本發(fā)明涉及一種數(shù)模轉(zhuǎn)換方法，尤其涉及一種基于光時(shí)域壓縮的超高速數(shù)模轉(zhuǎn)換方法及裝置。

背景技術(shù)：

數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)在通信、雷達(dá)、電子戰(zhàn)、電子系統(tǒng)測試等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，器采樣速率與轉(zhuǎn)換精度在很大程度上決定了以上系統(tǒng)的性能。目前，單通道電子DAC的采樣速率能達(dá)到幾個(gè)吉赫茲(參見[S.Randel,et al.,“Generation of a digitally shaped 55-GBd 64-QAM single-carrier signal using novel high-speed DACs,”paper.M2A.3,Optical Fiber Communication Conf.and Exposition 2014.])。而光子DAC的采樣率雖然能實(shí)現(xiàn)>50GHz的采樣率，但是調(diào)制器的帶寬嚴(yán)重限制了系統(tǒng)的性能(參見[Antonella Bogoni,Xiaoxia Wu“160Gb/s All-Optical Binary-to-Quaternary Amplitude Shift Keying Format Conversion,”O(jiān)ptical Fiber Communication Conference and Exposition(OFC/NFOEC),pp.1-3,March,2011])。隨著高頻寬帶系統(tǒng)的快速發(fā)展，單通道DAC的采樣速率已不能滿足很多應(yīng)用需求，例如，下一代傳輸速率為400Gb/s或1Tb/s的相干光通信系統(tǒng)迫切需要采樣率超過40GSa/s的DAC來產(chǎn)生多電平的正交幅度調(diào)制信號(參見[C.Laperle and M.O’Sullivan,“Advances in high-speed DACs,ADCs,and DSP for optical coherent transceivers,”Journal of Lightwave Technology,vol.31,no.23,pp.3780-3786,Dec.2013.])。

多通道DAC結(jié)構(gòu)是一種常用的提升DAC的采樣速率的手段，它利用時(shí)分復(fù)用的原理，將多個(gè)通道的低速DAC輸出信號在時(shí)域復(fù)用，可以構(gòu)建高速的DAC?；陔娮蛹夹g(shù)的多通道DAC通常采用高速開關(guān)在多路低速DAC輸出信號間進(jìn)行切換，使不同時(shí)刻輸出不同低速DAC的信息。由于高速開關(guān)的切換速率為低速DAC采樣率與通道數(shù)目的乘積，這種方法對電子開關(guān)速率的要求極高，導(dǎo)致DAC采樣速率的提升空間十分受限。此外，高速電子存在的時(shí)間抖動大、抗電磁干擾能力差等缺點(diǎn)也限制了利用這種多通道DAC系統(tǒng)的性能。另一方面，利用光子技術(shù)雖然可以大幅提高DAC的采樣率，但是很難保持電DAC較高的有效比特位數(shù)。因此，如何提高多通道DAC結(jié)構(gòu)對采樣率的提升上限及改善其性能非常有意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種基于光時(shí)域壓縮的超高速數(shù)模轉(zhuǎn)換方法及裝置，無需高速電子開關(guān)即可獲得更高采樣速率的DAC輸出，同時(shí)保持較大的有效比特位數(shù)。

本發(fā)明具體采用以下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題：

基于光時(shí)域壓縮的超高速數(shù)模轉(zhuǎn)換方法，首先將超短光脈沖進(jìn)行時(shí)域展寬，得到啁啾光脈沖；然后將電子數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的模擬電信號通過電光強(qiáng)度調(diào)制器調(diào)制于所述啁啾光脈沖上；對調(diào)制后的光脈沖信號進(jìn)行時(shí)域壓縮；最后將時(shí)域壓縮后的光信號進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，得到在時(shí)域上被壓縮的模擬電信號。

在上述方案基礎(chǔ)上結(jié)合光時(shí)分復(fù)用技術(shù)，還可得到以下技術(shù)方案：

基于光時(shí)域壓縮的超高速數(shù)模轉(zhuǎn)換方法，首先將超短光脈沖進(jìn)行時(shí)域展寬，得到啁啾光脈沖并將其分為多路；對每一路啁啾光脈沖，分別將一個(gè)電子數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的模擬電信號通過電光強(qiáng)度調(diào)制器調(diào)制于其上，并對各路調(diào)制后的光脈沖信號施加不同的延時(shí)后進(jìn)行合并；對合并后光脈沖信號進(jìn)行時(shí)域壓縮；最后將時(shí)域壓縮后的光信號進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，得到在時(shí)域上被壓縮且具有大的時(shí)間寬度的模擬電信號。

所述時(shí)域展寬及時(shí)域壓縮可通過各種現(xiàn)有或?qū)⒂械募夹g(shù)手段實(shí)現(xiàn)，優(yōu)選地，所述時(shí)域展寬及時(shí)域壓縮均通過色散介質(zhì)的色散作用來實(shí)現(xiàn)，且時(shí)域展寬與時(shí)域壓縮所使用色散介質(zhì)的色散系數(shù)值符號相反。

根據(jù)相同的發(fā)明思路了還可以得到以下兩種超高速數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置：

基于光時(shí)域壓縮的超高速數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置，包括：

光源，用于輸出超短光脈沖；

時(shí)域展寬單元，用于對光源輸出的超短光脈沖進(jìn)行時(shí)域展寬，從而得到啁啾光脈沖；

電子數(shù)模轉(zhuǎn)換器，用于將數(shù)字電信號轉(zhuǎn)換為模擬電信號；

電光強(qiáng)度調(diào)制器，用于將電子數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的模擬電信號調(diào)制于時(shí)域展寬單元輸出的啁啾光脈沖上；

時(shí)域壓縮單元，用于將電光強(qiáng)度調(diào)制器輸出的調(diào)制后光脈沖信號進(jìn)行時(shí)域壓縮；光電探測器，用于對時(shí)域壓縮單元輸出的時(shí)域壓縮后的光信號進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，得到在時(shí)域上被壓縮的模擬電信號。

基于光時(shí)域壓縮的超高速數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置，包括：

光源，用于輸出超短光脈沖；

時(shí)域展寬單元，用于對光源輸出的超短光脈沖進(jìn)行時(shí)域展寬，從而得到啁啾光脈沖；

光分路器，用于將時(shí)域展寬單元輸出的啁啾光脈沖分為多路；

一組電子數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其數(shù)量與啁啾光脈沖所分的路數(shù)相同，用于分別將數(shù)字電信號轉(zhuǎn)換為模擬電信號；

一組電光強(qiáng)度調(diào)制器，其數(shù)量與電子數(shù)模轉(zhuǎn)換器數(shù)量相同且一一對應(yīng)，用于分別將所對應(yīng)電子數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的模擬電信號調(diào)制于一路啁啾光脈沖上；

一組延遲線，用于對各路調(diào)制后的光脈沖信號施加不同的延時(shí)；

光耦合器，用于將延時(shí)后的各路調(diào)制后的光脈沖信號進(jìn)行合并；

時(shí)域壓縮單元，用于將合并后的光脈沖信號進(jìn)行時(shí)域壓縮；

光電探測器，用于對時(shí)域壓縮單元輸出的時(shí)域壓縮后的光信號進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，得到在時(shí)域上被壓縮且具有大的時(shí)間寬度的模擬電信號。

優(yōu)選地，所述時(shí)域展寬單元、時(shí)域壓縮單元均為色散介質(zhì)，且兩者的色散系數(shù)值符號相反。

進(jìn)一步地，該裝置還包括：

光帶通濾波器，接于光源與時(shí)域展寬單元之間，用于對光源輸出的超短光脈沖進(jìn)行頻譜整形。

相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明技術(shù)方案具有以下有益效果：

1)本發(fā)明采用光子技術(shù)實(shí)現(xiàn)超高速的數(shù)模轉(zhuǎn)換，無需高速的開關(guān)器件，降低了系統(tǒng)對高速器件的要求，能實(shí)現(xiàn)更高速率的DAC；

2)本發(fā)明利用脈沖的時(shí)域壓縮，將低速數(shù)模轉(zhuǎn)換信息調(diào)制在拉伸后的脈沖信號上，然后將脈沖的時(shí)域?qū)挾冗M(jìn)行壓縮，從而可實(shí)現(xiàn)更高速率的DAC輸出；

3)本發(fā)明可以利用光時(shí)分復(fù)用技術(shù)，在時(shí)域上復(fù)用多路信號，從而擴(kuò)展信號的時(shí)域?qū)挾龋?/p>

4)由于低速電子DAC具有很高的有效比特位數(shù)，即產(chǎn)生波形的精度高，本方案通過對低速電子DAC的輸出進(jìn)行時(shí)域壓縮，有望保持較高的有效比特位數(shù)，產(chǎn)生的波形精度高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明超高速數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置一個(gè)具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)原理示意圖；

圖2為本發(fā)明超高速數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置的原理步驟示意圖；

圖3為本發(fā)明超高速數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置另一個(gè)具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)原理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明：

本發(fā)明的目的是：利用光時(shí)域壓縮實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換采樣率的提升以克服電子多通道DAC采樣速率受高速開關(guān)器件限制的問題，本發(fā)明的基本思路是：首先將超短光脈沖在時(shí)域拉伸后通過電光調(diào)制器調(diào)制上低速的電子數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出信號；然后將調(diào)制后的光信號進(jìn)行時(shí)域壓縮，光脈沖包絡(luò)攜帶的低速電信號也在時(shí)間上被壓縮；最后將壓縮后的光信號經(jīng)過光電探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，得到超高速數(shù)模轉(zhuǎn)換的輸出信號。

為了便于公眾理解本發(fā)明技術(shù)方案，下面以一個(gè)具體實(shí)施例來對其進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。

圖1顯示了本發(fā)明超高速數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置一個(gè)具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)原理。如圖1所示，該裝置包括：一個(gè)超短脈沖激光器、一個(gè)光帶通濾波器、色散介質(zhì)一、色散介質(zhì)二、一個(gè)低速DAC、一個(gè)電光調(diào)制器、一個(gè)光電探測器。其中，超短脈沖激光器可產(chǎn)生飛秒量級的超短脈沖序列；色散介質(zhì)一的色散值為D₁；色散介質(zhì)二的色散值為D₂(色散值的符號與色散介質(zhì)一相反)。

超短脈沖激光器產(chǎn)生的超短光脈沖經(jīng)過光帶通濾波器進(jìn)行頻譜整形，從而可得到平坦的光譜；整形后的光脈沖經(jīng)過色散介質(zhì)一后，由于不同光波長在色散介質(zhì)中具有不同速度傳播，導(dǎo)致了脈沖的時(shí)間展寬，產(chǎn)生啁啾脈沖信號；低速DAC的輸出波形信號通過電光調(diào)制器被調(diào)制于啁啾脈沖信號上，形成調(diào)制光信號；調(diào)制光信號經(jīng)過色散介質(zhì)二進(jìn)行時(shí)域壓縮，同時(shí)光脈沖包絡(luò)攜帶的低速電信號也在時(shí)間上被壓縮，從而得到高速數(shù)模轉(zhuǎn)換信號；所述高速數(shù)模轉(zhuǎn)換信號輸入光電探測器中將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，即可得到在時(shí)域上被壓縮的電信號波形輸出。

圖2為高速數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置的原理步驟示意圖。如圖2所示，超短脈沖激光器發(fā)出的超短光脈沖，經(jīng)過光帶通濾波器(如waveshaper)后得到平坦的光譜，如圖2中A點(diǎn)所示。整形后的光信號經(jīng)過色散介質(zhì)一(色散值為D₁，長度為L₁)，群速度色散效應(yīng)使波長在色散介質(zhì)一中以不同的速度傳播，這一過程導(dǎo)致了光脈沖在時(shí)間上展寬形成啁啾脈沖信號，如圖2中B點(diǎn)所示。需要注意的是，脈沖展寬后的寬度應(yīng)該小于其重復(fù)頻率的倒數(shù)。然后，啁啾脈沖通過電光調(diào)制器調(diào)制上低速DAC的輸出波形信號(采樣率為fGS/s)，如圖2中C點(diǎn)所示。調(diào)制后的信號送入色散介質(zhì)二中(色散值為D₂，長度為L₂)，其中D₂與D₁符號相反。經(jīng)過色散介質(zhì)二作用后，啁啾信號在時(shí)域上被壓縮，壓縮倍數(shù)為：

同時(shí)光脈沖包絡(luò)攜帶的低速電信號也在時(shí)間上被壓縮，如圖2中D點(diǎn)所示。最后，該信號經(jīng)過電光轉(zhuǎn)換后就可以得到高速數(shù)模轉(zhuǎn)換的輸出信號，如圖2中E點(diǎn)所示。輸出的數(shù)模轉(zhuǎn)換信號的采樣率為Mxf，即為原采樣率的M倍。

本發(fā)明優(yōu)選采用色散光纖來實(shí)現(xiàn)時(shí)域展寬和時(shí)域壓縮。一方面，色散光纖成本較低，另一方面，色散光纖可作為光放大的増益介質(zhì)，結(jié)合光纖拉曼放大能夠減少數(shù)模轉(zhuǎn)換過程中的噪聲積累，大大提高信號的信噪比，從而提高數(shù)模轉(zhuǎn)換的有效比特位數(shù)。

本發(fā)明提出的裝置可以將現(xiàn)有DAC的采樣率提高多倍，且可靈活調(diào)整提高的倍數(shù)。需要注意的是采樣率的提升范圍最終受光電探測器的帶寬以及超短脈沖源的限制。但是目前光電探測器的帶寬已經(jīng)可以達(dá)到太赫茲，而且如果不需要將高速數(shù)模轉(zhuǎn)換信號轉(zhuǎn)換到電域的話，光電探測器將不會限制該方案采樣率的上限。同時(shí)，利用色散光纖結(jié)合光纖拉曼放大機(jī)制在時(shí)域拉伸或壓縮的同時(shí)實(shí)現(xiàn)分布式放大，可以可以大大提高系統(tǒng)的信噪比，減小噪聲和非線性對數(shù)模轉(zhuǎn)換性能的影響，保證輸出的高速數(shù)模轉(zhuǎn)換信號具有較大的有效比特位數(shù)。

本發(fā)明還可將上述方案與光時(shí)分復(fù)用技術(shù)相結(jié)合，從而在大幅提高采樣率的同時(shí)進(jìn)一步擴(kuò)展輸出波形時(shí)間寬度。該裝置的結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。如圖3所示，產(chǎn)生的啁啾信號由光耦合器(或光分路器)分成多路，然后分別調(diào)制上低速DAC輸出的波形信號并引入時(shí)間延時(shí)。將多路處理后的信號合成一路后再送入色散介質(zhì)二中進(jìn)行時(shí)域壓縮。需要注意的是，要適當(dāng)調(diào)整每路調(diào)制后信號間的時(shí)間延時(shí)，以保證經(jīng)過色散介質(zhì)二后各個(gè)信號之間無交疊且在時(shí)間上連續(xù)。最后，壓縮后的信號經(jīng)過光電探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，得到在時(shí)域上被壓縮的電信號，該信號的波形是所有低速DAC輸出波形在時(shí)域上的合并。