信号处理器装置的制作方法

信号处理器装置
1.本发明涉及一种信号处理器装置。
2.信号出现在几乎每一个学科中。分析这些信号的时间和光谱行为是推动各种各样科学进步的关键：从基础生物学和物理学，到工程学和新技术的开发，例如电信技术的进步。
3.传统系统在进行数字信号处理以捕获信号特征之前，使用高速模拟数字转换器(analogue to digital converter，adc)将接收到的模拟信号(电压或电流)数字化。然而，在处理当前科学研究中或设计现代信息技术时可能出现的高频、宽带信号时，这种方法面临着巨大的挑战。在处理高频信号时，adc的速度和精度之间的基本权衡导致精度显著降低。此外，由于adc的速度也与其晶体管尺寸成反比，当要求更高速度的adc时，目前的最小晶体管尺寸(约7-14nm)进一步使得精度降低。而且，处理器中每秒指令数的限制(即处理器时钟频率)正在接近由硅处理器中的量子效应和热效应设定的速度上限。这就排除了使用复杂的dsp(如深度学习算法)来实时识别信号和揭示对信号的洞察。
4.如图1所示，改进上述的一种方法是使用双梳技术。来自公共激光源10的光被分开，并用于为两个光梳发生器(photonic comb generator)12、14产生种子光。第一光梳发生器12的输出将被称为信号梳，第二光梳发生器14的输出将被称为lo梳(local oscillator comb，本地振荡器梳)。信号梳的音调(tone)间距为f
sig
，lo梳的音调间距为f
ref
，与f
sig
相差频率差δf。在这种情况下f
ref
＝f
sig
δf。在调制器16处通过正被处理的信号x(t)调制信号梳，然后在合成器18处将其与lo梳合成。然后由光谱滤波器单元20将该合成信号分离到通道间距为f
sig
的n个通道。当第n个通道入射到相应的光接收器prn上时，lo梳的第n个音调与信号梳的第n个经调制的音调之间的拍音(beating)将产生以频率nδf为中心的基带信号。然后可以用一组n个adc查询(interrogate)正被处理的原始信号的n个宽度为δf的光谱切片(即子带)。并行检测意味着每个子带都可以用低噪声光接收器进行检测，并使用低速但高分辨率adc进行数字化，并且如果需要，可以以超过单个宽带adc基本限制的分辨率重构整个信号频谱。也就是说，在模拟数字转换之前，宽带信号检测的问题已经转化为多个子带宽信号的并行检测。这就允许一组低速但高分辨率的adc并行工作，大大降低了adc的速度和精度要求。此外，光学光谱分解使得能够实现子带的并行数字信号处理(digital signal processing，dsp)，而不需要任何电子处理来将输入信号分解到子带。
5.然而，为了重构原始信号，图1的技术需要对所有子带进行相干检测。这就需要使用昂贵的相干接收机，其由于相干混合通常具有额外损耗，导致性能显著下降和成本增加。
6.鉴于上述问题，提出了本发明。
7.相应地，本发明提供了一种信号处理器装置，包括：
8.第一光梳发生器，用于生成具有第一音调间距的第一梳；
9.第二光梳发生器，用于生成具有第二音调间距的第二梳，第二音调间距不同于所述第一梳间距；
10.调制器，被布置用于用模拟输入信号调制第一梳；
11.合成器，用于将经调制的第一梳与第二梳合成，并将合成结果导向第一臂和第二
臂；
12.每个臂的光谱滤波器单元，用于将每个臂分成多个子带；以及
13.多个光电探测器，每个臂的每个子带设置一个，每个光电探测器用于输出在输入信号的相应子带上携带信息的电信号，
14.该装置还包括：
15.移相器，用于在合成器之前调节第一梳和第二梳彼此之间的相对相位；
16.传感器系统，用于产生与合成器处的第一梳和第二梳之间的相位差有关的输出；以及
17.控制器，被布置用于根据传感器系统的输出来控制移相器。
18.本发明的实施例利用频率梳的自然对称性，以使得能够实现对任意信号x(t)的同相和正交分量的检测，从而可以实现全场(幅值和相位)检测。
19.本发明的其他方面在从属权利要求中定义。
20.现在将参考附图通过仅示例的方式描述本发明的实施例，附图中：
21.图1是采用双梳检测技术的装置的示意图；
22.图2是根据本发明第一实施例的信号处理器装置的示意图；
23.图3是光梳的一个经调制的音调的示意图，示出了划分为子带的上边带和下边带，以帮助解释本发明的实施例；
24.图4是根据本发明第二实施例的信号处理器装置的示意图；
25.图5是光梳的频谱示意图，以帮助解释本发明第二实施例。
26.在附图中，类似的部件由类似的附图标记给出，并省略了重复的描述。本文使用的“光(photonic)”、“光学(optical)”和“光(light)”等术语并不以任何方式将主题限于可见光，而是包含电磁波谱的任何合适区域，至少包括红外线(infra-red，ir)、可见光和紫外线(ultra-violet，uv)。
27.本发明第一实施例如图2所示。如上所述，相干光源10为第一、第二光梳发生器12、14产生种子光。所产生的每个光梳有效地包括一系列离散的、均匀间隔的频率，称为“音调”。为简洁起见，本文将“光梳”简称为“梳”。然而，两个梳的音调间距是不同的。
28.由调制器16将模拟输入信号x(t)调制到第一梳(信号梳)上。这本质上将信号传递到梳的每个音调上，每个音调都携带输入信号的完整信息。图3示意性地示出了以原始音调频率(tone frequency)tf(即载波)为中心的一个经调制的音调的作为结果的频谱，其现在具有与输入(调制)信号的带宽相关的带宽b。该频谱包括在原始音调频率tf以上的频率的上边带和在原始音调频率tf以下的频率的下边带。原始宽带信号可分为n个子带；这些子带在上边带中被示为标记为s1到s
n/2
的切片，在下边带中被示为标记为s-1
到s-n/2
的切片。每个子带中信号的实际幅值和相位没有在图3中示出，其将取决于输入信号。然而，对于任何实输入信号，子带具有si为s-i
的复共轭的对称性。这是由于任何实值信号x(t)的傅里叶变换的性质。这一特性和如图3所示的频谱针对经调制的梳的每个音调重复。
29.参考回图2，然后由合成器30将经调制的第一梳(信号梳)与第二梳(lo梳)合成。在本发明的这些实施例中，合成器30是耦合器/分离器(为了简便，称为合成器)，使得第一梳在两个输出臂32、34之间被分离，第二梳也在两个输出臂32、34之间被分离，并且使得两个梳中导向每个臂的分量被耦合以产生作为结果的场的“合成”或叠加。两个输出臂32、34可
被任意指定为“上臂”和“下臂”。在该优选实施例中，合成器30的分离比为50:50或在合理的实际情况下尽可能接近基本上50:50。合成器30也可以具有传递函数，使得从其中一个输入到一个输出臂的信号相对于传输到另一个输出臂的同一信号有90度(π/2)的相移，如本领域众所周知的。
30.每个臂32、34现在被导向相应的光谱滤波器单元36。每个光谱滤波器单元36对来自每个臂32、34的相应光进行划分，使得来自信号梳的单独经调制的梳音调的光被导向单独的光电探测器(photodetector)pd(即光谱滤波器单元执行波长解复用的功能，将来自每个臂的光信号分离到间距为f
sig
的通道)。每个臂中来自lo梳的每个梳音调的光类似地由光谱滤光器单元36引导。是光电探测器处的信号梳音调和偏移lo梳音调的拍音选择输入信号的光谱切片(即子带)并将其下变频到该光电探测器pd处检测的基带。子带间距是δf，即第一梳和第二梳(信号梳和lo梳)的音调间距之差。为每个臂中从s-n/2
到s
n/2
的每个子带提供光电探测器pd。将一个臂中的第k个子带的信号从另一个臂中的第k个子带中减去以产生差信号，该差信号是输入信号中针对该子带的同相分量或正交分量。这可以通过将同一子带(在第一臂和第二臂中)的两个探测器布置为平衡光电探测器(即一对连接的探测器，使得输出代表两个探测器的差信号)而方便地实现。
31.可以看出，对于在合成器30处合成的梳之间的特定相位关系，每个上子带sk(t)的差信号对应于输入信号中针对该子带的正交(虚)分量im{sk(t)}，每个下子带s-k
(t)的差信号对应于输入信号中针对该子带的同相(实)分量re{sk(t)}[如果相位关系不同于上述特定相位关系，和/或如果将下臂子带从上臂子带中减去而不是反过来，则上臂子带可产生输入信号的同相分量，而下臂子带可产生输入信号的正交分量]。
[0032]
adc阵列(未示出)现在可以对每个子带的同相分量和正交分量进行数字化。输入信号的全场信息现在处于数字域，可以根据需要使用数字信号处理(dsp)对其进行进一步处理，或保持为单独的子带，或重构原始宽带信号。
[0033]
如上所述，为了使该方案得以工作，当两个梳合成时，它们之间必须有特定的相位关系(或相位偏移)，以获得正确的干涉。然而，光程长度不匹配结合热效应和振动效应可能导致相位偏移漂移，从而将导致对输入信号的错误检测。为了避免这种情况，本发明实施例提供了光学锁相环，以将两个梳之间的相位偏移锁定在
±
45度(π/4)。如图2所示，一种实现方式使用抽头耦合器50来提取臂32、34之一中的小部分信号，例如百分之几的信号。然后由光电探测器52对此进行检测，光电探测器52的输出传递到控制器54。光电探测器52产生输出电流或电压，该输出电流或电压作为梳之间相位偏移的函数而变化。光电探测器52可以是慢速或窄带探测器，使得有输入信号的一些积分。然后，控制器54控制移相器56，移相器56调节一个梳相对于另一个梳的相位。
[0034]
为了获得必要的45度相移，首先对控制器进行校准。将移相器56扫过一个移动范围，以测量光电探测器52处可从抽头耦合器50获得的最大功率(pmax)和最小功率(pmin)(这可以在没有输入信号的情况下完成)。这些功率将对应于0度或180度的相位偏移，这取决于合成器30的传递函数，以及功率是在上臂32还是下臂34中测量。
[0035]
然后将控制器54设置为控制移相器56使得测量的功率处于预先确定的电平：
[0036]
[0037]
或
[0038][0039]
这提供了恒定的基本上45度的相位偏移，使得输入信号子带能够如上文所述和图2所示的从上下臂中子带之间的差值进行重构。
[0040]
这两个梳将只有单个共同的音调，该单个共同的音调处于光梳发生器12、14使用的种子激光的频率，并通常被称为梳的中心音调，但不一定是在梳的字面上的中心处。这两个音调的干扰有效地使得一个臂的平均功率随着梳之间的相位偏移的调节而发生变化；这两个梳的其他音调贡献了总体的背景功率电平。因此，包括传感器(抽头耦合器50加上光电探测器52)、控制器54和移相器56的锁相环有效地锁定了两个梳的公共音调或“中心”音调的相位，但这有锁定两个梳整体之间的相位偏移的效果(对于跨梳的宽度均匀调节相位的移相器)。还可以认为，从合成器30经由上臂32和经由下臂34到每个光电探测器pd的光程长度是相同的，以确保正确的信号重构(或者任何路径差是恒定的且是可以补偿的)。
[0041]
本发明的第二实施例如图4所示，其可以具有比第一实施例高3db的基本信噪比。在这种情况下，锁相环被设置为通过最大化或最小化其中一个臂32、34中的功率来将两个梳的公共音调的相位锁定在0或180度。
[0042]
然而，除了图2的第一实施例的组件外，在图4的第二实施例中，还有光学处理器60，其在合成器30之前对其中一个梳进行操作。光学处理器被布置用于在该梳的低于预定频率的音调和该梳的高于预定频率的音调之间创建90度相移。参考图5对此进行解释，图5示意性地将梳的音调示为振幅与频率的关系图。预定频率为pf；低于预定频率的音调形成低梳部分(lower comb portion)lc，高于预定频率的音调形成高梳部分(upper comb portion)uc。光学处理器在低梳部分lc和高梳部分uc之间创建90度的相位偏移(如图5的下部分所示)。这可以通过以下方式实现：使高梳向前移动或延后90度而低梳保持不变，或使低梳向前移动或延后90度而高梳保持不变，或将高梳或低梳中的一个移动 45度并将高梳或低梳中的另一个移动-45度，或通过任何中间合成使得净效果为高梳部分uc和低梳部分lc之间的相位偏移为90度。
[0043]
公共音调(common tone)ct频率(对于第一梳和第二梳是公共的；等于种子频率)如果低于预定频率pf，将位于低梳部分lc(如图5所示)，或者如果其高于预定频率pf，将位于高梳部分uc。移相器56调节一个梳的所有音调相对于另一梳的相位，但不改变其所操作的梳中高梳部分uc和低梳部分lc之间的相对相位偏移。锁相环动态地最大化或最小化其中一个臂中的功率；这相当于在两梳(信号梳和lo梳)之间将公共音调的相位锁定在0或180度。如果公共音调ct位于低梳部分lc中，那么低梳部分中的所有音调也相对于另一梳锁定在0或180度，而高梳部分uc中的音调将相对于另一梳锁定在90或270(-90)度。如果公共音调ct位于高梳部分uc中，那么高梳部分中的所有音调也相对于另一梳锁定在0或180度，而低梳部分lc中的音调将相对于另一梳锁定在90或270度。由于梳的自然对称性和经输入信号调制的梳的上下边带之间的对称性，可以看出，可以使用与前面相同的检测方案来获取每个子带的同相分量和正交分量，从而可以捕获每个子带的全场信息。如在第一实施例中那样，捕获的信息可以很容易地由传统adc转换到数字域，然后经历dsp。
[0044]
在上述实施例中，通过使用上下边带和全频梳，充分利用了所有光功率；由于上臂
和下臂都被使用，所以没有功率被丢弃。这提高了系统性能和效率。此外，锁相环保护设备免受环境扰动，并允许连续实时的信号分析。
[0045]
变型和实施方式
[0046]
用于本发明实施例的激光源10的一个示例是电子通信中已知的功率为3w、波长为1550nm或1300nm的连续波红外激光器。
[0047]
一个示例中的光梳发生器12、14具有26ghz(信号梳)和27ghz(lo梳)的音调间距，并产生24个音调。已知超宽带频率梳的自由光谱范围远远超过100ghz，接近1000ghz。光梳发生器12、14可以产生光梳的方法的两个示例是通过对种子激光进行相位和/或振幅调制，或通过在适当的非线性介质中进行四波混合。
[0048]
调制器16可以包括马赫-曾德尔调制器(mach-zender modulator，mzm)，例如使用铌酸锂，带宽为至少50ghz或约100ghz，以电子形式由输入信号调制。
[0049]
使用这些组件，该装置可以被配置为全场adc，用于带宽为至少10ghz的输入信号，如至少20ghz，至少50ghz，或理想情况下至少100ghz。
[0050]
在优选实施例中，光在波导(如光纤)中传输通过该装置，并且合成器30是全光纤设备。
[0051]
移相器56如图2和图4所示，可以单独作用于lo梳，但同样可以作用于信号梳，也可以作用于两个梳。移相器56可以使用任何合适的原理操作，例如压电，热或电流驱动。
[0052]
同样，图4中的光学处理器60可以作用于lo梳或信号梳，并且可以在移相器56之前或之后，或者在调制器16之前或之后。光学处理器60例如可以是光栅或商业上可用的波形整形器。理想情况下，将高梳部分uc和低梳部分lc分开的预定频率pf与公共音调频率ct相邻。
[0053]
抽头耦合器50可以位于任意一个臂32、34上，也可以有两个耦合器，每个臂上各有一个，并带有适当的光电探测器，只要它们构成传感器系统，用于产生与第一梳和第二梳之间的相位差有关的输出。
[0054]
每个光谱滤波器单元36例如可以是阵列波导光栅(arrayed waveguide grating，awg)或波分复用器(wavelength division multiplexer，wdm)(作为信号分离器工作)。
[0055]
如上所述，光电探测器pd可以被布置为平衡对，每对的输出有单个adc。可替代地，每个光电探测器可以配备有自己的adc，然后可以在数字域中进行相减以得到每个子带的同相分量和正交分量。
[0056]
在本发明的优选实施例中，在每个adc之前，每个子带的模拟信号通过低通滤波器(未示出)以提供抗混叠。这种滤波(从输入信号的其余部分)去除在低速adc中会导致混叠的任何高频分量。这种滤波去除了在低速adcs中会导致混叠的任何高频成分(从输入信号的其余部分)。每个adc的带宽(采样率的一半)，以及光电二极管和adc之间的任何模拟电子的带宽，只需为δf/2(子通道宽度的一半)，因为每个子通道只检测经强度调制的信号。用其对称梳线对进行相干求和后，重新得到全子带宽信号。同样，每个低通抗混叠滤波器的截止频率需要至少为δf/2。在实践中，每个adc带宽优选地高于δf/2，这样重叠频率区域可以用来帮助重构全信号。抗混叠滤波器带宽也应等于或大于δf/2，但小于或等于子带adc的奈奎斯特带宽(采样率的一半)(即adc“最大频率”)。在一个具体实施例中，在一个具体实施例中，使用δf＝1ghz，650mhz的低通滤波器和2.4gsps(1.2ghz最大频率)的adc。
[0057]
理论上，对子带宽度或子带数量没有限制。实际上，通过减少每个子带的宽度，在光功率损耗(因为光功率分布在更多的梳线中)与adc分辨率增益之间存在权衡。因此，可以选择子带宽度来提供尽可能符合期望的高分辨率，但同时在每个子带中保持足够的功率。
[0058]
控制器54例如可以是比例微分控制器(特别适用于本发明的第一实施例)、比例积分微分(proportional integral-derivative，pid)控制器或锁定控制器(特别适用于本发明的第二实施例)。
[0059]
根据优选实施例，在一个或另一个梳发生器12、14后放置光学滤波器，或在每个梳发生器12、14后放置各自的滤波器，以抑制梳线之间光域中不期望的噪声。优选地，该滤波器或每个滤波器的滤波函数与频域中各自梳的频谱形状基本匹配。该滤波器或每个滤波器优选地放置在任何另外的光学组件(如调制器16或移相器56)之前。合适的滤波器的一个例子是法布里-珀罗干涉仪/腔(fabry-perot interferometer/cavity)，具有高精细度并且自由光谱范围等于频率梳线。
[0060]
频率梳的线之间的相位噪声是相关的。因此，由两个频率梳引入每个通道的相位噪声也将在所有通道中相关。根据另一个可选实施例，两个未调制梳的一部分被分出，以便可以观察到两个梳之间的任何相位噪声(或抖动)并可能进行纠正。实现这一点的一种方式是分出每个梳发生器12、14的一小部分输出(或从每个梳发生器12、14内的中间阶段获得有代表性的光)。来自两个梳的分出光被合成并由光电探测器检测。可选地，可以在检测前应用光学带通滤波，以便例如选择第一个梳线对。光电探测器的输出由adc转换为数字输出。在数字输出中可以检测到两个未调制频率梳之间的拍音，以便记录梳之间的相对相位波动，然后对相位噪声进行补偿。补偿可以在对主装置输出的宽带信号(或其子带)进行的进一步dsp中完成。可替代地，如果正被处理的信号的某些特征是已知的(例如，数字通信中的调制格式)，那么可以将相位噪声补偿算法应用于接收的信号。这些使用未调制的(或用已知信号调制的)通道来引导相位噪声补偿的技术，可称为使用“导频”或“导频信号”。
[0061]
在本发明的实施例中，可以集成部分或所有光学组件以提供紧凑的或便携的仪器。