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光子时域展宽辅助ADC的研究

田静  
【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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