基於光時域壓縮的超高速數模轉換方法及裝置與流程
2024-03-03 10:58:15
本發明涉及一種數模轉換方法，尤其涉及一種基於光時域壓縮的超高速數模轉換方法及裝置。
背景技術：
數模轉換器(DAC)在通信、雷達、電子戰、電子系統測試等領域具有廣泛應用，器採樣速率與轉換精度在很大程度上決定了以上系統的性能。目前，單通道電子DAC的採樣速率能達到幾個吉赫茲(參見[S.Randel,et al.,「Generation of a digitally shaped 55-GBd 64-QAM single-carrier signal using novel high-speed DACs,」paper.M2A.3,Optical Fiber Communication Conf.and Exposition 2014.])。而光子DAC的採樣率雖然能實現>50GHz的採樣率，但是調製器的帶寬嚴重限制了系統的性能(參見[Antonella Bogoni,Xiaoxia Wu「160Gb/s All-Optical Binary-to-Quaternary Amplitude Shift Keying Format Conversion,」Optical Fiber Communication Conference and Exposition(OFC/NFOEC),pp.1-3,March,2011])。隨著高頻寬帶系統的快速發展，單通道DAC的採樣速率已不能滿足很多應用需求，例如，下一代傳輸速率為400Gb/s或1Tb/s的相干光通信系統迫切需要採樣率超過40GSa/s的DAC來產生多電平的正交幅度調製信號(參見[C.Laperle and M.O』Sullivan,「Advances in high-speed DACs,ADCs,and DSP for optical coherent transceivers,」Journal of Lightwave Technology,vol.31,no.23,pp.3780-3786,Dec.2013.])。
多通道DAC結構是一種常用的提升DAC的採樣速率的手段，它利用時分復用的原理，將多個通道的低速DAC輸出信號在時域復用，可以構建高速的DAC。基於電子技術的多通道DAC通常採用高速開關在多路低速DAC輸出信號間進行切換，使不同時刻輸出不同低速DAC的信息。由於高速開關的切換速率為低速DAC採樣率與通道數目的乘積，這種方法對電子開關速率的要求極高，導致DAC採樣速率的提升空間十分受限。此外，高速電子存在的時間抖動大、抗電磁幹擾能力差等缺點也限制了利用這種多通道DAC系統的性能。另一方面，利用光子技術雖然可以大幅提高DAC的採樣率，但是很難保持電DAC較高的有效比特位數。因此，如何提高多通道DAC結構對採樣率的提升上限及改善其性能非常有意義。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題在於克服現有技術不足，提供一種基於光時域壓縮的超高速數模轉換方法及裝置，無需高速電子開關即可獲得更高採樣速率的DAC輸出，同時保持較大的有效比特位數。
本發明具體採用以下技術方案解決上述技術問題：
基於光時域壓縮的超高速數模轉換方法，首先將超短光脈衝進行時域展寬，得到啁啾光脈衝；然後將電子數模轉換器輸出的模擬電信號通過電光強度調製器調製於所述啁啾光脈衝上；對調製後的光脈衝信號進行時域壓縮；最後將時域壓縮後的光信號進行光電轉換，得到在時域上被壓縮的模擬電信號。
在上述方案基礎上結合光時分復用技術，還可得到以下技術方案：
基於光時域壓縮的超高速數模轉換方法，首先將超短光脈衝進行時域展寬，得到啁啾光脈衝並將其分為多路；對每一路啁啾光脈衝，分別將一個電子數模轉換器輸出的模擬電信號通過電光強度調製器調製於其上，並對各路調製後的光脈衝信號施加不同的延時後進行合併；對合併後光脈衝信號進行時域壓縮；最後將時域壓縮後的光信號進行光電轉換，得到在時域上被壓縮且具有大的時間寬度的模擬電信號。
所述時域展寬及時域壓縮可通過各種現有或將有的技術手段實現，優選地，所述時域展寬及時域壓縮均通過色散介質的色散作用來實現，且時域展寬與時域壓縮所使用色散介質的色散係數值符號相反。
根據相同的發明思路了還可以得到以下兩種超高速數模轉換裝置：
基於光時域壓縮的超高速數模轉換裝置，包括：
光源，用於輸出超短光脈衝；
時域展寬單元，用於對光源輸出的超短光脈衝進行時域展寬，從而得到啁啾光脈衝；
電子數模轉換器，用於將數字電信號轉換為模擬電信號；
電光強度調製器，用於將電子數模轉換器輸出的模擬電信號調製於時域展寬單元輸出的啁啾光脈衝上；
時域壓縮單元，用於將電光強度調製器輸出的調製後光脈衝信號進行時域壓縮；光電探測器，用於對時域壓縮單元輸出的時域壓縮後的光信號進行光電轉換，得到在時域上被壓縮的模擬電信號。
基於光時域壓縮的超高速數模轉換裝置，包括：
光源，用於輸出超短光脈衝；
時域展寬單元，用於對光源輸出的超短光脈衝進行時域展寬，從而得到啁啾光脈衝；
光分路器，用於將時域展寬單元輸出的啁啾光脈衝分為多路；
一組電子數模轉換器，其數量與啁啾光脈衝所分的路數相同，用於分別將數字電信號轉換為模擬電信號；
一組電光強度調製器，其數量與電子數模轉換器數量相同且一一對應，用於分別將所對應電子數模轉換器輸出的模擬電信號調製於一路啁啾光脈衝上；
一組延遲線，用於對各路調製後的光脈衝信號施加不同的延時；
光耦合器，用於將延時後的各路調製後的光脈衝信號進行合併；
時域壓縮單元，用於將合併後的光脈衝信號進行時域壓縮；
光電探測器，用於對時域壓縮單元輸出的時域壓縮後的光信號進行光電轉換，得到在時域上被壓縮且具有大的時間寬度的模擬電信號。
優選地，所述時域展寬單元、時域壓縮單元均為色散介質，且兩者的色散係數值符號相反。
進一步地，該裝置還包括：
光帶通濾波器，接於光源與時域展寬單元之間，用於對光源輸出的超短光脈衝進行頻譜整形。
相比現有技術，本發明技術方案具有以下有益效果：
1)本發明採用光子技術實現超高速的數模轉換，無需高速的開關器件，降低了系統對高速器件的要求，能實現更高速率的DAC；
2)本發明利用脈衝的時域壓縮，將低速數模轉換信息調製在拉伸後的脈衝信號上，然後將脈衝的時域寬度進行壓縮，從而可實現更高速率的DAC輸出；
3)本發明可以利用光時分復用技術，在時域上復用多路信號，從而擴展信號的時域寬度；
4)由於低速電子DAC具有很高的有效比特位數，即產生波形的精度高，本方案通過對低速電子DAC的輸出進行時域壓縮，有望保持較高的有效比特位數，產生的波形精度高。
附圖說明
圖1為本發明超高速數模轉換裝置一個具體實施例的結構原理示意圖；
圖2為本發明超高速數模轉換裝置的原理步驟示意圖；
圖3為本發明超高速數模轉換裝置另一個具體實施例的結構原理圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的技術方案進行詳細說明：
本發明的目的是：利用光時域壓縮實現數模轉換採樣率的提升以克服電子多通道DAC採樣速率受高速開關器件限制的問題，本發明的基本思路是：首先將超短光脈衝在時域拉伸後通過電光調製器調製上低速的電子數模轉換器的輸出信號；然後將調製後的光信號進行時域壓縮，光脈衝包絡攜帶的低速電信號也在時間上被壓縮；最後將壓縮後的光信號經過光電探測器進行光電轉換，得到超高速數模轉換的輸出信號。
為了便於公眾理解本發明技術方案，下面以一個具體實施例來對其進行進一步詳細說明。
圖1顯示了本發明超高速數模轉換裝置一個具體實施例的結構原理。如圖1所示，該裝置包括：一個超短脈衝雷射器、一個光帶通濾波器、色散介質一、色散介質二、一個低速DAC、一個電光調製器、一個光電探測器。其中，超短脈衝雷射器可產生飛秒量級的超短脈衝序列；色散介質一的色散值為D1；色散介質二的色散值為D2(色散值的符號與色散介質一相反)。
超短脈衝雷射器產生的超短光脈衝經過光帶通濾波器進行頻譜整形，從而可得到平坦的光譜；整形後的光脈衝經過色散介質一後，由於不同光波長在色散介質中具有不同速度傳播，導致了脈衝的時間展寬，產生啁啾脈衝信號；低速DAC的輸出波形信號通過電光調製器被調製於啁啾脈衝信號上，形成調製光信號；調製光信號經過色散介質二進行時域壓縮，同時光脈衝包絡攜帶的低速電信號也在時間上被壓縮，從而得到高速數模轉換信號；所述高速數模轉換信號輸入光電探測器中將光信號轉換為電信號，即可得到在時域上被壓縮的電信號波形輸出。
圖2為高速數模轉換裝置的原理步驟示意圖。如圖2所示，超短脈衝雷射器發出的超短光脈衝，經過光帶通濾波器(如waveshaper)後得到平坦的光譜，如圖2中A點所示。整形後的光信號經過色散介質一(色散值為D1，長度為L1)，群速度色散效應使波長在色散介質一中以不同的速度傳播，這一過程導致了光脈衝在時間上展寬形成啁啾脈衝信號，如圖2中B點所示。需要注意的是，脈衝展寬後的寬度應該小於其重複頻率的倒數。然後，啁啾脈衝通過電光調製器調製上低速DAC的輸出波形信號(採樣率為fGS/s)，如圖2中C點所示。調製後的信號送入色散介質二中(色散值為D2，長度為L2)，其中D2與D1符號相反。經過色散介質二作用後，啁啾信號在時域上被壓縮，壓縮倍數為：
同時光脈衝包絡攜帶的低速電信號也在時間上被壓縮，如圖2中D點所示。最後，該信號經過電光轉換後就可以得到高速數模轉換的輸出信號，如圖2中E點所示。輸出的數模轉換信號的採樣率為Mxf，即為原採樣率的M倍。
本發明優選採用色散光纖來實現時域展寬和時域壓縮。一方面，色散光纖成本較低，另一方面，色散光纖可作為光放大的増益介質，結合光纖拉曼放大能夠減少數模轉換過程中的噪聲積累，大大提高信號的信噪比，從而提高數模轉換的有效比特位數。
本發明提出的裝置可以將現有DAC的採樣率提高多倍，且可靈活調整提高的倍數。需要注意的是採樣率的提升範圍最終受光電探測器的帶寬以及超短脈衝源的限制。但是目前光電探測器的帶寬已經可以達到太赫茲，而且如果不需要將高速數模轉換信號轉換到電域的話，光電探測器將不會限制該方案採樣率的上限。同時，利用色散光纖結合光纖拉曼放大機制在時域拉伸或壓縮的同時實現分布式放大，可以可以大大提高系統的信噪比，減小噪聲和非線性對數模轉換性能的影響，保證輸出的高速數模轉換信號具有較大的有效比特位數。
本發明還可將上述方案與光時分復用技術相結合，從而在大幅提高採樣率的同時進一步擴展輸出波形時間寬度。該裝置的結構原理如圖3所示。如圖3所示，產生的啁啾信號由光耦合器(或光分路器)分成多路，然後分別調製上低速DAC輸出的波形信號並引入時間延時。將多路處理後的信號合成一路後再送入色散介質二中進行時域壓縮。需要注意的是，要適當調整每路調製後信號間的時間延時，以保證經過色散介質二後各個信號之間無交疊且在時間上連續。最後，壓縮後的信號經過光電探測器進行光電轉換，得到在時域上被壓縮的電信號，該信號的波形是所有低速DAC輸出波形在時域上的合併。