一种基于加权调制曲线的光子模数转换方法及系统
阅读说明：本技术 一种基于加权调制曲线的光子模数转换方法及系统 (Photon analog-to-digital conversion method and system based on weighted modulation curve ) 是由 杨淑娜 胡晓云 池灏 杨波 李齐良 于 2020-12-29 设计创作，主要内容包括：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。(The invention relates to a photon analog-digital conversion method and a system based on a weighted modulation curve, wherein the quantization precision of a photon analog-digital conversion system is improved by utilizing the weighted modulation curve through combining a phase-shifting light quantization technology and weighted multi-wavelength sampling pulses; the system utilizes a weighted multi-wavelength pulse source to generate weighted multi-wavelength sampling light pulses, and radio frequency analog signals are modulated onto the weighted multi-wavelength sampling light pulses through a Mach-Zehnder modulator. The modulation signal is accessed into the dispersion element to realize the time domain walk-off of the multi-wavelength pulse, and then the photoelectric detector performs photoelectric conversion and is accessed into the comparator to perform threshold comparison, thereby realizing the conversion from the analog signal to the digital signal; compared with the traditional photon analog-to-digital conversion system, the scheme realizes the uniform quantization of the analog input signal by using the weighting modulation curve, thereby realizing the improvement of the bit precision of the photon analog-to-digital conversion system, and simultaneously, the system has simple structure and is easy to realize.)
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。
发明内容
本发明针对现有光子模数转换技术的缺陷，提出了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对输入信号的编码量化，极大地提高了光子模数转换系统的比特精度，同时系统结构简单易于实现。
为了达到以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于加权调制曲线的光子模数转换方法，包括以下步骤：
S1.由加权多波长脉冲源发出的加权多波长采样光脉冲经过光分束器分成N路并行的多波长采样光脉冲；
S2.所述N路并行的多波长采样光脉冲分别对第一马赫-曾德尔调制器、第二马赫-曾德尔调制器、第N马赫-曾德尔调制器中的模拟射频信号进行调制，输出N路调制信号；
S3.所述第一马赫-曾德尔调制器、第二马赫-曾德尔调制器以及第N马赫-曾德尔调制器输出N路光调制信号接入第一色散元件、第二色散元件以及第N色散元件，得到N路时域分离的已调脉冲信号；
S4.所述N路已调信号分别输入到光电转换器中进行光电转换后接入相应的比较器，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。
作为本发明的一种优选方案，所述加权多波长脉冲源发出的加权多波长采样光脉冲波长总数为M(M≥3)，第i个波长的脉冲功率归一化Pi(i＝1,2,...,M)表示为：
作为本发明的一种优选方案，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马赫-曾德尔调制器、第二马赫-曾德尔调制器和第N(N≥3)马赫-曾德尔调制器中，模拟射频信号的峰峰值为Vπ(2NM-M+1)/(2NM)。
作为本发明的一种优选方案，所述第一马赫-曾德尔调制器、第二马赫-曾德尔调制器和第N马赫-曾德尔调制器输出的N路调制信号的初始相位的表达式为：
作为本发明的一种优选方案，所述第一马赫-曾德尔调制器、第二马赫-曾德尔调制器和第N马赫-曾德尔调制器的N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N直流电源提供偏置电压进行控制，以使N个调制器偏置电压Vbj表达式为：
作为本发明的一种优选方案，所述步骤S2中，所述第一马赫-曾德尔调制器、第二马赫-曾德尔调制器以及第N马赫-曾德尔调制器输出的光信号强度的表达式为：
其中，代表输入模拟信号引入的相移。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤S3中，所述第一色散元件、第二色散元件以及第N色散元件使输入的N路多波长重叠已调脉冲由于群速度色散效应发生走离，多波长脉冲在时域上分离并且与下一周期脉冲不重叠。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤S4中，所述比较器阈值设定为输入脉冲最大功率的1/2，对比光电转换后的电信号与比较器阈值，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。
一种基于加权调制曲线的光子模数转换系统，包括加权多波长脉冲源、光分束器、第一马赫-曾德尔调制器、第二马赫-曾德尔调制器、第N马赫-曾德尔调制器、信号发生器、第一直流电源、第二直流电源、第N直流电源、第一色散元件、第二色散元件、第N色散元件、第一光电探测器、第二光电探测器、第N光电探测器、第一比较器、第二比较器和第N比较器；所述加权多波长脉冲源用于发出多波长采样光脉冲，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马赫-曾德尔调制器、第二马赫-曾德尔调制器和第N马赫-曾德尔调制器中，所述第一直流电源、第二直流电源和第N直流电源分别用于为第一马赫-曾德尔调制器、第二马赫-曾德尔调制器和第N马赫-曾德尔调制器提供偏置电压；所述多波长采样光脉冲经过光分束器分成N路采样脉冲，所述N路采样光脉冲分别进入第一马赫-曾德尔调制器、第二马赫-曾德尔调制器和第N马赫-曾德尔调制器同时对模拟射频信号进行调制，输出N路调制信号；所述N路调制信号分别经过第一色散元件、第二色散元件和第N色散元件后得到时域不重叠的已调脉冲信号，所述时域分离的已调信号分别输入到第一光电探测器、第二光电探测器、第N光电探测器中实现光电转换得到电信号，所述电信号分别输入到第一比较器、第二比较器和第N比较器中与阈值进行比较完成模拟信号到数字信号的转换。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明提出的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对输入信号的编码量化，极大地提高了光子模数转换系统的比特精度，同时系统结构简单易于实现。
附图说明
图1是本发明基于加权调制曲线的光子模数转换系统及方法实施例一的结构示意图；
图2是本发明基于加权调制曲线的光子模数转换系统及方法实施例一的调制曲线原理图；
图中附图标记：加权多波长脉冲源1，光分束器2，第一马赫-曾德尔调制器3，第二马赫-曾德尔调制器4，第三马赫-曾德尔调制器5，信号发生器6，第一直流电源7，第二直流电源8，第三直流电源9，第一色散元件10，第二色散元件11，第三色散元件12，第一光电探测器13，第二光电探测器14，第三光电探测器15，第一比较器16，第二比较器17，第三比较器18。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例一：
如图1所示，本发明提出的一种基于加权调制曲线的光子模数转换系统，包括加权多波长脉冲源1、光分束器2、第一马赫-曾德尔调制器3、第二马赫-曾德尔调制器4、第三马赫-曾德尔调制器5、信号发生器6、第一直流电源7、第二直流电源8、第三直流电源9、第一色散元件10、第二色散元件11、第三色散元件12、第一光电探测器13、第二光电探测器14、第三光电探测器15、第一比较器16、第二比较器17和第三比较器18；所述加权多波长脉冲源1用于发出多波长采样光脉冲，所述信号发生器6用于产生模拟射频信号并同步输入到第一马赫-曾德尔调制器3、第二马赫-曾德尔调制器4和第三马赫-曾德尔调制器5中，所述第一直流电源7、第二直流电源8和第三直流电源9分别用于为第一马赫-曾德尔调制器3、第二马赫-曾德尔调制器4和第三马赫-曾德尔调制器5提供偏置电压；所述多波长采样光脉冲经过光分束器2分成三路采样脉冲，所述三路采样光脉冲分别进入第一马赫-曾德尔调制器3、第二马赫-曾德尔调制器4和第三马赫-曾德尔调制器5同时对模拟射频信号进行调制，输出三路调制信号；所述三路调制信号分别经过第一色散元件10、第二色散元件11和第三色散元件12后得到时域不重叠的已调脉冲信号，所述时域分离的已调信号分别输入到第一光电探测器13、第二光电探测器14、第三光电探测器15中实现光电转换得到电信号，所述电信号分别输入到第一比较器16、第二比较器17和第三比较器18中与阈值进行比较完成模拟信号到数字信号的转换。
本发明提出的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对输入信号的编码量化，极大地提高了光子模数转换系统的比特精度，同时系统结构简单易于实现。
具体的，本实例提供一种基于加权调制曲线的光子模数转换方法，具体如下：
如图1所述，以4-bit光子模数转换系统为例。
S1.由加权多波长脉冲源发出的加权多波长采样光脉冲经过光分束器分成三路并行的多波长采样光脉冲；
S2.所述三路并行的多波长采样光脉冲分别对第一马赫-曾德尔调制器、第二马赫-曾德尔调制器、第三马赫-曾德尔调制器中的模拟射频信号进行调制，输出三路调制信号；
S3.所述第一马赫-曾德尔调制器、第二马赫-曾德尔调制器以及第三马赫-曾德尔调制器输出三路光调制信号接入第一色散元件、第二色散元件以及第三色散元件，得到三路时域分离的已调脉冲信号；
S4.所述三路已调信号每路信号分别输入到光电转换器中进行光电转换后接入相应的比较器，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。
图1所示为一种基于加权调制曲线的光子模数转换方法的结构示意图，包括加权多波长脉冲源1、光分束器2、第一马赫-曾德尔调制器3、第二马赫-曾德尔调制器4、第三马赫-曾德尔调制器5、信号发生器6、第一直流电源7、第二直流电源8、第三直流电源9、第一色散元件10、第二色散元件11、第三色散元件12、第一光电探测器13、第二光电探测器14、第三光电探测器15、第一比较器16、第二比较器17、第三比较器18。
在步骤S1中，由加权多波长脉冲源发出的加权多波采样光脉冲经过光分束器分成三路并行的多波长采样光脉冲；
加权多波长脉冲源1与第一马赫-曾德尔调制器3、第二马赫-曾德尔调制器4、第三马赫-曾德尔调制器5通过光分束器2相连。
加权多波长脉冲源1发出的加权多波长采样光脉冲波长总数为3，第i个波长的脉冲功率归一化Pi(i＝1,2,3)表示为：
在步骤S2中，所述三路并行的多波长采样光脉冲分别对第一马赫-曾德尔调制器、第二马赫-曾德尔调制器、第三马赫-曾德尔调制器中的模拟射频信号进行调制，输出三路调制信号；
信号发生器6与第一马赫-曾德尔调制器3、第二马赫-曾德尔调制器4、第三马赫-曾德尔调制器5相连；第一直流电源7、第二直流电源8和第三直流电源9分别连接第一马赫-曾德尔调制器3、第二马赫-曾德尔调制器4、第三马赫-曾德尔调制器5。
信号发生器6产生的模拟射频信号同步输入到第一马赫-曾德尔调制器3、第二马赫-曾德尔调制器4和第三马赫-曾德尔调制器5中，，模拟射频信号的峰峰值为8Vπ/9；第一马赫-曾德尔调制器3、第二马赫-曾德尔调制器4和第三马赫-曾德尔调制器5输出的三路调制信号的初始相位的表达式为：
第一马赫-曾德尔调制器3、第二马赫-曾德尔调制器4和第三马赫-曾德尔调制器5输出的三路调制信号初始相位分别由第一直流电源7、第二直流电源8和第三直流电源9提供偏置电压进行控制，以使三个调制器偏置电压Vbj表达式为：
第一马赫-曾德尔调制器3、第二马赫-曾德尔调制器4以及第三马赫-曾德尔调制器5输出的光信号强度的表达式为：
其中，代表输入模拟信号引入的相移。
在步骤S3中，第一马赫-曾德尔调制器、第二马赫-曾德尔调制器以及第三马赫-曾德尔调制器输出三路光调制信号接入第一色散元件、第二色散元件以及第三色散元件，得到三路时域分离的已调脉冲信号；
第一马赫-曾德尔调制器3、第二马赫-曾德尔调制器4、第三马赫-曾德尔调制器5分别连接第一色散元件10、第二色散元件11以及第三色散元件12。
第一色散元件10、第二色散元件11以及第三色散元件12使输入的三路多波长重叠已调脉冲由于群速度色散效应发生走离，多波长脉冲在时域上分离并且与下一周期脉冲不重叠。
在步骤S4中，三路已调信号每路信号分别输入到光电转换器中进行光电转换后接入相应的比较器，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。
第一比较器16、第二比较器17和第三比较器18通过第一光电探测器13、第二光电探测器14和第三光电探测器15与第一色散元件10、第二色散元件11以及第三色散元件12相连。
第一比较器16、第二比较器17和第三比较器18的阈值都设置为输入脉冲最大功率的二分之一，将光电转换后的电信号和比较器阈值进行比较，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。
图2为调制曲线原理图。图中表示以波长总数为三的加权多波长脉冲作为采样脉冲，三个马赫曾德尔调制器对应的传递函数曲线以及量化编码结果。其横坐标表示由输入模拟信号引入的相移量，纵坐标表示光信号强度的归一化输出；为了实现均匀量化，加权多波长脉冲的功率比P1:P2:P3为1:0.7451:0.6087，比较器的归一化阈值均设置为0.5。当信号强度大于阈值时，比较器输出“1”；当信号小于阈值时，比较器输出“0”。判决完成后得到模拟信号转换成的数字信号，如图2下方所示。输出总共有16个码字，因此光子ADC系统的比特精度为4bit。即利用波长总数为M的加权多波长脉冲作为采样源，输入到N个调制器中可实现的总量化技术为L＝2NM-M+1，光子模数转换系统可实现的比特分辨率为B＝log2(2NM-M+1)。
本实例提出的一种基于加权调制曲线的光子模数转换方法及系统，通过结合移相光量化技术与加权多波长采样脉冲，利用加权调制曲线实现对输入信号的编码量化，极大地提高了光子模数转换系统的比特精度，同时系统结构简单易于实现。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现；因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
尽管本文较多地使用了图中附图标记：加权多波长脉冲源1，光分束器2，第一马赫-曾德尔调制器3，第二马赫-曾德尔调制器4，第三马赫-曾德尔调制器5，信号发生器6，第一直流电源7，第二直流电源8，第三直流电源9，第一色散元件10，第二色散元件11，第三色散元件12，第一光电探测器13，第二光电探测器14，第三光电探测器15，第一比较器16，第二比较器17，第三比较器18等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
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