光子时域展宽辅助ADC的研究

摘要

传统电模数转换器(Analog to Digital Converter, ADC)作为连接模拟世界和数字世界的桥梁，通常存在着以下一个或多个局限性：1.采样时钟的抖动；2.采样保持电路的渡越时间；3.比较器的速度(准确度)；4.晶体管阈值和无源组件的阈值的不匹配等。射频(Radio Frequency, RF)信号的频率越大，局限性就越明显。针对电ADC所存在的局限，研究者们做了大量的工作。但是，宽带系统中仅使用电域的数字信号处理(Digital Signal Process, DSP)对捕获超快、大宽带的信号受电子瓶颈的限制存在一定的局限。而基于光子时域展宽(Photonic Time-Stretch, PTS)辅助结构的光子时域展宽辅助模数转换器(Photonic Time-Stretched ADC, PTS-ADC)作为一种新型的电光ADC，将高速的RF信号进行降速预处理，以低于奈奎斯特采样率的速率捕获RF信号，可突破电子瓶颈的限制，实现对超高速、大宽带信号的处理。
　　PTS-ADC通过以下几步完成：第一步，通过一段色散介质给光脉冲引入啁啾；第二步，电光调制器将快速的RF信号调制到啁啾光脉冲上，完成时间-波长映射；第三步，通过另一段色散更大的介质，完成波长-时间映射，同时 RF信号在时域上被展宽，即速率被降低了；第四步，低速电ADC对时域展宽后的RF信号以低于奈奎斯特采样率的速率进行模数转换，恢复出原始的超快速信号信息。
　　由于PTS-ADC中色散介质是决定采样率和输入带宽的重要因素之一。为此，本论文提出一种基于混合双轴芯和凹陷型包覆结构光子晶体光纤(hybrid structure of Dual-Concentric-Core and Depressed-Clad PCF, DCC-DEC-PCF)的高速PTS-ADC方案。借助DCC-DEC-PCF高色散值和低损耗的优势，PTS-ADC可获得更高的采样速率和输入带宽，而且引入损耗低、结构简单。
　　本文介绍了PTS-ADC的基本原理，讨论了系统的噪声特性，完成了数学公式推导，建立了系统的数学模型，仿真了基于双边带(Double Sideband, DSB)调制和单边带(Single Sideband, SSB)调制的PTS-ADC的频率传输特性、谐波失真、残余相位失真、时间带宽积等，并进行了分析比较。另外，针对时域展宽后的RF信号光的信号功率小导致的探测难度大的问题，分析了相干探测及包络去除算法的方式探测及处理RF信号。

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图表目录

第一章 绪论

1.1 研究PTS-ADC的意义

1.2 PTS-ADC的研究现状及发展趋势

1.3 论文的研究目标与主要内容

第二章 PTS-ADC的工作原理及信噪比分析

2.1 PTS-ADC的工作原理

2.2 PTS辅助结构对ADC的信噪比的影响分析

2.3 本章小结

第三章 高速PTS-ADC的设计与分析

3.1 高速PTS-ADC的设计

3.2 高速PTS-ADC的分析

3.3 本章小结

第四章 PTS-ADC的信号探测及处理

4.1 PTS-ADC的信号探测

4.2 PTS-ADC的信号处理

4.3 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

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