本發(fā)明涉及一種光模數(shù)轉換方法，尤其涉及一種基于光子復制緩存輔助的模數(shù)轉換方法及裝置，屬于微波光子學、信息光電子學、通信與信息系統(tǒng)、信號與信息處理等多學科交叉的技術領域。

背景技術：

光模數(shù)轉換將模擬信號轉換成數(shù)字信號，是當前射頻系統(tǒng)的重要功能單元。電子模數(shù)轉換器在采樣保持電路、弛豫時間、采樣時鐘精度等諸多方面存在著電子瓶頸的限制，已難以滿足雷達等高性能射頻系統(tǒng)對大帶寬、高采樣率、高有效比特位數(shù)和低定時抖動等的要求。利用光子輔助技術實現(xiàn)模數(shù)轉換在復用、脈沖時間抖動、處理信號帶寬、抗干擾、遠距離傳輸?shù)确矫婢哂酗@著的優(yōu)勢。如何將光子技術引入到對模擬電信號的采樣和量化過程中，突破電子瓶頸的限制，實現(xiàn)高速模數(shù)轉換，已經(jīng)成為當前的研究熱點。

基于光子量化為核心的光子輔助模數(shù)轉換技術(H. Taylor, "An electrooptic analog-to-digital converter," Proc. of the IEEE, vol. 63, no. 10, pp. 1524-1525, 1975.),其關鍵是由多個具有不同電光強度調(diào)制特性的支路和電子比較器陣列構成的光子量化器；當輸入信號變化時，各調(diào)制支路輸出的光強按照不同的規(guī)律變化，各光電探測器將各路的光強轉變?yōu)殡娦盘枺⑺腿腚娮颖容^器與判決門限進行比較。電子比較器陣列的輸出即為電信號的模數(shù)轉換結果。但是由于調(diào)制器的半波電壓高，且高精度的調(diào)制特性“相移”難以實現(xiàn)，該種方法實現(xiàn)的光子輔助模數(shù)轉換器的轉換精度往往較低。

時域拉伸型光子輔助模數(shù)轉換技術（A. M. Fard, S. Gupta, and B. Jalali, "Photonic time-stretch digitizer and its extension to real-time spectroscopy and imaging," Laser & Photon. Rev., vol. 7, no. 2, pp. 207-263, 2013.），其關鍵在于利用光脈沖在色散介質(zhì)中的展寬來在時域上拉伸待轉換的模擬信號，然后采用低速的電模數(shù)轉換完成模數(shù)轉換。由于輸入電模數(shù)轉換器信號的時域變化被減緩，其帶寬縮小，使得電模數(shù)轉換對時鐘抖動、模擬帶寬的要求降低，并且提升了等效采樣效率，從而拓展了先有模數(shù)轉換器的性能。此外，人們還在偏振復用、連續(xù)信號多路并行拉伸等方面進一步拓展時域拉伸型光子輔助模數(shù)轉換的性能(X. W. Ye, F. Z. Zhang, and S. L. Pan, "Photonic Time-Stretched Analog-to-Digital Converter with Suppression of Dispersion-induced Power Fading Based on Polarization Modulation," in the 2014 IEEE Photonics Conference (IPC 2014), San Diego, USA, Oct. 12-16, 2014.)。但該方法僅能對特定到達時間的脈沖電信號進行采樣，無法應用到達時間未知的信號采樣。

光采樣模數(shù)轉換技術（G. C. Valley, "Photonic analog-to-digital converters," Opt. Express, vol. 15, no. 5, pp. 1955-1982, Mar. 2007.），其關鍵是利用光脈沖對輸入的電信號進行采樣。光脈沖被待轉換電信號所調(diào)制，光電探測器將光脈沖序列攜帶的電信號提取出來并送入電模數(shù)轉換器進行量化。這種光采樣模數(shù)轉換技術，利用了基于光子技術產(chǎn)生的激光脈沖的脈寬極窄、脈沖間隔時間抖動極小等特性，使得傳統(tǒng)電模數(shù)轉換中因時鐘抖動導致的噪聲和失真大大降低。但是該技術一方面需要用時分復用方法提高采樣脈沖的重復頻率，一方面要用并行架構降低每路的采樣率以便后續(xù)低速電模數(shù)轉換器進行量化，使得系統(tǒng)異常復雜，一致性和穩(wěn)定性難以保證。

綜上可知，亟需提供一種可基于低重復頻率光脈沖和低速電模數(shù)轉換器獲得較高的等效采樣率的光模數(shù)轉換方法。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題在于克服現(xiàn)有技術不足，提供一種基于光子復制緩存輔助的模數(shù)轉換方法，能夠基于低重復頻率光脈沖和低速電模數(shù)轉換器獲得較高的等效采樣率，且系統(tǒng)結構簡單，大幅降低了成本和復雜度。

本發(fā)明具體采用以下技術方案解決上述技術問題：

基于光子復制緩存輔助的模數(shù)轉換方法，首先將待轉換電信號調(diào)制于光載波上，生成第一調(diào)制光信號；利用光子復制緩存方法將第一調(diào)制光信號按照ΔT的時間間隔連續(xù)復制N-1次，從而生成由第一調(diào)制光信號與N-1個復制信號所組成的信號序列，N為大于等于2的整數(shù)，ΔT大于待轉換電信號的脈沖時寬；將所述信號序列調(diào)制于重復周期T=ΔT/（n+1/N）的光脈沖上，得到第二調(diào)制光信號，n為自然數(shù)；最后對第二調(diào)制光信號進行光電轉換，并將轉換后電信號送入電模數(shù)轉換器進行量化。

進一步地，先對第二調(diào)制光信號進行脈寬展寬，然后再進行光電轉換。

優(yōu)選地，利用半導體光放大器將所述信號序列調(diào)制于重復周期T=ΔT/（n+1/N）的光脈沖上?；蛘?，將所述信號序列調(diào)制于重復周期T=ΔT/（n+1/N）的光脈沖上的方法具體如下：先對所述信號序列進行光電轉換，然后將轉換后的電信號通過電光調(diào)制器調(diào)制于重復周期T=ΔT/（n+1/N）的光脈沖上。

根據(jù)相同的發(fā)明思路還可以得到以下技術方案：

基于光子復制緩存輔助的模數(shù)轉換裝置，包括：

第一調(diào)制單元，用于將待轉換電信號調(diào)制于光載波上，生成第一調(diào)制光信號；

光子復制緩存單元，利用光子復制緩存方法將第一調(diào)制光信號按照ΔT的時間間隔連續(xù)復制N-1次，從而生成由第一調(diào)制光信號與N-1個復制信號所組成的信號序列，N為大于等于2的整數(shù)，ΔT大于待轉換電信號的脈沖時寬；

脈沖光源，用于生成重復周期T=ΔT/（n+1/N）的光脈沖，n為自然數(shù)；

第二調(diào)制單元，用于將光子復制緩存單元生成的信號序列調(diào)制于脈沖光源生成的光脈沖上，得到第二調(diào)制光信號；

第一光電探測器，用于對第二調(diào)制光信號進行光電轉換；

電模數(shù)轉換器，用于對第一光電探測器輸出的電信號進行量化。

進一步地，還包括設置于第二調(diào)制單元與第一光電探測器之間的脈寬展寬單元，用于對第二調(diào)制光信號進行脈寬展寬。

優(yōu)選地，所述第二調(diào)制單元包括光耦合器、半導體光放大器，光耦合器的兩個輸入端分別與光子復制緩存單元的輸出端、脈沖光源的輸出端連接，光耦合器的輸出端連接半導體光放大器的輸入端?；蛘?，所述第二調(diào)制單元包括第二光電探測器、電光調(diào)制器，第二光電探測器的輸入端、輸出端分別連接光子復制緩存單元的輸出端、電光調(diào)制器的電信號輸入端，電光調(diào)制器的光信號輸入端連接脈沖光源的輸出端。

優(yōu)選地，所述光子復制緩存單元包括第一光耦合器、光開關、光放大器、光纖、第二光耦合器，第一調(diào)制單元的輸出端連接第一光耦合器的第一輸入端口，第一光耦合器的輸出端依次與光開關、第二光耦合器、光纖、光放大器、第一光耦合器的第二輸入端形成一個時延為ΔT的環(huán)路，第二光耦合器的第二輸出端作為所述光子復制緩存單元的輸出端。或者，所述光子復制緩存單元為基于微環(huán)的集成光子復制緩存芯片，其微環(huán)延時量為ΔT。

相比現(xiàn)有技術，本發(fā)明技術方案具有以下有益效果：

本發(fā)明通過引入光子復制和緩存的方式，基于光子技術低損耗和大帶寬的優(yōu)勢，復

制和緩存待轉換信號，從而可將等效采樣率提高為光脈沖重頻的N倍。

本發(fā)明克服了現(xiàn)有光子模數(shù)轉換技術難以滿足射頻系統(tǒng)一體化收發(fā)的需求，本發(fā)明裝置能夠基于低重復頻率的光脈沖和低速電模數(shù)轉換器實現(xiàn)較高等效采樣率的光子輔助模數(shù)轉換，滿足了射頻系統(tǒng)的發(fā)射和接收一體化的需求，且系統(tǒng)結構簡單，大幅降低了裝置的成本和復雜度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明模數(shù)轉換裝置的結構原理示意圖；

圖2為本發(fā)明第一個優(yōu)選實施例的具體結構示意圖；

圖3給出了脈寬為50 ns的待轉換電脈沖信號，脈內(nèi)波形為重頻為 20 MHz的正弦信號；

圖4 給出了重頻為100 MHz的光脈沖對三個復制信號的采樣結果；

圖5 (a)-圖5(c)分別給出了對三個復制采樣數(shù)據(jù)進行幅度歸一化后的結果；

圖6給出了對三個復制信號采樣數(shù)據(jù)進行分插處理的結果以及相應的最終等效采樣結果；

圖7 (a)給出了脈寬為80 ns的待轉換電脈沖信號，脈內(nèi)信號為重頻200 MHz的正弦信號；圖7 (b)給出了經(jīng)過光纖環(huán)復制后的信號序列的波形；

圖8給出了重頻為100 MHz的光脈沖對五個復制信號采樣的結果；

圖9給出了對圖8中五個復制信號采樣數(shù)據(jù)進行分插處理的結果以及相應的最終等效采樣結果；

圖10為本發(fā)明第二個優(yōu)選實施例的具體結構示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明的思路是通過將光子復制和緩存技術引入光子輔助模數(shù)轉換過程，從而能夠基于低重復頻率光脈沖和低速電模數(shù)轉換器獲得較高的等效采樣率。下面結合附圖對本發(fā)明的技術方案進行詳細說明：

如圖1所示，本發(fā)明基于光子復制緩存輔助的模數(shù)轉換裝置，包括：第一調(diào)制單元、光子復制緩存單元、脈沖光源、第二調(diào)制單元、第一光電探測器、電模數(shù)轉換器。其中，第一調(diào)制單元用于將待轉換電信號調(diào)制于光載波上，生成第一調(diào)制光信號；光子復制緩存單元利用光子復制緩存方法將第一調(diào)制光信號按照ΔT的時間間隔連續(xù)復制N-1次，從而生成由第一調(diào)制光信號與N-1個復制信號所組成的信號序列，N為大于等于2的整數(shù)，ΔT大于待轉換電信號的脈沖時寬；脈沖光源用于生成重復周期T=ΔT/（n+1/N）的光脈沖，n為自然數(shù)；第二調(diào)制單元用于將光子復制緩存單元生成的信號序列調(diào)制于脈沖光源生成的光脈沖上（即利用光脈沖對所述信號序列進行采樣），得到第二調(diào)制光信號；第一光電探測器用于對第二調(diào)制光信號進行光電轉換；電模數(shù)轉換器用于對第一光電探測器輸出的電信號進行量化。

由于光子復制緩存單元所輸出信號序列（共N個信號）中相鄰兩個信號的時間間隔ΔT為(n+1/N)T，因此每兩個相鄰信號的采樣時刻都相差T/N；對N個采樣后的信號數(shù)據(jù)進行分插處理，相當于對單個信號進行了間隔為T/N的采樣，從實現(xiàn)了N/T的等效采樣率，將整個系統(tǒng)的采樣率提高為光脈沖重頻的N倍。

上述技術方案中，光子復制緩存單元可采用基于光纖環(huán)的光子復制緩存腔或基于微環(huán)的集成光子復制緩存芯片等方式實現(xiàn)，或者采用其它現(xiàn)有或將有的技術手段實現(xiàn)。

第二調(diào)制單元實際上是一個將光信號調(diào)制于光脈沖信號上的光光調(diào)制器，可采用先將信號序列進行光電探測，然后將探測到的電信號再進行電光調(diào)制的方式實現(xiàn)，或者利用半導體光放大器，基于交叉增益調(diào)制等非線性作用直接進行光光調(diào)制。

為了降低對第一光電探測器的性能要求，本發(fā)明可進一步在第二調(diào)制單元與第一光電探測器之間設置用于對第二調(diào)制光信號進行脈寬展寬的脈寬展寬單元（例如色散元件），從而使得第一光電探測器能夠更好地探測到光脈沖。

圖2顯示了本發(fā)明第一個優(yōu)選實施例的結構，如圖所示，該實施例中的模數(shù)轉換裝置包括：第一調(diào)制單元、光子復制緩存單元、鎖模激光器、第二調(diào)制單元、色散元件、第一光電探測器和低速電模數(shù)轉換器；光子復制緩存單元的光輸出端口連接第二調(diào)制單元的光調(diào)制端口，第二調(diào)制單元的光輸入端、光輸出端分別與鎖模激光器的輸出端、色散元件的輸入端相連；色散元件的輸出端和第一光電探測器、電模數(shù)轉換器依次相連；電模數(shù)轉換器輸出模數(shù)轉換后的信號，實現(xiàn)了高等效采樣率的模數(shù)轉換。

其中，第一調(diào)制單元由激光器、第一電光調(diào)制器構成；光子復制緩存單元采用基于光纖環(huán)的光子復制緩存腔，基于光纖環(huán)的光子復制緩存腔由第一光耦合器、光開關、光放大器、光纖、第二光耦合器組成；如圖2所示，激光器的輸出和第一電光調(diào)制器的光輸入口相連，待轉換電信號輸入端與第一電光調(diào)制器的電端口相連，第一電光調(diào)制器的光輸出口連接到第一光耦合的第一輸入端口，第一光耦合器的輸出口依次和光開關、第二光耦合器、光纖、光放大器、第一光耦合器的第二輸入端口相連構成基于光纖環(huán)的光子復制緩存腔；第二光耦合器的第二輸出端口作為光子復制緩存單元的輸出端口。

本實施例中的第二調(diào)制單元由第二光電探測器和第二電光調(diào)制器組成。第二光電探測器的光輸入端口連接光子復制緩存單元的輸出端口，第二光電探測器的電輸出端口連接第二電光調(diào)制器的電輸入端口。第二光電探測器的光輸入端、第二電光調(diào)制器的光輸出端分別作為第二調(diào)制單元的光輸入端、光輸出端。

鎖模激光器產(chǎn)生重復周期為T的光脈沖；第一調(diào)制單元中的激光器輸出的光載波頻率為ω₀，接收到的待轉換電信號通過第一電光調(diào)制器調(diào)制到光載波上，然后通過第一光耦合器和光開關進入到基于光纖環(huán)的光子復制緩存腔中；設置光子復制緩存腔的延時量為ΔT=（n+1/N）T，n 為自然數(shù)，N為大于等于2的整數(shù)，且ΔT大于待轉換電信號的脈沖時寬。調(diào)制光信號在光纖環(huán)中每轉一圈，就通過第二光耦合器的第二輸出端口分出一部分信號能量進入第二調(diào)制單元，剩余能量繼續(xù)在環(huán)內(nèi)循環(huán)；光纖環(huán)內(nèi)的光放大器補償因分出環(huán)外而損失的信號能量；調(diào)制光信號在光子復制緩存腔內(nèi)復制N-1次之后，便得到包含原始的調(diào)制光信號和N-1個復制調(diào)制光信號的信號序列，通過第二光耦合器的第二輸出端口輸出到第二調(diào)制單元的光調(diào)制端口。然后通過對基于光纖環(huán)的光子復制緩存腔內(nèi)的光開關進行控制，將光子復制緩存腔內(nèi)剩余信號完全排出腔外，避免對下一個進入光子復制緩存腔的信號造成影響。另一方面，第二光電探測器的電輸出端和第二電光調(diào)制器的電輸入端相連，將復制得到的N個調(diào)制光信號的信號序列調(diào)制到光脈沖上，進行采樣后輸入到色散元件；色散元件用于適當展寬光脈沖的脈寬，使得第一光電探測器能夠探測到光脈沖；第一光電探測器對光采樣后的信號實現(xiàn)光電轉換，將信號序列攜帶的復制后的電信號提取出來，并送入電模數(shù)轉換器進行量化。由于N個調(diào)制光信號所構成的信號序列中相鄰兩個信號的時間間隔為(n+1/N)T，因此每兩個相鄰信號的采樣時刻都相差T/N；對N個采樣后的信號數(shù)據(jù)進行分插處理，相當于對單個信號進行了間隔為T/N的采樣，從實現(xiàn)了N/T的等效采樣率，將整個系統(tǒng)的采樣率提高為光脈沖重頻的N倍。

圖3 給出了脈寬為50 ns的待轉換電脈沖信號，脈內(nèi)波形為重頻20 MHz的正弦信號。

圖4 給出了鎖模激光器產(chǎn)生的重頻100 MHz光脈沖對三個復制信號的采樣結果。圖5 (a)-圖5(c)分別給出了對三個復制信號的采樣結果進行幅度歸一化后的結果，圖6給出了對三個復制信號采樣數(shù)據(jù)進行分插處理的結果以及相應的擬合結果，為最終的等效采樣結果?？梢钥闯?，由于復制產(chǎn)生的信號序列中相鄰兩個信號的時間間隔為102 ns =(10+1/5)×10ns,因此每兩個相鄰復制信號的采樣時刻都相差10 ns/5；對5個采樣后的信號數(shù)據(jù)進行分插處理，相當于對單個信號進行了間隔為10 ns/5= 2 ns的采樣，從實現(xiàn)了500 MHz的等效采樣率，將整個系統(tǒng)的采樣率提高為光脈沖重頻的5倍。

圖7 (a)給出了脈寬為80 ns的待轉換電脈沖信號，脈內(nèi)信號為重頻200 MHz的正弦信號。圖7 (b)給出了經(jīng)過光纖環(huán)復制后的信號序列，脈沖信號被有效復制了7次。

圖8給出了重頻100 MHz的光脈沖對五個復制信號的采樣結果。

圖9給出了對圖8中五個復制信號采樣數(shù)據(jù)進行分插處理的結果以及相應的擬合結果，為最終的等效采樣結果。

本發(fā)明模數(shù)轉換裝置的第二個優(yōu)選實施例如圖10所示，包括：第一調(diào)制單元、光子復制緩存單元、光耦合器、半導體光放大器、光脈沖產(chǎn)生器、色散元件、光電探測器和電模數(shù)轉換器；光子復制緩存單元的光輸出端口連接光耦合器的第一輸入端口，光脈沖產(chǎn)生器的輸出端連接光耦合器的第二輸入端口，半導體光放大器的光輸入端、光輸出端分別與光耦合器的輸出端、色散元件的輸入端相連；色散元件的輸出端和光電探測器、電模數(shù)轉換器依次相連；電模數(shù)轉換器輸出模數(shù)轉換后的信號，實現(xiàn)了高等效采樣率的模數(shù)轉換。

其中，第一調(diào)制單元由放大自發(fā)輻射光源、電光調(diào)制器構成，本實施例中的光子復制緩存單元采用基于微環(huán)的集成光子復制緩存芯片如圖10所示，放大自發(fā)輻射光源的輸出端和電光調(diào)制器的光輸入口相連，待轉換電信號輸入端和電光調(diào)制器的電輸入端口相連，電光調(diào)制器的光輸出口連接到基于微環(huán)的集成光子復制緩存芯片的光輸入口；集成光子復制緩存芯片實現(xiàn)復制緩存作用，其由微環(huán)、光放大器集成相連構成，開關控制信號加載到微環(huán)控制電極上，控制微環(huán)輸出臂光信號的通斷；集成光子復制緩存芯片的光輸出端口作為光子復制緩存單元的光輸出端口。

本實施例中以半導體光放大器作為第二調(diào)制單元，光脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的光脈沖與集成光子復制緩存芯片輸出的復制后的信號序列經(jīng)由一個光耦合器一起輸入半導體光放大器，基于交叉增益調(diào)制等非線性作用將復制后的信號序列調(diào)制到光脈沖上，實現(xiàn)對復制后信號序列的采樣。

光脈沖發(fā)生器產(chǎn)生重復周期設為T的光脈沖；第一調(diào)制單元中的放大自發(fā)輻射光源注入到電光調(diào)制器中，接收到的待轉換電信號通過電光調(diào)制器調(diào)制到該自發(fā)輻射光源上，并進入到基于微環(huán)的集成光子復制緩存芯片中；設置微環(huán)的延時量，使得光子復制緩存芯片中光傳輸一圈的延時量為ΔT=（n+1/N）T, n 為自然數(shù)，N為大于等于2的整數(shù)，且ΔT大于待轉換電信號的脈沖時寬。信號在基于微環(huán)的集成光子復制緩存芯片中每轉一圈，就通過光輸出端口輸出一部分信號能量進入光耦合器的第一輸入端口，從而進入半導體光放大器，剩余能量繼續(xù)在芯片內(nèi)循環(huán)；芯片內(nèi)的光放大器補償因分出芯片外而損失的信號能量；信號在集成光子復制緩存芯片內(nèi)復制N-1次之后，便復制得到包含N個光調(diào)制信號（一個原始光調(diào)制信號和N-1個復制信號）的信號序列。然后由微環(huán)上的開關控制信號控制，將集成光子復制緩存芯片內(nèi)的剩余信號完全排出，避免對下一個進入集成光子復制緩存芯片的電信號造成影響。另一方面，集成光子復制緩存芯片的光輸出端口和光耦合器的第一輸入端口相連，光脈沖產(chǎn)生器輸出口和光耦合器的第二輸入端口相連，光耦合器將兩部分光耦合，光耦合器的輸出端口和半導體光放大器的光輸入端口相連；光脈沖產(chǎn)生器產(chǎn)生重復周期為T的光脈沖，半導體光放大器在此作為光光調(diào)制器，基于交叉增益調(diào)制等非線性作用將復制后的信號序列調(diào)制到光脈沖上，對復制得到的由N個光調(diào)制信號組成的信號序列進行采樣后輸入到色散元件；色散元件用于適當展寬光脈沖的脈寬，使得光電探測器能夠探測到光脈沖；光電探測器對光采樣后的信號實現(xiàn)光電轉換，將信號序列攜帶的復制后的電信號提取出來，并送入電模數(shù)轉換器進行量化。由于N個調(diào)制光信號所構成的信號序列中相鄰兩個信號的時間間隔為(n+1/N)T，因此每兩個相鄰信號的采樣時刻都相差T/N；對N個采樣后的信號數(shù)據(jù)進行分插處理，相當于對單個信號進行了間隔為T/N的采樣，從實現(xiàn)了N/T的等效采樣率，將整個系統(tǒng)的采樣率提高為光脈沖重頻的N倍。

綜上，本發(fā)明提供的基于光子復制緩存輔助的模數(shù)轉換裝置實現(xiàn)了基于低重復頻率光脈沖實現(xiàn)高等效采樣率的光子輔助模數(shù)轉換。本發(fā)明裝置克服了現(xiàn)有光子模數(shù)轉換技術難以滿足射頻系統(tǒng)一體化收發(fā)需求、系統(tǒng)實現(xiàn)復雜的缺點，針對現(xiàn)有技術難以利用低重頻光脈沖實現(xiàn)高等效采樣率的挑戰(zhàn)，基于低重復頻率光脈沖和光緩存復制結構構建高等效采樣率的光子輔助模數(shù)轉換，可實現(xiàn)信號射頻直接采樣，滿足了射頻系統(tǒng)的發(fā)射和接收一體化的需求，且系統(tǒng)結構簡單，大幅降低了裝置的成本和復雜度。這使得本發(fā)明可廣泛用于未來雷達、電子對抗等收發(fā)一體化射頻系統(tǒng)應用領域。