CN107703696A - 一种光模数转换器后端电路装置与处理方法 - Google Patents

一种光模数转换器后端电路装置与处理方法 Download PDF

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王城
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    • G02F7/00—Optical analogue/digital converters

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Abstract

一种高精度光模数转换器后端电路装置与处理方法，包括光电转换器和电模数转换器，其特点是，在所述的光电转换器和电模数转换器之间还有依次的电信号放大与偏压电路和匹配滤波器。本发明通过放大与偏压电路和匹配滤波器，能够提高电模数转换器量化量程的利用率，抑制光电转换、放大与偏压引入的噪声对量化结果产生的影响，从而提高整个***的量化精度。

Description

一种光模数转换器后端电路装置与处理方法
技术领域
本发明涉及光信息处理技术，具体是一种高精度光模数转换器后端电路装置与处理方法。
背景技术
模数转换器(ADC:Analog to Digital Converter)能够将自然的模拟信号转换为虚拟的数字信号，是构建当今科技信息社会的基础。
传统的电模数转换器(EADC:Electronic ADC)在高速发展的同时，也逐渐接近性能的极限。电采样时钟抖动、比较器模糊等“电子瓶颈”限制了其进一步提高。光学模数转换器(PADC:Photonic ADC)的光采样脉冲高稳定度的特点，为突破“电子瓶颈”，对高频宽度信号完成模数转换提供了可能。
光模数转换器是一种利用高稳定光脉冲序列作为采样时钟，马赫-曾德尔调制器对信号采样，光电探测器与电模数转换器量化的光电混合型光模数转换方案(Khilo A,Spector S J,Grein M E,et al.Photonic ADC:overcoming the bottleneck ofelectronic jitter[J].Optics Express,2012,20(4):4454-4469.)。在这种结构中，与被采样信号无关的未调制分量占用部分电模数转换器的量化量程，造成电模数转换器的量化精度将下降，进而限制了整个***的有效比特位数上限。此外，为了保证光电探测器处于线性工作区，其输入须为小功率信号(Juodawlkis P W,Hargreaves J J,Twichell JC.Impact of photodetector nonlinearities on photonic analog-to-digitalconverters[C]//Lasers&Electro-optics,CLEO 02Technical Digest Summaries ofPapers Presented at the.IEEE,2002:11-12vol.1.)。由于输入光电探测器的光功率较小，其输出信号幅值也有限，因此需要利用放大器进行放大。光电探测器及放大器作为有源器件，不可避免地将引入额外噪声。额外引入的噪声恶化了被电模数转换器采样信号的质量，降低了信噪比，进而降低模数转换器的有效比特位数，限制***性能。
目前报道的光模数转换器方案尚未考虑电模数转换器量程占比及电后端噪声对整个***的影响。Juodawlkis P W等人提出利用“积分-重置”电路(PHIRcircuits:Photonic Integrate and Reset circuits)来将单个电脉冲能量积分的结果量化(Juodawlkis P W,Twichell J C,Betts G E,et al.Optically sampled analog-to-digital converters[J].IEEE Transactions on Microwave Theory&Techniques,2001,49(10):1840-1853.)。这种方式在一定程度上能够提高信噪比，但不能保证EADC对电脉冲的采样时刻的瞬时信噪比最大。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种高精度光模数转换器后端电路装置与处理方法。与传统的光模数转换器结构相比，本处理方法在后端电路中加入了放大与偏压电路，配合放大器使得电模数转换器的量化量程能够得到充分利用；同时，加入了匹配滤波器，使得在电模数转换器采样时刻瞬时信号功率对噪声平均功率之比最大，从而抑制了后端电路(光电探测器、放大器等)引入的噪声对模数转换器有效比特位数的影响。
本发明的技术解决方案如下：
一种光模数转换器后端电路装置，其特点是，在所述的光电转换器和电模数转换器之间还有依次的电信号放大与偏压电路和匹配滤波器。
上述光模数转换器后端电路装置的处理过程如下：
1)所述的光电转换将光脉冲序列转变为电脉冲信号。
2)所述的放大与偏压电路将电脉冲信号放大至调制分量占满电模数转换器整个量程范围。同时，将电脉冲信号偏压至未调制分量不在电模数转换器量程范围内。
3)所述的匹配滤波器通过对输入信号滤波，使得滤波后的电脉冲峰值点信噪比最大。匹配滤波器的频率响应为
其中，Sn(ω)为匹配滤波器前电路(光电转换、放大与偏压等)引入的噪声的频谱，A(ω)为进入匹配滤波器前的单个电脉冲的频谱，*表示共轭运算。
4)所述电模数转换器对匹配滤波器输出信号的峰值点进行采样量化，并输出数字信号。
与现有技术相比，本发明以下优点：
1)通过放大与偏压电路，使得携带有被采样信号的光脉冲序列调制分量占据整个电模数转换器的量化量程，充分利用电模数转换器量化精度，提高整个***的量化精度。
2)采用匹配滤波器，使得电模数转换器采样时刻的信噪比最大，能有效抑制光电转换以及放大等引入的噪声的影响，提高整个***的量化精度。
附图说明
图1为本发明光模数转换器后端电路装置的最佳实施例的结构框图。
图2为放大与偏压前后电脉冲与量化量程的关系示意图。
图3为匹配滤波器输入输出与采样时刻示意图。
具体实施方式
下面结合附图1给出本发明的一个最佳实施例。本最佳实施例以本发明的技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本最佳实施例中，如图1所示，该***依次包括：光电探测器1、放大与偏压电路2、匹配滤波器3、电模数转换器4。
所述的光电探测器1将携带被采样信号的已调制光脉冲序列转换为电脉冲序列。所述的放大与偏压电路2将电脉冲信号放大至调制分量能够占满电模数转换器整个量程范围；同时，将电脉冲信号偏压至未调制分量不在电模数转换器量程范围内,如图2所示。所述的匹配滤波器3通过对输入信号进行滤波，滤波后的电脉冲峰值点有最大的信噪比。匹配滤波器的频率响应由下式确定。
其中，Sn(ω)为匹配滤波器前电路(光电转换、放大与偏压等)引入的噪声的频谱。该频谱可由噪声分析仪等测定。A(ω)为进入匹配滤波器前的单个电脉冲的频谱，*表示共轭运算；A(ω)可以由输入匹配滤波器的单个电脉冲形状的傅里叶变换得到。所述的电模数转换器4对滤波后的电脉冲峰值点进行采样量化，并输出数字信号，如图3所示。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种高精度光模数转换器后端电路装置，包括光电转换器(1)和电模数转换器(4)，其特征是，在所述的光电转换器(1)和电模数转换器(4)之间还有依次的电信号放大与偏压电路(2)和匹配滤波器(3)。
2.根据权利要求1所述的高精度光模数转换器后端电路装置，其特征是，所述的匹配滤波器(3)的频率响应满足如下公式：
<mrow> <mi>H</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;omega;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;Proportional;</mo> <mfrac> <mrow> <msup> <mi>A</mi> <mo>*</mo> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;omega;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msub> <mi>S</mi> <mi>n</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;omega;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mi>exp</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <msub> <mi>j&amp;omega;t</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，Sn(ω)为匹配滤波器前电路引入的噪声的频谱，A(ω)为进入匹配滤波器前的单个电脉冲的频谱，*表示共轭运算。
3.利用权利要求1或2所述的高精度光模数转换器后端电路装置进行处理的方法，其特征在于，该处理过程如下：
1)光电转换器(1)将接收的光脉冲序列转为电脉冲信号传输给电信号放大与偏压电路(2)；
2)所述的电信号放大与偏压电路(2)对电脉冲信号放大，使调制分量占满所述的电模数转换器(4)的整个量化量程范围，同时，对电脉冲信号施以偏压，使未调制分量不在所述的电模数转换器(4)的量化量程范围内；
3)匹配滤波器(3)对输入信号滤波，使得滤波后的电脉冲峰值点有最大的信噪比，所述的匹配滤波器(3)的频率响应为：
<mrow> <mi>H</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;omega;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;Proportional;</mo> <mfrac> <mrow> <msup> <mi>A</mi> <mo>*</mo> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;omega;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msub> <mi>S</mi> <mi>n</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;omega;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mi>exp</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <msub> <mi>j&amp;omega;t</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，Sn(ω)为匹配滤波器前电路(光电转换、放大与偏压等)引入的噪声的频谱，A(ω)为进入匹配滤波器前的单个电脉冲的频谱，*表示共轭运算；
4)电模数转换器(4)对所述的匹配滤波器(3)输出信号的峰值点进行采样量化，并输出数字信号。
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