一种基于分级量化原理的光子模数转换系统及方法技术方案

本发明专利技术属于光通信的信号处理技术领域，具体涉及一种基于分级量化原理的光子模数转换系统及方法，包括锁模激光器、第一光分束器、第一电光调制器、第二电光调制器、第三电光调制器、信号发生器、第一直流电源、第二直流电源、第三直流电源、第二光分束器、第三光分束器、第四光分束器、粗量化模块和细量化模块。本发明专利技术提出的一种基于分级量化原理的光子模数转换系统及方法，和传统光子模数转换系统相比，该方案利用粗‑细两级量化的方式，在等数量MZM的基础上实现了量化级数的指数次增长，从而极大提升了模数转换系统的比特精度，同时该系统具有结构简单、易集成等特点。

A system and method of photon A / D conversion based on the principle of hierarchical quantization

【技术实现步骤摘要】
一种基于分级量化原理的光子模数转换系统及方法
本专利技术属于光通信的信号处理
，具体涉及一种基于分级量化原理的光子模数转换系统及方法。
技术介绍
模数转换器(ADC)是模拟信号与现代高速数字信号处理系统之间不可或缺的桥梁。近年来，随着数据采集、无线通信、国防等领域对信号带宽的要求越来越高，对ADC的采样速率、系统带宽、比特精度等性能提出了更高的要求。然而，传统电子ADC受时间抖动以及其他硬件技术的限制，其发展难以达到现代高速数字信号处理系统的要求。随着光子技术的发展，利用光学器件和技术来提高ADC的性能引起了国内外研究人员的广泛兴趣。锁模激光器具有高重复频率、低时间抖动的特性，可以作为光子ADC中高性能的采样源，其采样速率可达100GS/s以上，时间抖动低至飞秒量级；另外，光子ADC与电子ADC相比，带宽的增加和噪声幅度的减少可以达到10倍以上的数量级。这一系列优点使其成为突破电子ADC技术瓶颈的最有前景的技术。1975年，Taylor提出一种基于MZM阵列的光子ADC方案，其利用MZM调制曲线的周期特性来实现对输入信号的量化编码。但该方案最大的缺点是MZM的半波电压需呈2的倍数减小，当系统信道数超过4时，需要调制器的半波电压小于1V,现有的工艺就很难到相应的要求。为了克服Taylor方案中MZM半波电压级数递减的限制，Stigwall在2005年提出利用空间干涉的结构实现对射频信号的光量化和编码。该方案通过将多个光探测器按一定的空间位置集成于一个芯片上，从而实现移相光量化。但该方案基于空间干涉对光信号进行处理，容易受到环境的影响，并且结构复杂，技术上难以实现。为改进并实现移相光量化，研究者提出了一系列改进方案，其中包括基于等电极长度MZM阵列的光子量化方案；使用一个相位调制器和偏振干涉移相器的方案；采用并行光强度调制器的模数转换方案；使用一个相位调制器和延时线干涉仪实现差分编码的移相光量化方案；基于非平衡MZM的光子量化方案等等。移相光量化技术最大的局限性在于它实现的比特分辨率较低，一个N通道的系统所实现的量化级数仅为2N，远低于Taylor方案所实现的2N个量化级。为了改进移相光量化方案中比特精度较低的问题，在2009年，一种利用多个比较器来提升比特精度的方案被提出。在该方案中，每个光信道使用多个不同阈值的比较器，利用对称数字系统(SNS)理论对采样信号进行量化和编码。但是该方案最大的局限性在于比较器个数较多，大大增加了系统的复杂度。在2014年，一种基于级联量化的移相光量化方案被提出。在该方案中，第一级量化的输出功率通过一个定向耦合器阵列作进一步的功率量化，从而达到提升量化级的目的。然而，由于调制器传递函数曲线在其上升沿和下降沿是非线性变化的，若第二级量化实现的比特分辨率大于2，定向耦合器阵列中子耦合器数量的增加会导致量化不均匀，这意味着级联量化后的各个量化级间隔不恒定，量化噪声增大而导致ENOB的严重下降。在2018年，一种利用电路实现对探测信号的线性组合，从而等效增加量化通道数的方案被提出。但受限于逻辑电路的带宽以及系统复杂性，该方案实现比较困难且会严重影响系统的性能。所以，寻求一种系统结构相对简单的移相光量化方案来提升比特精度仍然是值得关注的一个问题。
技术实现思路
基于现有技术中存在的上述不足，本专利技术提供一种基于分级量化原理的光子模数转换系统及方法。为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：一种基于分级量化原理的光子模数转换方法：包括以下步骤：S1.由锁模激光器发出的采样光脉冲源经过第一光分束器分成三路并行的采样脉冲；S2.所述三路采样光脉冲分别对第一电光调制器、第二电光调制器和第三电光调制器中的模拟射频信号进行调制，输出三路调制信号；S3.所述第一电光调制器、第二电光调制器和第三电光调制器输出的调制信号分别经第二光分束器、第三光分束器和第四光分束器分为数个光通道；一部分光通道接入粗量化模块，另一部分光通道接入细量化模块；S4.所述粗量化模块和细量化模块中的每一个光通道分别接入一个光电转换器进行光电转换后再接入相应的比较器，通过和预先设定好的比较器判决阈值进行比较，当输入电压大于阈值时判决输出为“1”，否则输出为“0”，从而将模拟信号转换为数字信号。作为优选方案,所述步骤S2中，模拟射频信号是由信号发生器产生并同步输入到第一电光调制器、第二电光调制器和第三电光调制器中。作为优选方案,所述步骤S2中，所述第一电光调制器、第二电光调制器和第三电光调制器输出的三路调制信号的初始相位为0、π/3和2π/3。作为优选方案,所述第一电光调制器、第二电光调制器和第三电光调制器的三路调制信号的初始相位分别由第一直流电源、第二直流电源和第三直流电源提供偏置电压进行控制，以使三个调制器分别偏置在0、Vπ/3和2Vπ/3处。作为优选方案,所述步骤S2中，第一电光调制器、第二电光调制器和第三电光调制器输出的光信号强度Ii(i＝1，2，3)的表达式分别为：其中，I0代表输入光强，代表输入模拟信号引入的相移。作为优选方案,所述步骤S3具体为，所述第一电光调制器输出的调制信号经第二光分束器分为C1个光通道，前两个光通道接入粗量化模块，剩余C1-2个光通道接入细量化模块；所述第二电光调制器和第三电光调制器输出的调制信号分别经第三光分束器和第四光分束器分为C2和C3个光通道，其中第一个光通道都接入粗量化模块，剩余C2-1和C3-1个光通道都接入细量化模块；粗量化模块中共接入四个光通道，细量化模块中共接入3n个光通道，其中n为每一路调制信号经各自光分束器分束后接入细量化模块中的光通道数量；第i路调制信号在粗量化模块、细量化模块中对应的总光通道数量Ci的表达式分别为：C1＝n+2C2＝n+1C3＝n+1。作为优选方案,所述S4中，粗量化模块中四个光通道对应的比较器阈值为固定值；第i路调制信号经分束器分束后接入细量化模块的第j(j＝1,2,…,n)个光通道所加比较器阈值Tij的表达式为：其中，作为优选方案,所述粗量化模块中四个光通道对应的比较器归一化阈值分别为0.75、0.25、0.25、0.25。相应的，还提供一种基于分级量化原理的光子模数转换系统，包括锁模激光器、第一光分束器、第一电光调制器、第二电光调制器、第三电光调制器、信号发生器、第一直流电源、第二直流电源、第三直流电源、第二光分束器、第三光分束器、第四光分束器、粗量化模块和细量化模块；所述锁模激光器用于发出采样光脉冲源，所述信号发生器用于产生模拟射频信号并同步输入到第一电光调制器、第二电光调制器和第三电光调制器中，所述第一直流电源、第二直流电源、第三直流电源用于分别为第一电光调制器、第二电光调制器和第三电光调制器提供偏置电压；所述采样脉冲源经过第一光分束器分成三路采样脉冲，所述三路采样光脉冲分别进入第一电光调制器、第二电光调制器和第三电光调制器中同时对模拟射频信号进行调制，输出三路调本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于分级量化原理的光子模数转换方法，其特征在于：包括以下步骤：/nS1.由锁模激光器发出的采样光脉冲源经过第一光分束器分成三路并行的采样光脉冲；/nS2.所述三路并行的采样光脉冲分别对第一电光调制器、第二电光调制器和第三电光调制器中的模拟射频信号进行调制，输出三路调制信号；/nS3.所述第一电光调制器、第二电光调制器和第三电光调制器输出的调制信号分别经第二光分束器、第三光分束器和第四光分束器分为数个光通道；一部分光通道接入粗量化模块，另一部分光通道接入细量化模块；/nS4.所述粗量化模块和细量化模块中的每一个光通道分别接入一个光电转换器进行光电转换后再接入相应的比较器，通过和预先设定好的比较器判决阈值进行比较，当输入电压大于阈值时判决输出为“1”，否则输出为“0”，从而将模拟信号转换为数字信号。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于分级量化原理的光子模数转换方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.由锁模激光器发出的采样光脉冲源经过第一光分束器分成三路并行的采样光脉冲；
S2.所述三路并行的采样光脉冲分别对第一电光调制器、第二电光调制器和第三电光调制器中的模拟射频信号进行调制，输出三路调制信号；
S3.所述第一电光调制器、第二电光调制器和第三电光调制器输出的调制信号分别经第二光分束器、第三光分束器和第四光分束器分为数个光通道；一部分光通道接入粗量化模块，另一部分光通道接入细量化模块；
S4.所述粗量化模块和细量化模块中的每一个光通道分别接入一个光电转换器进行光电转换后再接入相应的比较器，通过和预先设定好的比较器判决阈值进行比较，当输入电压大于阈值时判决输出为“1”，否则输出为“0”，从而将模拟信号转换为数字信号。


2.根据权利要求1所述的一种基于分级量化原理的光子模数转换方法，其特征在于,所述步骤S2中，模拟射频信号是由信号发生器产生并同步输入到第一电光调制器、第二电光调制器和第三电光调制器中。


3.根据权利要求2所述的一种基于分级量化原理的光子模数转换方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述第一电光调制器、第二电光调制器和第三电光调制器输出的三路调制信号的初始相位为0、π/3和2π/3。


4.根据权利要求3所述的一种基于分级量化原理的光子模数转换方法，其特征在于，所述第一电光调制器、第二电光调制器和第三电光调制器的三路调制信号的初始相位分别由第一直流电源、第二直流电源和第三直流电源提供偏置电压进行控制，以使三个调制器分别偏置在0、Vπ/3和2Vπ/3处。


5.根据权利要求1所述的一种基于分级量化原理的光子模数转换方法，其特征在于，所述步骤S2中，第一电光调制器、第二电光调制器和第三电光调制器输出的光信号强度Ii(i＝1，2，3)的表达式分别为：









其中，I0代表输入光强，代表输入模拟信号引入的相移。


6.根据权利要求1所述的一种基于分级量化原理的光子模数转换方法，其特征在于，所述步骤S3具体为，所述第一电光调制器输出的调制信号经第二光分束器分为C1个光通道...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨淑娜，刘志伟，池灏，杨波，曾然，李齐良，胡淼，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33