CN114942554A - 光子模数转换系统的光采样信号保持方法 - Google Patents
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Abstract
一种光子模数转换系统的光采样信号保持方法，基于采样保持的频率响应原理，控制光子采样后的光电转换过程等效于开关采样中的信号保持效果，将采样后的光脉冲转换为一种特殊的保持波形，直接消除了后端的电子模数转换器与光脉冲之间得时间失配。本发明的光电转换频率响应并不增加额外的有源器件和软件开销，大大提升光子模数转换系统的性能，并且不受限于通道数，能够为未来实现高采样率的光子模数转换系统提供更可靠的技术方案。
Description
技术领域
本发明涉及光子信息处理，具体是一种光子模数转换系统的光采样信号保持方法。
背景技术
光子模数转换技术是克服传统电子模数转换器性能瓶颈的有效手段。在众多类型的光子模数转换技术中，光采样电量化型光子模数转换技术结合了光子采样(锁模激光器的超低抖动和调制器的超大带宽等)和电子量化(高精度和技术成熟等)的优势，得到了长足的发展并已经向实用化迈进。其中的光子多通道解复用技术使得多个并行的电子模数转换器可以工作在较低的时钟频率下，整体上仍然获得高速的采样速率。在这种方案中，光电探测器作为结合光子采样部分和电子量化部分的重要器件，其频率响应已经被众多研究者探讨。研究者们基于低通滤波模型，研究了光电探测带宽对整个光子模数转换系统的频率响应的影响和对电子采样时钟抖动的影响，指出光电探测器的带宽设置为单通道采样率的一半即可[F.Su，et al.，“Effects of the photonic sampling pulse width and thephotodetection bandwidth on the channel response of photonic ADCs.”Opticsexpress.Vol.24，No.2，924-934，2016.]，在此基础上，有研究者将采样后的光脉冲等效为数字码元，通过数字补偿等方式校正采样脉冲经过低通滤波后所产生的码间干扰等问题，用于提高系统频率响应的平坦度[Z.Jin，et al.，“Equflization based inter symbolinterference mitigation for time-interleaved photonic analog-to-digitalconverters.”Optics Express.Vol.26，No.26，34373-34383，2018.]。但是都忽视了光电探测器对于一个光子模数转换系统的信号保持的作用，该保持作用能够直接消除光子采样与电子量化之间的延时失配。
传统的电子模数转换器中都含有至少一个采样保持电路，用于保证在模拟到数字的转换期间的输入信号恒定，从而确保输出数据的准确性，采样保持电路使得模数转换器可以处理快速变化的高频信号，后级的编码器件可以在保持窗口内任意时刻完成准确的模数转换过程。然而，现有的光子模数转换技术缺失了采样保持器这一器件，用于采样的光子时钟在时域上是一串极窄的脉冲序列，即使利用时间波长交织或通道交织等技术可以将其分解为多路低速的脉冲，但原始采样点仍然存在于单个脉冲的顶点，通常后端的电量化模数转换器难以精确匹配脉冲顶点的位置，造成了失配杂散。在采用较高速率和较多通道数的方案中，其数字量化精度往往难以进一步提高，这很大程度上是由于电量化过程在各个通道引入的时间失配对数字量化结果的恶化作用导致的。另一方面，目前的时间失配补偿方法大多借鉴电子模数转换技术中采用的通道失配补偿原理，且需要消耗大量的软硬件资源进行失配提取和补偿，不利于光子模数转换技术进一步发挥高速高精度的优势。因此，为了实现高速高精度的光子模数转换，则需要一种低复杂度的方法针对时间失配进行高效的消除。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种光子模数转换系统中的光电探测设计和采样保持方法。该方法的具体操作是利用光电探测器的频率响应，将光脉冲采样产生的信号高频分量进行有选择性地保留和滤除，这些高频分量在被同速率的电子模数转换器量化时将会折回信号频率位置，等效制造一个与时间失配相反的时间偏移与系统存在的时间失配相互抵消，最终得到无时间失配时的正确输出。只需要控制光电转换的频率响应，即可在量化前制造一个始终与时间失配相反的时间偏移量，从根本上抑制了时间失配的产生。该方法只与光脉冲速率相关，与系统所用通道数无关，所以无需对每一通道进行复杂的误差提取和补偿操作，使得光子模数转换技术在提高系统采样率的同时，保证数字量化精度不被时间失配恶化。在下一代高速高精度的光子模数转换系统的设计中，该方法有望成为最易实现和实用化的解决方案。
本发明的原理论证如下：
在以光脉冲为采样介质的光子模数转换系统中，无论其是否存在解复用过程，在一个通道内，假设被采样信号是一个频率为fin的单音信号，信号被重复频率为Fs的光脉冲直接采样造成频谱上的周期性延拓，生成了除原信号以外的众多高频分量，这些高频分量以光脉冲采样率的倍数为中心对称存在，频率可表示为kFs±fin，经过一个脉冲响应为hOE(t)的光电探测器后的输出vout(t)如下式所示，其频域如图2(a)所示，
其中，k为大于等于1的正整数，每一对高频分量的相位符号相反，理想情况下，后端电子模数转换器以相同采样率采集脉冲顶点，即指定t＝nTs，n为大于等于零的整数，在最终采样获得的数据中，模拟信号中的高频分量均折回奈奎斯特区间内且不含有任何相位偏移，其折叠过程的表达式如下式所示，
其中fd为奈奎斯特带宽以内的数字频率，但实际情况中，电子模数转换器通常与光脉冲之间存在一个任意的延时失配τ，经过采样后折回奈奎斯特区间的高频分量的相位中将会含有时间失配τ，如下式所示，频域过程如图2(b)所示，
这些高频分量在基带中与原信号叠加的结果是一个同频率但相位改变的信号向量，等效于带有时间失配的电子模数转换器采集了一个新的信号向量，最终得到的数字采样序列yout(n)如下式所示，其向量叠加的计算过程如图2(c)所示，
其中原信号平移了一个等效的延时τeff可以基于向量相加的运算规律计算得出，如图2(c)所示，叠加后的信号幅度变化可以通过简单的标定或者归一化去除，信号等效延时τeff如下式所示
其中HOE(f)为受控频率响应的光电探测器，通过控制这些高频分量的幅度大小，可以控制等效延时τeff与原有的时间失配τ相抵消或降低到不足以影响系统性能的量级。
式(5)表示，高频分量在奈奎斯特带宽以外成对存在，在传统的低通滤波器响应中，高频分量或被全部滤除或被成对保留，则等效延时τeff恒等于零，本发明提出一类光电转换响应，其幅频响应函数可以看作是矩形窗函数和三角窗函数的结合，该频率响应在0.5Fs以内保持恒定，在0.5Fs以外呈三角形衰减至零，其3dB带宽为采样速率Fs的整数倍，带宽越大，所保留的高频分量越多。该类频率响应如下式所示：
其中f为频率响应表达式的自变量，m为所保留的高频分量对的数量，该类频率响应的3dB带宽为(m+1)*Fs/2，保留的高频分量对的数量越多，信号等效延时τeff越接近延时失配τ，但其带宽也就越大，越难以实现，另外在实际情况中，延时失配通常是ps级别的极小量，因此在一般情况下，m选择1即可实现一定的保持效果，也可以根据实际情况选择m大于1的正整数。在系统中使用该频率响应的方法包括但不限于直接设计光电探测器响应或在大带宽的光电探测器后增加符合该响应的滤波器。此受控频率响应的光电探测器将采样后的窄脉冲展宽为近似理想的三角波形，其顶点幅度等于采样点的幅度，此时，任意的时间失配τ只会造成原始脉冲顶点幅度的上下平移，在最终的恢复数据中表现为一个易于消除的直流分量，达到信号保持的效果，从而对时间失配有抵消效果。
一种光子模数转换系统中光采样信号保持方法，包括下列步骤：
①设被采样信号是一个频率为fin的单音信号，信号被重复频率为Fs的光脉冲采样造成频谱上的周期性延拓，生成除原信号以外的众多高频分量，这些高频分量以光脉冲采样率的倍数为中心对称存在，频率为kFs±fin；
②控制所述的光电探测器的频率响应|HOE(f)|，如下式所示：
其中f为频率响应表达式的自变量，m为所保留的高频分量对的数量，该类频率响应的3dB带宽为(m+1)*Fs/2，保留的高频分量对的数量越多，信号等效延时τeff越接近延时失配τ，但其带宽也就越大，越难以实现，另外在实际情况中，延时失配通常是ps级别的极小量，因此在一般情况下，m选择1即可实现一定的保持效果，也可以根据实际情况选择m大于1的正整数。在系统中使用该频率响应的方法包括但不限于直接设计光电探测器响应或在大带宽的光电探测器后增加符合该响应的滤波器。
③将光脉冲输入受控频率响应的光电探测器中得到被保持过的电信号，再经电子模数转换器得到电数字信号。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、基于本发明提出的原理，控制光电转换的幅频响应即可达到近似的采样后的信号保持作用，使得光采样后的信号在被电量化时更准确，即使采样与量化之间存在一定的时间失配也能恢复出原始信号。
2、本发明提出的控制光电转换幅频响应这一操作并不增加额外的有源器件和软件开销，可以通过选择合适的光电探测器或在原有的光电探测器后增加滤波器，不增加额外的噪声。
3、当通道交织型光子模数转换系统的通道数继续增加时，单通道的采样率下降，基于本发明提出的方法所需光电探测器的带宽相应下降，更易实现与理想幅频响应相同的器件，并且本发明提出的方法只与单通道采样率相关，不受限于通道数，能够为未来实现高采样率的光子模数转换系统提供更可靠的技术方案。
附图说明
图1为本发明方法所应用的的光子模数转换架构实施例的整体架构图；
图2为本发明所提出的采样保持效果在频域的计算过程，其中(a)表示经过受控频率响应的光电探测器的信号频谱图，A0为原信号向量，A1A2为保留的高频分量，(b)表示在电子模数转换器量化过程中，信号的高频分量A1A2折回原信号位置，(c)原信号和折回的高频分量信号的向量叠加示意图，A0’为等效时间偏移后的信号向量。
图3为本发明所提出的频率响应的集合示意图，即式(6)，其中m为大于等于1的正整数。
图4为本发明的一个具体实施例的仿真结果，对一个两通道的通道交织型光学模数转换系统加入时间失配，(a)表示等效延时的大小随着时间是配的变化，(b)表示无杂散动态范围的提升效果，两幅图中的1为使用低通滤波频率响应光电探测器的光子模数转换系统，2为使用所述受控频率响应光电探测器的光子模数转换系统，3为理想情况下时间失配被完全抑制的光子模数转换系统。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明的一个具体实施例。本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的实施例。
请参见图1，由图可见，本发明基于传统的通道交织型光子模数转换架构的互联方式，包括光采样时钟源1、被采样信号源2、光子采样门3，解复用器阵列4、光电探测器阵列5、电子模数转换器阵列6和数据整合与处理模块7，在确定整个通道交织型光子模数转换系统的采样率N*Fs和通道数N后，单通道的采样率即为Fs，传统的架构中光电探测器的3dB带宽为单通道采样率的一半，即Fs/2，在本实施例中，基于前文所述的式(5)，获得时间失配抵消效果的关键在于保留单通道中被采样信号产生的高频分量，本例中使用一种如下式所示的光电探测器幅频响应，其3dB带宽设置为单通道采样率，即Fs，在单通道的频谱中除了奈奎斯特带宽内的信号，还保留了两个与采样率对称的高频分量，即式(6)中的m＝1，
基于通道交织型光子模数转换器的基本原理，其实际实现中均基于两通道的光子模数转换系统扩展而来，将上述提出的受控频率响应的光电探测器用于两通道的光子数转换器，仿真验证其对信号的保持效果。在两通道的通道交织型模数转换器中，在输入信号为单频信号时，时间失配会造成输出数据的频谱中除了原有的输入信号，还会包含一个较大的杂散信号，该杂散信号的功率与时间失配的平方成正比，所以最终频谱的信杂比可以反映剩余时间失配的大小，从而体现采样保持效果。在本实施例的仿真中，设置光子模数转换系统的通道数N＝2，单通道采样率Fs＝5GSPS，总采样率10GSPS，所用的光电探测器频谱响应可以由式(7)指导得出，设置系统噪底为60dBm，输入信号功率为0dBm，可知其信杂比上限为60dB，对其中一通道加入-50ps-50ps、步进1ps的时间失配，分别计算信杂比的大小，在相同情况下与现有技术中的矩形幅频响应的光电探测器对比，结果如图4所示，(a)表示等效延时的大小随着时间是配的变化，(b)表示无杂散动态范围的提升效果，两幅图中的1为使用低通滤波频率响应光电探测器的光子模数转换系统，2为使用所述受控频率响应光电探测器的光子模数转换系统，3为理想情况下时间失配被完全抑制的光子模数转换系统。可见现有技术中较小的时间失配可导致信杂比大幅度降低，基于本发明提出的方法控制光电探测器的频率响应可以使得光子模数转换系统在一定范围内不受时间失配的影响，在时域上等效为将光采样脉冲点保持了±20ps，约0.2个采样周期。
上述基于光子并行采样的光子模数转换架构的实现方法，包括下列步骤：
1)按照所述的通道交织型光子模数转换系统架构确定采样率N*Fs和通道数N；
2)根据式(6)和实际带宽需求提出可实现的频率响应，应当满足两个条件：应当成对的保留脉冲采样产生的高频分量；3dB带宽应当等于单通道奈奎斯特带宽的整数倍，即在式(6)中使得m为大于等于1的正整数，在系统中使用相应的光电探测器阵列。
另一方面，保持相频响应为线性相位，并在系统中使用相应的光电探测器阵列，将得到的N路光脉冲序列输入受控频率响应的N个PD单元中得到N路被保持过的电信号，N路被保持过的电信号再经过N个同步采样的电子模数转换器得到N路电数字信号；
3)将得到的N路电信号经N个电子模数转换器得到N路电数字信号，N路电数字信号输入数据整合与处理模块，该数据整合与处理模块将接收到的N路电数字信号进行数据重构交织并处理得到原始电模拟信号的信息。
上述过程中保留通道交织型光子模数转换器的基本架构设置，根据所提出的等效采样保持原理选择适当的光电转换频率响应，达到了对解复用后的每路信号的保持作用，从而抵消时间失配带来的采样误差。经实验表明，本发明能够使得光子模数转换系统抵消任一子通道内采样与量化之间存在的时间失配。同时所控制的光电转换频率响应并不增加额外的有源器件和软件开销，大大提升光子模数转换系统的性能。本发明基于通道交织型的光子模数转换架构，简化了针对时间失配的补偿方式，并且不受限于通道数，能够为未来实现高采样率的光子模数转换系统提供更可靠的技术方案。
Claims (6)
1.一种光子模数转换系统的光采样信号保持方法，所述光子模数转换系统包括光电探测器和电子模数转换器，其特征在于，通过控制所述的光电探测器的频率响应，将光脉冲采样产生的信号高频分量进行有选择性地保留和滤除，这些高频分量在被同速率的所述的电子模数转换器量化时将会折回信号频率位置，等效制造一个与时间失配相反的时间偏移，与系统存在的时间失配相互抵消，最终得到无时间失配时的信号输出。
2.根据权利要求1所述的一种光子模数转换系统的光采样信号保持方法，其特征在于，该方法具体包括如下步骤：
①设被采样信号是一个频率为fin的单音信号，信号被重复频率为Fs的光脉冲采样造成频谱上的周期性延拓，生成除原信号以外的众多高频分量，这些高频分量以光脉冲采样率的倍数kFs为中心对称存在，频率为kFs±fin，其中，k为大于等于1小于等于光采样时钟谐波数量的正整数；
②控制所述的光电探测器的频率响应|HOE(f)|，如下式所示：
其中，f为频率响应表达式的自变量，m为所保留的高频分量对的数量，m为大于等于1的正整数。
③将光脉冲输入受控频率响应的光电探测器中得到被保持过的电信号，再经电子模数转换器得到电数字信号。
3.根据权利要求2所述的一种光子模数转换系统的光采样信号保持方法，其特征在于，该方法所提出的频率响应|HOE(f)|表达式中的m优选为1。
4.根据权利要求2所述的一种光子模数转换系统的光采样信号保持方法，其特征在于，该方法还包括在光电探测器后增加符合所述频率响应的滤波器。
5.根据权利要求2或3所述的光子模数转换系统的光采样信号保持方法，其特征在于，该方法还包括④将电数字信号经去除直流和数据重构交织处理，得到原始电模拟信号的无时间失配的量化结果。
6.根据权利要求1-3任一所述的光子模数转换系统的光采样信号保持方法，其特征在于，所述的光子模数转换系统还包括光采样时钟源、被采样信号源、光子采样门，解复用器阵列和数据整合与处理模块，所述的光电探测器由N个PD单元并行组成，所述的电子模数转换器由N个电子模数转换器并行组成；
所述的光采样时钟源的输出端与光子采样门的输入端相连，所述的光子采样门的输出端与所属的解复用器的输入端相连，所述的解复用器的N个输出端与N个PD单元的输入端相连，所述的N个PD单元的输出端分别与所述的N个电子模数转换器单元的输入端相连，所述的N个电子模数转换器单元的输出端分别与所述的数据整合和处理模块的N个输入端相连，其中N为大于等于1的正整数。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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