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光子模数转换系统中的电光采样和并行解复用性能优化研究

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光子模数转换系统中的电光采样和并行解复用性能优化研究

作者：郑康佳上海交通大学

学位级别：硕士

光子模数转换技术(PADC,photonic analog-to-digital converters)是克服传统电子模数转换技术(ADC,analog-to-digital converters)遭遇性能瓶颈的重要技术手段。PADC技术将光子技术的高速宽带与电子技术的成熟灵活紧密相结合,为下一代... 详细信息

光子模数转换技术(PADC,photonic analog-to-digital converters)是克服传统电子模数转换技术(ADC,analog-to-digital converters)遭遇性能瓶颈的重要技术手段。PADC技术将光子技术的高速宽带与电子技术的成熟灵活紧密相结合,为下一代雷达和通信系统提供理想的信号接收处理解决方案。前期的研究主要聚焦在提升PADC系统的基本性能,比如有效比特位数、系统采样率、采样带宽等重要技术指标。在基础原理层面上,微波光子链路分析、链路模型设计、通道复合方案等已取得较大发展。下一步PADC系统的技术创新需要结合实用化发展的需求。单纯就工程实现来说,PADC系统所面临的最大问题已经发生改变,操作的简单化、普适性及稳定性等工程性问题当前尤显突出。本文的研究结合了此前高速高精度PADC系统的工作,并着眼于系统自动化、稳定性优化等两大出发点,对系统进行了适当的改进。主要包括以下三个方面的工作:(1)针对光子模数转换系统中的关键器件电光调制器,给出其工作机理及数学模型,并通过理论和实验验证了其存在的非线性现象和最佳偏置点漂移现象,重点揭示了这两大现象对光子模数转换系统性能的影响。(2)针对通道交织光子模数转换系统稳定性不足的缺陷,基于系统链路特性给出了反馈优化模型,并验证了反馈模型的合理性,大幅度提升了系统的工作稳定性。实验表明由偏置点漂移引起的幅度失配从3.4 d B被抑制到0.3 d B。(3)针对高速高精度光子模数转换系统样机在初步联调测试中发现的不足,运用已提出的反馈优化模型和所积累的联调经验对系统样机的结构进行了改进,增加了反馈优化模块及自动控制软件,不仅提高了系统样机的自动化水平,还大幅度提升了系统样机长时间稳定工作的能力。

关键词：光子模数转换最佳偏置点漂移电光调制非线性效应稳定性优化

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光子模数转换关键技术的研究

光子模数转换关键技术的研究

作者：刘志伟杭州电子科技大学

学位级别：硕士

自20世纪80年代诞生光子模数转换技术以来,无数的研究者都致力于改进光子模数转换技术来提高光子模数转换系统的性能,从而助力于数字化信息技术的腾飞。本论文以光子模数转换技术为研究对象,首先介绍了光子模数转换技术的国内外发展历... 详细信息

自20世纪80年代诞生光子模数转换技术以来,无数的研究者都致力于改进光子模数转换技术来提高光子模数转换系统的性能,从而助力于数字化信息技术的腾飞。本论文以光子模数转换技术为研究对象,首先介绍了光子模数转换技术的国内外发展历程和研究动态,并针对一些比较典型的光子模数转换方案的原理和特性进行研究,分析了现有方案存在的优势和不足。针对现有方案存在的问题,本论文从简化系统结构和提升系统比特精度的角度,分别提出了两种全新的光子模数转换方案,在精简结构的同时,量化级数也得到很大程度的提升。本论文的主要创新点和学术贡献如下:1.提出了一种基于矢量叠加原理实现差分编码的光子模数转换方案,并通过理论分析、计算机仿真以及原理性验证实验验证了该方案的可行性。该方案采用矢量叠加的方式实现对输入射频信号的差分编码输出。系统结构十分简单,仅用一个相位调制器级联一个延时线干涉仪就可以实现模拟信号到数字信号的转换。理论分析和计算机仿真结果表明,通过改变矢量叠加模块中信号强度的方式可以精确控制不同传递函数之间的相移量,从而避免了传统的基于调制器方案中由于温度或环境变化引入的相位漂移问题,有效提升了系统的稳定性。2.提出了一种基于分级量化原理的光子模数转换方案,并通过理论分析、计算机仿真以及原理性验证实验验证了该方案的可行性。该方案利用分级量化模块实现了对信号的二级量化,以相对简单的结构极大提高了系统的量化级数。根据计算机仿真结果可知,该方案基于三个调制器结构实现总量化级数从6到6N的提升,与传统的基于调制器阵列的移相光量化方案相比,实现了系统精度的极大提升。

关键词：光子模数转换移相光量化有效比特精度矢量叠加分级量化

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光子模数转换技术

光学与光电技术 2019年第3期17卷 8-13页

作者：陈建平上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家实验室

ADC广泛应用于手持设备,以及国防等领域。电ADC受限于时钟抖动和比较器模糊等关键指标,性能基本接近理论极限,提升空间有限。光ADC发挥了光子学的优势,具有极大的带宽,能实现远距离传输、远端处理,是ADC发展的理想方向。光ADC能够很好... 详细信息

ADC广泛应用于手持设备,以及国防等领域。电ADC受限于时钟抖动和比较器模糊等关键指标,性能基本接近理论极限,提升空间有限。光ADC发挥了光子学的优势,具有极大的带宽,能实现远距离传输、远端处理,是ADC发展的理想方向。光ADC能够很好地突破电ADC理论上的极限,因此引起广泛关注。利用时间-波长交织、时间拉伸原理进行了光ADC的开发研究,制做了高速光ADC样机,进行了实验,并分享了各项技术的细节。此外,硅光集成技术将为光ADC技术打开新的窗口。

关键词：光子模数转换时间-波长交织时间拉伸飞秒激光

宽带高精度光子模数转换系统中的多通道并行方案设计及实现

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宽带高精度光子模数转换系统中的多通道并行方案设计及实现

作者：袁野上海交通大学

学位级别：硕士

随着数字信号处理技术的快速发展,雷达、电子侦察、高速通信等工程领域对模数转换器(analog-to-digital converters,ADC)的带宽、速率和精度的要求越来越高。光子模数转换器(photonic analog-to-digital converters,PADC)克服了电子ADC... 详细信息

随着数字信号处理技术的快速发展,雷达、电子侦察、高速通信等工程领域对模数转换器(analog-to-digital converters,ADC)的带宽、速率和精度的要求越来越高。光子模数转换器(photonic analog-to-digital converters,PADC)克服了电子ADC中的“电子瓶颈”,具有超大采样宽带,高采集精度,满足不同波段应用的可重构性等优势,成为未来模数转换器发展的方向。在本文的工作中,我们提出了一种新型的多通道并行解复用光子模数转换系统。该系统既利用主动锁模激光器(actively mode-locked laser,AMLL)获得高速低抖动的光采样时钟,又通过基于马赫-增德尔双输出调制器(dual-output Mach-Zehnder modulator,DOMZM)的并行解复用方案有效缓解了后端电量化器的带宽和速率压力,达到了宽带高精度性能。本文还介绍了将该架构PADC应用在雷达接收机中的性能研究。具体研究内容从以下四个方面展开:(1)梳理和介绍了四种主要的光子模数转换技术原理及国内外研究现状,并对比其优缺点。通过对最新研究动态的跟踪,了解更大采样率和更高精度是未来光子模数转换系统的两个重要研究方向。(2)研究了光子采样ADC的基本原理,探讨了为实现高速、高精度目标常采用的两种多通道复用技术和存在的多通道失配问题以及雷达应用中的带通采样基本原理。(3)详细介绍了多通道并行解复用方案的基本原理和采样率为25.6GS/s的八通道并行解复用PADC的架构设计以及系统样机的实现方案。分析和测试了该PADC存在的多通道失配程度,并对其进行校正。实验测试结果表明该PADC的有效比特位数在X波段和Ka波段的载频输入下分别达到了7.8位和6.9位。(4)通过将实现的宽带高精度PADC应用在雷达接收机中,进行了雷达收发原理实验,探究了宽带高精度PADC中通道失配问题对雷达接收性能的影响。实验测试结果表明该雷达接收机在接收带宽为3.6GHz的X波段线性调频信号时距离分辨率达到6.4cm。

关键词：光子模数转换多通道并行解复用采样率有效比特位雷达收发

宽带高精度光子模数转换系统中的频综模块设计与实现

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宽带高精度光子模数转换系统中的频综模块设计与实现

作者：蔡光辉上海交通大学

学位级别：硕士

新一代的雷达、通信、电子侦察等电子信息系统对模数转换器的带宽、速率和精度的要求越来越高。然而,传统的电模数转换器的性能受限于带宽和时间抖动等“电子瓶颈”,较难满足上述要求。为了解决上述问题,微波光子技术被应用到模数转换... 详细信息

新一代的雷达、通信、电子侦察等电子信息系统对模数转换器的带宽、速率和精度的要求越来越高。然而,传统的电模数转换器的性能受限于带宽和时间抖动等“电子瓶颈”,较难满足上述要求。为了解决上述问题,微波光子技术被应用到模数转换技术中（即光子模数转换技术）。光子模数转换系统凭借着低时间抖动和大带宽的优势,可同时提高采样速率、采样带宽和有效比特位。时间交织光子模数转换系统的后端电量化和数字信号处理过程中受光电子器件一致性和通道失衡等影响,实现宽带模数转换时的量化精度受到限制。为了克服此限制,本文介绍了一种基于并行解复用的光子模数转换系统架构,设计并实现了一种可用于该光子模数转换系统架构的频综模块。主要研究工作如下:1.针对并行解复用的光子模数转换系统,设计了一种频综模块实现方案。该模块能够向光子模数转换系统中的并行解复用模块提供所需的驱动信号,从而实现对光脉冲序列的并行解复用处理。在设计频综模块的过程中,充分考虑了整个系统对驱动信号性能的需求,并根据这些需求采用了基于多级分频线路的并行架构。该架构具有效率高、测试方便、布局分明等优点。最后,根据该架构的特点和驱动信号的性能要求,提出了频综模块的多种测试指标。2.根据频综模块的架构和测试指标,优化了模块内部器件的参数和选型。对各个内部器件进行逐一测试,以评估所选器件的性能指标。最后,通过优化频综模块中的分频线路布局,利用这些性能达标的器件搭建了一个完整的频综模块,并完成对整个频综模块的综合测试。测试结果表明,频综模块提供的驱动信号的谐波抑制比超过55d B、信噪比超过60d B,满足设计的要求。3.完成了频综模块和光子模数转换系统的联调实验,并探究了频综模块对光子模数转换系统性能的影响。在实验过程中,通过优化设计频综模块的内部器件以调节光开关阵列的并行解复用性能,从而改善PADC输出的有效比特位数（Effective Number of Bits,ENOB）。最后测试了基于并行解复用的光子模数转换系统的整体性能,测试结果表明,在频率分别为9.812GHz和35.412GHz的微波信号的模拟输入下,该光子模数转换系统的单通道的有效比特位分别达到了7.73和6.9。联调实验的结果表明,采用多级分频线路的频综架构能满足光子模数转换系统对驱动信号性能的需求,证明了频综模块的可行性。

关键词：频率综合器光子模数转换并行解复用驱动信号有效比特位

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新型光子模数转换技术的研究

新型光子模数转换技术的研究

作者：杨淑娜浙江大学

学位级别：硕士

在当代高性能通信和雷达系统中,模数转换技术被认为是制约其性能的瓶颈因素。由于光学技术具备超窄带脉冲,高采样率,低采样抖动等优点,光子模数转换技术逐渐成为人们研究的重点。本论文主要从提高系统比特精度的角度出发,提出了一种新... 详细信息

在当代高性能通信和雷达系统中,模数转换技术被认为是制约其性能的瓶颈因素。由于光学技术具备超窄带脉冲,高采样率,低采样抖动等优点,光子模数转换技术逐渐成为人们研究的重点。本论文主要从提高系统比特精度的角度出发,提出了一种新型的光子模数转换系统,并通过实验的方法对该系统进行验证。系统使用了等半波电压的干涉仪阵列,避免了传统模数转换系统中干涉仪阵列的电极长度呈几何关系的变化。同时为了在不增加干涉仪个数的前提下提高系统的比特精度,每一路干涉仪后接多个比较器,通过设定不同的比较阈值对输出信号进行量化编码输出。系统的量化和编码是根据对称数字系统技术执行的。在此基础上提出了三种全新的编码方案,同时为了证明其可行性,对每一种方案都以4比特系统为例,进行了数值模拟和实验验证,其可行性得到了证实。本论文从理论和实验两个方面验证了系统的可行性。同时为了阐明系统的噪声,采样抖动等和系统的有效比特精度(ENOB)之间的关系,文章采用了蒙特卡罗法(Monte Carlo)对此分别进行了模拟分析。论文在最后也指出了本系统存在的需要改善的方面,为进一步的研究提供了参考。

关键词：光子模数转换对称数字系统有效比特精度采样抖动

基于MZ干涉结构的光子模数转换技术研究进展

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杭州电子科技大学学报（自然科学版） 2020年第1期40卷 1-7页

作者：池灏张秋林杨淑娜杭州电子科技大学通信工程学院浙江杭州310018

光子模数转换是近年来国内外的研究热点之一。该文对基于马赫曾德尔(MZ)干涉结构的光学模数转换的方法、原理、发展和现状进行了探讨。首先给出Taylor方案的光量化编码原理,然后对各类改进方案进行了分析,并作了简要的比较和分类,最后... 详细信息

光子模数转换是近年来国内外的研究热点之一。该文对基于马赫曾德尔(MZ)干涉结构的光学模数转换的方法、原理、发展和现状进行了探讨。首先给出Taylor方案的光量化编码原理,然后对各类改进方案进行了分析,并作了简要的比较和分类,最后讨论这类模数转换技术主要的发展方向。

关键词：光子模数转换移相光量化马赫曾德尔调制器比特精度相位调制器

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光子模数和数模转换关键技术的研究

光子模数和数模转换关键技术的研究

作者：胡晓云杭州电子科技大学

学位级别：硕士

随着微波通信系统对信号传输速率和系统带宽需求的不断提升,模数转换器(Analog-toDigital Converter,ADC)和数模转换器(Digital-to-Analog Converter,DAC)作为系统的关键器件,其转换速率和转换精度对系统性能有着重要的影响。尽管电子AD... 详细信息

随着微波通信系统对信号传输速率和系统带宽需求的不断提升,模数转换器(Analog-toDigital Converter,ADC)和数模转换器(Digital-to-Analog Converter,DAC)作为系统的关键器件,其转换速率和转换精度对系统性能有着重要的影响。尽管电子ADC和DAC的制造工艺已经较为成熟,但由于电磁干扰、时钟抖动等固有的电子瓶颈,转换性能无法进一步提升。因此利用光子技术大带宽、低采样抖动等优势来提升系统的转换速率和精度,引起研究人员广泛关注。本文首先详细介绍了现有的光子模数转换和数模转换方案,针对其优缺点进行分析。阐述了数字信号与模拟信号之间的转换基础,并对转换系统的关键技术指标进行分析讨论。其次,本论文针对光子模数转换和数模转换的关键技术展开研究,设计了基于MZM(Mach-Zehnder Modulator,MZM)加权调制曲线的光子模数转换系统,也设计了基于双驱动马赫-曾德尔调制器(Dual-Drive Mach-Zehnder Modulator,DDMZM)的数模转换系统。对上述系统展开建模和分析,通过仿真证明上述两个系统对于模拟信号与数字信号间相互转换的有效性,搭建验证性实验进一步证明了上述两个系统理论分析的准确性,并针对上述两个系统的各项关键性能指标进行分析。两个转换系统描述如下:1、结合加权多波长采样和移相光量化技术,提出了一种基于MZM加权调制曲线的光子模数转换方案。结合N波长采样和具有期望相移的MZM调制曲线,输入模拟信号可以被均匀量化为2N+1个量化级,并通过搭建具有17量化级的模数转换系统实验验证方案的可行性。与现有的光子ADC方案相比,该方案以更加简洁的系统结构实现了转换精度的显著提升,并且通过理论研究、软件仿真和实验论证,展现了该方案在提升系统转换精度方面的优势。2、基于DDMZM的调制曲线,设计了一种全新的光子数模转换系统。结合理论分析和仿真验证,所提出的2比特光子DAC模块可扩展实现2N比特数字信号到模拟信号的转换,即可以使用N个DDMZM构建2N比特光子DAC系统。并搭建4比特光子数模转换实验结构,根据实验结果可得微分非线性误差以及积分非线性误差分别为0.08和0.36。与当前的大部分光子DAC方案相比,所提出的基于DDMZM的光子数模转换方案可以用相对简单的系统结构实现转换精度的提升。最后,对光子模数转换和数模转换方案进行总结,并给出高性能光子模数转换和数模转换方案的改进方向和后续研究展望。

关键词：光子模数转换光子数模转换马赫-曾德尔调制器有效比特位

基于光子时间拉伸与压缩的微波信号产生与处理技术研究

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基于光子时间拉伸与压缩的微波信号产生与处理技术研究

作者：张裕康杭州电子科技大学

学位级别：硕士

随着通信、卫星、雷达等微波技术的快速发展,人们对传输信号带宽的要求正在不断地提高,但是,由于电子器件在工作中往往需要一定的过渡时间,这一点产生了对高频信号处理的基本限制。除了进一步研究新材料、新技术以外,众多专家学者也正... 详细信息

随着通信、卫星、雷达等微波技术的快速发展,人们对传输信号带宽的要求正在不断地提高,但是,由于电子器件在工作中往往需要一定的过渡时间,这一点产生了对高频信号处理的基本限制。除了进一步研究新材料、新技术以外,众多专家学者也正积极开辟着新的方向,即利用光子学方法来解决微波技术中的主要困难,通过结合光子技术低损耗、高速率、抗电磁干扰等诸多优势,开展了大量的研究,为产生与接收高速模拟信号提供了潜在的解决方案。本文首先介绍了现有的利用光子技术进行模数转换以及数模转换的方案,从中引申出光子时间拉伸的相关概念,自二十世纪末起,相关的研究层出不穷,其结果表明光子时间拉伸是有效应对高频信号采集难题的方法之一。进一步地,本文针对光子时间拉伸系统给出对应的原理分析及公式推导,同时分析了光子时间拉伸技术中出现的基本问题,并借由相关理论开展了有关于光子时间压缩的研究,设计了基于光子时间压缩与拉伸的收发一体化系统,通过确立此系统的色散配置,实现发送端与接收端之间的匹配,并通过验证性实验证明该系统具有宽带信号收发功能。此外,面对单通道时间压缩系统不能用于产生连续宽带信号这一问题,设计了基于光子连续时间压缩的宽带信号产生系统,并开展了相关的实验工作,针对实验结果中观察到的周期性凹陷,提出了一种带通滤波的方法,以减少系统带宽为代价,来消除失真。通过进一步分析其来源,又给出了一种预失真方法来消除由光谱滚降引起的周期性凹陷,并通过仿真验证了预失真方案的可行性。本文的主要创新点和学术贡献如下:1、首次设计一种基于光子时间压缩和拉伸技术的射频收发前端,理论和实验结果表明该收发前端可以利用低速模数/数模转换器,实现宽带射频信号的接收与发送。收发两端分别利用光子时间拉伸以及压缩技术,通过适当的色散配置使其带宽匹配,保证两端工作时的一致性。我们以18 GHz和6 GHz射频信号做实验源,实验所得到的拉伸与压缩信号质量与标准信号相拟合。2、提出一种新型的连续光子时间压缩方案,基于频谱分割和合并,可用于宽带连续信号的产生,实验结果验证了方案的可行性。我们利用多个并行低速模拟波形转换为高速的连续时间波形,演示了压缩系数为2的连续时间光子压缩系统,将2 GHz的并行信号片段压缩组合为连续的4 GHz信号,并针对最终的实验结果提出更为细致的优化方案。

关键词：高频信号产生与接收光子模数转换光子数模转换时间拉伸时间压缩