[发明专利]一种模数转换系统模拟带宽扩展的方法及系统

说明书

本发明公开了一种模数转换系统模拟带宽扩展的方法及系统，其步骤包括：1)将带宽超过模数转换系统模拟带宽的宽带毫米波模拟信号电光调制在两套重复频率不同的光学频率梳上，通过光电转换在频谱上分别抓取该信号的半边频谱；当所述信号的频率范围不超过[f₁,f₂]时，两光频梳的重复频率为R₁、R₂，2)将该半边频谱通过电子模数转换器转换为数字信号，然后通过数字信号处理对两段数字信号进行拼接和恢复。本发明实现了带宽的加倍扩展并保持原有的转换精度。

技术领域

本发明涉及一种通过频谱分割实现模数转换系统模拟带宽扩展的方法及系统。将带宽超过模数转换系统模拟带宽的宽带毫米波模拟信号电光调制在两套重复频率不同的光学频率梳上，继而通过光电转换，在频谱上分别抓取宽带毫米波模拟信号的半边频谱，并将对应的时域信号分别通过电子模数转换器转换为数字信号，最后通过数字信号处理对两段数字信号进行拼接和恢复，从而实现模数转换系统模拟带宽的加倍扩展，并且不影响模数转换系统的转换精度，属于微波光子学领域。

背景技术

模数转换系统是电子学领域最基础的系统之一。随着宽带微波、毫米波在高速通信、宽带雷达、导航等领域的广泛应用，对高频、宽带的模拟信号进行高精度的模数转换变得十分重要。由于工艺限制，单纯的电子模数转换系统很难同时实现高载频、高带宽以及高精度的模数转换功能，无法满足这些领域中的需要。

光电器件的带宽较大，通过将待转换的模拟信号调制在光学频率梳上，可以在没有特定高频电本振的条件下，实现对高载频毫米波信号的下变频，再通过电子模数转换系统对下变频后的基带信号进行模数转换。然而这种方案仅解决了高载频信号模数转换的难题，整个系统的带宽仍受限于系统采样时钟所决定的奈奎斯特带宽和电子模数转换系统的模拟带宽。前者可以通过采样时钟的重复频率倍频直接扩展，目前已有较成熟的技术方案。而后者则取决于模数转换辅助电路中电放大器、电滤波器等电子元件的模拟带宽，仅能通过材料和工艺的逐渐改进来提升，故在高模拟带宽的基础上难以实现加倍的模拟带宽提升，并且在提升的过程中，电子元件的噪声系数会进一步恶化，从而影响模数转换系统的转换精度。因此业界迫切地需要一种有效的手段对模数转换系统的模拟带宽进行提升。考虑到上述基于光学频率梳的光电方案可以实现对高载频信号的下变频，若能在此基础上构建模拟带宽扩展系统，则系统可以同时满足对高载频、高带宽的模拟信号进行高精度模数转换的需求。

光电时钟同步时域交错方案是一种基于光学频率梳的模拟带宽扩展方案，麻省理工大学的F.X.小组在[F.X.“Photonic ADC:overcoming the bottleneckof electronic jitter,”Optics Express,2012,20(4):4454-4469]中展示了这种方案。该方案通过光电器件实现了时域上的双路复用，以时域复用的办法实现了整个模数转换系统模拟带宽的加倍扩展。但该方案要求光时钟和电时钟保持严格的同步，即需通过初始校准使得同步通道和信号通道之间长度严格相等。实际应用中，二者之间的长度匹配极易受到外界干扰。对于高重频的光频梳，1mm的长度不匹配就足以使模数转换系统的输出信号产生显著的畸变，因而系统难以满足长时间的连续采样需求。此外该方案还要求模数转换辅助电路的模拟带宽精确等于每一路的奈奎斯特带宽(即光频梳重频的一半)，否则系统会产生信号丢失或镜频干扰的问题，但实际电子元件的模拟带宽总是会存在误差或不理想的滚降。这两大挑战极大地限制了该方案在长时高带宽条件下的模拟带宽扩展应用。

发明内容