侯文棟，冀貞海，寧 勇

(中國航天科工集團(tuán)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(shù)研究

侯文棟，冀貞海，寧 勇

(中國航天科工集團(tuán)8511研究所，江蘇 南京 210007)

為了解決電子偵察系統(tǒng)大瞬時(shí)處理帶寬難以實(shí)現(xiàn)的問題,參考借鑒目前主流高速AD器件內(nèi)部的DEMUX模式，結(jié)合光纖真延遲技術(shù)，提出了一種利用光纖真延遲線控制精確時(shí)延的信號交織采樣技術(shù)，仿真結(jié)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(biāo)

0 引言

當(dāng)前,主流的電子偵察系統(tǒng)都要求盡量大的瞬時(shí)處理帶寬、高速信號處理能力，而基于純電學(xué)采樣的接收機(jī)性能受AD器件限制，瞬時(shí)處理帶寬只能達(dá)到1GHz,再發(fā)展這種體制的接收機(jī)則面臨著瓶頸問題，短期內(nèi)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(nèi)部的DEMUX模式的原理，結(jié)合光纖真延遲技術(shù)提出了一種利用光纖真延遲線控制精確時(shí)延的信號交織采樣技術(shù)。該技術(shù)最關(guān)鍵的兩個(gè)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(diào)制信號必須具有良好的功率一致性。該技術(shù)對切實(shí)提高電子偵察系統(tǒng)的瞬時(shí)帶寬提供了一種可能實(shí)現(xiàn)的途徑，如果真正工程化應(yīng)用，將會有效提升電子偵察系統(tǒng)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(shù)的基本原理是將電學(xué)被采樣信號經(jīng)過電光調(diào)制器調(diào)制到光學(xué)載波上去，然后經(jīng)過光分路器分成N路，嚴(yán)格控制N路光學(xué)信號之間的時(shí)間差，N路光學(xué)信號經(jīng)過光電檢測器轉(zhuǎn)化為電學(xué)信號，分別注入到N片電學(xué)A/D器件，然后將N路采樣信號拼接成高速采樣系統(tǒng)。具體實(shí)現(xiàn)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(shù)的關(guān)鍵是光纖延遲網(wǎng)絡(luò)(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(shù)NAD=ΔTsignal/Δτ=50，能達(dá)到的最大采樣率fsmax=NfCLK=25GHz(設(shè)fCLK=0.5GHz)。

2 性能評估

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

圖2 AD非理想采樣圖

同時(shí)采樣后電平經(jīng)過數(shù)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(jìn)行分析。AD采樣后進(jìn)行數(shù)字信號處理算法，通常用有效位數(shù)ENOB來衡量其性能。針對交織采樣技術(shù)方案，采用MATLAB平臺仿真評價(jià)其性能。

2.1 光延遲精度對AD的影響

光纖真延遲網(wǎng)絡(luò)和理想值相比會有一個(gè)精度誤差。當(dāng)多片采樣后再擬合成一路時(shí)，效果上相當(dāng)于AD采樣時(shí)鐘抖動對信噪比和有效位數(shù)的影響。仿真中，假定光纖真延遲誤差服從高斯正態(tài)分布。

基本參數(shù)設(shè)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(dāng)P_signal=0dBm(-1dBFS)時(shí)，仿真圖形如圖3～4所示。

圖3 信噪比與延遲精度的關(guān)系

圖4 有效位數(shù)與延遲精度的關(guān)系

1) 從圖3～4看出，在中頻處理帶寬內(nèi)，信號頻率越高，信噪比和有效位數(shù)越低。這是因?yàn)轭l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(nèi)，延遲精度在1ps以內(nèi)，有效位數(shù)能保持5.8以上，相應(yīng)的動態(tài)范圍在36dB以上。而延遲精度在0.5ps以內(nèi)，有效位數(shù)能保持6.7以上，相應(yīng)的動態(tài)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(dá)到的動態(tài)范圍相近。如果延遲精度達(dá)到0.1ps, 有效位數(shù)能保持9.0以上,相應(yīng)的動態(tài)范圍能達(dá)到56dB以上，此時(shí)可以選用更高分辨率(如ADS5400，分辨率為12)、更多的電學(xué)AD來實(shí)現(xiàn)交織采樣。

3) 結(jié)合工程應(yīng)用看，采樣率2.5GHz,采樣周期為400ps,假設(shè)射頻信號經(jīng)過光纖調(diào)制后調(diào)制到193.1THz(對應(yīng)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(yīng)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(shù)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(shí)現(xiàn)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(dǎo)致合成一路后的采樣數(shù)據(jù)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(dǎo)獲得，所以擬采用MATLAB仿真來研究其影響。在單片AD內(nèi)部的分相，由于AD內(nèi)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(shí)際AD的指標(biāo)中考慮，此處假設(shè)完全是理想的。建立功率不平衡時(shí)AD采樣仿真數(shù)學(xué)模型,如圖5所示。

圖5 功率不平衡時(shí)AD采樣圖

假設(shè)以x1(t)為參考標(biāo)準(zhǔn)：

x1(t)=A1sin(2πf0t+φ0)

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

圖6 功率不平衡產(chǎn)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(jīng)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(shù)字標(biāo)注的部分)和輸入信號頻率相關(guān)，與微波通道接收前端不同的是，這種諧波由于AD的數(shù)字采樣會折疊到中頻處理帶寬內(nèi)而無法濾除。這種情況下，幅度不一致性對接收機(jī)帶來的不利影響突出表現(xiàn)為諧波而非由于失配產(chǎn)生的虛擬噪聲電平，這一點(diǎn)與光纖真延遲精度誤差表現(xiàn)效果不同。

這種情形下，為了不產(chǎn)生虛警，數(shù)字接收機(jī)的門限應(yīng)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(shù)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(tài)范圍和有效位數(shù)隨四路信號功率不平衡度增加而降低。當(dāng)不平衡度為0.5dB時(shí)，SFDR能達(dá)到27dB，有效位數(shù)ENOB為4.2。當(dāng)不平衡度為0.1dB時(shí)，SFDR能達(dá)到39dB，有效位數(shù)ENOB為6.2，這基本上已經(jīng)接近了目前廣泛商用的主流AD器件(如ADC083000)所能達(dá)到的指標(biāo)。此時(shí)可以選用更高端的電學(xué)AD器件以進(jìn)一步提高其性能。此外，隨輸入信號頻率的不同，在整個(gè)中頻帶寬內(nèi)的動態(tài)范圍和有效位數(shù)會有細(xì)微的差別。

3 結(jié)束語

本文介紹了基于光纖真延遲的信號交織采樣技術(shù)的基本原理，并給出了仿真結(jié)果。該方法在提高采樣率方面具有優(yōu)勢，仿真結(jié)果表明，在真延遲精度保證10ps的情況下，AD的性能指標(biāo)和當(dāng)前主流芯片所能滿足的指標(biāo)在一個(gè)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(yīng)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(yīng)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?yàn)楣怆妼辜夹g(shù)。

TN971

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