一种可调谐的模数转换系统

1.本实用新型涉及光电技术领域，尤其涉及一种可调谐的模数转换系统。


背景技术：

2.光子时间拉伸(pts)是一种能够拉伸光信号时域宽度的技术。这项技术基于时域色散理论，当一束宽谱窄脉冲光波通过色散介质传播时，不同波长的光对应的折射率不同导致其在色散介质中的传播速度也不同，因此通过色散介质后，不同波长的光在时域上会被分开，从而达到时域展宽的效果。
3.基于光子时间拉伸的模数转换系统(pts-adc)是一种针对传统模数转换器adc在接收高频率信号时存在时间抖动、比较器不确定等电子瓶颈所提出的微波光子学方案。pts-adc的光源通常采用能够产生宽谱窄脉冲的锁模激光器(mll)，锁模激光器具有时间抖动低，重复频率高的特点，能够有效提高adc的有效位数。pts-adc还采用马赫-曾德尔电光调制器(mzm)将宽带射频(rf)信号调制到光脉冲上，通过色散介质对光脉冲进行时域拉伸，拉伸后的信号在频域上减小了带宽，降低了对后端adc的采样速率的要求。
4.pts-adc为了提高采样率接收超大带宽的rf信号，通常采取的方法有两种，一种是采用大色散系数的色散介质来展宽光脉冲信号，另一种是采用波分复用器和延时线实现多通道采样。采用大色散系数的色散介质虽然能够很好地展宽光脉冲信号，增加pts-adc系统的输入带宽，但是采用的色散介质的色散系数越大，引入的色散惩罚导致的信号幅度下降的程度也就越大，这就需要在系统中加入多级放大器，因此采用大色散系数的色散介质会增加pts-adc的成本和复杂度。采用波分复用器和延时线的多通道采样方法会增加adc的采样次数，通道数越多，等效的adc采样率会越大，但是每增加一路通道，pts-adc所需要的色散介质、光电调制器和adc等器件的数量就需要增加一套，这同样会增加pts-adc的成本，而且不同通道之间还会存在通道不匹配等问题。
5.因此希望有一种可调谐的模数转换系统能够解决现有技术中存在的问题。


技术实现要素：

6.鉴于现有技术的上述缺点、不足，本实用新型提供一种可调谐的模数转换系统，其解决了基于光子时间拉伸的模数转换系统为提高adc采样率需要增加多个元器件，造成系统操作繁琐和配置复杂的技术问题。
7.为了达到上述目的，本实用新型采用的主要技术方案包括：
8.本实用新型实施例提供一种可调谐的模数转换系统，该模数转换系统应用于光子时间拉伸，所述模数转换系统包括：锁模激光器、微波信号源、啁啾光纤光栅装置、马赫曾德尔电光调制器和信号接收机构；
9.锁模激光器的输出端连接所述啁啾光纤光栅装置的输入端，所述啁啾光纤光栅装置的输出端连接马赫曾德尔电光调制器的第一输入端；
10.锁模激光器的sma电信号输出端连接微波信号源的参考输入端，微波信号源的输
出端连接马赫曾德尔电光调制器的第二输入端，马赫曾德尔电光调制器的输出端连接信号接收机构的输入端；
11.所述啁啾光纤光栅装置的悬臂梁通过控制进行垂直位移，改变啁啾光纤光栅装置的色散系数，变化的啁啾光纤光栅装置的色散系数改变rf信号的展宽倍数，通过啁啾光纤光栅装置的光波信号在时域上进行拉伸，马赫曾德尔电光调制器将微波信号源输出的rf信号调制到拉伸的光波信号上形成调制信号。
12.可选地，所述啁啾光纤光栅装置包括：基座、悬臂梁、啁啾光纤光栅、支架和垂直位移柱；
13.所述悬臂梁为三角形的结构，所述悬臂梁包括固定端和自由端，固定端相对固定在基座上方，自由端设置在垂直位移柱的下方；
14.悬臂梁的斜边面贴敷啁啾光纤光栅；
15.垂直位移柱可移动的固定在支架上。
16.可选地，所述啁啾光纤光栅的几何中心与所述悬臂梁的中性面对齐。
17.可选地，所述啁啾光纤光栅在所述悬臂梁的中性面以上部分向所述悬臂梁固定端延伸，所述啁啾光纤光栅在所述悬臂梁本体的中性面以下部分向所述悬臂梁自由端延伸。
18.可选地，所述垂直位移柱上有位移刻度。
19.可选地，所述模数转换系统还包括：第一色散介质和第二色散介质；
20.第一色散介质设置于所述啁啾光纤光栅装置和所述马赫曾德尔电光调制器之间；
21.第二色散介质设置于所述马赫曾德尔电光调制器和信号接收机构之间，所述马赫曾德尔电光调制器的输出端连接第二色散介质的一端，第二色散介质的另一端连接信号接收机构的输入端。
22.可选地，所述模数转换系统还包括：环形器和光放大器；
23.环形器设置于所述锁模激光器和所述啁啾光纤光栅装置之间，所述锁模激光器输出端连接环形器的第一端口，环形器的第二端口连接所述啁啾光纤光栅装置；
24.所述啁啾光纤光栅装置输出端连接环形器的第二端口，环形器的第三端口连接所述第一色散介质一端；
25.光放大器设置于所述第一色散介质和所述马赫曾德尔电光调制器之间；
26.所述第一色散介质另一端连接光放大器的输入端，光放大器的输出端连接所述马赫曾德尔电光调制器的输入端。
27.可选地，所述信号接收机构包括：光电探测器和模数转换器；
28.光电探测器的输出端连接模数转换器的输入端。
29.本实用新型的有益效果是：本实用新型一种可调谐模数转换系统通过调整啁啾光纤光栅的悬臂梁的垂直位移，改变输入rf信号的展宽倍数，每改变一次输入rf信号的展宽倍数，就相当于增加至少一倍的采样次数，随着采样次数的增多，获得的信号波形就更加精确。本实用新型使用单通道模数转换装置即可提高信号采样率，极大的简化了基于光子时间拉伸的模数转换系统的结构。
附图说明
30.图1为本实用新型可调谐的模数转换系统的结构示意图；
31.图2为本实用新型啁啾光纤光栅装置的结构示意图；
32.图3为本实用新型啁啾光纤光栅的悬臂梁的垂直位移与各参数的拟合曲线图；
33.图4为未输入rf信号时，光脉冲通过马赫曾德尔电光调制器之后的光谱图；
34.图5(a)为垂直位移＝0mm时载波信号和调制信号波形图；
35.图5(b)为垂直位移＝0mm时恢复信号波形图；
36.图5(c)为垂直位移＝150mm时载波信号和调制信号波形图；
37.图5(d)为垂直位移＝150mm时恢复信号波形图；
38.图6为本实用新型可调谐的模数转换系统的正弦拟合波形图；
39.图7(a)为直接使用模数转换器采集得到的采样点数图；
40.图7(b)为本实用新型可调谐的模数转换系统得到的采样点数图。
具体实施方式
41.为了更好的解释本实用新型，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本实用新型作详细描述。
42.基于光子时间拉伸的模数转换系统为了解决传统模数转换器adc在接收高频率信号时存在时间抖动、比较器不确定的问题，需要接收超大带宽的rf信号以提高模数转换器的采样率。因此，为了提供一种结构简单的高模数转换器采样率的系统，本实用新型实施例中提供一种基于光子时间拉伸的可调谐模数转换系统，通过改变啁啾光纤光栅的悬臂梁的垂直位移，调谐啁啾光纤光栅的反射带宽，从而进一步改变rf信号展宽倍数。本实用新型基于光子时间拉伸的可调谐模数转换系统使用单通道模数转换装置提高采样率，不需要增加多级放大器或多套色散介质、光电调制器和adc，本实用新型有效简化了系统的复杂性。
43.为了更好的理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本实用新型的示例性实施例。虽然附图中显示了本实用新型的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本实用新型而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本实用新型，并且能够将本实用新型的范围完整的传达给本领域的技术人员。
44.实施例一：
45.本实用新型实施例提供一种可调谐的模数转换系统，该模数转换系统应用于光子时间拉伸，所述模数转换系统包括：锁模激光器、微波信号源、啁啾光纤光栅装置、马赫曾德尔电光调制器和信号接收机构；
46.锁模激光器的输出端连接所述啁啾光纤光栅装置的输入端，所述啁啾光纤光栅装置的输出端连接马赫曾德尔电光调制器的第一输入端；
47.锁模激光器的sma电信号输出端连接微波信号源的参考输入端，微波信号源的输出端连接马赫曾德尔电光调制器的第二输入端，马赫曾德尔电光调制器的输出端连接信号接收机构的输入端；
48.所述啁啾光纤光栅装置的悬臂梁通过控制进行垂直位移，改变啁啾光纤光栅装置的色散系数，变化的啁啾光纤光栅装置的色散系数改变rf信号的展宽倍数，通过啁啾光纤光栅装置的光波信号在时域上进行拉伸，马赫曾德尔电光调制器将微波信号源输出的rf信号调制到拉伸的光波信号上形成调制信号。本实用新型实施例提出的可调谐的模数转换系
统，先通过啁啾光纤光栅装置将宽带窄脉冲光在时域上做拉伸展宽，再经过色散介质将调制信号在时域上的展宽，从而不增加额外通道和仪器便能有效地提高模数转换装置的采样率。
49.实施例二
50.如图1所示，本实施例提供一种更详细的可调谐的模数转换系统，锁模激光器1通过sma电信号输出口输出ref同步信号至微波信号源9的参考输入口，所述ref信号为锁模激光器1和微波信号源9的同步参考信号，微波信号源9以锁模激光器1的重复频率作为时钟基输出rf信号，锁模激光器1的重复频率为所述宽带窄脉冲光的重复输出频率，rf信号与锁模激光器1输出的所述宽带窄脉冲光信号同步，rf信号进入马赫曾德尔电光调制器5中，锁模激光器1输出宽带窄脉冲光，宽带窄脉冲光从环形器3的第一接口输入，并从环形器3的第二接口输出至啁啾光纤光栅装置2，啁啾光纤光栅装置2引入较大的色散系数，啁啾光纤光栅装置2将宽带窄脉冲光在时域上做拉伸展宽，啁啾光纤光栅装置2输出的啁啾光波信号从环形器3的第二接口输入，并从环形器3的第三接口输出至第一色散补偿光纤15进行时域拉伸，输出拉伸光波信号，拉伸光波信号输入至光放大器4，通过光放大器4的拉伸光波信号作为载波信号传输至马赫曾德尔电光调制器5，马赫曾德尔电光调制器5输出的调制信号经过第二色散补偿光纤6进行色散傅里叶变换，调制信号在时域上做拉伸展宽，展宽后的所述调制信号经过光电探测器7，将光信号下变频为电信号，并通过模数转换器8进行采样。
51.实施例三
52.如图2所示，啁啾光纤光栅装置2包括基座11、悬臂梁12、啁啾光纤光栅10和垂直位移器，悬臂梁12的一端固定在基座11上方，啁啾光纤光栅10贴敷在悬臂梁12的侧面，并且啁啾光纤光栅10的几何中心与悬臂梁12的中性面对齐，垂直位移器包括支架13和位移柱14，位移柱14可移动的固定在支架13上，并设置在悬臂梁12自由端的上方，旋转位移柱14对悬臂梁12自由端施加垂直的应变。啁啾光纤光栅10在悬臂梁12中性面以上部分向悬臂梁12固定端延伸，啁啾光纤光栅10在悬臂梁12中性面以下部分向悬臂梁12自由端延伸，当悬臂梁12自由端发生垂直位移时，啁啾光纤光栅10的应变值取决于与悬臂梁12中性面的距离，啁啾光纤光栅10在悬臂梁12中性面以上部分受到拉伸应变，而啁啾光纤光栅10在所述悬臂梁12中性面以下部分受到压缩应变。悬臂梁12为三角形，悬臂梁12的固定端为三角形的边长，悬臂梁12的自由端为与固定端边长相对应的三角形的顶角部分。位移柱14上刻有位移刻度，根据位移刻度控制悬臂梁12自由端的垂直位移δy
53.实施例四
54.如图1-3所示，悬臂梁12自由端的垂直位移δy线性改变经过啁啾光纤光栅10的啁啾光波信号带宽值，垂直位移δy与所述光波信号带宽值呈正比，所述啁啾光波信号带宽值与啁啾光纤光栅10的色散系数呈反比，所述啁啾光波信号在时域宽度δt0为：
55.δt0＝δλ*d056.其中，δλ为所述啁啾光波信号带宽值，d0为啁啾光纤光栅10的色散系数。
57.所述调制光中的所述rf信号经过第二色散补偿光纤6在时域上做拉伸展宽，所述rf信号在时域上的拉伸展宽倍数m为：
[0058][0059]
其中，δt1为所述调制光进入第二色散补偿光纤6前的时域宽度，δt2为所述调制
光经过第二色散补偿光纤6拉伸展宽后信号的时域宽度，d1为第一色散补偿光纤15的色散值，d2为第二色散补偿光纤6的色散值。
[0060]
每改变一次rf信号的展宽倍数，就增加一组adc的采样点，产生n个不同展宽倍数的rf信号，adc的等效采样率增加m1+m2+...+mn倍。
[0061]
输入不同展宽倍数的rf信号提高adc的采样率。例如，输入带宽为10ghz的rf信号，当输入rf信号的展宽倍数m1＝2时，得到等效带宽为5ghz的拉伸信号，用采样率为20gsa/s的模数转换器进行采样，一个周期中能够采样4次；当输入rf信号的展宽倍数m2＝5时，得到等效带宽为2ghz的拉伸信号，用采样率为20gsa/s的模数转换器进行采样，一个周期中能够采样10次，并且其中大部分采样点的位置不同于展宽倍数为m1时的采样点，相当于增加了大约8个采样点。因此，通过改变不同的输入rf信号展宽倍数，能够增加adc的采样次数，从而提高采样率。同时不同的rf信号展宽倍数之间不能是整数倍关系，否则会造成采样点的重叠。
[0062]
实施例五
[0063]
输入rf信号设置为幅度为5v，频率为2.504ghz的正弦波。模数转换器的采样率为20sa/s。在悬臂梁侧面粘上一个啁啾率为0.12nm/cm，长为100mm的啁啾光纤光栅。
[0064]
如图4所示，在未加rf信号时，光脉冲通过马赫曾德尔电光调制器后光谱随垂直位移δy的变化发生大小两种类型波动，发生波动的原因包括：
[0065]
1、大波动(δy＞125mm时)是由于锁模激光器本身的光谱杂乱造成的，通过啁啾光纤光栅装置滤波后的光谱保留锁模激光器光谱在反射带宽内的形状，锁模激光器光谱在1549nm处为谷底。
[0066]
2、小波动是由于马赫曾德尔电光调制器的非线性问题造成的。
[0067]
如图5所示，垂直位移为0mm和150mm时经过第二色散补偿光纤后拉伸的载波信号和调制信号波形，以及根据移动平均法和解包络法恢复的正弦波形。根据色散傅里叶变换原理，色散介质将波长映射到时域，载波的形状与频谱相似。因此，频谱不均匀导致载波信号不均匀。对比图5、6所示的波形，载波信号和rf信号同时被色散介质拉伸。
[0068]
如图6所示，最终得到7组拉伸因子分别为2.0186、2.1600、2.2543、2.3281、2.4321、2.4671和2.4780的恢复信号，将恢复的信号进行压缩后拼接得到的正弦拟合波形。拟合频率为2.504ghz，r平方系数为0.9843。
[0069]
如图7所示，通过本实用新型可调谐的模数转换系统恢复的信号采样点多于直接用模数转换器采样的采样点。总采样点增加m1+m2+...+m7≈16倍，等效采样速率增加为320gsa/s。
[0070]
尽管已描述了本实用新型的优选实施例，但本领域的技术人员在得知了基本创造性概念后，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，权利要求应该解释为包括优选实施例以及落入本实用新型范围的所有变更和修改。
[0071]
显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种修改和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也应该包含这些修改和变型在内。