基于移相光量化的模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設(shè)計概述綜述1.1模數(shù)轉(zhuǎn)換的意義 現(xiàn)如今，模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)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(shù)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(shù)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(dá)50fs，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于當(dāng)前最先進(jìn)的電子ADC的最低時間抖動REF_Ref72357792\r\h[1]。所以，采用光子技術(shù)來實(shí)現(xiàn)高速數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換受到國際科研工作者的廣泛關(guān)注。光模數(shù)轉(zhuǎn)換近些年研究成果明顯，發(fā)展趨勢迅猛。根據(jù)其功能結(jié)構(gòu)劃分大致分為光輔助模數(shù)轉(zhuǎn)換和全光模數(shù)轉(zhuǎn)換兩大類。前者利用光學(xué)方法對采樣信號進(jìn)行預(yù)處理，后續(xù)量化過程由電子ADC進(jìn)行處理，即光采樣電量化方案。此方案主要有時分復(fù)用和時分/波分復(fù)用兩類。對于時分復(fù)用，美國MIT林肯實(shí)驗室運(yùn)用鎖模激光器和高消光比LiNbO3電光解復(fù)用器于2001年進(jìn)行首次嘗試，實(shí)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(fù)用光輔助模數(shù)轉(zhuǎn)換實(shí)驗REF_Ref72357792\r\h[1]。由于時分解復(fù)用器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，插入損耗較大因此本方案在進(jìn)行過程中有一定難度，而時分/波分復(fù)用采用時分/波分交織復(fù)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(shí)驗室2004年利用鎖模激光器產(chǎn)生40GS/s采樣率的采樣脈沖，實(shí)現(xiàn)有效比特位8.3-bit的量化精度；英國劍橋大學(xué)2005年實(shí)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(zhuǎn)換器REF_Ref72357792\r\h[1]。光采樣點(diǎn)量化的最新研究趨勢是將光輔助模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)所運(yùn)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(diào)制器、硅基微環(huán)諧振腔波分解復(fù)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(xué)ADC的體積和功率損耗，使系統(tǒng)穩(wěn)定性更強(qiáng)。另一種又UCLA研究組提出的時域拉伸光輔助模數(shù)轉(zhuǎn)換方案能夠降低待測信號頻率，主要應(yīng)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(zhuǎn)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(jī)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(jīng)過量化處理，轉(zhuǎn)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(shí)驗室利用電光調(diào)制器的周期性調(diào)制特性實(shí)現(xiàn)量化編碼的全光量化器方案，將最大輸出光強(qiáng)度的一半設(shè)為判決閾值，高于判決閾值的設(shè)為“1”，低于判決閾值設(shè)為“0”，從而得到一組量化編碼REF_Ref72357792\r\h[1]。日本大阪大學(xué)研究者利用非線性光纖環(huán)境實(shí)現(xiàn)調(diào)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(nèi)呈現(xiàn)動態(tài)形式REF_Ref72357792\r\h[1]。為了克服大量非線性效應(yīng)，瑞典Chalmers大學(xué)研究者便提出基于相位調(diào)制的移相光量化模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)REF_Ref72357792\r\h[1]。全光模數(shù)轉(zhuǎn)換的最后一部分是光量化接收機(jī)，它主要的用途是將全光量化編碼器的輸出信號進(jìn)行閾值判決以及后續(xù)數(shù)據(jù)的細(xì)化處理，最后使模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進(jìn)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(jī)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(chǎn)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(jī)產(chǎn)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(zhuǎn)換系統(tǒng)在轉(zhuǎn)換過程中也會產(chǎn)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(jī)反映到系統(tǒng)的輸出結(jié)果，因此要對其進(jìn)行分析從而減少噪聲帶來的誤差及影響，使系統(tǒng)輸出結(jié)果更加準(zhǔn)確。噪聲對系統(tǒng)輸出結(jié)果的影響主要體現(xiàn)在系統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)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?fù)ǖ赖膫鬏斕匦郧€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(chǎn)生不小的影響。量化接收機(jī)接收到的數(shù)字信號，需要在最大輸出光強(qiáng)的二分之一處設(shè)置判決閾值，高于判決閾值的設(shè)為“1”，低于判決閾值的設(shè)為“0”。絕大多數(shù)的全光模數(shù)轉(zhuǎn)換方案會將待判決信號進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換,用單端輸入的電比較器進(jìn)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(shí)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(chǎn)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(chǎn)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(jīng)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(nèi)，如果比較器輸出數(shù)字信號幅度小于|VL|時，認(rèn)為輸出結(jié)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(zhuǎn)換是后續(xù)信號處理的基礎(chǔ)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(shù)需要在后續(xù)的研究學(xué)習(xí)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(shí)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(shí)現(xiàn)的量化等級為2N，對應(yīng)的量化比特數(shù)為log2(2N)，因此其進(jìn)行量化編碼的效率較低。經(jīng)過從各個方面采取措施進(jìn)行嘗試，科學(xué)家們最終發(fā)現(xiàn)通過增加量化通道個數(shù)和減小相鄰?fù)ǖ赖膫鬟f函數(shù)的調(diào)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(yīng)運(yùn)而生。1.3馬赫-曾德爾調(diào)制器的工作原理MZM(Mach-Zehnder,馬赫-曾德爾調(diào)制器)的內(nèi)部有兩個結(jié)構(gòu)特殊的電極，分別位于兩條支路上，當(dāng)光信號進(jìn)入調(diào)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(dǎo)致信號之間出現(xiàn)相位差，經(jīng)過MZM的輸出信號結(jié)合在一起時，兩支路的信號相位差使得輸出信號強(qiáng)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(zhuǎn)換。如圖1.1所示：圖1.1馬赫-曾德爾調(diào)制器原理圖MZM的傳輸特性是余弦曲線形式，因此調(diào)制器可以被偏置在不同的區(qū)域，并且驅(qū)動信號可以疊加在偏置電壓上。MZM的獨(dú)特結(jié)構(gòu)以及傳輸特性，使其在光強(qiáng)度調(diào)制的應(yīng)用領(lǐng)域上范圍廣泛，可用于制造馬赫-曾德爾熱光TO開關(guān)，通過調(diào)節(jié)偏置電壓產(chǎn)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(zhì)完全相同，并且分別進(jìn)入電光調(diào)制器的兩條光支路。由于光支路均采用電光性材料，導(dǎo)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(dǎo)致信號相位發(fā)生改變，兩條支路的信號調(diào)制器輸出端使得輸出信號再次結(jié)合在一起時，合成的光信號會變成一個強(qiáng)度大小較輸入時發(fā)生變化的干涉信號，經(jīng)過此過程，電信號的變化促成了光信號的變化，從而實(shí)現(xiàn)對光強(qiáng)度的調(diào)制。對于基于移相光量化的模數(shù)轉(zhuǎn)換方案，歷史上已經(jīng)有了許多不錯的嘗試。Taylor提出的方案中要求在轉(zhuǎn)換單元中，MZM最低有效位的半波電壓要非常低，使用電子設(shè)備難以實(shí)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(diào)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(chǎn)生的衍射圖樣，生成線性二進(jìn)制碼。REF_Ref72357950\r\h[2]這些方案各有優(yōu)劣，為后世的學(xué)習(xí)和研究提供了很大的幫助。本畢業(yè)設(shè)計是將多個馬赫-曾德爾調(diào)制器進(jìn)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(diào)制器對輸入信號的調(diào)制，相位發(fā)生改變，使輸出信號的強(qiáng)度發(fā)生改變，再通過將最大輸出光強(qiáng)的一半設(shè)定為判決閾值的方式，將輸出信號進(jìn)行量化編碼，用線性二進(jìn)制編碼進(jìn)行表示。通過對MZM適當(dāng)施加偏置電壓，可以實(shí)現(xiàn)MZM傳遞函數(shù)所需要的相位偏移，用于生成線性二進(jìn)制碼從而實(shí)現(xiàn)簡單的模數(shù)轉(zhuǎn)換。具有相同半波電壓的MZM的使用大大簡化了設(shè)計和實(shí)現(xiàn)，為集成提供了很大的潛在性幫助。本方案的重點(diǎn)在于編碼概念的理解上，通過設(shè)定判決閾值來使其生成線性二進(jìn)制碼，由于設(shè)定了四個MZM的級聯(lián)結(jié)構(gòu)，演示了量化級別為8的模數(shù)轉(zhuǎn)換。模數(shù)轉(zhuǎn)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