互補型M-Z調制器的PTS-ADC去包絡技術

王俊達，金 瑞，董洪松，陳 穎，陳向寧

(航天工程大學 a.研究生院; b.航天信息學院, 北京 101416)

近年來，隨著科學技術的快速發展，高速模數轉換器(ADC)在通信、雷達、電子對抗、醫療等領域起到重要作用。現有的電子ADC，在大帶寬、超高速采樣條件下，存在采樣時間抖動、比較器不確定等“瓶頸”制約，量化精度很難提升，無法滿足科學技術的發展需求[1]。為了提高電ADC的量化精度，國內外先后提出多種光模數轉換器方案[2-9]。其中以Jalali課題組提出的光子時間拉伸模數轉換器(PTS-ADC)方案[10]最為著名。該方案通過鎖模激光器(MLL)產生超短光脈沖經第一段色散補償光纖展寬，利用馬赫曾德爾電光調制器(MZM)將高速信號調制到光脈沖上，通過第二段色散補償光纖對光脈沖進一步展寬，展寬后的信號從時域上可等效為低速的模擬信號[11]，降低對后端電ADC的采樣速率和量化精度要求。因此，可以克服電ADC “瓶頸”制約，提高ADC的量化精度，是目前主流的研究方向。

利用PTS-ADC技術能夠大幅度降低RF信號的頻率，然而由于MZM傳遞函數的制約，調制信號是非均勻的，而且容易產生較大的二階諧波，影響PTS-ADC系統后端采樣和量化精度。目前，最為著名的解決方案是利用雙輸出 MZM和平衡探測來抑制二階諧波的產生[12]。同時，通過分束器及單輸出MZM利用數字信號處理技術(DSP)可以消除信號包絡對系統造成的影響[13]。針對上述問題，本研究利用互補型雙輸出MZM代替單輸出MZM來抑制二階諧波的產生，利用分束器將MLL產生的光脈沖分割成相同的兩路，設計了一種基于互補調制的PTS-ADC系統。通過理論推導，對該結構抑制二階諧波產生及信號包絡去除的原理進行了證明。通過仿真建模對PTS-ADC系統進行了仿真實驗。結果表明，該結構能夠有效抑制二階諧波的產生，去除脈沖包絡對RF信號造成的影響，該系統可以對80 GHz的模擬信號進行采樣，ENOB達到4.11。

1 原理論證

采用包絡消除技術及二階諧波抑制的PTS-ADC系統原理如圖1所示。系統由鎖模激光器(MLL)、色散補償光纖(DCF)、分束器、馬赫曾德爾調制器和光電探測器(PD)構成。MLL產生的超短高斯光脈沖經第一段DCF進行時域展寬，然后利用并行結構將光脈沖分成兩路，利用上通道將展寬后高斯脈沖與RF信號利用互補型MZM進行調制，將互補型MZM的兩路輸出和下通道脈沖分別經過長度相等的第二段DCF進行時域展寬，經PD轉換為電信號由ADC進行采樣后送入后處理模塊進行去包絡算法處理。最終，得到時域展寬后的RF信號。

鎖模激光器產生高斯型超短脈沖，所以脈沖光源輸出端產生的波形可以被表示為

(1)

(2)

式中：E0為脈沖振幅；T0為脈沖半高寬(峰值強度1/e處)。脈沖經過第一段長度為L1的光纖后，表達式為

(3)

其時域表達式E2(t)=F-1{E2(ω)}。

RF信號的函數表達式為

SRF(T)=Acos(ωRFt)

(4)

式中A,ωRF分別為RF信號的幅度和角頻率值。

假設MZM工作在正交偏置點，調制器的調制系數為m。經頻率為ωRF的正弦射頻信號調制后，脈沖可以被表示為

(5)

調制后的光脈沖經過長度為L2的第二段光纖進一步展寬后，設調制系數m=0，可以得到

(6)

光電探測器的響應電流為

(7)

經過PD后，互補型MZM兩路輸出分別為

(8)

(9)

利用信號處理技術，將Iout1(t)、Iout2(t)進行時序校準后相減可得

Iout3(t)=Iout1(t)-Iout2(t)=

(10)

從式(9)可以看出，由于MZM傳遞函數導致的偶數階諧波被有效去除，Iout3(t)僅受奇數階諧波影響，輸出信號的精度提高。

經分束器分出的第二路展寬后的高斯光脈沖，被長度為L2的光纖進一步展寬后，經過PD輸出為

Iout4(t)=4Im=0(t)

(11)

當m值較小時，忽略奇數階諧波對系統造成的影響，通過除運算可以將時域拉伸后的RF信號包絡去除，如式(12)所示。

(12)

從式(12)可以看出，忽略奇數階諧波對系統造成的影響，可以得到時域展寬后的頻率較低的余弦信號。

2 系統結構及仿真設計

在Optisystem 7.0中對基于互補型雙輸出MZM的采用去包絡技術的PTS-ADC系統進行仿真系統構建，其仿真結構如圖2所示。

在仿真中，激光器產生脈沖的重頻為40 MHz，脈沖中心波長為1 552.52 nm，脈沖寬度為200 fs，脈沖的峰值功率為100 W。產生的光脈沖經過色散系數-140 ps/(nm·km)(1 550 nm處)，長度為2.5 km的色DCF，將展寬后的高斯光脈沖經1×2功率分配器均分成兩路。將通道一的光脈沖送入互補型雙輸出MZM中與RF信號進行調制。在Optisystem中利用180°混合耦合器和兩個單輸出MZM組成互補型雙輸出MZM進行仿真實驗，如圖2中所示。加載頻率為80 GHz、峰值3 V的RF信號，兩個單輸出MZM加載的RF信號的相位差為π。經MZM調制后的光脈沖，分別通過兩段長度為47.5 km的同種DCF(1 550 nm處色散系數-140 ps/(nm·km))，系統的時域展寬比為M=20。時域展寬后的光脈沖分別經PD轉換為電信號。將通道二的光脈沖通過長度為47.5 km的同種DCF進行時域拉伸，經PD后送入示波器。由于Optisystem 7.0軟件不能利用ADC對電信號進行采樣，因此將示波器的輸出數據導入Matlab中進行數字信號處理，利用去包絡算法求出采樣脈沖。

3 仿真結果及分析

在仿真中，加載頻率為80 GHz、峰值3 V的RF信號，設置MZM的消光比為3 dB，調制深度為10%。通道一中的光脈沖經互補型雙輸出MZM調制后，通過DCF進行時域展寬及PD后，輸出端一及輸出端二的時域圖如圖3所示。

通道二中，先后經兩端DCF展寬后的高斯光脈沖如圖4所示。

將通道一的雙輸出互補型MZM的輸出Iout1(t)、Iout2(t)以及通道二的輸出Iout4(t)分別代入式(12)中，RF信號波形及Sout(t)信號波形如圖5所示。

以理想降頻采樣信號作為參考信號，按照式(13)和式(14)[14-15]計算得到擬合后信號的信納比(SINAD)為26.46，ENOB為4.11位。

(13)

(14)

采用單輸出MZM作為對照組，與采用互補型雙輸出MZM結構的PTS-ADC進行比較，通過仿真結果分析基于互補型雙輸出MZM的去包絡PTS-ADC結構對系統的影響[13]。當RF信號為80 GHz時，采用單輸出MZM的去包絡PTS-ADC系統的ENOB為1.78位。

分別對5組不同頻率的RF信號(80 GHz、85 GHz、90 GHz、95 GHz和100 GHz)進行采樣，通過計算得出實驗組和對照組相應的有效量化位數，如圖6所示。從圖6可以看出，相較于單輸出MZM，采用雙輸出MZM互補型MZM的PTS-ADC系統，有效量化位數得到明顯提高。

4 結論

設計了基于互補型雙輸出MZM的PTS-ADC系統，能夠抑制二階諧波對系統造成的影響，利用去包絡算法可以有效提高系統的精度。理論推導了互補型MZM遏制二階諧波產生的過程，提出了去除包絡的相關算法。通過仿真研究，對頻率為80 GHz的RF信號進行采樣。仿真結果表明，當RF信號頻率為80 GHz時，獲取信號的ENOB為4.11，該PTS-ADC結構可以對RF信號實現降頻采樣及信號還原，有效提高了PTS-ADC系統的采樣精度，從而改善了PTS-ADC的系統性能。

[1] WALDEN R H.Analog-to-digital converter survey and analysis[J].Selected Areas in Communications IEEE Journal on,1999,17(4):539-550.

[2] BRACKEN J A,XU C Q.All-optical wavelength conversions based on MgO-doped LiNbO3 QPM waveguides using an EDFA as a pump source[J].IEEE Photonics Technology Letters,2003,15(7):954-956.

[4] KHILO A,SORACE C M,BIRGE J R,et al.Accurate photonic analog-to-digital conversion[C]//General Assembly and Scientific Symposium,2011 URSI.IEEE,2011:1-4.

[5] KHILO A,SPECTOR S J,GREIN M E,et al.Photonic ADC:overcoming the bottleneck of electronic jitter[J].Optics Express,2012,20(4):4454-4569.

[6] TAKAHASHI K,MATSUI H,NAGASHIMA T,et al.Resolution upgrade toward 6-bit optical quantization using power-to-wavelength conversion for photonic analog-to-digital conversion[J].Optics Letters,2013,38(22):4864-4871.

[7] SCOTTI F,LAGHEZZA F,SERAFINO G,et al.In-Field Experiments of the First Photonics-Based Software-Defined Coherent,Radar[J].Journal of Lightwave Technology,2014,32(20):3365-3372.

[8] ESMAN D J,WIBERG A O J,ALIC N,et al.Highly Linear Broadband Photonic-Assisted Q-Band ADC[J].Journal of Lightwave Technology,2015,33(11):2256-2262.

[9] 張華林.一種改善實時性的光輔助微波頻率測量方法的研究[J].中國激光,2015,42(12):233-238.

[10] 錢阿權,鄒衛文,吳龜靈,等.光子時間拉伸模數轉換系統的多通道化設計與實現[J].中國激光，2015,42(5):146-153.

[11] 徐亞然.時間拉伸式光電模數轉換器及其并行多通道特性研究[D].成都：電子科技大學,2015.

[12] CUI Y,XU K,DAI Y,et al.Suppression of second-order harmonic distortion in ROF links utilizing dual-output MZM and balanced detection[C]//International Topical Meeting on Microwave Photonics.IEEE,2012:103-106.

[13] XIE X,YIN X,LI S,et al.Photonic time-stretch analog-to-digital converter employing envelope removing technique[J].Optik-International Journal for Light and Electron Optics,2014,125(9):2195-2198.

[14] 陳穎,陳向寧,阮小燕.基于孤子效應的全光模數轉換方案[J].兵器裝備工程學報,2010,31(1):24-27.

[15] 高光天.模數轉換器應用技術[M].北京：科學出版社,2001.