《基于移相光量化的模數(shù)轉換系統(tǒng)的設計概述》3200字

基于移相光量化的模數(shù)轉換系統(tǒng)的設計概述綜述1.1模數(shù)轉換的意義 現(xiàn)如今，模數(shù)轉換器和數(shù)模轉換器是我們物理世界和數(shù)字化信息處理的虛擬世界之間不可或缺的橋梁。由于采樣保持電路帶寬，時鐘抖動等影響，傳統(tǒng)的ADC技術性能受到影響，無法滿足高采樣速率，高帶寬等要求。隨著光子技術的發(fā)展，人們逐漸可以獲得100GS/s以上的采樣速率，超短采樣光脈沖源的時間抖動最低可達50fs，遠遠小于當前最先進的電子ADC的最低時間抖動REF_Ref72357792\r\h[1]。所以，采用光子技術來實現(xiàn)高速數(shù)模、模數(shù)轉換受到國際科研工作者的廣泛關注。光模數(shù)轉換近些年研究成果明顯，發(fā)展趨勢迅猛。根據其功能結構劃分大致分為光輔助模數(shù)轉換和全光模數(shù)轉換兩大類。前者利用光學方法對采樣信號進行預處理，后續(xù)量化過程由電子ADC進行處理，即光采樣電量化方案。此方案主要有時分復用和時分/波分復用兩類。對于時分復用，美國MIT林肯實驗室運用鎖模激光器和高消光比LiNbO3電光解復用器于2001年進行首次嘗試，實現(xiàn)505MS/s采樣率，有效比特位8.2bit，無雜散動態(tài)范圍61dB的時分復用光輔助模數(shù)轉換實驗REF_Ref72357792\r\h[1]。由于時分解復用器結構復雜，插入損耗較大因此本方案在進行過程中有一定難度，而時分/波分復用采用時分/波分交織復用的采樣脈沖序列REF_Ref72357792\r\h[1]。這種脈沖序列使采樣時彼此干擾性降低，也能減少損耗。美國HRL實驗室2004年利用鎖模激光器產生40GS/s采樣率的采樣脈沖，實現(xiàn)有效比特位8.3-bit的量化精度；英國劍橋大學2005年實現(xiàn)采樣率80GS/s，信噪比14.2dB的32量化通道光輔助模數(shù)轉換器REF_Ref72357792\r\h[1]。光采樣點量化的最新研究趨勢是將光輔助模數(shù)轉換系統(tǒng)所運用到的全部光電器件集成在單片光芯片中，目前已有硅基飛秒鎖模激光器、硅基電光調制器、硅基微環(huán)諧振腔波分解復用器及硅基光電探測器等分立器件REF_Ref72357792\r\h[1]。系統(tǒng)的片上集成可以很大程度上降低光學ADC的體積和功率損耗，使系統(tǒng)穩(wěn)定性更強。另一種又UCLA研究組提出的時域拉伸光輔助模數(shù)轉換方案能夠降低待測信號頻率，主要應用于捕捉超快瞬態(tài)信號REF_Ref72357792\r\h[1]。而對于后者，全光模數(shù)轉換系統(tǒng)可分為采樣光脈沖源，全光量化器以及量化接收機三個部分，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編碼規(guī)則將待測信號的幅度經過量化處理，轉化為光域的二元參量得以輸出REF_Ref72357792\r\h[1]。美國海軍電子實驗室利用電光調制器的周期性調制特性實現(xiàn)量化編碼的全光量化器方案，將最大輸出光強度的一半設為判決閾值，高于判決閾值的設為“1”，低于判決閾值設為“0”，從而得到一組量化編碼REF_Ref72357792\r\h[1]。日本大阪大學研究者利用非線性光纖環(huán)境實現(xiàn)調制周期倍增的量化方案，但由于為了保持對待測信號的線性采樣度，采樣后光脈沖會在一定范圍內呈現(xiàn)動態(tài)形式REF_Ref72357792\r\h[1]。為了克服大量非線性效應，瑞典Chalmers大學研究者便提出基于相位調制的移相光量化模數(shù)轉換系統(tǒng)REF_Ref72357792\r\h[1]。全光模數(shù)轉換的最后一部分是光量化接收機，它主要的用途是將全光量化編碼器的輸出信號進行閾值判決以及后續(xù)數(shù)據的細化處理，最后使模擬信號轉換為數(shù)字信號進行輸出。在整個移相光量化系統(tǒng)中采樣脈沖源、系統(tǒng)鏈路、量化編碼器以及量化接收機都會引入一定的噪聲。采樣光脈沖噪聲主要包括時間抖動、幅度抖動、脈沖寬度等；系統(tǒng)鏈路中會產生放大器引起的自發(fā)輻射噪聲；量化編碼器存在移相偏差噪聲；量化接收機產生的噪聲主要有判決閾值誤差噪聲，弛豫噪聲，光探測器噪聲等；此外，模數(shù)轉換系統(tǒng)在轉換過程中也會產生無法消除的固有量化噪聲。這些噪聲都會通過量化接收機反映到系統(tǒng)的輸出結果，因此要對其進行分析從而減少噪聲帶來的誤差及影響，使系統(tǒng)輸出結果更加準確。噪聲對系統(tǒng)輸出結果的影響主要體現(xiàn)在系統(tǒng)模數(shù)轉換曲線的量化階梯寬度上，例如階梯寬度不一致等，移相量偏差噪聲指兩個相鄰通道的傳輸特性曲線周期相同且存在π/n的相位差，傳輸特性曲線的移相量偏差會對量化階梯寬度產生不小的影響。量化接收機接收到的數(shù)字信號，需要在最大輸出光強的二分之一處設置判決閾值，高于判決閾值的設為“1”，低于判決閾值的設為“0”。絕大多數(shù)的全光模數(shù)轉換方案會將待判決信號進行光電轉換,用單端輸入的電比較器進行閾值判決，理想情況下判決閾值通常采用恒定的直流電平，實際情況下，參考電壓源都會存在一定的波紋和幅度抖動，電壓產生微量變化。待判決信號的功率波動也會對閾值判決的精度產生影響，即為判決閾值誤差。比較器弛豫噪聲是指由于比較器的弛豫特性引起的輸入信號幅度增大與減小的過程。比較器的工作原理為輸入比較器的待判決信號與閾值門限電平相減，得到的信號經過一個限幅放大器放大為數(shù)字信號電平。在一個采樣周期內，如果比較器輸出數(shù)字信號幅度小于|VL|時，認為輸出結果無法被判決為有效的數(shù)字信號，即比較器判決模糊。模數(shù)轉換是后續(xù)信號處理的基礎環(huán)節(jié)，其中涉及到的低通采樣，帶通采樣，過采樣等一系列技術需要在后續(xù)的研究學習中不斷加深理解。1.2移相光量化的簡述移相光量化是利用信號傳遞函數(shù)曲線的相位差異來實現(xiàn)對輸入信號的量化和編碼。移相光量化的編碼輸出類型一般為格雷碼，N路輸出所實現(xiàn)的量化等級為2N，對應的量化比特數(shù)為log2(2N)，因此其進行量化編碼的效率較低。經過從各個方面采取措施進行嘗試，科學家們最終發(fā)現(xiàn)通過增加量化通道個數(shù)和減小相鄰通道的傳遞函數(shù)的調制曲線的相移量，就可以避免半波電壓成倍減小的硬性要求，而且解決了量化編碼效率低的問題，移相光量化方案應運而生。1.3馬赫-曾德爾調制器的工作原理MZM(Mach-Zehnder,馬赫-曾德爾調制器)的內部有兩個結構特殊的電極，分別位于兩條支路上，當光信號進入調制器時，兩支路上的電光材料的折射率會隨著外部施加的電信號的變化而變化，從而導致信號之間出現(xiàn)相位差，經過MZM的輸出信號結合在一起時，兩支路的信號相位差使得輸出信號強度發(fā)生變化，電信號的作用使得光信號發(fā)生變化，即完成了光電轉換。如圖1.1所示：圖1.1馬赫-曾德爾調制器原理圖MZM的傳輸特性是余弦曲線形式，因此調制器可以被偏置在不同的區(qū)域，并且驅動信號可以疊加在偏置電壓上。MZM的獨特結構以及傳輸特性，使其在光強度調制的應用領域上范圍廣泛，可用于制造馬赫-曾德爾熱光TO開關，通過調節(jié)偏置電壓產生NRZ-ASK/NRZ-DPSK信號，載波抑制RZ-DPSK信號等。MZM的工作原理是將輸入光分成兩路光信號，這兩路光信號的性質完全相同，并且分別進入電光調制器的兩條光支路。由于光支路均采用電光性材料，導致折射率隨著外部施加的電信號的大小不同而發(fā)生變化。光支路的折射率變化會導致信號相位發(fā)生改變，兩條支路的信號調制器輸出端使得輸出信號再次結合在一起時，合成的光信號會變成一個強度大小較輸入時發(fā)生變化的干涉信號，經過此過程，電信號的變化促成了光信號的變化，從而實現(xiàn)對光強度的調制。對于基于移相光量化的模數(shù)轉換方案，歷史上已經有了許多不錯的嘗試。Taylor提出的方案中要求在轉換單元中，MZM最低有效位的半波電壓要非常低，使用電子設備難以實現(xiàn)；Jalalietal.將MZM級聯(lián)，從而克服了上述要求；Stigwalletal.提出了將相位調制器級聯(lián)使用，通過將放置在干涉儀輸出處的光電探測器所產生的衍射圖樣，生成線性二進制碼。REF_Ref72357950\r\h[2]這些方案各有優(yōu)劣，為后世的學習和研究提供了很大的幫助。本畢業(yè)設計是將多個馬赫-曾德爾調制器進行級聯(lián)，以此得到等效的長電極，并且使半波電壓降低。通過馬赫-曾德爾調制器對輸入信號的調制，相位發(fā)生改變，使輸出信號的強度發(fā)生改變，再通過將最大輸出光強的一半設定為判決閾值的方式，將輸出信號進行量化編碼，用線性二進制編碼進行表示。通過對MZM適當施加偏置電壓，可以實現(xiàn)MZM傳遞函數(shù)所需要的相位偏移，用于生成線性二進制碼從而實現(xiàn)簡單的模數(shù)轉換。具有相同半波電壓的MZM的使用大大簡化了設計和實現(xiàn)，為集成提供了很大的潛在性幫助。本方案的重點在于編碼概念的理解上，通過設定判決閾值來使其生成線性二進制碼，由于設定了四個MZM的級聯(lián)結構，演示了量化級別為8的模數(shù)轉換。模數(shù)轉換系統(tǒng)中的量化誤差ε定義為輸入模擬信號幅度與輸出的歸一化數(shù)字信號值之