switch2的输出端与光学放大器EDFA的输入端相连，在光学放大器EDFA中实现光信号的放大，补偿链路插损和传输损耗；
光学放大器EDFA输出端与第一光学耦合器OC1的第3端口相连，由第一光学耦合器的第3端口输出的延时光信号再次分为两路，分别从第一光学耦合器OC1的第2端口和第4端口输出，由第一光学耦合器OC1的第2端口输出的延时光信号再次经第二光学耦合器OC2的第3端口进入混频探测量化模块30，由第一光学耦合器OC1的第4端口输出的延时光信号依次经过第一光学开关Switch1、延时光纤、第二光学开关Switch2、光学放大器EDFA和第一光学耦合器OC1的第3端口后实现不断的循环，实现了存储；
混频探测量化模块根据采样时间间隔依次接收多个延时光脉冲序列，并和原始本振光进行混频后将其转换为电信号；
具体来说，混频探测量化模块30包括第二光学耦合器OC2、光电平衡探测器BPD和电子模数转换器ADC；
第二光学耦合器OC2均为2X2类型的4端口耦合器；
每次延时光脉冲都会从第一光学耦合器OC1的第2端口输出后经第二光学耦合器OC2的第3端口进入混频探测量化模块30；
光电平衡探测器一路输入端口与第二光学耦合器的第4端口相连，另一路输入端口与第二光学耦合器的第2端口相连；
由射频存储模块20产生的延时光脉冲信号和双平行马赫曾德尔调制器输出的原始本振光信号经过第二光学耦合器OC2实现混频，并在光电平衡探测器BPD上进行光电转换，转化为重复的电脉冲信号，电子模数转换模块对重复的电脉冲进行时间交织采样，从而完成信号的数模转换。
该模数转换器各个阶段的频谱演化如图2所示。在信号光一侧，天线接收到的宽带信号经过马赫曾德尔调制器载波抑制双边带调制后形成的双边带频谱，如图2(A)中A、B所示；其中，ω0为激光器的频率，双边带频谱的中心频率分别为ω0-ωRF和ω0+ωRF；虚线为光滤波器的滤波形状，经过光滤波器后仅有左边带微波信号光频谱被滤除(即A被滤除)，仅保留右边边带频谱的信号光(即保留B)通过。在本振光一侧，频率为ωLO的微波源，经过双平行马赫曾德尔调制器后激光器光谱产生频移，频率转变为ω0+ωLO，如图2(A)中点频频谱所示。保留右边边带频谱的信号光(即中心频率为ω0+ωRF边带)和双平行马赫曾德尔调制器输出的移频本振光(ω0+ωLO)经过第二光学耦合器混频后在光电平衡探测器上实现光电转换，图2(B)中所示信号频谱ωR-ωLOF。
该模数转换器各个阶段的信号波形演化如图3所示，混频后的光电探测的电脉冲为一个梯形脉冲信号，经过射频存储模块转换为多个延时光脉冲序列，实现脉冲信号的复制。其中,TP单个原始光脉冲的持续时间；To为延时光脉冲序列中每个延时光脉冲经过第一光学耦合器的第4端口、第一光学开关、延时光纤、第二光学开关、光学放大器和第一光学耦合器的第2端口这一链路所需的时长；TE为电子模数转换器的采样时间间隔；
且以上三个时间参数需要满足以下关系：
TP＜To＜TE
也就是说，光电平衡探测器的脉冲序列到达电子模数转换器后每隔TE进行一次采样量化，最终输出系统采样波形为时间交织采样后脉冲信号波形，轮廓与原波形一致。
该发明可以利用采样频率为1/TE的电子模数转换器等效实现1/(TE-T。)的采样速度。通过调节延时光纤长度和/或电子模数转换器采样频率可以实现不同脉冲长度和等效采样频率。通过本振光与信号光混频相干探测功能，实现超高频微波信号的量化采样。具体举例来说，若ωL0＝40GHz，To＝99.9ns，TE＝100ns，根据奈奎斯特采样定律，则可以以10MHz的采样频率，对频率为40GHz-45GHz内的微波信号进行下变频后，等效实现频率为10GSa/s的信号采样。
综上，本发明提出的一种基于光子射频存储的相干探测型时间交织采样模数转换器利用光子技术高速、大带宽优势和电子技术精细灵活的优势，克服电子系统采样速度和精度瓶颈以及当前光子有限时间拉伸模数转换器拉伸系数受限、不可变换的缺点实现高频率微波信号的高速、高精度且采样频率可灵活切换的模数转换，在雷达、通信领域具有重要的应用场景。
Claims (5)
1.一种基于光子射频存储的相干探测型时间交织采样模数转换器，其特征在于：包括信号移频接收模块、射频存储模块和混频探测量化模块；
信号移频接收模块包括激光器、功分器、马赫曾德尔调制器、天线、光学滤波器、微波源和双平行马赫曾德尔调制器；
激光器与功分器输入端相连，功分器包含两个信号输出端，其中一个输出端与马赫曾德尔调制器输入端相连，天线与马赫曾德尔调制器射频输入端相连，马赫曾德尔调制器输出端与光学滤波器输入端相连；功分器的另外一个输出端与双平行马赫曾德尔调制器的光学输入端相连，微波源与双平行马赫曾德尔调制器射频输入端相连；
马赫曾德尔调制器工作在线性0偏置点，天线接收到的外部高频宽带信号经过马赫曾德尔调制器的载波抑制双边带调制加载至功分器输出的其中一路光信号上形成一路双边带光，该双边带光经过光学滤波器滤除其中一个信号边带，从而形成了原始探测光脉冲；
双平行马赫曾德尔调制器工作在载波抑制单边带调制模式，功分器输出的另一路光信号经过双平行马赫曾德尔调制器实现移频，从而形成了原始本振光脉冲；
射频存储模块用于接收原始光脉冲，并将一个原始光脉冲转化为多个延时光脉冲序列；
混频探测量化模块根据采样时间间隔依次接收多个延时光脉冲序列，并和原始本振光进行混频后将其转换为电信号；
同时，设定原始光脉冲的持续时间为TP；延时光脉冲序列中每个延时光脉冲在射频存储模块中的持续时间为To；混频探测量化模块的采样时间间隔为TE，三者需满足以下条件：TP＜To＜TE。
2.根据权利要求1所述的基于光子射频存储的相干探测型时间交织采样模数转换器，其特征在于：所述射频存储模块包括第一光学耦合器、第一光学开关、第二光学开关、光学放大器以及N根延时光纤；N≥1
第一光学耦合器为2X2类型的4端口耦合器；
第一光学开关具有一个输入端口以及N个输出端口；
第二光学开关具有N个输入端口以及一个输出端口；
第一光学耦合器的第1端口用于接收信号接收模块输出的原始探测光脉冲，原始探测光脉冲经第一光学耦合器的第1端口进入后分为两路，分别从第一光学耦合器的第2端口以及第一光学耦合器的第4端口输出；
第一光学耦合器的第2端口作为射频存储模块的总输出端口与混频探测量化模块相连；
第一光学耦合器的第4端口与第一光学开关输入口相连；
第一光学开关的N个输出端口和第二光学开关的N个输入端口之间一一对应，且分别通过N根延时光纤连通，从而形成N个光传输通道；
第二光学开关的输出端口通过光学放大器与光学耦合器的第3端口连接。
3.根据权利要求2所述的基于光子射频存储的相干探测型时间交织采样模数转换器，其特征在于：所述探测量化模块包括第二光学耦合器、光电平衡探测器和电子模数转换器；
第二光学耦合器为2X2类型的4端口耦合器；
第二光学耦合器的第3端口与第一光学耦合器的第2端口连接，第二光学耦合器的第1端口与双平行马赫曾德尔调制器的输出端连接，第二光学耦合器的第4端口与光电探测器的一个输入端口连接，第二光学耦合器的第2端口与光电平衡探测器的另一个输入端口连接，光电平衡探测器的输出端与电子模数转换器连接。
4.根据权利要求3所述的基于光子射频存储的相干探测型时间交织采样模数转换器，其特征在于：所述N个光传输通道中，从N根延时光纤长度递增，以满足处理不同长度原始探测光的需求。
5.根据权利要求3所述的基于光子射频存储的相干探测型时间交织采样模数转换器，其特征在于：所述电子模数转换器采样频率可调，以满足等效采样频率需求。
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