光模数转换系统中解复用模块性能的测试方法与流程

本发明涉及光子信息处理，具体是一种光模数转换系统中解复用模块性能的测试方法。

背景技术：

当今信息时代，数据的传输、处理、分析，无处不在，渗透在生活、军事、科研等方方面面。然而自然界的信号都是以模拟连续的形式存在的，因此模数转换器就成了连接模拟世界与数字世界的桥梁。为了满足信息爆炸时代人们对海量数据的需求以及各个领域对于获取信息质量的要求，模数转换器向更高速率、更高精度发展成为必然趋势。然而，目前基于电子技术的模数转换器在输入带宽、采样速率和量化精度三个关键指标均已接近其物理极限，难以在原有架构上实现进一步提升。

近年来，利用光子学大带宽、低抖动优势的光模数转换技术得到了快速的发展。这其中采用光子采样前端与传统电子模数转换器后端结合的方案，因光电子器件性能的不断提升以及集成技术逐渐成熟，得到了长足的发展，已经向实用化迈进。在这种方案中，锁模激光器产生的光脉冲作为光采样时钟，电光调制器作为光子采样门，采样后的光脉冲序列经过光电探测转换为电信号并由后端的电子模数转换器完成数字量化与编码。尽管锁模激光器能够产生高重复频率的采样脉冲，但由于电子模数转换器的转换速率有限，因此该方案往往需要通过解复用模块将采样后的光脉冲序列解复用为多个通道以此达到降低输入电子模数转换器信号速率的目的。解复用模块的使用在很大程度上增加了光模数转换系统的复杂度，并且解复用模块本身的性能也会对光模数转换系统的性能产生影响。解复用模块通常由多种光学器件共同组成，因此解复用模块的整体性能十分复杂且不稳定。解复用模块通常基于波分复用或时分复用的原理而构成，基于不同原理的解复用模块所采用的光学器件也不尽相同。

随着微波光子学和集成光电子学的发展，推动了光模数转换技术向高性能、实用化、小型化的方向发展。研究者对于包含解复用模块的光模数转换系统开展了相应的研究。研究者采用光开关阵列作为光模数转换系统中的解复用模块，并将该光模数转换系统用于雷达回波信号的接收，实现了第一台真正意义上的全光相参雷达系统并进行了外场测试[参见p.ghelfi,etal.,“afullyphotonics-basedcoherentradarsystem,”nature.507,341-345,2014.]。还有研究者利用硅基光电子学实现了两通道的光模数转换芯片，该光模数转换芯片中的解复用模块是基于波分复用的原理实现的[参见a.khilo,etal.,“photonicadc:overcomingthebottleneckofelectronicjitter.”opticsexpress.vol.20,no.4,4454-4469,2012.]。目前，基于不同原理的解复用模块广泛应用于不同光模数转换系统中。随着集成光电子学的发展解复用模块集成于光模数转换芯片中，无法通过测试解复用模块中单个元器件的性能而计算得到解复用模块的整体性能。因此，迫切需要一种能够对光模数转换系统中解复用模块的性能进行直接测试的通用方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种光模数转换系统中解复用模块性能的测试方法。该方法基于光子学技术，通过输入光模数转换系统不同频率的被采样信号，测量得到光模数转换系统的通道响应曲线。通道响应曲线中，位于不同奈奎斯特区间的输出信号功率的极差能够反映出解复用模块的性能。不同奈奎斯特区间的输出信号功率的极差越小，则解复用模块的性能越好。该方法适用于基于不同解复用原理的解复用模块，并且极大的简化了光模数转换系统中解复用模块性能的测试流程。该方法有望为下一代光模数转换芯片的优化设计和性能测试提供更为简单有效的手段。

本发明的技术方案如下：

一种光模数转换系统中解复用模块性能的测试方法，其特点在于包括光模数转换系统和信号控制与处理模块，所述的光模数转换系统包括光采样时钟源、光子采样门、被采样信号源、n路解复用模块、光电探测器阵列、电子模数转换器阵列，所述的光电探测器阵列由n个pd单元并列构成，所述的电子模数转换器阵列由n个电子模数转换器组成；所述的信号控制与处理模块的输出端与所述的光模数转换系统中被采样信号源的输入端相连，所述的电子模数转换器阵列的输出端与信号控制与处理模块的输入端相连，在所述的光模数转换系统中：所述的光采样时钟源的输出端与所述的光子采样门的第一输入端相连，所述的被采样信号源的输出端与所述的光子采样门的第二输入端相连，所述的光子采样门的输出端与所述的n路解复用模块的输入端相连，所述的n路解复用模块的n个输出端分别与所述的光电探测器阵列中n个pd单元的输入端相连，所述的光电探测器阵列中n个pd单元的输出端分别与所述的电子模数转换器阵列中n个电子模数转换器的输入端相连；所述的光模数转换系统中n路解复用模块性能的测试方法包括如下步骤：

1)通过信号控制与处理模块控制所述的被采样信号源产生不同频率的电模拟信号，该电模拟信号经由光模数转换系统转换为电数字信号并输入所述的信号控制与处理模块，该电数字信号经所述的信号控制与处理模块进行傅里叶变换得到电数字信号的功率谱，在功率谱上可以得到每个输入频率下的电模拟信号经过光模数转换系统转换后输出的电数字信号功率值；

2)所述的信号控制与处理模块根据已知的光模数转换系统的输入电模拟信号的频率值和处理计算得到的输出电数字信号的功率值，将输入电模拟信号的频率值作为x轴，输出电数字信号的功率值作为y轴，得到所述的光模数转换系统的通道响应曲线；

3)将所述的通道响应曲线分为不同奈奎斯特区间，奈奎斯特区间的划分依据为：(k-1)*fs/2n～k*fs/2n，其中，fs为光模数转换系统的采样率，n为n路解复用模块的总路数，k为正整数，取值范围是1～2*n，k的取值不同则代表不同的奈奎斯特区间；

4)计算不同奈奎斯特区间信号的功率值的极差(极差的计算方法为：计算通道响应曲线中第k个奈奎斯特区间中最后一个频率值对应的信号功率值与第k+1个奈奎斯特区间中第一个频率值对应的信号功率值的绝对差值)，计算所得的极差可以反映出该光模数转换系统中n路解复用模块的性能，极差越小，则n路解复用模块的性能越好，当极差为零时，n路解复用模块的性能达到最优的理想情况。

所述的信号控制与处理模块可采用但不限于电脑、单片机、信息处理板卡等。

所述的光采样时钟，可采用但不限于被动锁模激光器、主动锁模激光器或调制频率梳等方法实现。

所述的被采样信号源为压控振荡器、频综源、模拟信号发生器或任意波形产生器等方法产生的电模拟信号。

所述的光子采样门利用调制器实现对电模拟信号的采样，光子采样门的输出为携带被采样电模拟信号信息的光脉冲信号，所述的光子采样门可采用铌酸锂电光调制器、聚合物电光调制器、硅基集成电光调制器、声光调制器或空间光调制器。

所述的n路解复用模块用于将光子采样门输出的光脉冲信号分解为n路光脉冲信号，所述的n路解复用模块可采用但不限于波分复用器、模分复用器、光开关阵列、双输出调制器阵列等方法实现。

所述的光电探测器阵列由n个pd单元组成，用于将光信号转换为电信号，pd单元采用pin管或apd管。

所述的电子模数转换器阵列由n个电子模数转换器组成，用于将电信号进行量化与编码，电子模数转换器采用示波器、adc芯片或信号开发板。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明采用基于光子学技术的解复用模块性能测试方法，实现对光模数转换系统中解复用模块性能的直接测试和评估，避免测试解复用模块中单个元器件的性能再计算推导得到解复用模块的性能，从而减少测试的复杂性和不准确性。

2、本发明解复用模块性能测试方法，无需额外的高端精密的光学或电学测试仪器设备，大大简化了测试流程并降低了测试成本。

3、本发明解复用模块性能测试方法，适用于基于不同解复用原理的解复用模块，有望为未来的光模数转换系统功能化集成提供一套标准化测试流程，优化光模数转换系统功能化集成中设计与测试流程，提高设计与测试效率。具有十分重要的研究意义。

附图说明

图1为本发明光模数转换系统中解复用模块的性能测试方法实施例的示意图；其中，(a)为实施例的测试流程示意图；(b)为实施例的整体架构图。

图2为本发明光模数转换系统中解复用模块的性能测试方法实施例的测试结果图；其中，(a)展示的测试结果图中不同奈奎斯特区间信号的输出功率值的极差较大，表明该解复用模块的性能较差；(b)展示的测试结果图中不同奈奎斯特区间信号的输出功率值的极差接近于零，表明该解复用模块的性能已接近最优状态。

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，但不应以此限制本发明的保护范围。

请参见图1，图1为本发明光模数转换系统中解复用模块的性能测试方法实施例的示意图；其中，(a)为实施例的测试流程示意图；(b)为实施例的整体架构图。由图可见，本发明光模数转换系统中解复用模块性能的测试方法，包括光模数转换系统1和信号控制与处理模块2。所述的光模数转换系统1包括光采样时钟源1-1、光子采样门1-2、被采样信号源1-3、n路解复用模块1-4、光电探测器pd阵列1-5、电子模数转换器阵列1-6，所述的光电探测器pd阵列1-5由n个pd单元1-5-1并列构成，所述的电子模数转换器阵列1-6由n个电子模数转换器1-6-1组成。所述的信号控制与处理模块2的输出端与所述的光模数转换系统1中被采样信号源1-3的输入端相连，所述的光模数转换系统1中电子模数转换器阵列1-6的输出端与信号控制与处理模块2的输入端相连。在所述的光模数转换系统1中：所述的光采样时钟源1-1的输出端与所述的光子采样门1-2的第一输入端相连，所述的被采样信号源1-3的输出端与所述的光子采样门1-2的第二输入端相连，所述的光子采样门1-2的输出端与所述的n路解复用模块1-4的输入端相连，所述的n路解复用模块1-4的n个输出端分别与所述的光电探测器阵列1-5中n个pd单元1-5-1的输入端相连，所述的光电探测器阵列1-5中n个pd单元1-5-1的输出端分别与所述的电子模数转换器阵列1-6中n个电子模数转换器1-6-1的输入端相连。

本实施例采用采样率为20gsa/s的光模数转换系统1，该光模数转换系统1中2路解复用模块1-4性能的测试方法，包括如下步骤：

1)通过信号控制与处理模块2控制所述的被采样信号源1-3产生不同频率的电模拟信号，该电模拟信号经由光模数转换系统1转换为电数字信号并输入所述的信号控制与处理模块2，该电数字信号经所述的信号控制与处理模块2进行傅里叶变换得到电数字信号的功率谱，在功率谱上可以得到每个输入频率下的电模拟信号经过光模数转换系统1转换后输出的电数字信号功率值；

2)所述的信号控制与处理模块2根据已知的光模数转换系统1的输入电模拟信号的频率值和步骤1)得到的输出电数字信号的功率值，将输入电模拟信号的频率值作为x轴，输出电数字信号的功率值作为y轴，得到所述的光模数转换系统1的通道响应曲线；

3)将所述的通道响应曲线分为不同奈奎斯特区间，奈奎斯特区间的划分依据为：(k-1)*fs/2n～k*fs/2n，其中，fs为光模数转换系统1的采样率，n为n路解复用模块1-4的总路数，k为正整数，取值范围是1～2*n，k的取值不同则代表不同的奈奎斯特区间，本实施例中fs＝20gsa/s，n＝2路，k＝1、2、3、4，即4个奈奎斯特区间的划分为：0～5ghz、5ghz～10ghz、10ghz～15ghz、15ghz～20ghz；

4)计算不同奈奎斯特区间信号的功率值的极差(极差的计算方法为：计算通道响应曲线中第k个奈奎斯特区间中最后一个频率值对应的信号功率值与第k+1个奈奎斯特区间中第一个频率值对应的信号功率值的绝对差值)，计算所得的极差可以反映出该光模数转换系统1中n路解复用模块1-4的性能，极差越小，则n路解复用模块1-4的性能越好，当极差为零时，n路解复用模块1-4的性能达到最优的理想情况。

图2(a)展示的测试结果图中不同奈奎斯特区间信号的输出功率值的极差较大，表明所述的2路解复用模块的性能较差；图2(b)展示的测试结果图中不同奈奎斯特区间信号的输出功率值的极差接近于零，表明所述的2路解复用模块的性能已达到最佳状态。

上述过程中采用基于光子学技术的解复用模块性能测试方法，实现对光模数转换系统中解复用模块性能的直接测试和评估，避免测试解复用模块中单个元器件的性能再计算推导得到解复用模块的性能，从而减少测试的复杂性和不准确性。该测试方法大大简化了测试流程，无需额外的高端精密的光学或电学测试仪器设备，能够有效降低测试成本。上述过程中使用的解复用模块性能测试方法，适用于基于不同解复用原理的解复用模块，有望为未来的光模数转换系统功能化集成提供一套标准化测试流程。对于优化光模数转换系统功能化集成中设计与测试流程、提高设计与测试效率，具有十分关键的作用。