互补型M-Z调制器的PTS-ADC去包络技术

王俊达，金 瑞，董洪松，陈 颖，陈向宁

(航天工程大学 a.研究生院; b.航天信息学院, 北京 101416)

近年来，随着科学技术的快速发展，高速模数转换器(ADC)在通信、雷达、电子对抗、医疗等领域起到重要作用。现有的电子ADC，在大带宽、超高速采样条件下，存在采样时间抖动、比较器不确定等“瓶颈”制约，量化精度很难提升，无法满足科学技术的发展需求[1]。为了提高电ADC的量化精度，国内外先后提出多种光模数转换器方案[2-9]。其中以Jalali课题组提出的光子时间拉伸模数转换器(PTS-ADC)方案[10]最为著名。该方案通过锁模激光器(MLL)产生超短光脉冲经第一段色散补偿光纤展宽，利用马赫曾德尔电光调制器(MZM)将高速信号调制到光脉冲上，通过第二段色散补偿光纤对光脉冲进一步展宽，展宽后的信号从时域上可等效为低速的模拟信号[11]，降低对后端电ADC的采样速率和量化精度要求。因此，可以克服电ADC “瓶颈”制约，提高ADC的量化精度，是目前主流的研究方向。

利用PTS-ADC技术能够大幅度降低RF信号的频率，然而由于MZM传递函数的制约，调制信号是非均匀的，而且容易产生较大的二阶谐波，影响PTS-ADC系统后端采样和量化精度。目前，最为著名的解决方案是利用双输出 MZM和平衡探测来抑制二阶谐波的产生[12]。同时，通过分束器及单输出MZM利用数字信号处理技术(DSP)可以消除信号包络对系统造成的影响[13]。针对上述问题，本研究利用互补型双输出MZM代替单输出MZM来抑制二阶谐波的产生，利用分束器将MLL产生的光脉冲分割成相同的两路，设计了一种基于互补调制的PTS-ADC系统。通过理论推导，对该结构抑制二阶谐波产生及信号包络去除的原理进行了证明。通过仿真建模对PTS-ADC系统进行了仿真实验。结果表明，该结构能够有效抑制二阶谐波的产生，去除脉冲包络对RF信号造成的影响，该系统可以对80 GHz的模拟信号进行采样，ENOB达到4.11。

1 原理论证

采用包络消除技术及二阶谐波抑制的PTS-ADC系统原理如图1所示。系统由锁模激光器(MLL)、色散补偿光纤(DCF)、分束器、马赫曾德尔调制器和光电探测器(PD)构成。MLL产生的超短高斯光脉冲经第一段DCF进行时域展宽，然后利用并行结构将光脉冲分成两路，利用上通道将展宽后高斯脉冲与RF信号利用互补型MZM进行调制，将互补型MZM的两路输出和下通道脉冲分别经过长度相等的第二段DCF进行时域展宽，经PD转换为电信号由ADC进行采样后送入后处理模块进行去包络算法处理。最终，得到时域展宽后的RF信号。

锁模激光器产生高斯型超短脉冲，所以脉冲光源输出端产生的波形可以被表示为

(1)

(2)

式中：E0为脉冲振幅；T0为脉冲半高宽(峰值强度1/e处)。脉冲经过第一段长度为L1的光纤后，表达式为

(3)

其时域表达式E2(t)=F-1{E2(ω)}。

RF信号的函数表达式为

SRF(T)=Acos(ωRFt)

(4)

式中A,ωRF分别为RF信号的幅度和角频率值。

假设MZM工作在正交偏置点，调制器的调制系数为m。经频率为ωRF的正弦射频信号调制后，脉冲可以被表示为

(5)

调制后的光脉冲经过长度为L2的第二段光纤进一步展宽后，设调制系数m=0，可以得到

(6)

光电探测器的响应电流为

(7)

经过PD后，互补型MZM两路输出分别为

(8)

(9)

利用信号处理技术，将Iout1(t)、Iout2(t)进行时序校准后相减可得

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

(10)

从式(9)可以看出，由于MZM传递函数导致的偶数阶谐波被有效去除，Iout3(t)仅受奇数阶谐波影响，输出信号的精度提高。

经分束器分出的第二路展宽后的高斯光脉冲，被长度为L2的光纤进一步展宽后，经过PD输出为

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

(11)

当m值较小时，忽略奇数阶谐波对系统造成的影响，通过除运算可以将时域拉伸后的RF信号包络去除，如式(12)所示。

(12)

从式(12)可以看出，忽略奇数阶谐波对系统造成的影响，可以得到时域展宽后的频率较低的余弦信号。

2 系统结构及仿真设计

在Optisystem 7.0中对基于互补型双输出MZM的采用去包络技术的PTS-ADC系统进行仿真系统构建，其仿真结构如图2所示。

在仿真中，激光器产生脉冲的重频为40 MHz，脉冲中心波长为1 552.52 nm，脉冲宽度为200 fs，脉冲的峰值功率为100 W。产生的光脉冲经过色散系数-140 ps/(nm·km)(1 550 nm处)，长度为2.5 km的色DCF，将展宽后的高斯光脉冲经1×2功率分配器均分成两路。将通道一的光脉冲送入互补型双输出MZM中与RF信号进行调制。在Optisystem中利用180°混合耦合器和两个单输出MZM组成互补型双输出MZM进行仿真实验，如图2中所示。加载频率为80 GHz、峰值3 V的RF信号，两个单输出MZM加载的RF信号的相位差为π。经MZM调制后的光脉冲，分别通过两段长度为47.5 km的同种DCF(1 550 nm处色散系数-140 ps/(nm·km))，系统的时域展宽比为M=20。时域展宽后的光脉冲分别经PD转换为电信号。将通道二的光脉冲通过长度为47.5 km的同种DCF进行时域拉伸，经PD后送入示波器。由于Optisystem 7.0软件不能利用ADC对电信号进行采样，因此将示波器的输出数据导入Matlab中进行数字信号处理，利用去包络算法求出采样脉冲。

3 仿真结果及分析

在仿真中，加载频率为80 GHz、峰值3 V的RF信号，设置MZM的消光比为3 dB，调制深度为10%。通道一中的光脉冲经互补型双输出MZM调制后，通过DCF进行时域展宽及PD后，输出端一及输出端二的时域图如图3所示。

通道二中，先后经两端DCF展宽后的高斯光脉冲如图4所示。

将通道一的双输出互补型MZM的输出Iout1(t)、Iout2(t)以及通道二的输出Iout4(t)分别代入式(12)中，RF信号波形及Sout(t)信号波形如图5所示。

以理想降频采样信号作为参考信号，按照式(13)和式(14)[14-15]计算得到拟合后信号的信纳比(SINAD)为26.46，ENOB为4.11位。

(13)

(14)

采用单输出MZM作为对照组，与采用互补型双输出MZM结构的PTS-ADC进行比较，通过仿真结果分析基于互补型双输出MZM的去包络PTS-ADC结构对系统的影响[13]。当RF信号为80 GHz时，采用单输出MZM的去包络PTS-ADC系统的ENOB为1.78位。

分别对5组不同频率的RF信号(80 GHz、85 GHz、90 GHz、95 GHz和100 GHz)进行采样，通过计算得出实验组和对照组相应的有效量化位数，如图6所示。从图6可以看出，相较于单输出MZM，采用双输出MZM互补型MZM的PTS-ADC系统，有效量化位数得到明显提高。

4 结论

设计了基于互补型双输出MZM的PTS-ADC系统，能够抑制二阶谐波对系统造成的影响，利用去包络算法可以有效提高系统的精度。理论推导了互补型MZM遏制二阶谐波产生的过程，提出了去除包络的相关算法。通过仿真研究，对频率为80 GHz的RF信号进行采样。仿真结果表明，当RF信号频率为80 GHz时，获取信号的ENOB为4.11，该PTS-ADC结构可以对RF信号实现降频采样及信号还原，有效提高了PTS-ADC系统的采样精度，从而改善了PTS-ADC的系统性能。

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