《基于移相光量化的模数转换系统的设计概述》3200字

基于移相光量化的模数转换系统的设计概述综述1.1模数转换的意义 现如今，模数转换器和数模转换器是我们物理世界和数字化信息处理的虚拟世界之间不可或缺的桥梁。由于采样保持电路带宽，时钟抖动等影响，传统的ADC技术性能受到影响，无法满足高采样速率，高带宽等要求。随着光子技术的发展，人们逐渐可以获得100GS/s以上的采样速率，超短采样光脉冲源的时间抖动最低可达50fs，远远小于当前最先进的电子ADC的最低时间抖动REF_Ref72357792\r\h[1]。所以，采用光子技术来实现高速数模、模数转换受到国际科研工作者的广泛关注。光模数转换近些年研究成果明显，发展趋势迅猛。根据其功能结构划分大致分为光辅助模数转换和全光模数转换两大类。前者利用光学方法对采样信号进行预处理，后续量化过程由电子ADC进行处理，即光采样电量化方案。此方案主要有时分复用和时分/波分复用两类。对于时分复用，美国MIT林肯实验室运用锁模激光器和高消光比LiNbO3电光解复用器于2001年进行首次尝试，实现505MS/s采样率，有效比特位8.2bit，无杂散动态范围61dB的时分复用光辅助模数转换实验REF_Ref72357792\r\h[1]。由于时分解复用器结构复杂，插入损耗较大因此本方案在进行过程中有一定难度，而时分/波分复用采用时分/波分交织复用的采样脉冲序列REF_Ref72357792\r\h[1]。这种脉冲序列使采样时彼此干扰性降低，也能减少损耗。美国HRL实验室2004年利用锁模激光器产生40GS/s采样率的采样脉冲，实现有效比特位8.3-bit的量化精度；英国剑桥大学2005年实现采样率80GS/s，信噪比14.2dB的32量化通道光辅助模数转换器REF_Ref72357792\r\h[1]。光采样点量化的最新研究趋势是将光辅助模数转换系统所运用到的全部光电器件集成在单片光芯片中，目前已有硅基飞秒锁模激光器、硅基电光调制器、硅基微环谐振腔波分解复用器及硅基光电探测器等分立器件REF_Ref72357792\r\h[1]。系统的片上集成可以很大程度上降低光学ADC的体积和功率损耗，使系统稳定性更强。另一种又UCLA研究组提出的时域拉伸光辅助模数转换方案能够降低待测信号频率，主要应用于捕捉超快瞬态信号REF_Ref72357792\r\h[1]。而对于后者，全光模数转换系统可分为采样光脉冲源，全光量化器以及量化接收机三个部分，核心部分在于全光量化器，它的基本工作原理是按照一定的编码规则将待测信号的幅度经过量化处理，转化为光域的二元参量得以输出REF_Ref72357792\r\h[1]。美国海军电子实验室利用电光调制器的周期性调制特性实现量化编码的全光量化器方案，将最大输出光强度的一半设为判决阈值，高于判决阈值的设为“1”，低于判决阈值设为“0”，从而得到一组量化编码REF_Ref72357792\r\h[1]。日本大阪大学研究者利用非线性光纤环境实现调制周期倍增的量化方案，但由于为了保持对待测信号的线性采样度，采样后光脉冲会在一定范围内呈现动态形式REF_Ref72357792\r\h[1]。为了克服大量非线性效应，瑞典Chalmers大学研究者便提出基于相位调制的移相光量化模数转换系统REF_Ref72357792\r\h[1]。全光模数转换的最后一部分是光量化接收机，它主要的用途是将全光量化编码器的输出信号进行阈值判决以及后续数据的细化处理，最后使模拟信号转换为数字信号进行输出。在整个移相光量化系统中采样脉冲源、系统链路、量化编码器以及量化接收机都会引入一定的噪声。采样光脉冲噪声主要包括时间抖动、幅度抖动、脉冲宽度等；系统链路中会产生放大器引起的自发辐射噪声；量化编码器存在移相偏差噪声；量化接收机产生的噪声主要有判决阈值误差噪声，弛豫噪声，光探测器噪声等；此外，模数转换系统在转换过程中也会产生无法消除的固有量化噪声。这些噪声都会通过量化接收机反映到系统的输出结果，因此要对其进行分析从而减少噪声带来的误差及影响，使系统输出结果更加准确。噪声对系统输出结果的影响主要体现在系统模数转换曲线的量化阶梯宽度上，例如阶梯宽度不一致等，移相量偏差噪声指两个相邻通道的传输特性曲线周期相同且存在π/n的相位差，传输特性曲线的移相量偏差会对量化阶梯宽度产生不小的影响。量化接收机接收到的数字信号，需要在最大输出光强的二分之一处设置判决阈值，高于判决阈值的设为“1”，低于判决阈值的设为“0”。绝大多数的全光模数转换方案会将待判决信号进行光电转换,用单端输入的电比较器进行阈值判决，理想情况下判决阈值通常采用恒定的直流电平，实际情况下，参考电压源都会存在一定的波纹和幅度抖动，电压产生微量变化。待判决信号的功率波动也会对阈值判决的精度产生影响，即为判决阈值误差。比较器弛豫噪声是指由于比较器的弛豫特性引起的输入信号幅度增大与减小的过程。比较器的工作原理为输入比较器的待判决信号与阈值门限电平相减，得到的信号经过一个限幅放大器放大为数字信号电平。在一个采样周期内，如果比较器输出数字信号幅度小于|VL|时，认为输出结果无法被判决为有效的数字信号，即比较器判决模糊。模数转换是后续信号处理的基础环节，其中涉及到的低通采样，带通采样，过采样等一系列技术需要在后续的研究学习中不断加深理解。1.2移相光量化的简述移相光量化是利用信号传递函数曲线的相位差异来实现对输入信号的量化和编码。移相光量化的编码输出类型一般为格雷码，N路输出所实现的量化等级为2N，对应的量化比特数为log2(2N)，因此其进行量化编码的效率较低。经过从各个方面采取措施进行尝试，科学家们最终发现通过增加量化通道个数和减小相邻通道的传递函数的调制曲线的相移量，就可以避免半波电压成倍减小的硬性要求，而且解决了量化编码效率低的问题，移相光量化方案应运而生。1.3马赫-曾德尔调制器的工作原理MZM(Mach-Zehnder,马赫-曾德尔调制器)的内部有两个结构特殊的电极，分别位于两条支路上，当光信号进入调制器时，两支路上的电光材料的折射率会随着外部施加的电信号的变化而变化，从而导致信号之间出现相位差，经过MZM的输出信号结合在一起时，两支路的信号相位差使得输出信号强度发生变化，电信号的作用使得光信号发生变化，即完成了光电转换。如图1.1所示：图1.1马赫-曾德尔调制器原理图MZM的传输特性是余弦曲线形式，因此调制器可以被偏置在不同的区域，并且驱动信号可以叠加在偏置电压上。MZM的独特结构以及传输特性，使其在光强度调制的应用领域上范围广泛，可用于制造马赫-曾德尔热光TO开关，通过调节偏置电压产生NRZ-ASK/NRZ-DPSK信号，载波抑制RZ-DPSK信号等。MZM的工作原理是将输入光分成两路光信号，这两路光信号的性质完全相同，并且分别进入电光调制器的两条光支路。由于光支路均采用电光性材料，导致折射率随着外部施加的电信号的大小不同而发生变化。光支路的折射率变化会导致信号相位发生改变，两条支路的信号调制器输出端使得输出信号再次结合在一起时，合成的光信号会变成一个强度大小较输入时发生变化的干涉信号，经过此过程，电信号的变化促成了光信号的变化，从而实现对光强度的调制。对于基于移相光量化的模数转换方案，历史上已经有了许多不错的尝试。Taylor提出的方案中要求在转换单元中，MZM最低有效位的半波电压要非常低，使用电子设备难以实现；Jalalietal.将MZM级联，从而克服了上述要求；Stigwalletal.提出了将相位调制器级联使用，通过将放置在干涉仪输出处的光电探测器所产生的衍射图样，生成线性二进制码。REF_Ref72357950\r\h[2]这些方案各有优劣，为后世的学习和研究提供了很大的帮助。本毕业设计是将多个马赫-曾德尔调制器进行级联，以此得到等效的长电极，并且使半波电压降低。通过马赫-曾德尔调制器对输入信号的调制，相位发生改变，使输出信号的强度发生改变，再通过将最大输出光强的一半设定为判决阈值的方式，将输出信号进行量化编码，用线性二进制编码进行表示。通过对MZM适当施加偏置电压，可以实现MZM传递函数所需要的相位偏移，用于生成线性二进制码从而实现简单的模数转换。具有相同半波电压的MZM的使用大大简化了设计和实现，为集成提供了很大的潜在性帮助。本方案的重点在于编码概念的理解上，通过设定判决阈值来使其生成线性二进制码，由于设定了四个MZM的级联结构，演示了量化级别为8的模数转换。模数转换系统中的量化误差ε定义为输入模拟信号幅度与输出的归一化数字信号值之