《基于移相光量化的模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)概述》3200字

基于移相光量化的模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(shí)鐘抖動(dòng)等影響，傳統(tǒng)的ADC技術(shù)性能受到影響，無(wú)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(shí)間抖動(dòng)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(shí)間抖動(dòng)REF_Ref72357792\r\h[1]。所以，采用光子技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)高速數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換受到國(guó)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(shì)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(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，后續(xù)量化過(guò)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(shí)分復(fù)用和時(shí)分/波分復(fù)用兩類。對(duì)于時(shí)分復(fù)用，美國(guó)MIT林肯實(shí)驗(yàn)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(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍61dB的時(shí)分復(fù)用光輔助模數(shù)轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)REF_Ref72357792\r\h[1]。由于時(shí)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(guò)程中有一定難度，而時(shí)分/波分復(fù)用采用時(shí)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(shí)彼此干擾性降低，也能減少損耗。美國(guó)HRL實(shí)驗(yàn)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(guó)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(shì)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(cè)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(shí)域拉伸光輔助模數(shù)轉(zhuǎn)換方案能夠降低待測(cè)信號(hào)頻率，主要應(yīng)用于捕捉超快瞬態(tài)信號(hào)REF_Ref72357792\r\h[1]。而對(duì)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(gè)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(cè)信號(hào)的幅度經(jīng)過(guò)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(guó)海軍電子實(shí)驗(yàn)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(duì)待測(cè)信號(hào)的線性采樣度，采樣后光脈沖會(huì)在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)動(dòng)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(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行輸出。在整個(gè)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(huì)引入一定的噪聲。采樣光脈沖噪聲主要包括時(shí)間抖動(dòng)、幅度抖動(dòng)、脈沖寬度等；系統(tǒng)鏈路中會(huì)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(cè)器噪聲等；此外，模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)在轉(zhuǎn)換過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生無(wú)法消除的固有量化噪聲。這些噪聲都會(huì)通過(guò)量化接收機(jī)反映到系統(tǒng)的輸出結(jié)果，因此要對(duì)其進(jìn)行分析從而減少噪聲帶來(lái)的誤差及影響，使系統(tǒng)輸出結(jié)果更加準(zhǔn)確。噪聲對(duì)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(gè)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(huì)對(duì)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(hào)，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(huì)將待判決信號(hào)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(huì)存在一定的波紋和幅度抖動(dòng)，電壓產(chǎn)生微量變化。待判決信號(hào)的功率波動(dòng)也會(huì)對(duì)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(hào)幅度增大與減小的過(guò)程。比較器的工作原理為輸入比較器的待判決信號(hào)與閾值門限電平相減，得到的信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)限幅放大器放大為數(shù)字信號(hào)電平。在一個(gè)采樣周期內(nèi)，如果比較器輸出數(shù)字信號(hào)幅度小于|VL|時(shí)，認(rèn)為輸出結(jié)果無(wú)法被判決為有效的數(shù)字信號(hào)，即比較器判決模糊。模數(shù)轉(zhuǎn)換是后續(xù)信號(hào)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(guò)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(jiǎn)述移相光量化是利用信號(hào)傳遞函數(shù)曲線的相位差異來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)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(jí)為2N，對(duì)應(yīng)的量化比特?cái)?shù)為log2(2N)，因此其進(jìn)行量化編碼的效率較低。經(jīng)過(guò)從各個(gè)方面采取措施進(jìn)行嘗試，科學(xué)家們最終發(fā)現(xiàn)通過(guò)增加量化通道個(gè)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(wèn)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(gè)結(jié)構(gòu)特殊的電極，分別位于兩條支路上，當(dāng)光信號(hào)進(jìn)入調(diào)制器時(shí)，兩支路上的電光材料的折射率會(huì)隨著外部施加的電信號(hào)的變化而變化，從而導(dǎo)致信號(hào)之間出現(xiàn)相位差，經(jīng)過(guò)MZM的輸出信號(hào)結(jié)合在一起時(shí)，兩支路的信號(hào)相位差使得輸出信號(hào)強(qiáng)度發(fā)生變化，電信號(hào)的作用使得光信號(hào)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(dòng)信號(hào)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(guò)調(diào)節(jié)偏置電壓產(chǎn)生NRZ-ASK/NRZ-DPSK信號(hào)，載波抑制RZ-DPSK信號(hào)等。MZM的工作原理是將輸入光分成兩路光信號(hào)，這兩路光信號(hào)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(hào)的大小不同而發(fā)生變化。光支路的折射率變化會(huì)導(dǎo)致信號(hào)相位發(fā)生改變，兩條支路的信號(hào)調(diào)制器輸出端使得輸出信號(hào)再次結(jié)合在一起時(shí)，合成的光信號(hào)會(huì)變成一個(gè)強(qiáng)度大小較輸入時(shí)發(fā)生變化的干涉信號(hào)，經(jīng)過(guò)此過(guò)程，電信號(hào)的變化促成了光信號(hào)的變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光強(qiáng)度的調(diào)制。對(duì)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(cuò)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(jí)聯(lián)，從而克服了上述要求；Stigwalletal.提出了將相位調(diào)制器級(jí)聯(lián)使用，通過(guò)將放置在干涉儀輸出處的光電探測(cè)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(jì)是將多個(gè)馬赫-曾德爾調(diào)制器進(jìn)行級(jí)聯(lián)，以此得到等效的長(zhǎng)電極，并且使半波電壓降低。通過(guò)馬赫-曾德爾調(diào)制器對(duì)輸入信號(hào)的調(diào)制，相位發(fā)生改變，使輸出信號(hào)的強(qiáng)度發(fā)生改變，再通過(guò)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(hào)進(jìn)行量化編碼，用線性二進(jìn)制編碼進(jìn)行表示。通過(guò)對(duì)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(jiǎn)單的模數(shù)轉(zhuǎn)換。具有相同半波電壓的MZM的使用大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)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(guò)設(shè)定判決閾值來(lái)使其生成線性二進(jìn)制碼，由于設(shè)定了四個(gè)MZM的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，演示了量化級(jí)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(hào)幅度與輸出的歸一化數(shù)字信號(hào)值之