一种基于数字映射的高速光子数模转换方法及系统与流程

本发明属于光通信的信号处理技术领域，具体涉及一种基于数字映射的高速光子数模转换方法及系统。

背景技术：

数模转换器(digital-to-analogconverter,dac)是数字世界和模拟世界之间不可替代的桥梁。近年来在现代雷达、无线通信等领域中，数模转换器作为实现数字信号到模拟信号转换的关键器件，其性能的优劣直接影响整个信号处理系统的速率、带宽和精度。随着雷达和通信技术的发展，高速、高精度的数模转换器产生和恢复的超宽带高频信号有助于提高通信系统性能。然而，传统的电子dac由于射频延迟、时间抖动和电磁干扰等电子固有限制，只能在能量效率和带宽之间权衡，无法同时提高转化速率与转化精度，无法满足现有信号处理系统大带宽、高精度的需求。随着光学技术的发展，利用光子技术突破传统方案时钟抖动、电磁干扰的瓶颈从而实现高速、高精度的数模转换器引起许多研究者注意，充分发挥光子技术高速采样时钟、大带宽和无电磁干扰的优势实现数字信号到模拟信号的转换，提升通信系统性能是极具发展前景的方法。

现有的光学数模转换方案根据数字信号的输入类型分为串行和并行两类。2001年，日本ntt公司提出一种基于加权延时的光学数模转换方案，是最早的光学串行输入数模方案，多路相同的串行数字信号经过光衰减施加上相应比特权重后，每个通道对应延时一个比特周期后通过干涉仪叠加，采用光判决门提取对应数字信号转换形成的模拟信号。但该方案最大的缺点就是要精准控制每路信号的相位才能实现同波长叠加，并且需要高速光判决门提取信号才能实现数字信号到模拟信号的转换。清华大学于2008年提出基于多波长加权脉冲序列的光子数模转换方案，该方案利用色散光纤使加权多波长脉冲串在时域上色散分离并分别调制串行数字信号的不同加权位，调制后的信号经过色散补偿光纤实现调制信号在时域上的加权叠加，利用光电检测器实现光电转换和低通滤波后得到对应的模拟信号。该方案对脉冲周期、光纤色散量等有精确要求，并且转换精度受限于多波长脉冲的重复周期。光子串行数模转换方案能够对串行数字信号进行直接的处理转换，系统结构简单，但转换速率相较于能够同时对多个比特位数字信号进行转换的并行方案较低。ipitek在2003年提出并行转换方案，该方案利用并行电光调制器阵列实现对数字信号的并行处理，后通过光电检测器阵列实现调制信号的非相干叠加。该方案具有转换速率高，易集成的优点，但调制器响应速度和消光比、光电检测器带宽等都会成为系统性能的限制因素。2007年清华大学在ipitek并行方案基础上采用了宽谱光源来降低非相干叠加过程中的干涉噪声。2005年大阪大学提出一种基于非线性光环镜(nonlinearopticalloopmirror,nolm)的光子数模转换方案，利用nolm反射谱和透射谱控制脉冲输出方向和幅度大小来实现不同比特权重信号的加权叠加得到相应的模拟信号输出。该方案利用nolm非线性原理系统响应速度快，但是想要实现n比特转换精度需要2n-1个nolm，系统结构复杂。2014年中科院还提出了基于微环谐振器的光子数模转换方案，用高低电压控制微环谐振器谐振波长的移动来实现数字信号的调制。该方案使用多个微环谐振器实现并行数模转换，微环谐振器具有超小型尺寸和低功耗的优势，降低系统复杂度并且便于系统集成，但是微环谐振器的转换速率不高，导致整个系统的转换速率受到限制。因此，如何利用简单有效的方法来简化系统结构并且提升系统性能仍然是一个值得关注的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有光子数模转换技术的缺陷，提供一种基于数字映射的高速光子数模转换方法及系统，对数字信号进行降频处理，解决了光子数模转换系统转换速率受限于现有设备的问题，极大地提高了光子数模转换系统的转换速率，同时系统简单易于实现。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于数字映射的高速光子数模转换方法，包括步骤：

s1、宽谱光源产生连续光载波，所述连续光载波经过波分解复用器后分成n路不同波长的并行光载波，所述n路光载波分别并行经过与每一路光载波相对应的光衰减器后继续分别进入与光衰减器相对应的马赫-曾德尔调制器；

s2、n个数字映射器均对输入其自身的数字信号进行降频处理，并输出两路数字信号，每个数字映射器输出的两路数字信号进入与每个数字映射器相对应的马赫-曾德尔调制器；

s3、n个马赫-曾德尔调制器均将进入其自身的两路数字信号调制到进入其自身的光载波上，并输出一路光调制信号，n路光调制信号进入波分复用器；

s4、波分复用器将n路不同权重的光调制信号进行加权叠加并输出一路复用光信号，所述复用光信号进入光电检测器转换为电信号后进入低通滤波器进行平滑处理并得到模拟信号。

进一步地，步骤s1中，n路光载波分别经过与每一路光载波相对应的光衰减器后功率比为：

其中表示光载波经过第i个光衰减器后的功率，i＝1，2，3，......，n。

进一步地，n个数字映射器的输入数字信号d1，d2，...，dn分别对应为待转换数字信号经串并转换后的lsb，nlsb，...，msb数据串，其中lsb为最低有效比特位，nlsb为最接近lsb的有效比特位，msb为最高有效比特位。

进一步地，每个数字映射器输出的两路数字信号si1、si2(i＝1，2，...，n)满足：

其中si1表示第i个数字映射器输出的第一路数字信号，si2表示第i个数字映射器输出的第二路数字信号；

m＝1，2，...，n/2，n为数字映射器的输入数字信号的长度，vs为数字映射器输出降频信号的幅度。

进一步地，每个数字映射器输出的数字信号峰值均为vπ。

进一步地，所述步骤s3中，每个马赫-曾德尔调制器输出的调制信号的初始相位为π。

进一步地，所述每个马赫-曾德尔调制器输出的调制信号的初始相位由直流电源提供偏置电压进行控制，偏置电压大小等于vπ。

进一步地，所述s3步骤中，每个马赫-曾德尔调制器输出的光调制信号强度ii(i＝1，2，...，n)的表达式为：

其中，α＝πvs/vπ代表调制深度，t代表数字映射器输出信号的比特周期。

本发明还公开了一种基于数字映射的高速光子数模转换系统，包括宽谱光源、波分解复用器、n个光衰减器、n个数字映射器、n个马赫-曾德尔调制器、波分复用器、光电检测器以及低通滤波器；

宽谱光源，用于产生连续光载波；

波分解复用器，用于将连续光载波分成n路不同波长的并行光载波；

光衰减器，用于对与其相对应的并行光载波的光功率进行衰减；

数字映射器，用于对输入其自身的数字信号进行降频处理，并输出两路数字信号；

马赫-曾德尔调制器，用于将与其相对应的两路数字信号调制到与其相对应的经过光衰减器衰减的光载波上，并输出一路光调制信号；

波分复用器，用于将n个马赫-曾德尔调制器输出的n路不同权重的光调制信号进行加权叠加并输出一路复用光信号；

光电检测器，用于将复用光信号转换为电信号；

低通滤波器，用于将电信号进行平滑处理并得到模拟信号。

本发明的优点在于：和传统的光子数模转换方案相比，该方案对数字信号进行降频处理，解决了光子数模转换系统速率受限于现有设备的问题，极大地提高了光子数模转换系统的转换速率，同时系统简单易于实现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种基于数字映射的高速光子数模转换方法的流程图；

图2为一种基于数字映射的高速光子数模转换系统的结构示意图；

图3为数字映射器原理图；

图4为数字映射器输入信号和输出信号对比图；

图中的编码分别为：1.宽谱光源；2.波分解复用器；3.第一光衰减器；4.第二光衰减器；5.第三光衰减器；6.第一马赫-曾德尔调制器；7.第二马赫-曾德尔调制器；8.第三马赫-曾德尔调制器；9.第一数字映射器；10.第二数字映射器；11.第三数字映射器；12.波分复用器；13.光电检测器；14.低通滤波器。

具体实施方式

以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明的目的是针对现有技术的限制，提供了一种基于数字映射的高速光子数模转换方法及系统，以下实施例均以3-bit光子数模转换为例。

实施例一：

参照图1、图2、图3，图4，提供一种基于数字映射的高速光子数模转换方法，包括步骤：

s1、宽谱光源1产生连续光载波，所述连续光载波经过波分解复用器2后分成三路不同波长的并行光载波，所述三路光载波分别并行经过与每一路光载波相对应的光衰减器后继续分别进入与光衰减器相对应的马赫-曾德尔调制器；

s2、三个数字映射器均对输入其自身的数字信号进行降频处理，并输出两路数字信号，每个数字映射器输出的两路数字信号进入与每个数字映射器相对应的马赫-曾德尔调制器；

s3、三个马赫-曾德尔调制器均将进入其自身的两路数字信号调制到进入其自身的光载波上，并输出一路光调制信号，三路光调制信号进入波分复用器12；

s4、波分复用器12将三路不同权重的光调制信号进行加权叠加并输出一路复用光信号，所述复用光信号进入光电检测器13转换为电信号后进入低通滤波器14进行平滑处理并得到模拟信号。

在步骤s1中，宽谱光源1产生连续光载波，所述光载波经过波分解复用器2后分成三路不同波长的并行光载波，所述光载波并行经过第一光衰减器3、第二光衰减器4、第三光衰减器5后分别进入第一马赫-曾德尔调制器6、第二马赫-曾德尔调制器7和第三马赫-曾德尔调制器8。

宽谱光源1产生的连续光载波经过波分解复用器2后分成三路不同波长的并行光载波经过第一光衰减器3、第二光衰减器4、第三光衰减器5后功率比表示为：

在步骤s2中，第一数字映射器9、第二数字映射器10、第三数字映射器11分别产生两路数字信号，所述产生的数字信号进入对应的第一马赫-曾德尔调制器6、第二马赫-曾德尔调制器7、第三马赫-曾德尔调制器8。

第一数字映射器9、第二数字映射器10、第三数字映射器11的输入数字信号d1、d2、d3分别对应为待转换数字信号经串并转换后的lsb、nlsb、msb数据串，其中lsb为最低有效比特位，nlsb为最接近lsb的有效比特位，msb为最高有效比特位，输出数字信号满足：

其中，其中si1表示第i个数字映射器输出的第一路数字信号，si2表示第i个数字映射器输出的第二路数字信号，i＝1，2，3；m＝1，2，...，n/2，n为数字映射器的输入数字信号的长度，vs为数字映射器输出降频信号的幅度；第一数字映射器9、第二数字映射器10、第三数字映射器11输出数字信号峰值为vπ；第一马赫-曾德尔调制器6、第二马赫-曾德尔调制器7、第三马赫-曾德尔调制器8由直流电源提供大小为vπ的偏置电压；三路调制信号的初始相位为π。

在步骤s3中，第一马赫-曾德尔调制器6、第二马赫-曾德尔调制器7和第三马赫-曾德尔调制器8输出三路光调制信号进入波分复用器12。

第一马赫-曾德尔调制器6、第二马赫-曾德尔调制器7、第三马赫-曾德尔调制器8输出的光调制信号强度ii(i＝1，2，3)的表达式为：

其中，代表光载波经过第i个光衰减器之后的功率，α＝πvs/vπ代表调制深度，t代表数字映射器输出信号的比特周期。

在步骤s4中，波分复用器12输出复用光信号，所述复用光信号经过光电检测器13转换为电信号，电信号输入到低通滤波器14中进行平滑处理，实现数字信号到模拟信号的转换。

实施例二：

参照图2、图3、图4，提供一种基于数字映射的高速光子数模转换系统，包括：宽谱光源1、波分解复用器2、第一光衰减器3、第二光衰减器4、第三光衰减器5、第一马赫-曾德尔调制器6、第二马赫-曾德尔调制器7、第三马赫-曾德尔调制器8、第一数字映射器9、第二数字映射器10、第三数字映射器11、波分复用器12、光电检测器13、低通滤波器14；

宽谱光源1与第一光衰减器3、第二光衰减器4、第三光衰减器5通过波分解复用器2连接；第一光衰减器3、第二光衰减器4、第三光衰减器5分别连入第一马赫-曾德尔调制器6、第二马赫-曾德尔调制器7、第三马赫-曾德尔调制器8。

第一数字映射器9、第二数字映射器10、第三数字映射器11分别连接第一马赫-曾德尔调制器6、第二马赫-曾德尔调制器7、第三马赫-曾德尔调制器8。

第一马赫-曾德尔调制器6、第二马赫-曾德尔调制器7、第三马赫-曾德尔调制器8与波分复用器12相连。

波分复用器12与低通滤波器14通过光电检测器13连接。

宽谱光源1，用于产生连续光载波；

波分解复用器2，用于将连续光载波分成三路不同波长的并行光载波；

光衰减器，用于对与其相对应的并行光载波的光功率进行衰减；

数字映射器，用于对输入其自身的数字信号进行降频处理，并输出两路数字信号；

马赫-曾德尔调制器，用于将与其相对应的两路数字信号调制到与其相对应的经过光衰减器衰减的光载波上，并输出一路光调制信号；

波分复用器12，用于将三个马赫-曾德尔调制器输出的三路不同权重的光调制信号进行加权叠加并输出一路复用光信号；

光电检测器13，用于将复用光信号转换为电信号；

低通滤波器14，用于将电信号进行平滑处理并得到模拟信号。

数字映射器(digital-to-digitalconverter,ddc)输入数字信号为待转换数字信号经串并转换后得到的具有相同比特权重的数据，用d表示，经过数字映射器后输出数字信号满足以下映射关系：

其中，m＝1,2,...,n/2，n为数字映射器的输入数字信号d的长度。待转换数字信号经串并转换后得到lsb、nlsb、msb数据串，分别输入到三个数字映射器中。以其中一个数字映射器为例，假设数字映射器的输入信号d为1011011001，经过数字映射器后输出满足映射关系的两个低频信号s1、s2分别为10111、11010。数字映射器输出信号频率为输入信号频率的一半，有效实现数字信号的降频并保留了输出信号与输入信号间的关联性，在保证数字信号到模拟信号的成功转换下实现系统转换速率和系统带宽的倍增。

上述实施例提出的一种基于数字映射的高速光子数模转换方法及系统，通过数字映射的方法，解决光子数模转换系统转换速率受限于现有设备的问题，与传统光子数模转换系统相比，该方案利用数字映射的方式，对待转换的数字信号预先进行降频处理，从而利用现有转换设备实现系统转换速率和系统带宽的倍增，同时该系统结构简单，易于操作和集成化。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。