模数转换器是当代信息系统中的关键器件之一,是连接物理世界与数字世界的重要桥梁。随着信息化的发展,它已经融入信息技术的各个领域,比如测量仪器仪表、雷达、自动控制和通信,等等。为了进一步拓展其应用范围,研究模数转换器的主旋律之一就是采用各种方案去改善它的性能。光模数转换器便是一种正在发展的新方案,有望成为当前主流纯电子模数转换器的替代方案。它针对纯电子模数转换器的困境与瓶颈,考虑了当今光子技术与电子技术的发展水平与特点,有机地结合了两者,从而扬长避短获得整体性能提升。本文研究时间交替式采样的光模数转换器。它是光电混合的,前端采用光子技术进行处理,后端采用电子技术进行处理,前端中的采样时钟是锁模光脉冲序列。光处理前端使得它具有高带宽低抖动等优势。而电处理后端使得它具有高位数高精度量化的能力,以及和现有数字电路的良好兼容性。另外,时间交替式的采样方式,使它可以使用低速率器件来实现高采样率。因此,该方案成为最具潜力的光模数转换方案之一,受到了重点关注。当前的时间交替光模数转换器也有着自身的问题,存在着研究上的盲点。最突出的就是仍然缺失基本模型和基于模型的系统分析。本文以此为切入点展开研究。首先,发现了特殊条件下乘积和卷积的交换原理:当把信号进行周期性调制后再同步采样所得到的结果,和直接使信号通过等效系统再采样的结果是相同的。然后,通过研究系统的各个部分,建立起时间交替光模数转换器的行为级的原模型。在原模型中,应用乘积和卷积的交换原理得到时间交替光模数转换器的等效模型。从等效模型中得到了时间交替光模数转换器中每个通道的等效通道响应。在等效通道响应的基础上,进一步研究了时间交替光模数转换器的带宽问题,得出了带宽准则:使得等效通道响应形成连续通带的全局最小可行后端带宽为0.5倍单通道采样率;等效通道响应的带宽主要取决于光脉冲的带宽和调制器带宽。为了验证通道响应带宽的相关理论分析,搭建了通道频率响应测试平台,测试频率可达40 GHz,对光脉冲时域外形进行测量的测量精度可达1ps以上并具有调整光脉冲带宽和后端带宽的能力。基于该平台验证了后端为低通时的相关结论。研究了通道的增益、时延和偏置特性。发现当存在后端引入的通道内码间串扰时,通道的特性无法用统一的增益、时延来描述,通道响应呈现频率选择性。而没有串扰时,通道增益和时延不随频率改变。在没有串扰时,通道增益和光脉冲时延、后端时延和后端响应有关,而通道时延仅和光脉冲时延有关。并且在没有串扰时并且通道增益正比于后端响应峰值时,通道增益和后端的带宽成正比。为了验证通道增益、时延和偏置的相关理论分析,对测试平台的功能进行了扩展,测量结果验证了当存在后端引入的码间串扰时的相关结论,以及无串扰时的相关结论。提出利用等效通道响应的性质,通过改变光脉冲时域外形,来实现内置预滤波的时间交替光模数转换器。该方案有两个特征:一是滤波的冲击响应正比于光脉冲时域外形的时间反演,由于光脉冲时域外形可快速灵活的变化,因此滤波响应也可快速灵活的变化;二是滤波效应内置就不再需要额外的滤波器。为了测试内置预滤波的时间交替光模数转换,在测试平台中引入了脉冲成形技术。它可以通过程序控制光脉冲的时域外形从而改变滤波响应。在测试平台实现了24 GHz频点的内置带通滤波,可在重新配置后产生任意的相移。最后回顾了整个研究内容,依照研究的逻辑进行梳理,并展望了研究课题的未来发展。