Expanding the Dynamic Range of Radio Receivers with Photonic ADCs

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. The field of radio photonics has advanced rapidly, enabling the development of photonic analog-to-digital converters (PADCs) with distinct advantages over traditional electronic ADCs. PADCs offer new opportunities for designing digital radio receivers with enhanced performance. This paper evaluates the potential of PADCs in radio receivers through modeling in specialized software. The study addresses the following objectives: (1) selecting an optimal PADC circuit for a radio receiver, (2) developing a model of a radio receiver incorporating a PADC, (3) fine-tuning the PADC elements’ parameters, (4) validating the model using a test signal mixed with noise, and (5) assessing the performance characteristics of the receiver with a PADC. Modeling. The model of the PADC’s optical circuit was developed using OptiSystem software, which provides an extensive library of optical and electronic components with adjustable parameters. This setup enables a detailed analysis of how individual elements affect PADC performance. OptiSystem also integrates with MATLAB for additional computational capabilities. Established models of circuit components, such as a mode-locked laser with specifications aligned with real-world systems, were incorporated during model development and testing. Results. The resulting model of a digital radio receiver with an all-photonic ADC exhibits the following characteristics: 1) Bit depth – 8 bits, scalable by adding channels; 2) Sampling frequency – Adjustable via pulse repetition rate, reaching up to 100 GHz in the model; 3) Noise considerations – Accounts for intrinsic noise from optical and electronic components. Simulations revealed that a 4 dB increase in insertion loss at the Mach-Zehnder modulator (MZM) could cause signal degradation, which can be mitigated by adjusting the comparator’s response level. Notably, maximizing the photodiode’s thermal noise did not alter the output signal. Conclusion. The proposed digital radio receiver with a PADC achieves a sensitivity of -110 dBm in the absence of external interference. The structure supports signal processing up to 50 GHz without requiring additional filtering or signal transfer components. This design demonstrates the potential of PADCs to enhance the dynamic range and performance of radio receivers.

About the authors

A. E. Denisov

Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev-KAI

Author for correspondence.
Email: denisov.al.ev@yandex.ru
SPIN-code: 3773-8438

PhD student at the Department of Electronic and Quantum Means of Information Transmission, Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev – KAI. Research interests – radio receivers, signal processing methods, and radio photonics. The author of 18 scientific publications. 

Russian Federation, 10, Karl Marx str., Kazan, 420111

D. P. Danilaev

Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev-KAI

Email: denisov.al.ev@yandex.ru
SPIN-code: 9783-7717

Doctor of Engineering Sciences, Associate Professor, Head of the Department of Electronic and Quantum Means of Information Transmission, Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev – KAI. Research interests – radio engineering devices, production organization, training of technical specialists, organization and management of complex dynamic systems. The author of 100 scientific publications.

Russian Federation, 10, Karl Marx str., Kazan, 420111

References

  1. Maram R. et al. Recent trends and advances of silicon-based integrated microwave photonics. Photonics. 2019;6(1):1–13.
  2. Prokhorov D. A., Cherepenin V. A. High-frequency radiophotonic ADC with multichannel signal measurement in spectral intervals. Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2020;84(1):67–72. (In Russ.) doi: 10.31857/S0367676520010184; EDN: OBVBES.
  3. Urick V. D., McKinney D. D., Williams K. D. Fundamentals of Microwave Photonics. (Translated from English edited by Boev S. F., Sigov A. S.). Moscow: Technosphera, 2016. 276 p. (In Russ.).
  4. Denisov A. E., Danilaev D. P. Using a radio-photonic analog-to-digital converter within the design of a digital radio receiver. Vestnik of Volga Tech. Ser.: Radio Engineering and Infocommunication Systems. 2023;3(59):33–44. (In Russ.) doi: 10.25686/2306-2819.2023.3.33; EDN: QSIEMK.
  5. Denisov A. E., Danilaev D. P. Dynamic Range of a Digital Radio Receiver with a Photonic Analog-to-Digital Converter. Vestnik IzhGTU imeni M. T. Kalashnikova. 2023;26(4):77–85. (In Russ.) doi: 10.22213/2413-1172-2023-4-77-85.
  6. Valley G. C. Photonic analog-to-digital converters. Optics Express. 2007;15(5):1955–1982. doi: 10.1364/OE.15.001955; EDN: XZYAQB.
  7. Fang D. et al. 320 GHz analog-to-digital converter exploiting Kerr soliton combs and photonic-electronic spectral stitching. 2021 European Conference on Optical Communication (ECOC); 2021:1–4. doi: 10.1109/ECOC52684.2021.9606090; EDN: JWVDFX.
  8. Deakin C., Liu Z. Dual frequency comb assisted analog-to-digital conversion. Optics Letters. 2020;45(1):173–176. doi: 10.1364/OL.45.000173; EDN: FJDPTZ.
  9. Mandalawi Y. et al. Analysis of bandwidth reduction and resolution improvement for photonics-assisted ADC. Journal of Lightwave Technology. 2023;41(19):6225–6234. doi: 10.1109/jlt.2023.3279876; EDN: OMOHZC.
  10. Nazarathy M., Shaham O. Spatially distributed successive approximation register (SDSAR) photonic ADCs based on phase-domain quantization. Optics Express. 2012;20(7):7833–7869.
  11. Tu D. et al. Photonic sampled and quantized analog-to-digital converters on thin-film lithium niobate platform. Optics Express. 2023;31(2):1931–1942. doi: 10.1364/oe.474884; EDN: BRRGLB.
  12. Ramtin Fard S., Salehi M. R., Abiri E. Ultra-fast all-optical ADC using non-linear ring resonators in photonic crystal microstructure. Optical and Quantum Electronics. 2021;53:1–14. doi: 10.1007/s11082-021-02769-3; EDN: YCKSDN.
  13. Chirov D. S., Kochetkov Yu. A. Application of radiophotonics technologies for the formation and processing of broadband radar signals. DSPA: Digital Signal Processing Application Issues. 2020;10(1):15–24. (In Russ.) EDN: PTFJWH.
  14. Starikov R. S. Photonic A/D converters. Journal Achievements of Modern Radioelectronics. 2015;1(3):3–39. (In Russ.) EDN: TUIIQX.
  15. Chi H., Yao J. A photonic analog-to-digital conversion scheme using Mach-Zehnder modulators with identical half-wave voltages. Optics Express. 2008;16(2):567–572. doi: 10.1364/OE.16.000567.
  16. Babich N. P., Zhukov I. A. Computer circuit design. Moscow: MK-Press, 2004. 575 p.
  17. Galkin V. A. Fundamentals of software-defined radio. Moscow: Gorjachaja linija – Telekom, 2013. 373 p. (In Russ.) EDN: SDSJFL.
  18. Tahhan S. R. et al. Characteristics of actively mode-locked erbium doped fiber laser utilizing ring cavity. 2019 IEEE Jordan International Joint Conference on Electrical Engineering and Information Technology (JEEIT); 2019:840–844. doi: 10.1109/JEEIT.2019.8717483.
  19. Tahhan S. R. et al. Characterization and experimental verification of actively mode-locked erbium doped fiber laser utilizing ring cavity. tm-Technisches Messen. 2020;87(9):535–541. doi: 10.1515/teme-2020-0003; EDN: NKIHIO.
  20. Han Y. et al. Generation, optimization, and application of ultrashort femtosecond pulse in mode-locked fiber lasers. Progress in Quantum Electronics. 2020;71:100264. doi: 10.1016/j.pquantelec.2020.100264; EDN: YCQQCY.
  21. Kieninger C. et al. Silicon-organic hybrid (SOH) Mach-Zehnder modulators for 100 GBd PAM4 signaling with sub-1 dB phase-shifter loss. Optics Express. 2020;28(17):24693–24707. doi: 10.1364/oe.390315; EDN: LYHICC.
  22. Afanasyev V. M. The electro-optical modulator according to the scheme of the interferometer of Mach-Zehnder. Applied Photonics. 2016;3(4):341–369. (In Russ.) doi: 10.15593/2411-4367/2016.04.01; EDN: XXYMRP.
  23. Dissanayake A. et al. A −108 dBm sensitivity, −28 dB SIR, 130 nW to 41 µW, digitally reconfigurable bit-level duty-cycled wakeup and data receiver. 2020 IEEE Custom Integrated Circuits Conference (CICC); 2020:1–4. doi: 10.1109/CICC48029.2020.9075907.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».