一种基于数字映射的高速光子数模转换方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于数字映射的高速光子数模转换方法及系统。其系统包括宽谱光源、波分解复用器、N个光衰减器、N个数字映射器、N个马赫‑曾德尔调制器、波分复用器、光电检测器以及低通滤波器，该系统利用宽谱光源提供连续光载波，将“降频”后的数字信号通过马赫‑曾德尔调制器调制到不同频率的光载波上，调制信号接入波分复用器实现不同权重位数字信号的加权叠加，后由光电检测器进行光电转换并接入低通滤波器进行平滑处理，从而实现数字信号到模拟信号的转换。该方案利用数字映射的方式，对待转换的数字信号预先进行降频处理，从而利用现有转换设备实现系统转换速率和系统带宽的倍增，同时该系统结构简单，易于操作和集成化。

【技术实现步骤摘要】
一种基于数字映射的高速光子数模转换方法及系统
本专利技术属于光通信的信号处理
，具体涉及一种基于数字映射的高速光子数模转换方法及系统。
技术介绍
数模转换器(Digital-to-analogConverter,DAC)是数字世界和模拟世界之间不可替代的桥梁。近年来在现代雷达、无线通信等领域中，数模转换器作为实现数字信号到模拟信号转换的关键器件，其性能的优劣直接影响整个信号处理系统的速率、带宽和精度。随着雷达和通信技术的发展，高速、高精度的数模转换器产生和恢复的超宽带高频信号有助于提高通信系统性能。然而，传统的电子DAC由于射频延迟、时间抖动和电磁干扰等电子固有限制，只能在能量效率和带宽之间权衡，无法同时提高转化速率与转化精度，无法满足现有信号处理系统大带宽、高精度的需求。随着光学技术的发展，利用光子技术突破传统方案时钟抖动、电磁干扰的瓶颈从而实现高速、高精度的数模转换器引起许多研究者注意，充分发挥光子技术高速采样时钟、大带宽和无电磁干扰的优势实现数字信号到模拟信号的转换，提升通信系统性能是极具发展前景的方法。现有的光学数模转换方案根据数字信号的输入类型分为串行和并行两类。2001年，日本NTT公司提出一种基于加权延时的光学数模转换方案，是最早的光学串行输入数模方案，多路相同的串行数字信号经过光衰减施加上相应比特权重后，每个通道对应延时一个比特周期后通过干涉仪叠加，采用光判决门提取对应数字信号转换形成的模拟信号。但该方案最大的缺点就是要精准控制每路信号的相位才能实现同波长叠加，并且需要高速光判决门提取信号才能实现数字信号到模拟信号的转换。清华大学于2008年提出基于多波长加权脉冲序列的光子数模转换方案，该方案利用色散光纤使加权多波长脉冲串在时域上色散分离并分别调制串行数字信号的不同加权位，调制后的信号经过色散补偿光纤实现调制信号在时域上的加权叠加，利用光电检测器实现光电转换和低通滤波后得到对应的模拟信号。该方案对脉冲周期、光纤色散量等有精确要求，并且转换精度受限于多波长脉冲的重复周期。光子串行数模转换方案能够对串行数字信号进行直接的处理转换，系统结构简单，但转换速率相较于能够同时对多个比特位数字信号进行转换的并行方案较低。IPITEK在2003年提出并行转换方案，该方案利用并行电光调制器阵列实现对数字信号的并行处理，后通过光电检测器阵列实现调制信号的非相干叠加。该方案具有转换速率高，易集成的优点，但调制器响应速度和消光比、光电检测器带宽等都会成为系统性能的限制因素。2007年清华大学在IPITEK并行方案基础上采用了宽谱光源来降低非相干叠加过程中的干涉噪声。2005年大阪大学提出一种基于非线性光环镜(NonlinearOpticalLoopMirror,NOLM)的光子数模转换方案，利用NOLM反射谱和透射谱控制脉冲输出方向和幅度大小来实现不同比特权重信号的加权叠加得到相应的模拟信号输出。该方案利用NOLM非线性原理系统响应速度快，但是想要实现N比特转换精度需要2N-1个NOLM，系统结构复杂。2014年中科院还提出了基于微环谐振器的光子数模转换方案，用高低电压控制微环谐振器谐振波长的移动来实现数字信号的调制。该方案使用多个微环谐振器实现并行数模转换，微环谐振器具有超小型尺寸和低功耗的优势，降低系统复杂度并且便于系统集成，但是微环谐振器的转换速率不高，导致整个系统的转换速率受到限制。因此，如何利用简单有效的方法来简化系统结构并且提升系统性能仍然是一个值得关注的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有光子数模转换技术的缺陷，提供一种基于数字映射的高速光子数模转换方法及系统，对数字信号进行降频处理，解决了光子数模转换系统转换速率受限于现有设备的问题，极大地提高了光子数模转换系统的转换速率，同时系统简单易于实现。为了实现以上目的，本专利技术采用以下技术方案：一种基于数字映射的高速光子数模转换方法，包括步骤：S1、宽谱光源产生连续光载波，所述连续光载波经过波分解复用器后分成N路不同波长的并行光载波，所述N路光载波分别并行经过与每一路光载波相对应的光衰减器后继续分别进入与光衰减器相对应的马赫-曾德尔调制器；S2、N个数字映射器均对输入其自身的数字信号进行降频处理，并输出两路数字信号，每个数字映射器输出的两路数字信号进入与每个数字映射器相对应的马赫-曾德尔调制器；S3、N个马赫-曾德尔调制器均将进入其自身的两路数字信号调制到进入其自身的光载波上，并输出一路光调制信号，N路光调制信号进入波分复用器；S4、波分复用器将N路不同权重的光调制信号进行加权叠加并输出一路复用光信号，所述复用光信号进入光电检测器转换为电信号后进入低通滤波器进行平滑处理并得到模拟信号。进一步地，步骤S1中，N路光载波分别经过与每一路光载波相对应的光衰减器后功率比为：其中表示光载波经过第i个光衰减器后的功率，i＝1，2，3，......，N。进一步地，N个数字映射器的输入数字信号D1，D2，...，DN分别对应为待转换数字信号经串并转换后的LSB，NLSB，...，MSB数据串，其中LSB为最低有效比特位，NLSB为最接近LSB的有效比特位，MSB为最高有效比特位。进一步地，每个数字映射器输出的两路数字信号Si1、Si2(i＝1，2，...，N)满足：其中Si1表示第i个数字映射器输出的第一路数字信号，Si2表示第i个数字映射器输出的第二路数字信号；m＝1，2，...，n/2，n为数字映射器的输入数字信号的长度，Vs为数字映射器输出降频信号的幅度。进一步地，每个数字映射器输出的数字信号峰值均为Vπ。进一步地，所述步骤S3中，每个马赫-曾德尔调制器输出的调制信号的初始相位为π。进一步地，所述每个马赫-曾德尔调制器输出的调制信号的初始相位由直流电源提供偏置电压进行控制，偏置电压大小等于Vπ。进一步地，所述S3步骤中，每个马赫-曾德尔调制器输出的光调制信号强度Ii(i＝1，2，...，N)的表达式为：其中，α＝πVs/Vπ代表调制深度，T代表数字映射器输出信号的比特周期。本专利技术还公开了一种基于数字映射的高速光子数模转换系统，包括宽谱光源、波分解复用器、N个光衰减器、N个数字映射器、N个马赫-曾德尔调制器、波分复用器、光电检测器以及低通滤波器；宽谱光源，用于产生连续光载波；波分解复用器，用于将连续光载波分成N路不同波长的并行光载波；光衰减器，用于对与其相对应的并行光载波的光功率进行衰减；数字映射器，用于对输入其自身的数字信号进行降频处理，并输出两路数字信号；马赫-曾德尔调制器，用于将与其相对应的两路数字信号调制到与其相对应的经过光衰减器衰减的光载波上，并输出一路光调制信号；波分复用器，用于将N个马赫-曾德尔调制器输出的N路不同权重的光调制信号进行加权叠加并输出一路复用光信号；光电检测器，用于将复用光信号转换为电信号；低通滤波器，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于数字映射的高速光子数模转换方法，其特征在于，包括步骤：/nS1、宽谱光源产生连续光载波，所述连续光载波经过波分解复用器后分成N路不同波长的并行光载波，所述N路光载波分别并行经过与每一路光载波相对应的光衰减器后继续分别进入与光衰减器相对应的马赫-曾德尔调制器；/nS2、N个数字映射器均对输入其自身的数字信号进行降频处理，并输出两路数字信号，每个数字映射器输出的两路数字信号进入与每个数字映射器相对应的马赫-曾德尔调制器；/nS3、N个马赫-曾德尔调制器均将进入其自身的两路数字信号调制到进入其自身的光载波上，并输出一路光调制信号，N路光调制信号进入波分复用器；/nS4、波分复用器将N路不同权重的光调制信号进行加权叠加并输出一路复用光信号，所述复用光信号进入光电检测器转换为电信号后进入低通滤波器进行平滑处理并得到模拟信号。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于数字映射的高速光子数模转换方法，其特征在于，包括步骤：
S1、宽谱光源产生连续光载波，所述连续光载波经过波分解复用器后分成N路不同波长的并行光载波，所述N路光载波分别并行经过与每一路光载波相对应的光衰减器后继续分别进入与光衰减器相对应的马赫-曾德尔调制器；
S2、N个数字映射器均对输入其自身的数字信号进行降频处理，并输出两路数字信号，每个数字映射器输出的两路数字信号进入与每个数字映射器相对应的马赫-曾德尔调制器；
S3、N个马赫-曾德尔调制器均将进入其自身的两路数字信号调制到进入其自身的光载波上，并输出一路光调制信号，N路光调制信号进入波分复用器；
S4、波分复用器将N路不同权重的光调制信号进行加权叠加并输出一路复用光信号，所述复用光信号进入光电检测器转换为电信号后进入低通滤波器进行平滑处理并得到模拟信号。


2.根据权利要求1所述的一种基于数字映射的高速光子数模转换方法，其特征在于，步骤S1中，N路光载波分别经过与每一路光载波相对应的光衰减器后功率比为：



其中表示光载波经过第i个光衰减器后的功率,i＝1,2,3,……,N。


3.根据权利要求1所述的一种基于数字映射的高速光子数模转换方法，其特征在于，步骤S2中，N个数字映射器的输入数字信号D1,D2,...,DN分别对应为待转换数字信号经串并转换后的LSB,NLSB,...,MSB数据串，其中LSB为最低有效比特位，NLSB为最接近LSB的有效比特位，MSB为最高有效比特位。


4.根据权利要求3所述的一种基于数字映射的高速光子数模转换方法，其特征在于，每个数字映射器输出的两路数字信号Si1、Si2(i＝1,2,...,N)满足：






其中Si1表示第i个数字映射器输出的第一路数字信号，Si2表示第i个数字映射器输出的第二路数字信号；
m＝1,2...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨淑娜，胡晓云，池灏，杨波，曾然，李齐良，欧军，翟彦蓉，
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