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模数转换器(ADC)是现代数字处理技术(DSP）的核心器件，在高速通信系统、雷达系统、医学生物成像系统和先进实验室设备等领域具有重要应用。然而，电ADC的采样率和模拟带宽受限于采样时钟抖动、采样保持电路建立时间、比较器模糊等因素。近年来，诸多基于光子学方法的模数转换器（PADC）先后被提出，与电ADC相比，它具有较低采样时钟抖动、高稳定、大带宽等优点。基于时间拉伸的光子模数转换（PTS-ADC）系统是PADC中的一种，虽然有效比特位（ENOB）受限于较大的传输损耗，相比于其他PADC系统略低，但可实现超高采样率和超宽模拟带宽。本文的研究重点是基于时间拉伸的瞬态信号光模数转换系统，包括：数字域滤波算法研究、光纤非线性效应对系统性能影响、基于自相位调制效应的瞬态信号PTS-ADC系统以及PTS-ADC系统样机设计与性能测试。本文的主要内容包括以下几个方面：首先，本文对PTS-ADC系统链路进行数学建模分析及仿真。重点研究了数字域滤波算法有效去除频谱非均匀性导致的模拟信号幅度失真，利用该算法在实验上得到了拉伸倍数为8.2、采样率200GSa/s、最大模拟带宽65GHz、信噪比24.2dB，有效比特位3.73的瞬态信号PTS-ADC系统。紧接着，介绍了瞬态信号PTS-ADC系统样机基本架构、版图设计以及样机的实物图和实验测试结果分析。接下来，本文从理论推导、数值仿真和实验验证三个方面综合分析了光纤中非线性效应对系统性能的影响，包括：系统功率传输函数、载波与谐波功率比（CIR）。结果表明：第一段色散光纤中的非线性效应不会使得被采样模拟信号失真，相反地会提高系统带宽和CIR；而第二段色散光纤中的非线性效应则会恶化系统性能，应予以避免。最后，本文还提出了基于自相位调制效应的瞬态信号PTS-ADC系统，其主要原理是通过利用色散光纤中的自相位效应促进色散效应对光脉冲时域和频谱的展宽，不仅减少色散光纤长度，还可提高系统信噪比（SNR）和ENOB。基于自相位调制效应的系统与传统系统相比，所需总色散量由-2790ps/nm减少到-1750ps/nm，系统的SNR提高3.3dB，ENOB提高0.53bit。