CN115225090A - 非均匀移相光量化模数转换器 - Google Patents

非均匀移相光量化模数转换器 Download PDF

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CN115225090A CN202210873729.4A CN202210873729A CN115225090A CN 115225090 A CN115225090 A CN 115225090A CN 202210873729 A CN202210873729 A CN 202210873729A CN 115225090 A CN115225090 A CN 115225090A
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毕美华
胡飞凡
李政民
滕旭阳
胡淼
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    • H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00—Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H03M1/12—Analogue/digital converters
    • H03M1/124—Sampling or signal conditioning arrangements specially adapted for A/D converters
    • H03M1/1245—Details of sampling arrangements or methods
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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

本发明非均匀移相光量化模数转换器，包括电光调制器、非均匀移相器以及非均匀阈值判决模块。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中进行非均匀移相操作，最后通过非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。本发明非均匀移相光量化模数转换器降低了量化误差，提高了量化性能，利用光电子技术减少了时钟抖动，并且相比均匀移相光量化模数转换器具有更好的抗脉冲幅度抖动性，能够更好的满足高速高精度模数转换应用场景的需求。

Description

非均匀移相光量化模数转换器
技术领域
本发明属于微波光子学技术领域，具体涉及一种非均匀移相光量化模数转换器。
背景技术
模数转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)，作为连接现实模拟世界与虚拟数字世界的桥梁，在实际生活中有着不可或缺的作用。随着信息技术的不断发展，网络流量激增，信息传输容量的不断增大，人们对高速通信系统的需求也不断增大，各个通信链路中的收发机对模拟与数字信号之间的转换速率要求也越来越大。然而，由于采样保持电路带宽、时钟抖动等问题，传统电子ADC的发展受到了极大的制约。随着光子技术的发展，光ADC是一种利用光子技术突破电子ADC现有瓶颈的新一代高速高精度模数转换器，成为了光电子领域的研究热点。在现实生活中，工程应用通常要考虑性能和成本两个因素，而无论是电子ADC还是光ADC，其成本都是随着精度的提高而增加。因此，在保持理论量化精度不变的情况下，提高ADC实际的量化性能是非常有必要的。
此外，ADC从量化方式上可以分为均匀量化ADC和非均匀量化ADC两种，其中，均匀量化ADC因其具有简单、易实现等优点得到了广泛的应用。然而，均匀量化ADC的量化性能十分容易受到信号分布的影响，尤其在小信号占据大部分而大信号只有小部分的信号的模数转换中，模数转换性能会受到十分大的影响。非均匀量化方式可以根据信号分布对信号进行非均匀量化以降低量化噪声来达到提升量化性能目的。如2020年在OpticsCommunications发表的《A study on performance improvement of IMDD-UFMC withmodified K-means non-uniform quantization》提出了一种基于K-means的非均匀量化方式，该方式在保持理论量化精度不变的情况下提升了系统的传输性能。该方案是一种电域的非均匀量化器不能直接用于光非均匀量化。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十分有必要的。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种非均匀移相光量化模数转换器，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：
非均匀移相光量化模数转换器，包括电光调制器、非均匀移相器和非均匀阈值判决模块；
所述电光调制器，将待量化的模拟电信号和光脉冲信号进行调制，得到调制后的光信号，并将调制光信号输入非均匀移相器；
所述非均匀移相器，用于对输入的光信号进行移相操作，移相后的信号输入非均匀阈值判决模块；
所述非均匀阈值判决模块，用于对输入的光信号进行阈值判决以输出数字编码。
作为优选方案，模拟电信号为x，输出光强归一化为：
Figure BDA0003761591670000021
其中，Vπ为调制器的半波电压。
作为优选方案，所述的非均匀移相器模块，包括分光镜和n个移相器，，输入的光信号通过分光镜分成n路分别输入到n个移相器中，经过移相器后第i个光通道的光强yi归一化为：
Figure BDA0003761591670000022
其中，移相参数
Figure BDA0003761591670000023
由非均匀量化区间的占比Rj决定，j＝1,2,…,n且ΣRj＝1，移相参数
Figure BDA0003761591670000024
具体值为：
Figure BDA0003761591670000025
作为优选方案，所述的非均匀阈值判决模块，包括n个阈值判决器，n路经过非均匀移相的光信号进入非均匀阈值判决模块，每一路光信号进入一个阈值判决器进行阈值判决并输出数字编码；在判决过程中，信号光强大于阈值，则输出编码为“1”，信号光小于阈值，则输出编码为“0”；第i路阈值判决器的判决阈值Ti为：
Figure BDA0003761591670000026
本发明还提供如上方案所述的可实现任意量化区间的非均匀移相光量化模数转换器的转换过程具体以下：
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模块中进行调制，得到的调制后的光信号，并将调制光信号输入非均匀移相模块；
步骤2：移相，使用n个移相器对输入的光信号进行移相操作，移相后的信号输入非均匀阈值判决模块；
步骤3：阈值判决，输入n个移相光信号进入相应的n个阈值判决器进行阈值判决操作并得到输出编码。
本发明还公开了一种非均匀移相光量化模数转换器，包括马赫曾德尔调制器、非均匀阈值判决器；光电探测器、比较器；其中：
马赫曾德尔调制器：对电信号的电光进行调制以及对光信号的非均匀进行移相；
非均匀阈值判决器：包括光电探测器和比较器，从马赫曾德尔调制器输入的光信号进入到光电探测器中进行光电转换并将转换的电信号输入比较器中，通过设置比较器的阈值电压对输入的电信号进行判决比较，完成非均匀量化并输出量化编码。
作为优选方案，调节Vbi来调整相移量为
Figure BDA0003761591670000031
使得马赫曾德尔调制器之间的调制特性曲线形成非均匀的移相，得到非均匀移相光量化所需要的传输特性曲线，再分别输入Vs(t)和光采样脉冲到n个马赫曾德尔调制器进行电光调制和移相操作；其中，Vbi(i＝1,2,…,n)为马赫曾德尔调制器的偏置电压，用于控制相移量；Vs(t)为待量化的模拟电信号。
本发明非均匀移相光量化ADC，充分考虑了非均匀量化的性能优势以及光子技术的速率优势，进而既保证了ADC的速率，又提高了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，提升了对非均匀分布信号的量化效果，特别地，对小信号占据大部分而大信号占据小部分的信号的量化效果提升更加明显。
2、本发明为基于光器件的ADC，解决了传统电子ADC中存在很大的时钟抖动问题。
3、本发明的非均匀量化区间可以根据需求任意修改，提高了适应范围。
4、本发明中的非均匀判决阈值模块中的各通道判决阈值处于靠近零的状态，受到采样脉冲幅度抖动的影响较小，与均匀的移相光量化ADC相比，提升抗脉冲幅度抖动性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为实施例1非均匀移相光量化模数转换器的原理示意图。
图2为实施例1非均匀移相器的原理示意图。
图3为实施例1非均匀阈值判决模块的原理示意图。
图4为n＝8时的非均匀移相曲线图及其编码。
图5为实施例2基于马赫曾德尔调制器(Mach-Zehnder Modulator，MZM)的非均匀移相光量化模数转换器。
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。
本发明提供了一种可实现任意量化区间的非均匀移相光量化模数转换器，以改进现有均匀量化ADC的量化性能。
实施例1
如图1-3所示，本实施例非均匀移相光量化模数转换器，包括电光调制器、非均匀移相器和非均匀阈值判决模块；
电光调制器，用于对输入的模拟电信号进行采样，并将电信号转换为光信号；
非均匀移相器，用于对输入的光信号进行移相操作；具体的，非均匀移相器包括分光镜和n个移相器。
非均匀阈值判决模块，用于对输入的光信号进行阈值判决来输出数字编码；具体的，非均匀阈值判决模块，包括n个阈值判决器。
本实施例可实现任意量化区间的非均匀移相光量化模数转换器的转换过程具体如下：
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，得到的调制后的光信号，并将调制光信号输入非均匀移相器；
其中，输入电信号为x，输出光强归一化为：
Figure BDA0003761591670000041
其中，Vπ为调制器的半波电压；
步骤2：移相，使用n个移相器对输入的光信号进行移相操作，移相后的信号输入非均匀阈值判决模块；
其中，输入的光信号通过分光镜分成n路分别输入到n个移相器中。经过移相器后第i个光通道的光强yi归一化为：
Figure BDA0003761591670000051
其中，移相参数
Figure BDA0003761591670000052
由非均匀量化区间的占比Rj(j＝1,2,…,2N且∑Rj＝1)决定，非均匀量化区间Ri可根据需要任意设定，也可通过非均匀量化算法来确定特定信号下的最优值。移相参数
Figure BDA0003761591670000053
具体值为：
Figure BDA0003761591670000054
步骤3：阈值判决，输入n个移相光信号进入相应的n个阈值判决器进行阈值判决操作并得到输出编码。
其中，n路经过非均匀移相的光信号进入非均匀阈值判决模块，每一路光信号进入一个阈值判决器进行阈值判决并输出数字编码；在判决过程中，信号光强大于阈值，则输出编码为“1”，信号光小于阈值，则输出编码为“0”。第i路阈值判决器的判决阈值Ti为：
Figure BDA0003761591670000055
具体如图4所示，图中给出了n＝8下的非均匀移相光量化编码原理图以及对应量化区间相应的编码，图中的量化区间比值以8:4:2:1:1:2:4:8为例。
实施例2
如图5所示，本实施例公开一种基于MZM阵列的非均匀移相光量化模数转换器，包括MZM、光电探测器(Photonics Detector，PD)、比较器(Comparator，COMP)。其中，MZM负责电信号的电光调制和光信号的非均匀移相，PD和COMP组合成为非均匀阈值判决模块，负责阈值比较输出量化编码，其中，不同的比较器有着不同的阈值电压以实现非均匀量化。此外，Vbi(i＝1,2,…,n)为MZM的偏置电压，用于控制相移量；Vs(t)为待量化的模拟电信号。在基于MZM阵列的非均匀移相光量化模数转化器中，首先通过调节Vbi来调整相移量为
Figure BDA0003761591670000061
使得MZM之间的调制特性曲线形成非均匀的移相，得到非均匀移相光量化所需要的传输特性曲线，再分别输入Vs(t)和光采样脉冲到n个MZM进行电光调制和移相操作，从MZM出来的光信号进入到PD中进行光电转换并将转换的电信号输入到COMP中，最后通过设置相应COMP的阈值电压来对输入的电信号进行判决比较完成非均匀量化并输出量化编码。
综上所述，采用本发明非均匀移相光量化模数转换器，可以更好地考虑到信号分布对信号量化产生的影响，降低了量化噪声，提升了相同理论量化精度下ADC的量化性能。同时，光电子技术可以解决传统电子ADC存在很大的时钟抖动等问题，大大提高了ADC的速率。此外，本发明中的阈值判决模块中的判决阈值都小于最大输出的一半且接近于零，相比均匀的移相光量化ADC有着更好的抗脉冲幅度抖动性。因此，本发明的模数转换器，能较好的应用于实际通信系统，以及满足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。需要说明的是，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 (6)

1.非均匀移相光量化模数转换器，其特征在于，包括电光调制器、非均匀移相器和非均匀阈值判决模块。
所述电光调制器，将待量化的模拟电信号和光脉冲信号进行调制，得到调制后的光信号，并将调制光信号输入非均匀移相器；
所述非均匀移相器，用于对输入的光信号进行移相操作，移相后的信号输入非均匀阈值判决模块；
所述非均匀阈值判决模块，用于对输入的光信号进行阈值判决以输出数字编码。
2.根据权利要求1所述的非均匀移相光量化模数转换器，其特征在于，所述的模拟电信号为x，输出光强归一化为：
Figure FDA0003761591660000011
其中，Vπ为调制器的半波电压。
3.根据权利要求2所述的非均匀移相光量化模数转换器，其特征在于，所述的非均匀移相器，包括分光镜和n个移相器，输入的光信号通过分光镜分成n路分别输入到n个移相器中，经过移相器后第i个光通道的光强yi归一化为：
Figure FDA0003761591660000012
其中，移相参数
Figure FDA0003761591660000013
由非均匀量化区间的占比Rj决定，j＝1,2,…,n且∑Rj＝1，移相参数
Figure FDA0003761591660000014
具体值为：
Figure FDA0003761591660000015
4.根据权利要求3所述的非均匀移相光量化模数转换器，其特征在于，所述的非均匀阈值判决，包括n个阈值判决器，n路经过非均匀移相的光信号进入非均匀阈值判决模块，每一路光信号进入一个阈值判决器进行阈值判决并输出数字编码；在判决过程中，信号光强大于阈值，则输出编码为“1”，信号光小于阈值，则输出编码为“0”；第i路阈值判决器的判决阈值Ti为：
Figure FDA0003761591660000021
5.非均匀移相光量化模数转换器，其特征是包括马赫曾德尔调制器、非均匀阈值判决器；光电探测器、比较器；其中：
马赫曾德尔调制器：对电信号的电光进行调制以及对光信号的非均匀进行移相；
非均匀阈值判决器：包括光电探测器和比较器，从马赫曾德尔调制器输入的光信号进入到光电探测器中进行光电转换并将转换的电信号输入比较器中，通过设置比较器的阈值电压对输入的电信号进行判决比较，完成非均匀量化并输出量化编码。
6.如权利要求5所述非均匀移相光量化模数转换器，其特征是，调节Vbi来调整相移量为
Figure FDA0003761591660000022
使得马赫曾德尔调制器之间的调制特性曲线形成非均匀的移相，得到非均匀移相光量化所需要的传输特性曲线，再分别输入Vs(t)和光采样脉冲到n个马赫曾德尔调制器进行电光调制和移相操作；
其中，Vbi(i＝1,2,…,n)为马赫曾德尔调制器的偏置电压，用于控制相移量；Vs(t)为待量化的模拟电信号。
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