基于光纖真延遲的信號交織采樣技術研究

侯文棟，冀貞海，寧 勇

(中國航天科工集團8511研究所，江蘇 南京 210007)

基于光纖真延遲的信號交織采樣技術研究

侯文棟，冀貞海，寧 勇

(中國航天科工集團8511研究所，江蘇 南京 210007)

為了解決電子偵察系統大瞬時處理帶寬難以實現的問題,參考借鑒目前主流高速AD器件內部的DEMUX模式，結合光纖真延遲技術，提出了一種利用光纖真延遲線控制精確時延的信號交織采樣技術，仿真結果證明了該方法的有效性。

光纖真延遲；交織采樣；AD性能指標

0 引言

當前,主流的電子偵察系統都要求盡量大的瞬時處理帶寬、高速信號處理能力，而基于純電學采樣的接收機性能受AD器件限制，瞬時處理帶寬只能達到1GHz,再發展這種體制的接收機則面臨著瓶頸問題，短期內難以突破。

為了有效解決這一問題，本文參考了主流高速AD器件內部的DEMUX模式的原理，結合光纖真延遲技術提出了一種利用光纖真延遲線控制精確時延的信號交織采樣技術。該技術最關鍵的兩個方面是：1)多路光纖真延遲線必須具有高的延遲精度；2)多路光纖延遲線光調制信號必須具有良好的功率一致性。該技術對切實提高電子偵察系統的瞬時帶寬提供了一種可能實現的途徑，如果真正工程化應用，將會有效提升電子偵察系統的處理性能。

1 工作原理

基于光纖真延遲的信號交織采樣技術的基本原理是將電學被采樣信號經過電光調制器調制到光學載波上去，然后經過光分路器分成N路，嚴格控制N路光學信號之間的時間差，N路光學信號經過光電檢測器轉化為電學信號，分別注入到N片電學A/D器件，然后將N路采樣信號拼接成高速采樣系統。具體實現方案如圖1所示。

圖1 光電混合交織采樣框圖

交織采樣技術的關鍵是光纖延遲網絡(OTTD)能做到的延遲精度是否足夠高。如果延遲精度滿足ps級，那么將可以利用多片AD芯片提高總體采樣率。舉例來說，fsignal=2GHz，OTTD延遲精度Δτ=10ps，那么可以利用的AD片數NAD=ΔTsignal/Δτ=50，能達到的最大采樣率fsmax=NfCLK=25GHz(設fCLK=0.5GHz)。

2 性能評估

理想情況下，AD采樣嚴格遵守采樣定律，按照采樣時鐘周期等間隔采樣。但實際情況下，受環境(如溫度、器件工藝)影響，采樣時鐘會左右抖動，如圖2所示。

圖2 AD非理想采樣圖

同時采樣后電平經過數字化量化，會存在量化誤差。由于AD的采樣過程是一種非線性量化過程，很難從理論上對其進行分析。AD采樣后進行數字信號處理算法，通常用有效位數ENOB來衡量其性能。針對交織采樣技術方案，采用MATLAB平臺仿真評價其性能。

2.1 光延遲精度對AD的影響

光纖真延遲網絡和理想值相比會有一個精度誤差。當多片采樣后再擬合成一路時，效果上相當于AD采樣時鐘抖動對信噪比和有效位數的影響。仿真中，假定光纖真延遲誤差服從高斯正態分布。

基本參數設置：采樣率fs=2.5GHz，中頻f0=fs3/4=1.875GHz，中頻帶寬BW=1GHz。采用4片AD芯片完成交織采樣，N=3,單片的采樣率為fCLK=2.5/4 = 0.625GHz。

當P_signal=0dBm(-1dBFS)時，仿真圖形如圖3～4所示。

圖3 信噪比與延遲精度的關系

圖4 有效位數與延遲精度的關系

1) 從圖3～4看出，在中頻處理帶寬內，信號頻率越高，信噪比和有效位數越低。這是因為頻率越高越接近采樣頻率，相同的延遲誤差帶來更大的量化誤差。

2) 從仿真看，在中頻處理帶寬內，延遲精度在1ps以內，有效位數能保持5.8以上，相應的動態范圍在36dB以上。而延遲精度在0.5ps以內，有效位數能保持6.7以上，相應的動態范圍在42dB以上，這基本上和目前為止主流的8bit分辨率的AD芯片(如ADC083000)所能達到的動態范圍相近。如果延遲精度達到0.1ps, 有效位數能保持9.0以上,相應的動態范圍能達到56dB以上，此時可以選用更高分辨率(如ADS5400，分辨率為12)、更多的電學AD來實現交織采樣。

3) 結合工程應用看，采樣率2.5GHz,采樣周期為400ps,假設射頻信號經過光纖調制后調制到193.1THz(對應波長1553.6nm)后在光纖中的傳輸折射率為2，那么三路之間的光纖長度為6cm、12cm、18cm，0.5ps延遲精度誤差對應的長度為0.075mm。

2.2 多片功率不一致性對AD的影響

對于光纖真延遲交織采樣技術來說，由于信號一分多路，分別注入到N片AD芯片中處理，單片以fs/N采樣，再合成一路實現高速率fs采樣。由于前端光通道以及射頻通道功率上的不一致性，將導致合成一路后的采樣數據與理想值相比具有一定的誤差，會帶來不利的影響。由于AD變換的非線性，很難通過公式推導獲得，所以擬采用MATLAB仿真來研究其影響。在單片AD內部的分相，由于AD內部具有采樣/保持電路，其多相幅度偏差對AD性能的影響放在實際AD的指標中考慮，此處假設完全是理想的。建立功率不平衡時AD采樣仿真數學模型,如圖5所示。

圖5 功率不平衡時AD采樣圖

假設以x1(t)為參考標準：

x1(t)=A1sin(2πf0t+φ0)

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

圖6 功率不平衡產生的虛假諧波仿真圖

從圖6可以看出，四路信號幅度的不一致性(也叫失配)經過四路交織采樣合成一路后會帶來諧波，諧波的頻率(圖中數字標注的部分)和輸入信號頻率相關，與微波通道接收前端不同的是，這種諧波由于AD的數字采樣會折疊到中頻處理帶寬內而無法濾除。這種情況下，幅度不一致性對接收機帶來的不利影響突出表現為諧波而非由于失配產生的虛擬噪聲電平，這一點與光纖真延遲精度誤差表現效果不同。

這種情形下，為了不產生虛警，數字接收機的門限應大于最大級諧波電平。定量來看，P1=-1dBm,ΔP為2、1、0.5、0.1dB情況下，AD的SFDR分別為25、31、37、50dB，有效位數ENOB分別為3.8、4.8 、5.8 、8.0bits。

圖7 SFDR與功率失配仿真

圖8 ENOB與功率失配仿真圖

從圖7～8可以看出，光電混合交織采樣方案中AD的無虛假動態范圍和有效位數隨四路信號功率不平衡度增加而降低。當不平衡度為0.5dB時，SFDR能達到27dB，有效位數ENOB為4.2。當不平衡度為0.1dB時，SFDR能達到39dB，有效位數ENOB為6.2，這基本上已經接近了目前廣泛商用的主流AD器件(如ADC083000)所能達到的指標。此時可以選用更高端的電學AD器件以進一步提高其性能。此外，隨輸入信號頻率的不同，在整個中頻帶寬內的動態范圍和有效位數會有細微的差別。

3 結束語

本文介紹了基于光纖真延遲的信號交織采樣技術的基本原理，并給出了仿真結果。該方法在提高采樣率方面具有優勢，仿真結果表明，在真延遲精度保證10ps的情況下，AD的性能指標和當前主流芯片所能滿足的指標在一個量級上，而其通過多片交織則可以大幅度地提高采樣率。因此它對于未來工程化應用具有一定的探索意義，如果真延遲精度和多片的功率匹配度滿足一定的精度要求，那么該方法是可以工程化應用的?！?/p>

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Signal interleaved sampling technology based on optic true time delay

Hou Wendong, Ji Zhenhai, Ning Yong

(No.8511 Research Institute of CASIC, Nanjing 210007, Jiangsu, China)

In order to solve the proplems of implement in the big instantaneous bandwidth electronic reconnaissance, a new interleaved sampling method derived of DEMUX model of the high speed AD is proposed based on optic true time delay line technology, and the efficiency is proved by simulations.

optic true time delay;interleaved sampling ;AD capability index

2014-06-30；2015-01-20修回。

侯文棟(1982-)，男，工程師，碩士，主要研究方向為光電對抗技術。

TN971

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