基于光时域压缩的超高速数模转换方法及装置与流程

本发明涉及一种数模转换方法，尤其涉及一种基于光时域压缩的超高速数模转换方法及装置。

背景技术：

数模转换器(DAC)在通信、雷达、电子战、电子系统测试等领域具有广泛应用，器采样速率与转换精度在很大程度上决定了以上系统的性能。目前，单通道电子DAC的采样速率能达到几个吉赫兹(参见[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的采样率虽然能实现>50GHz的采样率，但是调制器的带宽严重限制了系统的性能(参见[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])。随着高频宽带系统的快速发展，单通道DAC的采样速率已不能满足很多应用需求，例如，下一代传输速率为400Gb/s或1Tb/s的相干光通信系统迫切需要采样率超过40GSa/s的DAC来产生多电平的正交幅度调制信号(参见[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结构是一种常用的提升DAC的采样速率的手段，它利用时分复用的原理，将多个通道的低速DAC输出信号在时域复用，可以构建高速的DAC。基于电子技术的多通道DAC通常采用高速开关在多路低速DAC输出信号间进行切换，使不同时刻输出不同低速DAC的信息。由于高速开关的切换速率为低速DAC采样率与通道数目的乘积，这种方法对电子开关速率的要求极高，导致DAC采样速率的提升空间十分受限。此外，高速电子存在的时间抖动大、抗电磁干扰能力差等缺点也限制了利用这种多通道DAC系统的性能。另一方面，利用光子技术虽然可以大幅提高DAC的采样率，但是很难保持电DAC较高的有效比特位数。因此，如何提高多通道DAC结构对采样率的提升上限及改善其性能非常有意义。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种基于光时域压缩的超高速数模转换方法及装置，无需高速电子开关即可获得更高采样速率的DAC输出，同时保持较大的有效比特位数。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

基于光时域压缩的超高速数模转换方法，首先将超短光脉冲进行时域展宽，得到啁啾光脉冲；然后将电子数模转换器输出的模拟电信号通过电光强度调制器调制于所述啁啾光脉冲上；对调制后的光脉冲信号进行时域压缩；最后将时域压缩后的光信号进行光电转换，得到在时域上被压缩的模拟电信号。

在上述方案基础上结合光时分复用技术，还可得到以下技术方案：

基于光时域压缩的超高速数模转换方法，首先将超短光脉冲进行时域展宽，得到啁啾光脉冲并将其分为多路；对每一路啁啾光脉冲，分别将一个电子数模转换器输出的模拟电信号通过电光强度调制器调制于其上，并对各路调制后的光脉冲信号施加不同的延时后进行合并；对合并后光脉冲信号进行时域压缩；最后将时域压缩后的光信号进行光电转换，得到在时域上被压缩且具有大的时间宽度的模拟电信号。

所述时域展宽及时域压缩可通过各种现有或将有的技术手段实现，优选地，所述时域展宽及时域压缩均通过色散介质的色散作用来实现，且时域展宽与时域压缩所使用色散介质的色散系数值符号相反。

根据相同的发明思路了还可以得到以下两种超高速数模转换装置：

基于光时域压缩的超高速数模转换装置，包括：

光源，用于输出超短光脉冲；

时域展宽单元，用于对光源输出的超短光脉冲进行时域展宽，从而得到啁啾光脉冲；

电子数模转换器，用于将数字电信号转换为模拟电信号；

电光强度调制器，用于将电子数模转换器输出的模拟电信号调制于时域展宽单元输出的啁啾光脉冲上；

时域压缩单元，用于将电光强度调制器输出的调制后光脉冲信号进行时域压缩；光电探测器，用于对时域压缩单元输出的时域压缩后的光信号进行光电转换，得到在时域上被压缩的模拟电信号。

基于光时域压缩的超高速数模转换装置，包括：

光源，用于输出超短光脉冲；

时域展宽单元，用于对光源输出的超短光脉冲进行时域展宽，从而得到啁啾光脉冲；

光分路器，用于将时域展宽单元输出的啁啾光脉冲分为多路；

一组电子数模转换器，其数量与啁啾光脉冲所分的路数相同，用于分别将数字电信号转换为模拟电信号；

一组电光强度调制器，其数量与电子数模转换器数量相同且一一对应，用于分别将所对应电子数模转换器输出的模拟电信号调制于一路啁啾光脉冲上；

一组延迟线，用于对各路调制后的光脉冲信号施加不同的延时；

光耦合器，用于将延时后的各路调制后的光脉冲信号进行合并；

时域压缩单元，用于将合并后的光脉冲信号进行时域压缩；

光电探测器，用于对时域压缩单元输出的时域压缩后的光信号进行光电转换，得到在时域上被压缩且具有大的时间宽度的模拟电信号。

优选地，所述时域展宽单元、时域压缩单元均为色散介质，且两者的色散系数值符号相反。

进一步地，该装置还包括：

光带通滤波器，接于光源与时域展宽单元之间，用于对光源输出的超短光脉冲进行频谱整形。

相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

1)本发明采用光子技术实现超高速的数模转换，无需高速的开关器件，降低了系统对高速器件的要求，能实现更高速率的DAC；

2)本发明利用脉冲的时域压缩，将低速数模转换信息调制在拉伸后的脉冲信号上，然后将脉冲的时域宽度进行压缩，从而可实现更高速率的DAC输出；

3)本发明可以利用光时分复用技术，在时域上复用多路信号，从而扩展信号的时域宽度；

4)由于低速电子DAC具有很高的有效比特位数，即产生波形的精度高，本方案通过对低速电子DAC的输出进行时域压缩，有望保持较高的有效比特位数，产生的波形精度高。

附图说明

图1为本发明超高速数模转换装置一个具体实施例的结构原理示意图；

图2为本发明超高速数模转换装置的原理步骤示意图；

图3为本发明超高速数模转换装置另一个具体实施例的结构原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明的目的是：利用光时域压缩实现数模转换采样率的提升以克服电子多通道DAC采样速率受高速开关器件限制的问题，本发明的基本思路是：首先将超短光脉冲在时域拉伸后通过电光调制器调制上低速的电子数模转换器的输出信号；然后将调制后的光信号进行时域压缩，光脉冲包络携带的低速电信号也在时间上被压缩；最后将压缩后的光信号经过光电探测器进行光电转换，得到超高速数模转换的输出信号。

为了便于公众理解本发明技术方案，下面以一个具体实施例来对其进行进一步详细说明。

图1显示了本发明超高速数模转换装置一个具体实施例的结构原理。如图1所示，该装置包括：一个超短脉冲激光器、一个光带通滤波器、色散介质一、色散介质二、一个低速DAC、一个电光调制器、一个光电探测器。其中，超短脉冲激光器可产生飞秒量级的超短脉冲序列；色散介质一的色散值为D₁；色散介质二的色散值为D₂(色散值的符号与色散介质一相反)。

超短脉冲激光器产生的超短光脉冲经过光带通滤波器进行频谱整形，从而可得到平坦的光谱；整形后的光脉冲经过色散介质一后，由于不同光波长在色散介质中具有不同速度传播，导致了脉冲的时间展宽，产生啁啾脉冲信号；低速DAC的输出波形信号通过电光调制器被调制于啁啾脉冲信号上，形成调制光信号；调制光信号经过色散介质二进行时域压缩，同时光脉冲包络携带的低速电信号也在时间上被压缩，从而得到高速数模转换信号；所述高速数模转换信号输入光电探测器中将光信号转换为电信号，即可得到在时域上被压缩的电信号波形输出。

图2为高速数模转换装置的原理步骤示意图。如图2所示，超短脉冲激光器发出的超短光脉冲，经过光带通滤波器(如waveshaper)后得到平坦的光谱，如图2中A点所示。整形后的光信号经过色散介质一(色散值为D₁，长度为L₁)，群速度色散效应使波长在色散介质一中以不同的速度传播，这一过程导致了光脉冲在时间上展宽形成啁啾脉冲信号，如图2中B点所示。需要注意的是，脉冲展宽后的宽度应该小于其重复频率的倒数。然后，啁啾脉冲通过电光调制器调制上低速DAC的输出波形信号(采样率为fGS/s)，如图2中C点所示。调制后的信号送入色散介质二中(色散值为D₂，长度为L₂)，其中D₂与D₁符号相反。经过色散介质二作用后，啁啾信号在时域上被压缩，压缩倍数为：

同时光脉冲包络携带的低速电信号也在时间上被压缩，如图2中D点所示。最后，该信号经过电光转换后就可以得到高速数模转换的输出信号，如图2中E点所示。输出的数模转换信号的采样率为Mxf，即为原采样率的M倍。

本发明优选采用色散光纤来实现时域展宽和时域压缩。一方面，色散光纤成本较低，另一方面，色散光纤可作为光放大的増益介质，结合光纤拉曼放大能够减少数模转换过程中的噪声积累，大大提高信号的信噪比，从而提高数模转换的有效比特位数。

本发明提出的装置可以将现有DAC的采样率提高多倍，且可灵活调整提高的倍数。需要注意的是采样率的提升范围最终受光电探测器的带宽以及超短脉冲源的限制。但是目前光电探测器的带宽已经可以达到太赫兹，而且如果不需要将高速数模转换信号转换到电域的话，光电探测器将不会限制该方案采样率的上限。同时，利用色散光纤结合光纤拉曼放大机制在时域拉伸或压缩的同时实现分布式放大，可以可以大大提高系统的信噪比，减小噪声和非线性对数模转换性能的影响，保证输出的高速数模转换信号具有较大的有效比特位数。

本发明还可将上述方案与光时分复用技术相结合，从而在大幅提高采样率的同时进一步扩展输出波形时间宽度。该装置的结构原理如图3所示。如图3所示，产生的啁啾信号由光耦合器(或光分路器)分成多路，然后分别调制上低速DAC输出的波形信号并引入时间延时。将多路处理后的信号合成一路后再送入色散介质二中进行时域压缩。需要注意的是，要适当调整每路调制后信号间的时间延时，以保证经过色散介质二后各个信号之间无交叠且在时间上连续。最后，压缩后的信号经过光电探测器进行光电转换，得到在时域上被压缩的电信号，该信号的波形是所有低速DAC输出波形在时域上的合并。