基于光纤真延迟的信号交织采样技术研究

侯文栋，冀贞海，宁 勇

(中国航天科工集团8511研究所，江苏 南京 210007)

基于光纤真延迟的信号交织采样技术研究

侯文栋，冀贞海，宁 勇

(中国航天科工集团8511研究所，江苏 南京 210007)

为了解决电子侦察系统大瞬时处理带宽难以实现的问题,参考借鉴目前主流高速AD器件内部的DEMUX模式，结合光纤真延迟技术，提出了一种利用光纤真延迟线控制精确时延的信号交织采样技术，仿真结果证明了该方法的有效性。

光纤真延迟；交织采样；AD性能指标

0 引言

当前,主流的电子侦察系统都要求尽量大的瞬时处理带宽、高速信号处理能力，而基于纯电学采样的接收机性能受AD器件限制，瞬时处理带宽只能达到1GHz,再发展这种体制的接收机则面临着瓶颈问题，短期内难以突破。

为了有效解决这一问题，本文参考了主流高速AD器件内部的DEMUX模式的原理，结合光纤真延迟技术提出了一种利用光纤真延迟线控制精确时延的信号交织采样技术。该技术最关键的两个方面是：1)多路光纤真延迟线必须具有高的延迟精度；2)多路光纤延迟线光调制信号必须具有良好的功率一致性。该技术对切实提高电子侦察系统的瞬时带宽提供了一种可能实现的途径，如果真正工程化应用，将会有效提升电子侦察系统的处理性能。

1 工作原理

基于光纤真延迟的信号交织采样技术的基本原理是将电学被采样信号经过电光调制器调制到光学载波上去，然后经过光分路器分成N路，严格控制N路光学信号之间的时间差，N路光学信号经过光电检测器转化为电学信号，分别注入到N片电学A/D器件，然后将N路采样信号拼接成高速采样系统。具体实现方案如图1所示。

图1 光电混合交织采样框图

交织采样技术的关键是光纤延迟网络(OTTD)能做到的延迟精度是否足够高。如果延迟精度满足ps级，那么将可以利用多片AD芯片提高总体采样率。举例来说，fsignal=2GHz，OTTD延迟精度Δτ=10ps，那么可以利用的AD片数NAD=ΔTsignal/Δτ=50，能达到的最大采样率fsmax=NfCLK=25GHz(设fCLK=0.5GHz)。

2 性能评估

理想情况下，AD采样严格遵守采样定律，按照采样时钟周期等间隔采样。但实际情况下，受环境(如温度、器件工艺)影响，采样时钟会左右抖动，如图2所示。

图2 AD非理想采样图

同时采样后电平经过数字化量化，会存在量化误差。由于AD的采样过程是一种非线性量化过程，很难从理论上对其进行分析。AD采样后进行数字信号处理算法，通常用有效位数ENOB来衡量其性能。针对交织采样技术方案，采用MATLAB平台仿真评价其性能。

2.1 光延迟精度对AD的影响

光纤真延迟网络和理想值相比会有一个精度误差。当多片采样后再拟合成一路时，效果上相当于AD采样时钟抖动对信噪比和有效位数的影响。仿真中，假定光纤真延迟误差服从高斯正态分布。

基本参数设置：采样率fs=2.5GHz，中频f0=fs3/4=1.875GHz，中频带宽BW=1GHz。采用4片AD芯片完成交织采样，N=3,单片的采样率为fCLK=2.5/4 = 0.625GHz。

当P_signal=0dBm(-1dBFS)时，仿真图形如图3～4所示。

图3 信噪比与延迟精度的关系

图4 有效位数与延迟精度的关系

1) 从图3～4看出，在中频处理带宽内，信号频率越高，信噪比和有效位数越低。这是因为频率越高越接近采样频率，相同的延迟误差带来更大的量化误差。

2) 从仿真看，在中频处理带宽内，延迟精度在1ps以内，有效位数能保持5.8以上，相应的动态范围在36dB以上。而延迟精度在0.5ps以内，有效位数能保持6.7以上，相应的动态范围在42dB以上，这基本上和目前为止主流的8bit分辨率的AD芯片(如ADC083000)所能达到的动态范围相近。如果延迟精度达到0.1ps, 有效位数能保持9.0以上,相应的动态范围能达到56dB以上，此时可以选用更高分辨率(如ADS5400，分辨率为12)、更多的电学AD来实现交织采样。

3) 结合工程应用看，采样率2.5GHz,采样周期为400ps,假设射频信号经过光纤调制后调制到193.1THz(对应波长1553.6nm)后在光纤中的传输折射率为2，那么三路之间的光纤长度为6cm、12cm、18cm，0.5ps延迟精度误差对应的长度为0.075mm。

2.2 多片功率不一致性对AD的影响

对于光纤真延迟交织采样技术来说，由于信号一分多路，分别注入到N片AD芯片中处理，单片以fs/N采样，再合成一路实现高速率fs采样。由于前端光通道以及射频通道功率上的不一致性，将导致合成一路后的采样数据与理想值相比具有一定的误差，会带来不利的影响。由于AD变换的非线性，很难通过公式推导获得，所以拟采用MATLAB仿真来研究其影响。在单片AD内部的分相，由于AD内部具有采样/保持电路，其多相幅度偏差对AD性能的影响放在实际AD的指标中考虑，此处假设完全是理想的。建立功率不平衡时AD采样仿真数学模型,如图5所示。

图5 功率不平衡时AD采样图

假设以x1(t)为参考标准：

x1(t)=A1sin(2πf0t+φ0)

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

图6 功率不平衡产生的虚假谐波仿真图

从图6可以看出，四路信号幅度的不一致性(也叫失配)经过四路交织采样合成一路后会带来谐波，谐波的频率(图中数字标注的部分)和输入信号频率相关，与微波通道接收前端不同的是，这种谐波由于AD的数字采样会折叠到中频处理带宽内而无法滤除。这种情况下，幅度不一致性对接收机带来的不利影响突出表现为谐波而非由于失配产生的虚拟噪声电平，这一点与光纤真延迟精度误差表现效果不同。

这种情形下，为了不产生虚警，数字接收机的门限应大于最大级谐波电平。定量来看，P1=-1dBm,ΔP为2、1、0.5、0.1dB情况下，AD的SFDR分别为25、31、37、50dB，有效位数ENOB分别为3.8、4.8 、5.8 、8.0bits。

图7 SFDR与功率失配仿真

图8 ENOB与功率失配仿真图

从图7～8可以看出，光电混合交织采样方案中AD的无虚假动态范围和有效位数随四路信号功率不平衡度增加而降低。当不平衡度为0.5dB时，SFDR能达到27dB，有效位数ENOB为4.2。当不平衡度为0.1dB时，SFDR能达到39dB，有效位数ENOB为6.2，这基本上已经接近了目前广泛商用的主流AD器件(如ADC083000)所能达到的指标。此时可以选用更高端的电学AD器件以进一步提高其性能。此外，随输入信号频率的不同，在整个中频带宽内的动态范围和有效位数会有细微的差别。

3 结束语

本文介绍了基于光纤真延迟的信号交织采样技术的基本原理，并给出了仿真结果。该方法在提高采样率方面具有优势，仿真结果表明，在真延迟精度保证10ps的情况下，AD的性能指标和当前主流芯片所能满足的指标在一个量级上，而其通过多片交织则可以大幅度地提高采样率。因此它对于未来工程化应用具有一定的探索意义，如果真延迟精度和多片的功率匹配度满足一定的精度要求，那么该方法是可以工程化应用的。■

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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。

侯文栋(1982-)，男，工程师，硕士，主要研究方向为光电对抗技术。

TN971

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