基于相位编码的多阈值全光量化系统

本发明属于全光模数转换领域，具体涉及一种基于相位编码的多阈值全光量化系统。

背景技术：

1、连续域与离散域之间的转换是现代数字信号处理技术的核心。高速高精度模数转换技术已成为许多光电系统的关键技术，如高分辨率雷达系统、高速成像系统、传感器网络系统和宽带无线通信系统。电子模数转换器由于采样时钟的孔径抖动和比较器的模糊性，在对宽带信号进行精确采样时存在诸多限制。光子技术的引入为模数转换技术开辟了新的思路，全光模数转换技术利用光学手段实现信号的采样保持和量化，为停滞已久的模数转换技术注入了新的活力。基于相位编码的多阈值全光量化方案在全光模数转换领域具有重要的使用价值。相比于现有的电子模数转换系统以及光电混合模数转换系统，基于相位编码的多阈值全光量化系统具有系统结构相对简单、模数转换精度高的优势。

2、现有的全光量化系统直接采用高非线性光纤和阵列波导光栅，存在以下问题：低峰值功率处，过小的自频移量无法被波分器件所甄别；高峰值功率处，过大的频谱展宽使频谱出现混叠，降低了系统量化精度；波分器件对波长的分辨率有限，理论上限制了最大有效量化状态数目，现有方案中一个通道即一个有效量化状态。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，针对背景技术存在的问题，提出了一种基于相位编码的多阈值全光量化系统。本发明的多阈值全光量化系统，采用多阈值量化和相位编码相结合，可以应用于全光模数转换领域，提升其模数转换的量化精度。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种基于相位编码的多阈值全光量化系统，包括1个高重复频率飞秒脉冲光源，1×m光分路器，移相光量化模块，孤子自频移模块，多阈值编码模块；其中，所述移相光量化模块为1×m个电光调制器形成的m路电光调制器，所述孤子自频移模块包括第一m路高非线性光纤、m路单模光纤和第二m路高非线性光纤，所述多阈值编码模块包括m个波分解复用器、m×n光延迟线阵列、m×n光电探测器阵列和编码模块；

4、高重复频率飞秒脉冲光源产生频率为几十兆赫兹以上、脉宽为飞秒量级的采样光脉冲，经1×m光分路器功率均分为m路，分别输入至m路电光调制器中；m路采样光脉冲在m路电光调制器中被待采样模拟信号调制，通过调节电光调制器的偏置电压工作在不同的工作点，使得m路电光调制器中相邻通道间的相移差为π/m，完成相位编码，调制后的m路采样光脉冲的峰值功率携带了待采样模拟信号的幅度信息，输入至第一m路高非线性光纤；调制后的m路采样光脉冲经过第一m路高非线性光纤，完成光脉冲峰值功率到自频移量之间的线性映射，将待采样模拟信号的幅度信息转换为光脉冲的波长偏移量，输入至m路单模光纤和第二m路高非线性光纤的级联结构；m路单模光纤和第二m路高非线性光纤的级联结构针对孤子自频移效应带来的频谱展宽，进行频谱压缩，提高量化精度，然后传输至m个波分解复用器；经过m个波分解复用器完成阈值量化，将光脉冲按照频谱成分进行分流，其中每一个波分解复用器具有n个输出通道，n个输出通道的最优波长范围采用阈值点分布算法得到，量化后得到m×n个光功率输出；m×n个光功率输出经m×n光延迟线阵列进行色散补偿后，输入至m×n光电探测器阵列进行探测，得到m×n个功率值；m×n个功率值在编码模块进行比较，将最大功率值对应的通道编码作为输出。

5、进一步的，所述m路电光调制器中，每一路电光调制器的相移不同，通过控制电光调制器的偏置电压，使得相邻电光调制器的相移差为π/m，其中，电光调制器可以采用铌酸锂电光调制器。

6、进一步的，所述第一m路高非线性光纤和第二m路高非线性光纤的材料相同，可以为亚碲酸盐、硫化物等非线性折射率大于硅材料折射率一个数量级以上的光纤材料；所述第一m路高非线性光纤包括m段长度相同的光纤，第二m路高非线性光纤包括m段长度相同的光纤，且第一m路高非线性光纤中的光纤长度与第二m路高非线性光纤中的光纤长度不相同。

7、进一步的，所述m路单模光纤和第二m路高非线性光纤需满足正负啁啾相抵消。

8、进一步的，所述阈值点分布算法的过程具体为：

9、步骤1、根据需求设置并行通道数目m和每一个波分解复用器的输出通道数目n；

10、步骤2、将第一m路高非线性光纤输出的最大波长偏移量和最小波长偏移量的差值表示为co，将0～co平均分割为n段，得到n段范围(0～co/n)、(co/n～2co/n)、…、((n-1)co/n～co)；

11、步骤3、根据步骤2得到的n段范围，采用深度优先搜索(deep first search,dfs)算法和评价模型确定n个输出通道的最优波长范围△λ1、△λ2、…、△λn；其中，评价模型为：

12、

13、其中，snr(db)代表信噪比，a代表待采样模拟信号的振幅，n代表量化状态的数目，x(i)和x’(i)分别代表理想的量化位宽和实际计算所得的量化位宽，σq2代表adc(模数转换)系统的固有量化噪声功率，一般来说，量化噪声可以近似为带宽内均匀分布的白噪声，σq2＝δ2/12，其中δ为量化步长。

14、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

15、现有的非线性全光量化方案中，其每一路输出在编码模块中仅在最大输入光功率的一半处设置一个阈值点，且并未进行相位编码，导致量化精度的提升效率低。而本发明提供的一种基于相位编码的多阈值全光量化系统，采用相位编码的多阈值编码模块，实现了m个电光调制器功率传输曲线上多个阈值点的同时判决，解决了全光量化系统的码型重复问题，实现了以更少的通道数目获得更多的有效量化状态，有效提高了量化精度。同时，本发明全光量化系统的量化位数提升至log2(2mn)。

技术特征：

1.一种基于相位编码的多阈值全光量化系统，其特征在于，包括高重复频率飞秒脉冲光源，1×m光分路器，移相光量化模块，孤子自频移模块，多阈值编码模块；其中，所述移相光量化模块为m路电光调制器，所述孤子自频移模块包括第一m路高非线性光纤、m路单模光纤和第二m路高非线性光纤，所述多阈值编码模块包括m个波分解复用器、m×n光延迟线阵列、m×n光电探测器阵列和编码模块；

2.根据权利要求1所述的基于相位编码的多阈值全光量化系统，其特征在于，所述电光调制器为铌酸锂电光调制器。

3.根据权利要求1所述的基于相位编码的多阈值全光量化系统，其特征在于，所述第一m路高非线性光纤和第二m路高非线性光纤的材料相同，为非线性折射率大于硅材料折射率一个数量级以上的光纤材料；所述第一m路高非线性光纤包括m段长度相同的光纤，第二m路高非线性光纤包括m段长度相同的光纤，且第一m路高非线性光纤中的光纤长度与第二m路高非线性光纤中的光纤长度不相同。

4.根据权利要求1所述的基于相位编码的多阈值全光量化系统，其特征在于，所述m路单模光纤和第二m路高非线性光纤满足正负啁啾相抵消。

5.根据权利要求1所述的基于相位编码的多阈值全光量化系统，其特征在于，所述阈值点分布算法的过程为：

技术总结
一种基于相位编码的多阈值全光量化系统，属于全光模数转换领域。包括高重复频率飞秒脉冲光源，1×M光分路器，移相光量化模块，孤子自频移模块，多阈值编码模块；移相光量化模块为M路电光调制器，孤子自频移模块包括第一M路高非线性光纤、M路单模光纤和第二M路高非线性光纤，多阈值编码模块包括M个波分解复用器、M×N光延迟线阵列、M×N光电探测器阵列和编码模块。本发明采用相位编码的多阈值编码模块，实现M个电光调制器功率传输曲线上多个阈值点的同时判决，解决全光量化系统的码型重复问题，实现以更少的通道数目获得更多的有效量化状态，提高量化精度。同时，本发明全光量化系统的量化位数提升至log<subgt;2</subgt;(2MN)。

技术研发人员：黄嘉宇,范志强,苏君,王云祥,史双瑾,邱琪
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13