CN101599803A - 一种光放大器的自适应前馈控制装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种光放大器的自适应前馈控制装置和方法，光放大器是一种时变或缓时变系统，泵浦发光效率降低，器件老化或无制冷泵工作于温度变化环境中，它们的前馈参数都会随时间发生改变。本发明根据光放大器动态传输方程推导出其稳态时时域传输函数，然后依据稳态时传输函数，设计一个参数估计器估计并实时更新当前前馈值，使新的前馈参数能够跟踪系统性能的变化，而使光放大器的瞬态特性不致由于系统参数时变而恶化。

Description

一种光放大器的自适应前馈控制装置和方法

技术领域

本发明涉及掺铒光纤放大器(EDFA)中快速增益控制问题，尤其涉及时变EDFA系统中一种自适应前馈控制方法，它能够根据EDFA参数变化自动纠正前馈控制参数。

背景技术

光纤通信系统中，光纤放大器尤其是掺铒光纤放大器(EDFA)已经成为通讯系统的核心器件之一，EDFA的产生和发展极大的推动了波分复用系统(WDM)的发展。但随着WDM系统中通道数和速率的不断提高，信道的随机重构对剩余信道的影响越来越严重。

瞬态效应主要产生于WDM系统中信道数的突然改变，它会导致EDFA中剩余信道信号的交叉增益饱和效应，信道数减少时，剩余信道功率增加，从而可能超过非线性阈值导致非常明显的非线性效应，功率达到一定程度甚至能够烧坏接收器；当信道数增加时，剩余信道功率减少，从而降低信噪比，增加误码率，要抑制EDFA中瞬态效应就要根据信道数变化快速调整相应器件，使增益保持不变。

目前快速增益控制主要有三种方式：高速泵浦控制、全光反馈环控制和插入信道快速补偿控制。其中，高速泵浦控制根据系统中信道数变化快速调整泵浦功率，使其剩余信道增益不变。它低成本，应用最为广泛。

目前高速泵浦控制大多采用前馈和反馈复合控制。由于980nm泵浦激光器背光功率检测不准，所以前馈为输入光功率、目标增益和泵浦激光器驱动电流之间的对应关系。前馈能够根据输入条件快速计算出泵浦激光器驱动电流，它速度快，不产生振荡，因此前馈参数的精确性直接决定瞬态响应的过冲大小。反馈PID控制作为前馈的一种补充，它根据目标输出和实际输出的误差来进行调节，控制速度慢，但精度高。

EDFA中泵浦激光器发光效率和无源器件的插损为一定值，但随着激光器老化，发光效率下降，无源器件插损也会增加，特别是无制冷泵，它以其低成本受到人们的青睐，但它的发光效应随时间变化很大，由此可见EDFA其实是一种时变系统，它的参数随时间改变而改变。因此一种能够适用参数变化自动调节前馈的自适应前馈控制系统成为必要。

发明内容

为了克服现有前馈定标技术的缺陷，本发明提出了一种基于参数时变控制的自适应前馈校正系统。该系统只需在普通的控制基础上增加一个参数估计器，它能根据系统变化估计出新的前馈控制参数，使前馈控制快速而且精确。

为了实现上述目的，本发明提供了一种光放大器的自适应前馈控制装置，其包括一前馈控制器置于目标输出功率之后，采集目标输出功率，控制泵浦激光器的驱动电流，以及一反馈控制器采集目标输出功率和实际输出功率，进行误差计算，控制泵浦激光器的驱动电流，其特征在于：还包括一前馈参数估计器，采集目标输出功率、实际输出功率以及前馈控制器的输出信号和反馈控制器的输出信号之和，估算出当前的前馈参数并更新前馈控制器的参数。

本发明还包括一低通滤波器，置于前馈参数估计器和前馈控制器之间，控制前馈控制器内的参数更新速度。

本发明还提供一种光放大器的自适应前馈控制方法，它主要包括：前馈控制器，反馈控制器和一个前馈参数估计器，方法首先采集输入信号光功率值，读取目标增益值，据公式Pti＝Pi*gi+bi计算出目标输出信号功率值；然后读取总控制输出信号大小Ci，读取PID控制器输出大小Ui，采集系统实际输出信号光功率值Youti，并计算目标输出和实际输出的误差值。如果误差值小于0.2dB，那么系统进入稳态，把Ci和Youti加权平均到参数估计器中相应的数组值中，否则重新开始；最后根据参数估计器中的数组值利用最小二乘法计算出当前前馈参数估计值，并和旧的前馈参数加权为当前前馈参数值。

所述前馈控制为一次函数，输入变量为目标输出信号功率，前馈参数为Ki，Bi。

所述参数估计器中数组为一个多维数组。

所述前馈参数估计值和旧的参数加权为当前参数值，其权系数和PID控制器输出值Ui成反比。

放大器处于稳态并且PID控制器输出为0时，前馈参数最准，此时K(i)＝1/(k*1k)，B(i)＝-(b*1k-1b)/(k*1k)。

所述方法包括一个低通滤波器，用于控制参数更新速度。

所述放大器可为掺铒光纤放大器、掺铥光纤放大器、镱铒共掺光纤放大器。

此自适应前馈定标方法优点在于：

首先，它能够避免器件老化和其它功率降低或等同因素带来的瞬态过冲加大。在EDFA中瞬态特性是一项非常重要的指标，前馈参数是否准确直接影响到瞬态过冲大小和时间长短。无源器件和泵浦激光器老化会使EDFA输出功率降低，前馈输出低于目标输出，瞬态发生时过冲会加大。本发明能够根据采集返回的误差值估计出新的前馈参数，使更新后的前馈输出更接近于目标输出，瞬态过冲保持不变。

其次，它能够避免温度或者外界环境变化造成相应敏感器件带来的前馈不准的影响。如无制冷泵浦激光器，它的输出功率随温度变化明显，不同温度下前馈参数不同。如使用普通的前馈加反馈控制方案势必会造成系统性能变差，本发明能够根据系统变化自动纠正前馈参数而保持系统性能。

附图说明

下面接合附图对本发明的实施方法进一步说明：

图1表示本发明一种光放大器的自适应前馈控制装置的结构原理图。

图2表示本发明光放大器的自适应前馈控制方法的实验原理图。

图3表示本发明前馈参数自纠正流程图。

图4表示本发明光放大器的自适应前馈控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明前馈自适应控制方法作进一步说明。

先介绍一下本发明的原理。如图1所示，EDFA的传递函数在频域为一个复杂的延时系统。EDFA系统中光纤延时时间大约在500ns以内，并且本发明有效数据采集和计算都在EDFA处于稳态(目标输出功率和实际输出功率近似相等且变化很小)时进行，忽略光纤延时和系统EDFA动态性能，且EDFA工作于饱和状态，那么EDFA时域传递函数就可近似为下式。

Youti＝Opi*1k+1b         (1)

式中，Youti为输出信号功率，Opi为泵浦光功率

在稳态时，EDFA实际输出功率Yout和目标输出光功率Pti近似相等，因此有：

Yout≈Pti＝Gi*Pi+Bi      (2)

其中Bi为ASE功率补偿，是目标增益Gi的一次函数，它们的对应关系可通过ASE定标完成。

本系统控制采用前馈加反馈的复合控制方式。反馈控制器的时域表达式应为：

Ui＝Kp*Errori+Ki*∑Errori+Kd*d(Errori)/dt    (3)

其中Kp、Ki和Kd分别为比例、积分和微分系数。在EDFA中一般采用PI控制方式，那么最后的微分将被省略。前馈控制器的时域表达式应为：

Fi＝Pti*Ki+Bi＝(Gi*Pi+Ai)*Ki+Bi    (4)

其中Pti为前馈输入，Ki和Bi为前馈控制参数，它们满足一次函数关系(后面将有证明)。当前馈和反馈复合控制时，控制信号应为两者之和，即：

Ci＝Fi+Ui                          (5)

系统中泵浦激光器的输出光功率和驱动电流在时域为一次函数关系。

Opi＝k*Ci+b                        (6)

其中Ci为前馈和反馈联合控制输出信号。式中k表示激光器发光斜率，b/k为激光器阈值电流。

综上所述，EDFA系统在前馈反馈复合控制时，它的时域的传递函数应描述为：

Youti＝((Fi+Ui)*k+b)*1k+1b＝Ci*k*1k+1b+b*1k    (7)

如果上述公式中Ui等于0，那么

Youti＝Fi*k*1k+b*1k+1b                         (8)

其中Fi为Pti的函数。化简上式得：

Fi＝(Youti-b*1k-1b)/(k*1k)＝Youti/(k*1k)-(b*1k-1b)/(k*1k)(9)

当稳态时，Youti≈Pti，由此推导，Fi应是一个以Pti为自变量的一个一次函数，因此前馈控制器在时域传递函数应为一次函数。综上所述，系统的传递函数为：

Youti＝((Pti*Ki+Bi+Kp*Errori+Ki*∑Errori))*k+b)*1k+1b(10)

如系统在稳态且反馈为0时，依据(9)可得前馈参数：K(i)＝1/(k*1k)，B(i)＝-(b*1k-1b)/(k*1k)。由此可见系统最终前馈值由泵浦激光器特性和整个光路放大倍数决定。自适应前馈补偿也就是补偿相应部分的变化带来的前馈不准的问题。

本发明控制系统控制流程如下：首先，通过图2采集输入光功率Pi，根据(2)计算出目标输出Pti。其次如图4所示，一方面，Pti作为输出量和前馈参数相互作用可以得到前馈控制输出量Fi，它们的具体作用关系如(4)所示；另一方面，以Pti和实际输出之间的差值为输入量依据公式(3)计算反馈控制信号输出Ui。前馈和反馈是并行进行的。然后前馈控制信号和反馈控制信号相加得到Ci，Ci作为最后控制信号驱动泵浦激光器，新的泵浦光注入EDFA产生输出Youti。

EDFA前馈参数自适应纠正是本发明的关键。如图3所示，首先进行前馈参数初始化，此时的前馈参数一般不准，系统将在反馈调节下将缓慢达到平衡。系统不断采集Pti和Youti，如果它们之间的误差能够稳定在|10*log(Youti/Pti)|小于0.2dB，那么就可以确认系统进入稳定状态。此时采集输入信号Pti和控制信号Ci，把它们送入参数估计器。参数估计器中有四个数组，它把Pti工作范围在对数空间均分为四段，把当前采集到的Pti、Ci和先前采集值进行加权平均。加权平均采用下式迭代：

Pti(i)＝(Pti(i)+Pti(i-1)*20)/21     (11)

Ci(i)＝(Ci(i)+Ci(i-1)*20)/21        (12)

然后每间隔1000个采集周期对这些数组值进行一次一次函数拟合。拟合采用普通的最小二乘法。

Ki*Pti(1)+B+Ki*Pti(2)+B+Ki*Pti(3)+B+Ki*Pti(4)+B＝Ci(1)+Ci(2)+Ci(3)+Ci(4)        (13)

(Ki*Pti(1)+B)*Pti(1)+(Ki*Pti(2)+B)*Pti(2)+(Ki*Pti(3)+B)*Pti(3)+(Ki*Pti(4)+B)*Pti(4)＝Ci(1)*Pti(1)+Ci(2)*Pti(2)+Ci(3)*Pti(3)+Ci(4)*Pti(4)            (14)

据上述公式计算计出新的前馈参数Ki和Ci。这组前馈值就是最新前馈估计值。

最后最新前馈估计值通过加权平均低通滤波器产生最新前馈参数值。此加权平均采用如下迭代：

K(i)＝(K(i)+K(i-1)*q)/(1+q)         (15)

B(i)＝(B(i)+B(i-1)*q)/(1+q)         (16)

q为控制前馈参数更新速度的一个参数，它的取值范围为(0，+∞)。当q取值越大前馈参数更新速度越慢，反之则越快。例如q取0.1，那么最新前馈参数占总前馈参数权重的91％；取q为100，那么最新前馈参数占总前馈参数权重的1％。

当系统处于稳态时，目标输出功率和实际输出功率差别较小，此时PI控制器的比例项很小，积分项的值主要补偿稳态误差。稳态时，PI控制器比例项非常小，PI控制器输出Ui主要来源于积分项。Ui越小，则前馈越精确。因此Ui主要用来控制q，Ui较大时，q越小，更新速度越快；Ui较小时，q越大，更新速度越慢。如前馈精确，则PI输出Ui为0；反之亦然，如PI的输出Ui为0，则前馈准确。

图4是整个自适应控制系统实验原理图。数据采集主要有输入和输出两个PD，输入信号光功率Pi通过耦合器1进入输入PD，输入PD产生的光电流经线性放大器放大，然后由A/D转化为数字量。输出光功率采集也如此，不过耦合器分光比一般不相同。与数据采集相似，控制信号输出Ci为处理器控制信号经D/A转化模拟信号，驱动泵浦激光器。如果激光器驱动电流不够，可以在D/A之后再加一线性放大器。时钟线主要控制采用和数据输出的频率，它使处理器各外设的时钟同步。控制微处理器一般采用FPGA或高速DSP，这样才能提高系统动态性能，有效地抑制瞬态。

此自适应前馈定标方法优点在于：

首先，它能够避免器件老化和其它功率降低或等同因素带来的瞬态过冲加大。在EDFA中瞬态特性是一项非常重要的指标，前馈参数是否准确直接影响到瞬态过冲大小和时间长短。无源器件和泵浦激光器老化会使功率降低，前馈输出低于目标输出，瞬态发生时过冲会加大。本发明能够根据采集返回的误差值估计出新的前馈参数，使更新后的前馈输出更接近于目标输出，瞬态过冲保持不变。

其次，它能够避免温度或者外界环境变化造成相应敏感器件带来的前馈不准的影响。如无制冷泵浦激光器，它的输出功率随温度变化明显，不同温度下前馈参数不同。如使用普通的前馈加反馈控制方案势必会造成系统性能变差，本发明能够根据系统变化自动纠正前馈参数而保持系统性能。

以上所述者，仅为本发明最佳实施例而已，并非用于限制本发明的范围，凡依本发明申请专利范围所作的等效变化或修饰，皆为本发明所涵盖。

Claims (10)

1、一种光放大器的自适应前馈控制装置，其包括一前馈控制器置于目标输出功率之后，采集目标输出功率，控制泵浦激光器的驱动电流，以及一反馈控制器采集目标输出功率和实际输出功率，进行误差计算，控制泵浦激光器的驱动电流，其特征在于：还包括一前馈参数估计器，采集目标输出功率、实际输出功率以及前馈控制器的输出信号和反馈控制器的输出信号之和，估算出当前的前馈参数并更新前馈控制器的参数。

2、根据权利要求1所述光放大器的自适应前馈控制装置，其特征在于：还包括一低通滤波器，置于前馈参数估计器和前馈控制器之间，控制前馈控制器内的参数更新速度。

3、根据权利要求1所述光放大器的自适应前馈控制装置，其特征在于：所述放大器可为掺铒光纤放大器、掺铥光纤放大器、镱铒共掺光纤放大器。

4、一种光放大器的自适应前馈控制方法，它主要包括：前馈控制器，反馈控制器和一个前馈参数估计器，方法首先采集输入信号光功率值，读取目标增益值，据公式Pti＝Pi*gi+bi计算出目标输出信号功率值；然后读取总控制输出信号大小Ci，读取PID控制器输出大小Ui，采集系统实际输出信号光功率值Youti，并计算目标输出和实际输出的误差值。如果误差值小于0.2dB，那么系统进入稳态，把Ci和Youti加权平均到参数估计器中相应的数组值中，否则重新开始；最后根据参数估计器中的数组值利用最小二乘法计算出当前前馈参数估计值，并和旧的前馈参数加权为当前前馈参数值。

5、根据权利要求3所述光放大器的自适应前馈控制方法，其特征在于：所述前馈控制为一次函数，输入变量为目标输出信号功率，前馈参数为Ki，Bi。

6、根据权利要求3所述光放大器的自适应前馈控制方法，其特征在于：所述参数估计器中数组为一个多维数组。

7、根据权利要求3所述光放大器的自适应前馈控制方法，其特征在于：所述前馈参数估计值和旧的参数加权为当前参数值，其权系数和PID控制器输出值Ui成反比。

8、根据权利要求3所述光放大器的自适应前馈控制方法，其特征在于：放大器处于稳态并且PID控制器输出为0时，前馈参数最准，此时K(i)＝1/(k*1k)，B(i)＝-(b*1k-1b)/(k*1k)。

9、根据权利要求3所述光放大器的自适应前馈控制方法，其特征在于：所述方法包括一个低通滤波器，用于控制参数更新速度。

10、根据权利要求3所述光放大器的自适应前馈控制方法，其特征在于：所述放大器可为掺铒光纤放大器、掺铥光纤放大器、镱铒共掺光纤放大器。

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