光学时间拉伸信号失真抑制技术研究

摘要

模数转换是指将连续的模拟信号转换为离散的数字信号的过程，是进行高速数字信号处理的基础。随着通信、雷达、电子对抗等技术的飞速发展，研究者们对模数转换器（Analog-to-Digital Converter,ADC）的采样速率，量化精度等指标提出了更高的要求。由于受到载流子迁移速率的限制，在处理高频信号时，传统的电子模数转换器中采样时间抖动和比较器不确定性等问题愈显突出，无法满足现代通信、雷达系统、电子对抗等应用的需求。 光学时间拉伸模数转换器（Time-Stretch ADC,TS-ADC）是突破电子ADC处理高频信号限制的有效技术方案之一。通过光学时间拉伸技术对模拟信号进行预处理，得到了降频的信号，等效地提高了ADC的采样速率和模拟带宽。然而，在光学时间拉伸技术中，光脉冲包络引入的信号失真和电光调制过程引入的谐波失真会影响TS-ADC的转换精度，色散功率代价问题会影响ADC的模拟带宽。本文针对光学时间拉伸系统中的信号失真与色散功率代价问题开展了如下研究。 为了抑制光学时间拉伸系统中光脉冲包络引入的信号失真和消除偶次谐波失真，本文提出了一种基于双输出马赫曾德尔调制器的光学时间拉伸技术方案。该方案利用双输出调制器两路输出互补的特性抑制光脉冲包络带来的影响，并进行了数值仿真和实验验证，实现了对3GHz至6GHz微波信号的十倍降频。此外，为了消除两路光电探测器响应不一致对TS-ADC有效位数的限制，实验采用了两路输出合并输出的方式，仅利用单一光电探测器，获得有效位数可达4.6bits。 为了解决色散功率代价的问题，本文提出了一种基于单边带调制的光学时间拉伸模数转换技术方案。利用单边带调制消除TS-ADC系统输出中功率代价对信号功率的影响，然而，系统输出的信号项中还会额外引入频率相关的相位因子，造成不同频率的微波信号之间产生相位偏移，导致了宽带信号在时域上的失真。本文在传统单边带调制时间拉伸系统的基础上提出了相应的相位矫正方法，在消除色散功率代价的同时确保了信号在时域上无失真。通过理论分析和数值仿真证明了该方案的有效性，并进行了实验验证。将基于单边带调制的光学时间拉伸方案与基于双输出调制器的光学时间拉伸方案进行比对，实验结果表明本方案有效提高了TS-ADC系统的模拟带宽。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究工作的背景与意义

1.2 光学模数转换技术

1.2.1 光采样型模数转换器

1.2.2 全光模数转换器

1.2.3 光辅助型模数转换器

1.3 本文的主要研究内容

第二章 光学时间拉伸系统中的基本原理

2.1 光脉冲在光纤中的传输

2.2 马赫曾德尔调制器的调制原理

2.3 信号的时间拉伸基本原理

2.3.1 信号的光学时间拉伸物理模型

2.3.2 时间-波长的映射

2.3.3 时间拉伸系统中的重要参数

2.4 信号时间拉伸系统中的关键技术

2.5 本章小结

第三章 光学时间拉伸信号失真抑制技术研究

3.1 基于互补双输出调制器的信号失真抑制技术

3.2 数值仿真与结果分析

3.3 实验结果与分析

3.4 本章小结

第四章 光学时间拉伸模拟带宽提升技术研究

4.1 基于单边带调制的色散功率代价补偿方案

4.2 数值仿真与结果分析

4.3 实验结果与分析

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果