一种用于光学时间拉伸模数转换的相位补偿方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于光学时间拉伸模数转换的相位补偿方法，属于光电技术领域，解决现有技术中色散导致的功率损耗和相位失真的问题。本发明具体步骤如下：(1)获取拉伸信号，即获取时域拉伸后的时域数据；(2)将拉伸信号的时域数据进行傅里叶变换得到频谱分布；(3)将频谱分布分正负频乘以对应的相位补偿因子，得到补偿后的频谱；(4)对补偿后的频谱做逆傅里叶变换，得到无相位偏移失真的时域信号。本发明用于实现宽带微波信号无相移失真的时域恢复，提高系统的模拟带宽。
【专利说明】
-种用于光学时间拉伸模数转换的相位补偿方法
技术领域
[0001] -种用于光学时间拉伸模数转换的相位补偿方法，用于实现宽带微波信号无相移 失真的时域恢复，提高系统的模拟带宽，属于光电技术领域。
【背景技术】
[0002] 模数转换器(ADC，Analog-to-digital converter)是数字信号处理(DSP，Digital Signal Processing)中的关键器件之一，由于载流子传输速率存在物理极限，电子ADC很难 同时实现宽带、高速、高精度的突破，制约了 DSP的进一步发展。为了克服电子瓶颈对模数转 换器性能的限制，各种光学模数转换技术先后被提出，它们充分利用了光脉冲高速、低时间 抖动等特性，在实现高速、高精度采样量化方面具有极大的潜力。在众多的光学模数转换器 方案中，光学时间拉伸模数转换器(PTS-ADC，Photonic time-stretch ADC)很好地结合了 光子和电子的优势，可同时实现宽带、高速、高精度模数转换，近年来获得了广泛关注，其工 作原理为:通过光学色散效应对高速光载微波信号进行时间拉伸和降频处理，再利用与降 频后相匹配的低速而高精度电子ADC完成模数转换，从而有效地提升了电子ADC的采样速率 和模拟带宽。
[0003] 为了尽可能地提升采样速率和模拟带宽，就需要增大光学时间拉伸倍数，运就要 求PTS-ADC系统具有极高的光学色散。与光载微波传输链路类似，采用传统双边带调制的 PTS-ADC中光学时间拉伸过程也存在色散导致的功率损耗问题，尤其是对于光学色散较大 的情况，色散引起的功率损耗会严重降低信号的信噪比（SNR，Signal - to-noise ratio)，并 且会导致宽带微波信号的失真，因此，如何有效地克服色散导致的功率损耗是决定能否充 分发挥PTS-ADC优势的一个关键问题。目前，相位分集技术是最常见的解决方案。它基于单 臂驱动双输出M-Z电光调制器的双端口色散功率损耗互补特性，再结合最大比例合并算法 (Y.Han，0.Boyraz，et al.Ultrawide-band photonic time-stretch A/D converter employing phase diversity. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2005,53(4) :1404-1408)或者背向传输算法（J.Stigwall，S. Galt. Si 即 al reconstruction by ph曰se retriev曰1 曰nd optic曰1 b曰ckprop曰g曰tion in ph曰se- diverse photonic time-stretch systems.Journal of Lightwave Technology,2007,25 (10) :3017-3027)消除信噪比劣化和信号失真，然而其最大的缺点在于两条传输链路需要 完全对称，增加了系统的复杂度。
【发明内容】
[0004] 本发明针对上述不足之处提供了一种用于光学时间拉伸模数转换的相位补偿方 法，解决现有技术中色散导致的功率损耗和相位失真的问题。
[0005] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0006] -种用于光学时间拉伸模数转换的相位补偿方法，其特征在于，具体步骤如下：
[0007] (1)获取拉伸信号，即获取时域拉伸后的时域数据；
[0008] (2)将拉伸信号的时域数据进行傅里叶变换得到频谱分布；
[0009] (3)将频谱分布分正负频乘W对应的相位补偿因子，得到补偿后的频谱；
[0010] (4)对补偿后的频谱做逆傅里叶变换，得到无相位偏移失真的时域信号。
[0011] 进一步，所述步骤(1)中，获取拉伸信号的具体步骤为：
[0012] (11)锁模激光器产生超短光脉冲经过第一色散介质形成波长与时间对应的线性 调嗽光脉冲；
[0013] (12)输入微波信号，将微波信号分为两路，一路直接加载双驱动M-Z电光调制器的 一个臂，另一路经过电桥实现90°向移后加载双驱动M-Z电光调制器的另一个臂，线性调嗽 光脉冲通过双驱动M-Z电光调制器，W单边带调制的方式将微波信号调制在调嗽光脉冲的 包络上，输出光载微波信号；
[0014] (13)光载微波信号经过第二色散介质，利用色散效应进行时域拉伸，得到拉伸后 的光载微波信号；
[0015] (14)拉伸后的光载微波信号再依次经过光电探测器和电子模数转换器完成光电 转换和采样量化，得到数字化的拉伸信号。
[0016] 进一步，所述步骤(13)中，光载微波信号经过第二色散介质，利用色散效应进行时 域拉伸，拉伸的公式为：
[0017] M=(Di+D2)/Di;
[001引其中，Di为第一色散介质的总色散量，D2为第二色散介质的总色散量，Μ为时域拉伸 的倍数。
[0019] 进一步，所述步骤(14)中，当输入微波信号是单频信号时，光电探测器的输出光电 流为：
[0020]
[0021] 其中，lenv(T)为没有调制信号时光载波的光电流，m为调制系数，CORF为微波信号的 角频率，Μ为时域拉伸的倍数，皆为色散效应引入的相位，Ι(Τ)为光电探测器的输出光电 流，Τ为时间，Jn(x)是η阶第一类贝塞尔函数。
[0022] 进一步，所述步骤(14)中，得到数字化的拉伸信号的公式为：
[0027] 其中，WRFn和Bn分别表示第η个微波信号的角频率和振幅，Μ为时域拉伸的倍数，D2 为第二色散介质的总色散量/Pd如，为第η个微波信号对应的色散效应引入的相位，η为输入 微波信号的频率数量，Τ为时间，F(T)为拉伸信号，i为虚数。
[0028] 进一步，所述步骤(2)中，将拉伸信号的时域数据进行傅里叶变换得到频谱分布的 公式为：
[0029]
[0030] 其中，F( ω )为频谱分布，coRFn和Bn分别表示第η个微波信号的角频率和振幅，Μ为 时域拉伸的倍数，咕…ρη为第η个微波信号对应的色散效应引入的相位，η为输入微波信号 的频率数量，Τ为时间，ω为角频率，i为虚数。
[0031] 进一步，所述步骤(3)中，将频谱分布分正负频乘W对应的相位补偿因子，即正频 部分的每个频谱成分乘W补偿因子exp(itpdp)，负频部分的每个频谱成分乘W补偿因子 巧ρΗφ雌)，伞化ω2/ρ/ν?Μ寻到补偿后的频谱的公式为：
[0032]
[0033] 其中，F/ ( ω )为补偿后的频谱，coRFn和Bn分别表示第η个微波信号的角频率和振 幅，Μ为时域拉伸的倍数，ω为输出信号角频率，D2为第二色散介质的群速度色散总量，Φ邮 为色散引入的相位，η为输入微波信号的频率数量，Τ为时间，i为虚数。
[0034] 进一步，所述步骤(4)中，对补偿后的频谱做逆傅里叶变换，得到无相位偏移失真 的时域信号的公式为：
[0035]
[0036] 其中，F/ (T)为无相位偏移失真的时域信号，WRFn和Bn分别表示第η个微波信号的 角频率和振幅，Μ为时域拉伸的倍数，i为虚数，η为输入微波信号的频率数量，Τ为时间。
[0037] 与现有技术相比，本发明的优点在于：
[003引一、本发明经过相位补偿的信号输出即实现了信号的Μ倍降频，又抑制了色散导致 的功率损耗和相位失真，提升了PTS-ADC的采样速率和模拟带宽，提高了信噪比；
[0039] 二、单边带调制技术解决了色散导致的SNR劣化；
[0040] Ξ、一条传输链路减少了系统的复杂度。
【附图说明】
[0041 ]图1为本发明中相位补偿方法步骤示意图。
[0042] 图2为本发明中单边带调制的PTS-ADC系统结构图。
[0043] 图3为本发明中输入微波信号的频谱图。
[0044] 图4为本发明中输入微波信号的时域图。
[0045] 图5为双边带调制PTS-ADC输出信号的频谱图。
[0046] 图6为双边带调制PTS-ADC输出信号的时域图。
[0047] 图7为本发明中单边带调制PTS-ADC输出信号的频谱图。
[004引图8为本发明中单边带调制PTS-ADC输出信号的时域图。
[0049] 图9为本发明中单边带调制PTS-ADC并且进行相位补偿后的输出信号频谱图。
[0050] 图10为本发明中单边带调制PTS-ADC并且进行相位补偿后的输出信号时域图。
【具体实施方式】
[0051] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
[0052] -种用于光学时间拉伸模数转换的相位补偿方法，具体步骤如下：
[0053] (1)获取拉伸信号，即获取时域拉伸后的时域数据;获取拉伸信号的具体步骤为：
[0054] (11)锁模激光器1产生超短光脉冲经过第一色散介质2形成波长与时间对应的线 性调嗽光脉冲，其中第一色散介质2为色散补偿光纤，也可W是比色散补偿光纤插入损耗更 小，色散值更大的线性调嗽光纤光栅和光子晶体光纤等；
[0055] (12)输入微波信号，将微波信号分为两路，一路直接加载双驱动M-Z电光调制器3 的一个臂，另一路经过电桥4实现90°向移后加载双驱动M-Z电光调制器3的另一个臂，线性 调嗽光脉冲通过双驱动M-Z电光调制器3, W单边带调制的方式将微波信号调制在调嗽光脉 冲的包络上，输出光载微波信号；
[0056] (13)光载微波信号经过第二色散介质5,利用色散效应进行时域拉伸，得到拉伸后 的光载微波信号，其中第二色散介质5为色散补偿光纤，也可W是比色散补偿光纤插入损耗 更小，色散值更大的线性调嗽光纤光栅和光子晶体光纤等;光载微波信号经过第二色散介 质5，利用色散效应进行时域拉伸，拉伸的公式为：
[0化7] m=(Di+D2)/Di;
[005引其中，Di为第一色散介质的总色散量，D2为第二色散介质的总色散量，Μ为时域拉伸 的倍数。此时，随着线性调嗽光脉冲与微波信号的同步拉伸，微波信号速率被降低为原来的 1/Μ。
[0059] (14)拉伸后的光载微波信号再依次经过光电探测器6和电子模数转换器7完成光 电转换和采样量化，得到数字化的拉伸信号。当输入微波信号是单频信号时，在小信号近似 的情况下(m<<l)，所述单边带调制PTS-ADC中，光电探测器的输出光电流为：
[0060]
[0061] 其中，lenv(T)为没有调制信号时光载波的光电流，m为调制系数，CORF为微波信号的 角频率，Μ为时域拉伸的倍数，机邮为色散效应引入的相位，Ι(τ)为光电探测器的输出光电 流，Τ为时间，Jn(x)是η阶第一类贝塞尔函数。
[0062] 与之对比，双边带调制PTS-ADC中，光电探测器的输出光电流为：
[0063]
;可见，PTS-ADC 实 现了微波信号Μ倍的拉伸，微波信号频率被降低为原来的1/Μ。而单边带调制PTS-ADC消除了 双边带调制PTS-ADC中色散导致的功率衰减项￡〇s〇dip)，却引入了色散导致的相位"邮'它会 引起宽带微波信号严重的失真。
[0064] 在小信号近似条件下忽略所有交调失真，则单边带调制PTS-ADC的输出信号为：
[00 化]
[0066] 而化挪"二煮地节为色散引入的对应相位；
[0067] 由欧拉公式可得到数字化的拉伸信号的公式：
[006引
[0069] 其中，WRFn和Bn分别表示第η个微波信号的角频率和振幅，Μ为时域拉伸的倍数，D2 为第二色散介质的总色散量，化"pn为第η个微波信号对应的色散效应引入的相位，η为输入 微波信号的频率数量，Τ为时间，F(T)为拉伸信号，i为虚数。
[0070] (2)将拉伸信号的时域数据进行傅里叶变换得到频谱分布;将拉伸信号的时域数 据进行傅里叶变换得到频谱分布的公式为：
[0071]
[0072] 其中，F( ω )为频谱分布，coRFn和Bn分别表示第η个微波信号的角频率和振幅，Μ为 时域拉伸的倍数，邸dipn为第η个微波信号对应的色散效应引入的相位，η为输入微波信号 的频率数量，Τ为时间，ω为角频率，i为虚数。
[0073] (3)将频谱分布分正负频乘W对应的相位补偿因子，得到补偿后的频谱；即正频部 分的每个频谱成分乘W补偿因子exp(i(pd,>j)，负频部分的每个频谱成分乘W补偿因子 exp(却邮)，单3心-化(乂化?/抑厢到补偿后的频谱的公式为：
[0074]
[0075] 其中，F/ ( ω )为补偿后的频谱，coRFn和Bn分别表示第η个微波信号的角频率和振 幅，Μ为时域拉伸的倍数，ω为输出信号角频率，cb为第二色散介质的群速度色散总量，巧卿 为色散引入的相位，η为输入微波信号的频率数量，T为时间，i为虚数。
[0076] (4)对补偿后的频谱做逆傅里叶变换，得到无相位偏移失真的时域信号。对补偿后 的频谱做逆傅里叶变换，得到无相位偏移失真的时域信号的公式为：
[0077]
[0078] 其中，F/ (T)为无相位偏移失真的时域信号，WRFn和Bn分别表示第η个微波信号的 角频率和振幅，Μ为时域拉伸的倍数，i为虚数，η为输入微波信号的频率数量，Τ为时间。
[0079] 由此可见，经过相位补偿的信号输出即实现了信号的Μ倍降频，又抑制了色散导致 的功率损耗和相位失真。
[0080] 实施例1
[0081 ]下面结合图2，W软件仿真结果为例进一步说明本发明。
[0082] 光源采用中屯、波长为1555nm，脉宽为210fs的被动锁模光纤激光器产生超短光脉 冲。光脉冲经过1.3km的色散补偿光纤后，由一个线性偏置的双驱动M-Z电光调制器将微波 信号调制在光脉冲包络上。其中，微波信号被分为两路，一路连接双驱动M-Z电光调制器的 上臂，另一路通过一个电桥后连接双驱动M-Z电光调制器的下臂，W实现单边带调制。然后， 双驱动M-Z电光调制器和电桥组成的调制器输出的光载微波信号经过一段11.7km的色散补 偿光纤，实现光学时间拉伸后，再依次经过光电探测器和电子模数转换器，分别完成光电转 换和采样量化，得到数字化的拉伸信号。接着，将拉伸信号的时域数据进行傅里叶变换得到 频谱分布，再对该频谱分正负频乘w对应的相位补偿因子。最后，对补偿后的频谱做逆傅里 叶变换，得到无相位偏移失真的时域信号。
[0083] 为了观察本发明的有效性，本实例利用Matlab仿真在上述光源、色散介质等参数 条件下，分别对比采用双边带调制、单边带调制无相位补偿和单边带调制进行相位补偿的 系统输出信号时域图及频谱图。模拟双音调制情况，并将两个微波信号频率分别设置为小 于模拟带宽的12G化和大于模拟带宽的2IGHz，调制系数设为0.05。图3和图4分别为输入微 波信号的频谱图和时域图。图5和图6分别为采用双边带调制的PTS-ADC输出信号频谱图和 时域图。由图5可知，由于PTS-ADC的光学处理，输出微波信号频率均降低为原来的1/10,而 2.1G化信号较1.2G化信号产生了高达17地的色散所致衰减。由图即寸域图也可W观察到高 频信号的衰退。于是采用单边带调制方法，得到图7输出信号频谱图和图8输出信号时域图。 由图7可见，单边带调制能够在频域上抑制色散导致的功率损耗，但是由于存在色散引入的 相位，图8的时域波形仍然存在明显失真。最后，对单边带调制的PTS-ADC输出信号采用本发 明的方法进行相位补偿，得到信号频谱图和时域图分别为图9和图10。将它们与图3和图4对 比可知，不但色散所致功率损耗得到了有效消除，时域信号的相位也得到了补偿，实现了无 相位偏移失真的宽带信号恢复。
[0084] 由具体实例可知，本发明提出了一种用于单边带调制光学时间拉伸模数转换的相 位补偿方法，它能够有效消除色散所致功率损耗，提高系统模拟带宽的同时，实现宽带信号 无相位偏移失真的恢复。另外需要说明的是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节， 在本发明的原理方法范围内的多种简化、变型均属于本发明的保护内容。
【主权项】
1. 一种用于光学时间拉伸模数转换的相位补偿方法，其特征在于，具体步骤如下： (1) 获取拉伸信号，即获取时域拉伸后的时域数据； (2) 将拉伸信号的时域数据进行傅里叶变换得到频谱分布； (3) 将频谱分布分正负频乘以对应的相位补偿因子，得到补偿后的频谱； (4) 对补偿后的频谱做逆傅里叶变换，得到无相位偏移失真的时域信号。2. 根据权利要求1所述的一种用于光学时间拉伸模数转换的相位补偿方法，其特征在 于，所述步骤(1)中，获取拉伸信号的具体步骤为： (11) 锁模激光器产生超短光脉冲经过第一色散介质形成波长与时间对应的线性啁嗽 光脉冲； (12) 输入微波信号，将微波信号分为两路，一路直接加载双驱动M-Z电光调制器的一个 臂，另一路经过电桥实现90°向移后加载双驱动M-Z电光调制器的另一个臂，线性啁嗽光脉 冲通过双驱动M-Z电光调制器，以单边带调制的方式将微波信号调制在啁嗽光脉冲的包络 上，输出光载微波信号； (13) 光载微波信号经过第二色散介质，利用色散效应进行时域拉伸，得到拉伸后的光 载微波信号； (14) 拉伸后的光载微波信号再依次经过光电探测器和电子模数转换器完成光电转换 和采样量化，得到数字化的拉伸信号。3. 根据权利要求2所述的一种用于光学时间拉伸模数转换的相位补偿方法，其特征在 于，所述步骤（13)中，光载微波信号经过第二色散介质，利用色散效应进行时域拉伸，拉伸 的公式为： M=(Di+D2)/Di； 其中，〇:为第一色散介质的总色散量，02为第二色散介质的总色散量，Μ为时域拉伸的倍 数。4. 根据权利要求2所述的一种用于光学时间拉伸模数转换的相位补偿方法，其特征在 于，所述步骤(14)中，当输入微波信号是单频信号时，光电探测器的输出光电流为：其中，Ι_(Τ)为没有调制信号时光载波的光电流，m为调制系数，coRF为微波信号的角频 率，Μ为时域拉伸的倍数，rfip为色散效应引入的相位，I (T)为光电探测器的输出光电流，T 为时间，Jn(x)是η阶第一类贝塞尔函数。5. 根据权利要求2所述的一种用于光学时间拉伸模数转换的相位补偿方法，其特征在 于，所述步骤(14)中，得到数字化的拉伸信号的公式为：其中，《咖和仏分别表示第η个微波信号的角频率和振幅，Μ为时域拉伸的倍数，D2为第 二色散介质的总色散量，dipn为第η个微波信号对应的色散效应引入的相位，η为输入微波 信号的频率数量，Τ为时间，F(T)为拉伸信号，i为虚数。6. 根据权利要求1所述的一种用于光学时间拉伸模数转换的相位补偿方法，其特征在 于，所述步骤(2)中，将拉伸信号的时域数据进行傅里叶变换得到频谱分布的公式为：其中，F( ω )为频谱分布，coRFJPBn分别表示第η个微波信号的角频率和振幅，Μ为时域拉 伸的倍数，为第η个微波信号对应的色散效应引入的相位，η为输入微波信号的频率数 量，Τ为时间，ω为角频率，i为虚数。7. 根据权利要求1所述的一种用于光学时间拉伸模数转换的相位补偿方法，其特征在 于，所述步骤(3)中，将频谱分布分正负频乘以对应的相位补偿因子，即正频部分的每个频 谱成分乘以补偿因子θχρ(?φφ)，负频部分的每个频谱成分乘以补偿因子 exp(却#)，φ?ρ_-02ω2/〖2Μ)·得到补偿后的频谱的公式为：其中，F' ( ω )为补偿后的频谱，coRFjPBn分别表示第η个微波信号的角频率和振幅，Μ为 时域拉伸的倍数，ω为输出信号角频率，D2为第二色散介质的群速度色散总量，免却:为色散 引入的相位，η为输入微波信号的频率数量，T为时间，i为虚数。8. 根据权利要求1所述的一种用于光学时间拉伸模数转换的相位补偿方法，其特征在 于，所述步骤(4)中，对补偿后的频谱做逆傅里叶变换，得到无相位偏移失真的时域信号的 公式为：其中，K (T)为无相位偏移失真的时域信号，coRF4PBn分别表示第η个微波信号的角频率 和振幅，Μ为时域拉伸的倍数，i为虚数，η为输入微波信号的频率数量，Τ为时间。
【文档编号】H04L27/38GK106059679SQ201610326812
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月17日
【发明人】彭迪, 张旨遥, 马阳雪, 徐亚然, 杨帆, 刘永
【申请人】电子科技大学