CN115242246A - 抗脉冲幅度抖动的非均匀移相光量化模数转换器 - Google Patents

抗脉冲幅度抖动的非均匀移相光量化模数转换器 Download PDF

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李政民
滕旭阳
胡淼
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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

本发明提出一种抗脉冲幅度抖动的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、互补光产生模块、光功率控制模块、平衡阈值判决模块，电光调制器用于对输入的模拟电信号进行电光转换并完成光采样；非均匀移相器用于对电光调制器输入的光信号进行移相操作；互补光产生模块用于将非均匀移相器输入的光信号分成两条幅度互补的光信号；光功率控制模块用于控制互补光产生模块输入的两互补光之间的功率比；平衡阈值判决模块用于对光功率控制模块输出的互补光进行差分检测，并进行阈值判决输出量化编码。本发明解决了采样脉冲幅度抖动对量化性能产生影响的问题，能够更好的满足高速高性能模数转换的应用需求。

Description

抗脉冲幅度抖动的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，具体涉及一种抗脉冲幅度抖动的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)，作为连接现实世界与虚拟数字世界的重要桥梁，在现实生活中起着必不可少的作用。随着信息技术的不断发展，信息的传输容量不断增加，人们对高速大容量通信系统的需求不断增加，这也意味着对通信系统中收发机的模数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、比较器松弛等问题，传统电子ADC已经无法适应高速高精度的模数转换应用场景。随着光子技术的发展，光ADC，因其可以利用光子技术突破电子ADC现有瓶颈，成为了光电子领域的研究热点。在实际工程中，往往要考虑性能和成本两个因素，而无论是电子ADC还是光ADC，其成本都是随着理论量化精度的提高而增加。为了提高ADC的量化性能，一种通过最小化量化噪声而提高量化性能的非均匀量化方式应运而生。因此，有研究人员结合光子技术和非均匀量化，对非均匀光ADC进行了研究。例如，2021年，在Asia Communications and PhotonicsConference上的一篇《A Nonuniform Quantization Scheme based on Optical Phase-shifted Devices》中提出了一种基于移相光量化的非均匀量化方案，该量化方案利用改进的移相光量化实现在保持理论量化精度不变情况下提升了量化性能。在移相光量化中，无论是均匀量化还是非均匀量化，其判决阈值都是跟最大输出光强度相关的值。但是在实际情况中，光脉冲往往会受到激光器的稳定性、系统噪声、环境干扰等因素的影响，而出现采样光脉冲幅度抖动的情况，因此实际的最大输出光功率会呈现不稳定的状态，而这将影响移相光量化系统中的阈值判决部分，使得阈值判决结果误差增大，从而导致模数转换系统的性能下降。针对采样脉冲幅度抖动影响量化性能的问题，已经有研究人员提出用平衡探测替代单端探测的方式来解决。但是此方案是应用于均匀量化下的移相光量化系统，并不完全适用于非均匀量化下的移相光量化系统，目前也没有相应的方案用于解决非均匀移相光量化系统中的采样脉冲幅度抖动问题。
因此，研究解决非均匀移相光量化中的采样脉冲幅度抖动问题以提高量化性能是十分必要。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种抗脉冲幅度抖动的非均匀移相光量化模数转换器，以解决非均匀移相光量化模数转换器中采样脉冲幅度抖动影响系统量化性能的问题。
为了实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种抗采样脉冲幅度抖动的非均匀移相光量化模数转换器，包括：
电光调制器，用于对输入的模拟电信号进行电光转换并完成光采样；
非均匀移相器，用于对电光调制器输入的光信号进行移相操作；
互补光产生模块，用于将非均匀移相器输入的光信号分成两条幅度互补的光信号；
光功率控制模块，用于控制互补光产生模块输入的两互补光之间的功率比；
平衡阈值判决模块，用于对光功率控制模块输出的互补光进行差分检测，并进行阈值判决输出量化编码。
作为优选方案，所述非均匀移相器模块，包括分光镜和n个移相器。
作为优选方案，所述互补光产生模块，包括n个互补光生成器。
作为优选方案，所述光功率控制模块，包括n个光衰减器。
作为优选方案，所述平衡阈值判决模块，包括n个差分检测器和阈值判决器。
上述抗采样脉冲幅度抖动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：将模拟电信号和采样光脉冲输入到电光调制器模块中进行电光调制，得到调制光信号，并将其输入非均匀移相模块；
步骤2：移相：使用n个移相器对经过分光器产生的n条光信号进行移相操作，移相后的信号输入互补光产生模块；
步骤3：互补光产生：输入的n个移相光信号进入n个互补光产生器，每个互补光产生器产生两条幅度互补的光信号，共产生2n条光信号并进入功率控制模块；
步骤4：光功率控制：输入的2n条光信号中的奇数条的光信号进入光衰减器，进行一定的功率衰减，偶数条的光信号不进行功率衰减处理，经过功率控制后的光信号进入平衡阈值判决模块；
步骤5：差分检测和阈值判决：使用n个差分检测器对输入的2n条光信号进行差分检测，产生n条差分信号，差分信号进入n个阈值判决器进行阈值判决并输出量化编码。
作为优选方案，电光调制器中：输入电信号为x，输出光强归一化为：
Figure BDA0003775702160000031
其中，Vπ为调制器的半波电压。
作为优选方案，非均匀移相器中：输入的光信号通过分光镜分成n路并输入到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 BDA0003775702160000032
其中，移相参数
Figure BDA0003775702160000033
由非均匀量化区间的占比Rj(j＝1,2,…,n且∑Rj＝1)决定，非均匀量化区间Ri可根据特定的需求任意设定，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 BDA0003775702160000034
具体值为：
Figure BDA0003775702160000035
作为优选方案，互补光产生模块：n路经过非均匀移相的光信号进入互补光产生模块，每一路光信号进入一个互补光产生器并产生两条幅度互补的光信号，第i条光通道产生的两条互补光的光强归一化为：
Figure BDA0003775702160000036
作为优选方案，光功率控制模块中：2n路互补光信号进入功率控制模块，奇数路光信号进入n个光衰减器产生经过功率控制的光信号，第i条光通道产生的两条互补光经过功率控制后的光强为：
Figure BDA0003775702160000037
其中，αi为第i个光衰减器的参数，其值由非均匀量化区间占比Rj决定，具体为：
Figure BDA0003775702160000041
作为优选方案，平衡阈值判决模块中：n个判决阈值器的判决阈值均为零，当输入信号大于零时，阈值判决器输出“1”，当输入信号小于零时，阈值判决器输出“0”。
本发明还公开了一种抗采样脉冲幅度抖动的非均匀移相光量化模数转换器，包括依次相连的双端输出马赫曾德尔调制器、衰减器、平衡阈值判决模块；其中，
双端输出马赫曾德尔调制器，用于负责电信号的电光采样、光信号的非均匀移相以及互补光的产生；具体的，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，比较器的阈值为零；通过调节Vbi来调整相移量为
Figure BDA0003775702160000042
，使得双端输出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，分别输入Vs(t)和光采样脉冲到n个双端输出马赫曾德尔调制器进行电光调制、移相以及互补光的产生操作；
衰减器，用于控制光功率；具体的，从双端输出马赫曾德尔调制器出来的2n条光信号，其中的奇数条光信号经过衰减参数为αi的衰减器；
平衡阈值判决模块，由平衡光电探测器和比较器组合，分别负责差分检测和阈值比较输出量化编码；具体的，经过光功率控制后的2n条光信号进入到平衡光电探测器中进行光电转换以及差分检测输出n条电信号，电信号输入到阈值电压为零的比较器中进行阈值判决以及输出量化编码。
本发明的核心是利用产生互补光、光功率衰减以及平衡探测对传输特性曲线的偏置进行调整，使得非均匀移相光量化模数转换器的判决阈值均为零。与现有技术采用单端探测下的非均匀移相光量化模数转换器相比，具有以下优点：
1、判决阈值为零，实现更加简单容易，同时避免了阈值电平对判决的影响；
2、采样脉冲幅度抖动对量化性能的影响一方面与抖动程度有关，另一方面与判决阈值有关，当判决阈值为零时，非均匀移相光量化模数转换器的量化性能可以几乎不受到采样脉冲幅度抖动的影响，本发明使判决阈值降为零，解决了非均匀移相光量化模数转换器中的采样脉冲幅度抖动影响量化性能问题。
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抗采样脉冲幅度抖动的非均匀移相光量化模数转换器的原理示意图。
图2为非均匀移相模块的原理示意图。
图3为互补光产生模块的原理示意图。
图4为光功率控制模块的原理示意图。
图5为平衡阈值判决模块的原理示意图
图6为n＝8时的非均匀移相光量化编码示意图。
图7为实施例2基于双端输出马赫曾德尔调制器(Dual Output Mach-ZehnderModulator，DOMZM)的非均匀移相光量化模数转换器。
图8为不同采样脉冲幅度抖动下，不同信号经过非均匀移相光模数转换后的有效量化位数(Effective Bit Of Number，ENOB)图。
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。
实施例1
本实施例提供一种抗采样脉冲幅度抖动的非均匀移相光量化模数转换器，以解决非均匀移相光量化模数转换中的采样脉冲幅度抖动影响量化性能的问题。
如图1-5所示，本实施例一种抗采样脉冲幅度抖动的非均匀移相光量化模数转换器，包括依次连接的电光调制器模块、非均匀移相器模块、互补光产生模块、光功率控制模块、平衡阈值判决模块；
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，并完成光采样。
非均匀移相器，用于对输入的光信号进行移相操作；具体地，非均匀移相器，包括分光镜和n个移相器。
互补光产生模块，用于将输入的光信号分成两条幅度互补的光信号；具体地，互补光产生模块，包括n个互补光生成器。
光功率控制模块，用于控制输入的两互补光之间的功率比；具体地，光功率控制模块，包括n个光衰减器。
平衡阈值判决模块，用于对输出的互补光进行差分检测，并进行阈值判决输出量化编码；具体地，包括n个差分检测器和阈值判决器。
具体的，本实施例抗采样脉冲幅度抖动的非均匀移相光量化模数转换器的转换过程如下：
步骤1：电光调制，将模拟电信号和采样光脉冲输入到电光调制器模块中进行电光调制，得到调制光信号，并将其输入非均匀移相模块；
设输入电信号为x，输出光强归一化为：
Figure BDA0003775702160000061
其中，Vπ为调制器的半波电压；
步骤2：移相，使用n个移相器对经过分光器产生的n条光信号进行移相操作，移相后的信号输入互补光产生模块；
其中，经过移相器后第i个光通道的光强yi归一化为：
Figure BDA0003775702160000062
其中，移相参数
Figure BDA0003775702160000063
由非均匀量化区间的占比Rj(j＝1,2,…,n且∑Rj＝1)决定，非均匀量化区间Ri可根据特定的需求任意设定，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 BDA0003775702160000064
具体值为：
Figure BDA0003775702160000071
步骤3：互补光产生，输入的n个移相光信号进入n个互补光产生器，每个互补光产生器产生两条幅度互补的光信号，共产生2n条光信号并进入功率控制模块；
其中，第i条光通道产生的两条互补光的光强归一化为：
Figure BDA0003775702160000072
步骤4：光功率控制，输入的2n条光信号中的奇数条的光信号进入光衰减器，进行一定的功率衰减，偶数条的光信号不进行功率衰减处理，经过功率控制后的光信号进入平衡阈值判决模块；
其中，第i条光通道产生的两条互补光经过功率控制后的光强为：
Figure BDA0003775702160000073
其中，αi为第i个光衰减器的参数，其值由非均匀量化区间占比Rj决定，具体为：
Figure BDA0003775702160000074
步骤5：差分检测和阈值判决，使用n个差分检测器对输入的2n条光信号进行差分检测，产生n条差分信号，差分信号进入n个判决阈值均为零的阈值判决器进行阈值判决并输出量化编码；输出量化编码规则为：当输入信号大于零时，阈值判决器输出“1”，当输入信号小于零时，阈值判决器输出“0”。
如图6所示，图中给出了n＝8下本实施例的非均匀移相光量化编码原理示意图以及对应量化区间相应的编码。
实施例2
本实施例还公开一种基于DOMZM的且具有抗采样脉冲幅度抖动的非均匀移相光量化模数转换器，如图7所示，包括依次连接的DOMZM、衰减器(Attenuator)、平衡光电探测器(Balance Photonics Detector，BPD)、比较器(Comparator，COMP)；其中，DOMZM负责电信号的电光采样、光信号的非均匀移相以及互补光的产生，衰减器负责光功率控制，BPD和COMP组合成为平衡阈值判决模块，分别负责差分检测和阈值比较输出量化编码。其中，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，比较器的阈值为零。在本实施例基于DOMZM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 BDA0003775702160000081
，使得DOMZM之间的调制特性曲线形成非均匀的移相，再分别输入Vs(t)和光采样脉冲到n个DOMZM进行电光调制、移相以及互补光的产生操作，从DOMZM出来的2n条光信号，其中的奇数条光信号经过衰减参数为αi的衰减器，经过光功率控制后的2n条光信号进入到BPD中进行光电转换以及差分检测输出n条电信号，电信号输入到阈值电压为零的COMP中进行阈值判决以及输出量化编码。
图8给出了在不同采样脉冲幅度抖动条件下，正弦信号和UFMC信号经过本实施例非均匀移相光量化模数转换器后量化性能，其中横坐标为采样脉冲的噪声标准差与光功率均值之比，横坐标为有效量化位数。可以发现，量化性能的指标不随采样脉冲幅度抖动增加而改变，这意味着本实施例模数转换器几乎不受到采样脉幅度抖动的影响。
综上所述，本发明解决了非均匀移相光量化模数转换器中的采样脉冲幅度抖动影响量化系统性能的问题。因此，本发明的模数转换器，相比一般的无抗采样脉冲幅度的非均匀移相光量化模数转换器能更好地应用于通信系统，以及满足系统的抗噪声和量化性能需求。
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 (10)

1.抗脉冲幅度抖动的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、互补光产生模块、光功率控制模块、平衡阈值判决模块；
所述电光调制器，用于对输入的模拟电信号进行电光转换并完成光采样；
所述非均匀移相器，用于对电光调制器输入的光信号进行移相操作；
所述互补光产生模块，用于将非均匀移相器输入的光信号分成两条幅度互补的光信号；
所述光功率控制模块，用于控制互补光产生模块输入的两互补光之间的功率比；
所述平衡阈值判决模块，用于对光功率控制模块输出的互补光进行差分检测，并进行阈值判决输出量化编码。
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，所述的电光调制器中，输入电信号为x，输出光强归一化为：
Figure FDA0003775702150000011
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，n个移相器对经过分光器产生的n条光信号进行移相操作，移相后的信号输入互补光产生模块。
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，所述的非均匀移相器中，输入的光信号通过分光镜分成n路并输入到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 FDA0003775702150000012
其中，移相参数
Figure FDA0003775702150000013
由非均匀量化区间的占比Rj决定，j＝1,2,…,n且∑Rj＝1，非均匀量化区间Ri根据特定的需求任意设定或者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 FDA0003775702150000014
具体值为：
Figure FDA0003775702150000015
5.根据权利要求3或4所述的非均匀移相光量化模数转换器，其特征在于，所述的互补光产生模块，包括n个互补光生成器，输入的n个移相光信号进入n个互补光产生器，每个互补光产生器产生两条幅度互补的光信号，一共产生2n条光信号并进入功率控制模块。
6.根据权利要求5所述的非均匀移相光量化模数转换器，其特征在于，所述的互补光产生模块中，n路经过非均匀移相的光信号进入互补光产生模块，每一路光信号进入一个互补光产生器并产生两条幅度互补的光信号，第i条光通道产生的两条互补光的光强归一化为：
Figure FDA0003775702150000021
7.根据权利要求6所述的非均匀移相光量化模数转换器，其特征在于，所述的光功率控制模块，包括n个光衰减器，输入的2n条光信号中的奇数条的光信号进入光衰减器，进行一定的功率衰减，偶数条的光信号不进行功率衰减处理，经过功率控制后的光信号进入平衡阈值判决模块。
8.根据权利要求7所述的非均匀移相光量化模数转换器，其特征在于，所述的光功率控制模块中，对于进入的2n路互补光信号，奇数路光信号进入n个光衰减器产生经过功率控制的光信号，第i条光通道产生的两条互补光经过功率控制后的光强为：
Figure FDA0003775702150000022
Figure FDA0003775702150000023
其中，αi为第i个光衰减器的参数，其值由非均匀量化区间占比Rj决定，具体为：
Figure FDA0003775702150000031
9.根据权利要求8所述的非均匀移相光量化模数转换器，其特征在于，所述平衡阈值判决模块，包括n个差分检测器和阈值判决器，n个差分检测器对输入的2n条光信号进行差分检测，产生n条差分信号，差分信号进入n个阈值判决器进行阈值判决并输出量化编码；更进一步，所述的平衡阈值判决模块中，n个判决阈值器的判决阈值均为零，当输入信号大于零时，阈值判决器输出“1”，当输入信号小于零时，阈值判决器输出“0”。
10.抗脉冲幅度抖动的非均匀移相光量化模数转换器，其特征在于包括依次相连的双端输出马赫曾德尔调制器、衰减器、平衡阈值判决模块；其中，
双端输出马赫曾德尔调制器，用于负责电信号的电光采样、光信号的非均匀移相以及互补光的产生：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，比较器的阈值为零；通过调节Vbi来调整相移量为
Figure FDA0003775702150000032
使得双端输出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，分别输入Vs(t)和光采样脉冲到n个双端输出马赫曾德尔调制器进行电光调制、移相以及互补光的产生操作；
衰减器，用于控制光功率：从双端输出马赫曾德尔调制器出来的2n条光信号，其中的奇数条光信号经过衰减参数为αi的衰减器；
平衡阈值判决模块，由平衡光电探测器和比较器组合，分别负责差分检测和阈值比较输出量化编码：经过光功率控制后的2n条光信号进入到平衡光电探测器中进行光电转换以及差分检测输出n条电信号，电信号输入到阈值电压为零的比较器中进行阈值判决以及输出量化编码。
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