[發(fā)明專利]一種基于時(shí)間拉伸的微波信號光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換方法及裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610038778.0
• 申請日: 2016-01-20
• 公開（公告）號: CN105467717B
• 公開（公告）日: 2018-03-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 彭迪;張旨遙;馬陽雪;李和平;張尚劍;張雅麗;劉永
• 申請（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類號: G02F7/00
• 分類號: G02F7/00
• 代理公司: 成都點(diǎn)睛專利代理事務(wù)所(普通合伙)51232
• 代理人: 葛啟函

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光電技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于時(shí)間拉伸的微波信號光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換方法及裝置。

背景技術(shù)

數(shù)字信號系統(tǒng)具有靈活、抗干擾能力強(qiáng)、易處理、變換、加密和集成等諸多優(yōu)勢，然而自然界中的大部分信號都以模擬信號形式存在，為了充分利用數(shù)字系統(tǒng)的優(yōu)勢，人們常常用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC，Analog-to-digital converter)將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再在數(shù)字系統(tǒng)中進(jìn)行信號的處理、傳輸和存儲。于是，ADC成為了構(gòu)建數(shù)字化系統(tǒng)的關(guān)鍵，特別是在骨干網(wǎng)、電子系統(tǒng)中，對數(shù)字化處理的精度、速率和帶寬提出了很高的要求。然而，由于載流子的遷移速率存在物理極限，電子ADC受到諸如采樣時(shí)間抖動、采樣保持電路設(shè)置時(shí)間、比較器不確定性、晶體管閾值失配等因素限制，采樣速率每增加一倍，有效位數(shù)下降一位(R.H.Walden,Analog-to-digital converter survey and analysis,IEEE.J.Select.Areas Commun.,Vol.17,1999:539-550)，導(dǎo)致其始終很難取得在10GHz以上帶寬前提下的高精度突破。例如，目前最高速的電子模數(shù)轉(zhuǎn)換器為美國Tektronix的16GHz帶寬ADC，以及日本Fujitsu的15GHz帶寬ADC，但它們的有效位數(shù)均低于6位。

光學(xué)ADC技術(shù)利用光脈沖高速、寬帶、高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，完成高速、高精度的采樣量化，被視為同時(shí)實(shí)現(xiàn)寬帶、高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換的有效途徑。按照光學(xué)技術(shù)在模數(shù)變換中所承擔(dān)的角色，一般將光學(xué)ADC分為光學(xué)采樣型、光學(xué)量化型、光學(xué)輔助型和光學(xué)采樣量化型四種。其中，光學(xué)輔助型ADC是利用光子技術(shù)對模擬電信號進(jìn)行預(yù)處理，再用電子ADC進(jìn)行采樣、量化和編碼。光學(xué)預(yù)處理的目的在于改善電子ADC帶寬、速率、量化精度等性能指標(biāo)。

在光學(xué)輔助ADC技術(shù)中，最受業(yè)界關(guān)注的是光學(xué)時(shí)間拉伸ADC(TS-ADC)，該方案于1998年由美國加州大學(xué)洛杉磯分校的Jalali教授首次提出，它利用光學(xué)色散效應(yīng)對微波信號進(jìn)行降頻預(yù)處理，從而有效提高電子ADC的模擬帶寬和采樣速率。例如，在拉伸倍數(shù)為M的情況下，電子ADC的模擬帶寬B和采樣速率S分別提高到和?；驹硎抢蒙⑿?yīng)將線性啁啾光脈沖展寬，從而將調(diào)制在光脈沖上的微波信號同步拉伸降頻，再用低速的電子ADC完成拉伸后微波信號的數(shù)字化。目前，單通道瞬態(tài)信號處理系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)了高達(dá)250倍的拉伸系數(shù)，以及10TS/s的有效采樣速率，有效位數(shù)達(dá)4.5bits(J.Chou,O.Boyraz,et al.Femtosecond real-time single-shot digitizer.Applied Physics Letters,2007,91(16):161105)。

然而，TS-ADC仍然存在技術(shù)性的關(guān)鍵問題有待解決，其中首要問題就是脈沖包絡(luò)的非均勻性。為了提高系統(tǒng)的有效位數(shù)，必須去除脈沖包絡(luò)的非均勻性和脈沖與脈沖間包絡(luò)形狀變化的影響。目前，最常用的方法是利用雙輸出MZM雙端口的互補(bǔ)特性，將兩個(gè)輸出端口信號做差分處理。為了用一段色散介質(zhì)實(shí)現(xiàn)兩路互補(bǔ)信號的獨(dú)立拉伸，需要在其中一個(gè)輸出端加二分之一重復(fù)周期的時(shí)延后，再把兩路耦合、同步拉伸。如此針對每一個(gè)脈沖進(jìn)行差分處理就解決了包絡(luò)隨時(shí)間變化的問題。2003年，Jalali教授團(tuán)隊(duì)利用該方法，成功對一個(gè)采樣速率高達(dá)120GS/s,模擬帶寬24GHz的光學(xué)時(shí)間拉伸系統(tǒng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行了去包絡(luò)處理(Y.Han,B.Jalali.Differential photonic time-stretch analog-to-digital converter.Conference on Lasers and Electro-Optics Optical Society of America,2003)。對于連續(xù)時(shí)間的光學(xué)時(shí)間拉伸模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，待數(shù)字化的連續(xù)微波信號調(diào)制在由線性啁啾脈沖首尾相連構(gòu)成的連續(xù)光載波上，再用色散效應(yīng)將信號與光載波同步拉伸，利用波分復(fù)用器將降頻后的信號切割，分別經(jīng)由光電探測器和電子模數(shù)轉(zhuǎn)換器完成光電變換和數(shù)字化轉(zhuǎn)換。然而，連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的拉伸倍數(shù)受限于波分復(fù)用的通道數(shù)，這是因?yàn)槔毂稊?shù)若大于波分復(fù)用的通道數(shù)，拉伸后，前后兩個(gè)脈沖將因?yàn)橥徊ㄩL分量在時(shí)間上的重疊而無法分辨。因此，如果將Jalali團(tuán)隊(duì)的差分去包絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)，最大拉伸倍數(shù)是未應(yīng)用差分去包絡(luò)系統(tǒng)的一半。即此時(shí)最大有效帶寬為，最大有效采樣速率為。由此可見，雖然Jalali團(tuán)隊(duì)的差分去包絡(luò)方案解決了系統(tǒng)包絡(luò)非均勻性的技術(shù)問題，但卻以犧牲拉伸倍數(shù)為代價(jià)，限制了系統(tǒng)有效帶寬和有效采樣速率的提升。