频率响应可配置的光模数转换装置的制作方法

本发明涉及光模数转换，具体是一种频率响应可配置的光模数转换装置。

背景技术：

由于受“电子瓶颈”的限制，电子技术已难以满足超宽带通信、雷达、高端仪器和科学研究等领域越来越高的频率和带宽信号的处理需求。光子技术具有超宽带、超高速、高精度等优点，能有效克服电子技术的不足。基于光子技术的高频宽带信号处理是目前关注的焦点。

模拟滤波可以实现信号的选频、移相和延迟等目的，是基本的模拟信号处理技术之一。电滤波由于“电子瓶颈”的影响，工作频率等性能受到限制。微波光子滤波器利用光子学技术实现微波信号的滤波，具有带宽大、低损耗等优点，在处理高频信号时具有很大优势。目前，已提出多种微波光子滤波器方案，传统的方法有两种：第一种方法是用电差分的结构，早在1995年便实现了此种结构，但此种方法可调性和可重构性较差，而且受电器件的带宽限制；第二种方法是利用复杂的光电器件实现全系数的滤波器，但此种方法成本很高。最近，很多新型低成本的结构被报道用来实现具有负系数的微波光子滤波器。其中利用偏振态和外调制器的方法最有吸引力(WANG Q,YAO J.Multitap photonic microwave filters with arbitrary positive and negative coefficients using a polarization modulator and an optical polarizer[J].IEEE Photonics Technology Letters,2008,20(2):78-80.)。

将模拟信号数字化，进行存储、处理、传输和显示是信息技术发展的趋势。模数转换器是数字化的核心器件。电模数转换(EADC:Electronic Analog to Digital Converter)受时钟抖动和比较器模糊等因素的影响，性能已接近理论极限，进一步提高面临很大的挑战。

光模数转换器(PADC:Photonic Analog to Digital Converter)利用光子学的宽带、高精度等优点实现对宽带信号的高精度数字化，具有高带宽、高采样率等优点，是一种实现超高速高精度模数转换的有效途径。目前已提出多种光模数转换技术方案，包括光学辅助的模数转换器、光采样电量化的模数转换器、电采样光量化的模数转换器和全光模数转换器。其中，光采样电量化的模数转换器能同时利用光子学的高带宽、高精度以及成熟的电量化的优点，成为关注的焦点之一。目前主要有两种光采样电量化的模数转换器方案：基于波分复用(T.R.Clark,J.U.Kang and R.D.Esman,“Performance of a time and wavelength interleaved photonic sampler for analog-digital conversion,”IEEE Photon.Tech.Lett.,vol.11,1168～1169,1999)和基于时分复用技术(A.Yariv and R.G.M.P.Koumans et al.,“Time interleaved optical sampling for ultra-high speed A/D conversion,”Electronics Letters,34(21):2012-2013,1998)。

在很多的应用中，需要同时进行滤波和模数转换两种功能。目前报道的微波光子滤波和光模数转换方案都只能完成滤波或模数转换中的一种功能，而且二者也无法在光域上直接相连来同时实现两种功能。如果通过光电转换来相连，则不仅系统复杂，而且会引入额外的噪声。

技术实现要素：

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种频率响应可配置的光模数转换装置。该装置基于时间交织光模数转换结构，在电滤波器冲激响应的时域宽度大于单个采样光脉冲时域脉宽的条件下，利用光采样脉冲外形与光模数转换器频率响应之间的关系，通过改变光采样脉冲时域外形实现光模数转换响应的配置，从而同时实现对输入微波信号的滤波和数字化。

本发明的技术解决方案如下：

一种频率响应可配置的光模数转换装置，包括光采样时钟产生模块(1)，其特电在于所述的光采样时钟产生模块由光脉冲序列发生器和可编程光脉冲整形器构成，沿所述的可编程光脉冲整形器的激光输出方向依次是重复频率倍增模块、电光调制器、光学解复用器、光电转换模块、电滤波模块、电模数转换模块和数字处理单元，所述的数字处理单元的第一输出端与所述的可编程光脉冲整形器的控制端相连，时钟同步与对齐模块含有可调光延时器，所述的时钟同步与对齐模块的第一端口与所述的光采样时钟产生模块的光脉冲序列发生器和可编程光脉冲整形器之间的连线相接，所述的时钟同步与对齐模块的第二端口与所述的电模数转换模块相连，所述的时钟同步与对齐模块的第三端口与所述的数字处理单元的第二输出端相连，所述的时钟同步与对齐模块接收所述的数字处理单元的控制，实现对电采样时钟与光采样脉冲序列的同步与对齐，被采样信号从所述的电光调制器的调制端输入；

所述的光采样时钟产生模块根据数字处理单元的配置产生时域外形可控的光脉冲序列，经过重复频率倍增模块倍增光采样脉冲序列的重复频率后输入电光调制器；该电光调制器接收被采样电信号对光脉冲序列进行强度调制，输出强度携带被采样电信号的光脉冲序列；该光脉冲序列进入所述的光学解复用器，将携带被采样信号的高速光采样脉冲序列解复用为N路低速信号；输出的每一路低速信号都对应光电转换模块的一个光电转换器和电滤波模块的一个电模拟滤波器；光电转换模块与电滤波模块的每路输出再由电模数转换模块转换为数字信号；N路数字信号经数字处理单元重构出被采样的电信号，N为1以上的整数。

所述的光脉冲序列发生器产生光脉冲序列送入可编程光脉冲整形器的输入端，在数字处理单元的控制下，对光采样时钟的脉冲外形进行调整，产生脉冲外形满足设计要求且强度随时间周期性变化的光信号，对系统的频率响应进行配置。

所述的时钟同步与对齐模块有两种类型：

第一种包括可调光延时线、光电转换器和一个锁相环电路，所述的光脉冲序列发生器发出的光采样时钟输入可调延时线中，由所述的数字处理单元控制延迟时间，使其在一个周期内进行微调，经过光电转换器转换为电信号后再输入锁相环电路中，将锁相环的输出信号输入所述的电模数转换模块作为电模数转换模块的采样时钟，使电模数转换器始终在滤波后的电脉冲的最高点进行采样；

第二种包含高稳定时钟源、激光器重复频率锁定器、可调延时器和一个锁相环电路，高稳定时钟源提供低相位噪声、低抖动的时钟信号，该时钟信号经所述的激光器重复频率锁定器后，输入所述的光脉冲序列发生器对其发出脉冲序列的重复频率进行调整，将其锁定在高稳定时钟源上；该时钟信号输入所述的可调延时器，所述的数字处理单元控制可调延时器的延迟时间，使其在一个周期内进行微调，经过时延后的时钟信号再输入锁相环电路中，得到一个稳定的重复频率与电模数转换器采样率相同的脉冲信号，为电模数转换模块提供采样时钟，使电模数转换器始终在滤波后的电脉冲的最高点进行采样。

所述的电滤波器冲激响应的时域宽度大于单个采样光脉冲时域脉宽。

整个系统的频率响应通过调整光采样时钟和电滤波器来配置，系统等效脉冲响应h_A(t)与光采样时钟时域波形p(t)和所述的电滤波器的脉冲响应h_E(t)满足关系：h_A(t)＝Kp(-t)h_E(t)，K为常数。

所述的时钟同步与对齐模块用于同步与对齐所述的电模数转换器采样的频率与相位。时钟同步与对齐模块根据所述的数字处理单元的反馈来调整电模数转换器的采样时钟，使得其始终在滤波后的电脉冲的最高点进行采样。这样可以增大恢复出的信号的强度，有效减小噪声影响，同时也可以减小采样时间抖动所带来的影响。

基于以上技术特点，本发明具有以下优点：

本发明可以实现频率响应可配置的模数转换，能同时完成宽带微波信号的光子滤波和数字化，且频率响应可以配置调整，大大降低微波光子处理的复杂度、提高灵活性。由于进入电模数转换器采样之前的电信号已经过滤波处理，可有效降低对电模数转换器模拟输入性能的要求，突破电模数转换器“电子瓶颈”对系统的限制。

附图说明

图1是本发明频率响应可配置的光模数转换装置实施例1的系统框图。

图2是实施例1的工作过程示意图。

图3是本发明频率响应可配置的光模数转换装置实施例2的系统框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。实施例以本发明的技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

本实施例系统框图如图1所示，包括：光采样时钟产生模块1、重复频率倍增模块2、电光调制器3、光学解复用器4、光电转换模块5、电滤波模块6、电模数转换模块7、数字处理单元8以及时钟同步与对齐模块9。

所述的光采样时钟产生模块1包括光脉冲序列发生器(为锁模激光器)1-1和可编程光脉冲整形器(为waveshaper,Finisar,4000s)1-2。光脉冲序列发生器1-1产生重复频率为f的光脉冲序列，送入可编程光脉冲整形器1-2的输入端。可编程光脉冲整形器1-2根据不同需要，在满足所述的电滤波器冲激响应的时域宽度大于单个采样光脉冲时域脉宽的条件下，在数字处理单元8控制下，对光采样时钟的脉冲外形进行调整。光采样时钟产生模块1输出重复频率为f且脉冲外形可控的采样光脉冲序列，如图2中所示。

所述的光谱分割倍频模块2，采用谱分割的方法，利用波分解复用器(为阵列波导光栅AWG：Arrayed Waveguide Grating)2-1将原来的光脉冲分割为N个不同波长的子脉冲，并分别送入对应的光延迟线2-2和光衰减器(AT：Attenuator)2-3，之后通过波分复用器2-4进行波分复用，最终输出为采样率为f×N的等时延间隔的光采样脉冲序列。该光采样脉冲序列如图2所示。

所述的电光调制器3(为马赫-曾德尔电光调制器)将被采样的电信号调制在光采样脉冲序列上。电光调制器的输出为强度携带被采样电信号的光采样脉冲序列，如图2中所示。

所述的光学解复用器4(为阵列波导光栅)通过波分解复用方式将来自电光调制器携带被采样信号的高速波分复用光脉冲序列分解为N路低速并行光脉冲序列，每一路的脉冲重复频率降为波分复用之前采样光脉冲的重复频率f，如图2中所示

所述光电转换模块5与电滤波模块6包含多个通道，每一个通道对应光学解复用器的一个输出通道。每个通道上都有一个光电转换器和电模拟滤波器。光电转换器用于将光信号转换成电信号，经过电滤波器完成滤波。

所述的电模数转换模块7由N个采样率为f的电模数转换器组成。每个电模数转换器接收电滤波模块6的一路输出，根据时钟同步与对齐模块9输入的时钟信号，将输入信号转换为数字信号输出给数字处理单元8。

所述的数字处理单元8接收用户指令对可编程光脉冲整形器1-2进行配置，将多路电模数转换器输入的数字信号在数字处理单元中重构为被滤波处理过的被采样信号，并根据处理结果控制时钟同步与对齐模块9，寻找最优结果。

所述的时钟同步与对齐模块9，如图1所示，包含可调光延时线9-1、光电转换器9-2和一个锁相环电路9-3。光脉冲序列发生器1-1发出的光采样时钟输入可调延时线9-1中，由数字处理单元8控制可调延时线9-1的延迟时间，使其在一个周期内进行微调，经过光电转换器9-2转换为电信号后再输入锁相环电路9-3中，得到一个稳定的重复频率与电模数转换器的采样率相同的脉冲信号。将锁相环的输出信号输入电模数转换模块7作为电模数转换模块的采样时钟，使其能够在电脉冲的最高点位置附近采样。

实施例2：

本实施例系统框图如图3所示，包括：光采样时钟产生模块1、重复频率倍增模块2、电光调制器3、光学解复用器4、光电转换模块5、电滤波模块6、电模数转换模块7、数字处理单元8，以及时钟同步与对齐模块9。

实施例2中的模块1～8与实施例1完全相同，不再累述。

所述的时钟同步与对齐模块9，如图3所示，包含高稳定时钟源9-1、激光器重复频率锁定器9-2、可调延时器9-3和一个锁相环电路9-4。高稳定时钟源9-1提供低相位噪声、低抖动的时钟信号；所述的时钟信号经所述的激光器重复频率锁定器9-2后，输入所述的光脉冲序列发生器1-1对其发出脉冲序列的重复频率进行调整，将其锁定在高稳定时钟源上。所述的时钟信号输入所述的可调延时器9-3，由后端数字处理单元8控制延迟时间，使其在一个周期内进行微调，经过时延后的时钟信号再输入锁相环电路9-4中，得到一个稳定的重复频率与电模数转换器采样率相同的脉冲信号，为电模数转换模块7提供采样时钟，使其能够在电脉冲的最高点位置采样。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。