[发明专利]一种基于加权调制曲线的光子模数转换方法及系统

说明书

本发明涉及一种基于加权调制曲线的光子模数转换方法及系统，通过将移相光量化技术与加权多波长采样脉冲相结合，利用加权调制曲线实现光子模数转换系统的量化精度提升；该系统利用加权多波长脉冲源产生加权多波长采样光脉冲，将射频模拟信号通过马赫‑曾德尔调制器调制到加权多波长采样光脉冲上。调制信号接入色散元件实现多波长脉冲的时域走离，后由光电探测器进行光电转换并接入比较器进行阈值比较，从而实现模拟信号到数字信号的转换；与传统光子模数转换系统相比，该方案利用加权调制曲线实现对模拟输入信号的均匀量化，从而实现光子模数转换系统的比特精度提高，同时系统结构简单，易于实现。

技术领域

本发明属于光通信的信号处理技术领域，尤其涉及一种基于加权调制曲线的光子模数转换方法及系统。

背景技术

模数转换器(Analog-to-digital Converter，ADC)作为模拟世界和数字世界之间的桥梁，ADC在电子产品、精密仪器仪表和航空通信中发挥着至关重要的作用。在过去的十几年里，电子ADC在提高采样率和分辨率方面取得了较大的进步。然而随着雷达系统、实时监控和医学成像等同时要求大带宽和高分辨的应用出现，传统电子ADC的性能达到了极限。由于射频延迟、时间抖动和电磁干扰等电子固有限制，传统电子ADC无法满足现有信号处理系统大带宽、高精度的需求。随着光子器件和技术的发展，光子ADC可以避免传统电子ADC在能量效率和带宽间权衡的缺陷。首先，光子ADC相较传统电子ADC具有低损耗、大带宽和无电磁干扰等优势。其次，由锁模激光器产生的采样光脉冲具有高重复频率和低时间抖动的优质特性，其时钟抖动比电子时钟抖动低两个数量，并且速率可达到100GS/s以上。凭借光子技术优势，光子模数转换技术在提升数字信号处理系统性能方面具有很大的发展前景。

在1979年，Taylor首次提出一种基于马赫曾德尔调制器(MZM)阵列的光子ADC方案。在方案中，各路调制器的传递函数周期不同，以此来实现对不同输入信号的量化编码。但该方案最大的缺点是调制器的半波电压需要呈2的倍数减小。由于制造工艺的限制，当光通道数超过4时，调制器半波电压小于1V难以实现。为了避免这一问题，Stigwall在2005年提出利用空间MZ干涉结构实现对射频信号的量化编码。该方案空间干涉仪的一臂上的相位调制器调制上模拟信号后与另一臂光信号发生空间干涉，将多个光探测器按照一定的空间位置集成到一个芯片上实现移相光量化。然而Stigwall方案空间光干涉容易受到环境的影响，并且结构复杂，插入损耗较大，技术上实现困难。为提高系统的稳定性能够更好地实现移相光量化，研究者提出一系列编码量化方案，其中包括采用并联MZM方案；采用偏振光干涉的光子量化方案；采用非等臂长的MZM方案；采用一个相位调制器和延迟线干涉仪实现差分编码的量化方案等。移相光量化是通过具有恒定相位差的不同传递函数实现对输入信号的量化编码。然而移相光量化技术N个光通道只能实现2N个量化级，在光通道数量相等的情况下，Taylor方案能够实现2N个量化级的均匀量化。因此系统比特分辨率较低成为移相光量化方案的主要限制。为提升光子模数转换系统的比特精度，2009年提出的一种利用多个比较器实现系统比特精度提升的方案，在该方案中，利用对称数字系统(SNS)在每个调制器后连接多个比较器实现系统比特精度的提升。该方案使用的比较器数量较大，使得系统结构复杂不利于集成。一种基于级联的量化方案在2014年被提出。该方案利用定向耦合器阵列作为第二级量化，对第一级量化的输出功率进行进一步量化，以此增加系统量化级数。然而该方案的定向耦合器阵列需要特殊定制，并且当第二级量化比特分辨率提高时，无法实现均匀量化导致系统量化噪声提高，从而使得系统ENOB严重降低。2018年提出一种利用电路实现探测信号的线性组合的量化方案，该方案利用逻辑电路对探测信号进行线性组合，等效实现通道数增加的效果。然而该方案中对于逻辑电子线路的带宽要求较大，并且系统复杂。2020年提出一种串行的flash量化方案，利用色散元件使得脉冲分离，以此量化输入信号得到数字信号的串行输出，从而简化了系统结构。然而该方案只能工作在小信号调制情况下，需要控制MZM偏置在正交点并且调制深度较小来实现输入模拟信号的线性强度调制。所以，如何使用一种结构简单易于实现的量化方案来提升系统比特精度仍然是一个值得研究的问题。

针对以上问题，故，有必要对其进行改进。