CN101718940B - 实现掺铒光纤放大器快速收敛的控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种实现掺铒光纤放大器快速收敛的控制装置及控制方法，装置有：依次相连的输入光电探测二极管、输入光探测跨导电路和输入光模数转换器，以及依次相连的输出光电探测二极管、输出光探测跨导电路和输出光模数转换器，输入光模数转换器和输出光模数转换器的输出均连接计算单元，计算单元输出经数模转换器和泵浦激光器至掺铒光纤。方法：使掺铒光纤放大器输入光强P_in和输出光强P_out按设定比例分别产生两路光生电流；将两路光生电流分别转换为电压信号；将电压信号分别生成输入光强值和输出光强值，并分别输入到计算单元计算出PUMP输出结果并传递给数模转换器，驱动泵浦激光器，产生泵浦光并进入掺铒光纤，实现掺铒光纤放大器在锁定增益模式下的光放大。

Description

实现掺铒光纤放大器快速收敛的控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种掺铒光纤放大器。特别是涉及一种用于在掺铒光纤放大器处于自动增益锁定的控制方式下，在输入光强变化或设定增益改变时，能够快速实现目标增益的锁定，从而有效保证整个光通信系统稳定可靠的实现掺铒光纤放大器快速收敛的控制装置及控制方法。

背景技术

EDFA(掺铒光纤放大器)是光通信网络中的关键器件之一，对传输在光纤中的信号进行放大，从而有效提升了光信号的传输距离。随着光网络的容量不断提升，网络结构进一步复杂化，对EDFA控制方式也提出了新的要求。传统的模拟控制方式为数字控制方式所取代，在数字控制方式下，EDFA的配置更加灵活、功能更加完善，但如何保证EDFA快速而稳定实现目标增益仍然是一个技术重点和难点。

EDFA的控制方式分为自动电流控制模式(ACC)，自动功率控制模式(APC)和自动增益控制模式(AGC)三种。前两种都较容易实现，而AGC模式的实现则较为复杂。EDFA按增益控制方式又可划分为固定增益放大器(FGA)和可变增益放大器(VGA)，需要在输入光强变化、设定增益值发生改变或模式切换等工作条件发生变化时，快速的调整泵浦电流(I_PUMP)，从而实现目标增益的锁定。

传统的控制方式为前馈和反馈结合的控制方式，如美国专利《Variable Gain OpticalAmplifiers》(专利号7,317,570)中提到，前馈采用固定的比例公式，而反馈则采用PID算法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种在传统的控制算法基础上，结合前馈和反馈的控制模式，能够有效保证整个光通信系统稳定可靠的实现掺铒光纤放大器快速收敛的控制装置及控制方法。

本发明所采用的技术方案是：一种用于实现掺铒光纤放大器快速收敛的控制装置的控制方法，包括：将掺铒光纤放大器输入光强P_in和输出光强P_out按设定比例分别对应进入输入光电探测二极管和输出光电探测二极管产生两路光生电流；将所产生的两路光生电流分别对应的通过输入光探测跨导电路和输出光探测跨导电路转换为电压信号；将所转换的电压信号分别经输入光模数转换器和输出光模数转换器生成输入光强值和输出光强值；将输入光强值和输出光强值分别输入到计算单元计算出PUMP输出结果并传递给数模转换器，驱动泵浦激光器，产生泵浦光并进入掺铒光纤，实现掺铒光纤放大器在自动增益控制模式下的光放大，所述的计算单元包括有：已存入的系统设定增益量和自发辐射量，所述计算单元中的计算过程是：将所述的输入光强值、输出光强值、系统设定增益量和自发辐射量代入增益误差值Gain_err的计算公式得到增益的偏差量Gain_err；将得到的增益的偏差量Gain_err经K因子的计算公式内插法或者比例积分微分法的反馈计算得到实际的K值；将实际的K值和输入光强值代入前馈计算公式Kx+B，其中，x为输入光大小，B为线性偏差量，从而计算出PUMP输出结果，具体计算公式如下：

Gain_err(dB)＝(P_out-ASE)-(P_in+Gain_set)←(501)

Gain_k＝Gain_set-Gain_err←(502)

K＝Inline(Table(K)，Gain_k)←(503)

K＝PID(Gain_k)←(504)

其中：ASE是自发辐射量，为Amplified spontaneous emission的简称；Gainset是在自动增益控制模式下设定的系统设定增益量，是系统的设置参数；为增益误差值Gain_err的计算公式，为调K的增益因子Gain_k的计算公式，为K因子的计算公式，Table是前馈因子K的参数表，内插法从表中插值计算得出对应Gain_k的K值，为K因子的另一种计算公式，利用比例积分微分法得出对应Gain_k的K值。

一种实现掺铒光纤放大器快速收敛的控制装置的控制方法，将掺铒光纤放大器输入光强P_in和输出光强P_out按设定比例分别对应进入输入光电探测二极管和输出光电探测二极管产生两路光生电流；将所产生的两路光生电流分别对应的通过输入光探测对数放大电路和输出光探测对数放大电路转换为电压信号；将所转换的电压信号分别经输入光模数转换器和输出光模数转换器生成输入光强值和输出光强值；将输入光强值和输出光强值分别输入到计算单元计算出PUMP输出结果并传递给数模转换器，驱动泵浦激光器，产生泵浦光并进入掺铒光纤，实现掺铒光纤放大器在自动增益控制模式下的光放大，所述的计算单元包括有：已存入的系统设定增益量和自发辐射量，所述计算单元中的计算过程是：将所述的输入光强值、输出光强值、系统设定增益量和自发辐射量代入增益误差值Gain_err的计算公式得到增益的偏差量Gain_err；将得到的增益的偏差量Gain_err经K因子的计算公式内插法或者比例积分微分法(504)的反馈计算得到实际的K值；将输入光强值通过对数查找表得到输入光功率值；将实际的K值和输入光功率值代入前馈计算公式Kx+B，其中的K、B为前馈控制因子，通过定标得到，x为输入光，从而计算出PUMP输出结果，具体计算公式如下：

Gain_err(dB)＝(P_out-ASE)-(P_in+Gain_set)←(501)

Gain_k＝Gain_set-Gain_err←(502)

K＝Inline(Table(K)，Gain_k)←(503)

K＝PID(Gain_k)←(504)

其中：ASE是自发辐射量，为Amplified spontaneous emission的简称；Gain_set是在自动增益控制模式下设定的系统设定增益量，是系统的设置参数；为增益误差值Gain_err的计算公式，为调K的增益因子Gain_k的计算公式，为K因子的计算公式，Table是前馈因子K的参数表，内插法从表中插值计算得出对应Gain_k的K值，为K因子的另一种计算公式，利用比例积分微分法得出对应Gain_k的K值。

本发明的实现掺铒光纤放大器快速收敛的控制装置及控制方法，当光强变化时，采用本发明的调节K因子，可以快速实现高精度的收敛控制。本发明的优点就在于：算法结构简单；响应速度快；实现增益锁定准确度高。相对于前馈控制方式，解决了增益锁定精度的问题；相对于的反馈控制模式，解决了相应速度慢的问题，成功的将反馈和前馈控制有机的结合起来，实现快速收敛。

附图说明

图1是采用调K实现EDFA快速收敛的结构框图；

图2是采用PID算法实现EDFA快速收敛的结构框图；

图3是基于对数放大电路算法实现EDFA快速收敛的结构框图；

图4是前馈因子K与增益之间的关系图；

图5是计算K的流程图。

其中：

101：掺铒光纤                  102：输入光电探测二极管

103：输入光探测跨导电路        104：输入光模数转换器

105：设定增益值                106：泵浦激光器

107：数模转换器                108：Kx+B计算模块

109：调节后的K值               111：输出光电探测二极管

112：输出光探测跨导电路        113：输出光模数转换器

114：ASE计算模块               208：PID计算模块

209：调节后的P值               210：Error的计算模块

303：输入光探测对数放大电路    308：对数查找表

312：输出光探测对数放大电路

具体实施方式

下面结合实施例附图对本发明的实现掺铒光纤放大器快速收敛的控制装置及控制方法做出详细说明。

在PID控制中，如果仅有P，那么会引入静差，即调节量和目标值之间存在一个固定的差值。反馈控制中，我们能够获得目标值与实际值的差值，但如何通过这个差值进行计算输出量才是关键。当P的大小无法准确得出，可以才加入I来调节，实现自适应的一种模式，而D则是为了加快这个调节过程而加入的。

如果在计算误差的同时，还进行P值大小的调节，从而实现简单快速的收敛控制，就可以摆脱PID算法的模式了。这种计算方式可以简单的描述为将调节前馈的Kx+B的K因子，实现准确的目标增益锁定。

这种将前馈和反馈结合的调K控制模式的关键在于：

这种收敛算法基于的前提就是K值的单调性，而且当K较为线性的话，则利用线性插值调节方式时可以获得较好的效果。K的单调性和线性度可以从图4前馈因子K与增益之间的关系图中看出。

所用的计算公式如下：

Gain_err(dB)＝(P_out-ASE)-(P_in+Gain_set)←(501)

Gain_k＝Gain_set-Gain_err←(502)

K＝Inline(Table(K)，Gain_k)←(503)

K＝PID(Gain_k)←(504)

其中：(501)为增益误差值Gain_err的计算，(502)为调K的增益因子Gain_k的计算公式，(503)为K因子的计算公式，内插法从表中插值计算得出对应Gain_k的K值，(504)为K因子的另一种计算公式，利用比例积分微分法(PID)得出对应Gain_k的K值。

图4和上述的公式分别指示了调K算法中K因子与增益设定量(Gain)之间的单调关系和实际操作中K的计算公式。

本发明的核心在于改进传统的前馈Kx+B和反馈PID算法的振荡收敛方式，引入动态可调节K因子，实现快速的目标功率收敛。

如图1、图2所示，本发明的实现掺铒光纤放大器快速收敛的控制装置，包括有：接收掺铒光纤放大器输入光强P_in的依次相连的输入光电探测二极管(P_inPD)102、输入光探测跨导电路(P_inTIA)103和输入光模数转换器(P_inADC)104，以及接收掺铒光纤放大器输出光强P_out的依次相连的输出光电探测二极管(P_outPD)111、输出光探测跨导电路(P_outTIA)112和输出光模数转换器(P_outADC)113，所述的输入光模数转换器104和输出光模数转换器113的输出均连接计算单元A，所述的计算单元A输出经数模转换器107和泵浦激光器(PUMP)106至掺铒光纤101。其中所述的计算单元A是由数字处理器构成。

如图3所示，本发明的实现掺铒光纤放大器快速收敛的控制装置，还可以是包括有：接收掺铒光纤放大器输入光强P_in的依次相连的输入光电探测二极管(P_inPD)102、输入光探测对数放大电路(P_inlog Amp)303和输入光模数转换器(P_inADC)104，以及接收掺铒光纤放大器输出光强P_out的依次相连的输出光电探测二极管(P_outPD)111、输出光探测对数放大电路(P_outlog Amp)312和输出光模数转换器(P_outADC)113，所述的输入光模数转换器104和输出光模数转换器113的输出均连接计算单元B，所述的计算单元B输出经数模转换器107和泵浦激光器106至掺铒光纤101。所述的计算单元B是由数字处理器构成。

参考图1、图2，本发明的实现掺铒光纤放大器快速收敛的控制方法，包括：将掺铒光纤放大器输入光强P_in和输出光强P_out按设定比例分别对应进入输入光电探测二极管102和输出光电探测二极管111产生两路光生电流；将所产生的两路光生电流分别对应的通过输入光探测跨导电路103和输出光探测跨导电路112转换为电压信号；将所转换的电压信号分别经输入光模数转换器104和输出光模数转换器113生成输入光强值和输出光强值；将输入光强值和输出光强值分别输入到计算单元B计算出PUMP输出结果并传递给模转换器107，驱动泵浦激光器106，产生泵浦光并进入掺铒光纤101，实现掺铒光纤放大器在锁定增益模式(AGC)下的光放大。

如图1所示，所述的计算单元B包括有：已存入的系统设定增益量105和自发辐射量114，所述计算单元B中的计算过程是：将所述的输入光强值、输出光强值、系统设定增益量105和自发辐射量114代入增益偏差量Gain_err的计算公式501得到增益的偏差量Gain_err110；将得到的增益的偏差量Gain_err110经K因子的计算公式503或者504计算得到实际的K值109；将实际的K值109和输入光强值代入前馈计算公式Kx+B 108，其中的K、B为前馈控制因子，其初始值可以通过定标得到，x为输入光，从而计算出PUMP(泵浦激光器)输出结果。

如图2所示，所述的计算单元B包括有：已存入的系统设定增益量105和自发辐射量114，所述计算单元B中的计算过程是：将输入光强值、输出光强值、系统设定增益量105和自发辐射量114代入Error(系统误差)计算模块210(Error(mW)＝(P_out(实际输出，mW)-ASE(mW)-(P_out(目标输出，mW)))，得出系统偏差的绝对功率值并根据该偏差的绝对功率值来调节P值209；将调节后的P值和系统偏差的绝对功率值代入PID(比例积分微分)计算模块208(PID(mW)＝P×Error+I×∑Error+D×ΔError)得出反馈调节量，同时将输入光强值代入前馈计算公式Kx+B(其中的K、B为前馈控制因子，通过定标得到，x为输入光)得出前馈调节量；将经PID计算模块208计算的值反馈调节量与经前馈计算公式Kx+B计算的值前馈调节量相加，从而计算出PUMP(泵浦激光器)输出结果。

参考图3，本发明的实现掺铒光纤放大器快速收敛的控制方法，还可以是包括：将掺铒光纤放大器输入光强P_in和输出光强P_out按设定比例分别对应进入输入光电探测二极管102和输出光电探测二极管111产生两路光生电流；将所产生的两路光生电流分别对应的通过输入光探测对数放大电路303和输出光探测对数放大电路312转换为电压信号；将所转换的电压信号分别经输入光模数转换器104和输出光模数转换器113生成输入光强值和输出光强值；将输入光强值和输出光强值分别输入到计算单元B计算出PUMP输出结果并传递给模转换器107，驱动泵浦激光器106，产生泵浦光并进入掺铒光纤101，实现掺铒光纤放大器在锁定增益模式AGC下的光放大。

所述的计算单元B包括有：已存入的系统设定增益量105和自发辐射量114，所述计算单元B中的计算过程是：将所述的输入光强值、输出光强值、系统设定增益量105和自发辐射量114代入增益偏差量Gain_err的计算公式501得到增益的偏差量Gain_err110；将得到的增益的偏差量Gain_err110经K因子的计算公式503或者504的计算得到实际的K值109；将输入光强值通过对数查找表308得到输入光功率值；将实际的K值109和输入光功率值代入前馈计算公式Kx+B 108，其中的K、B为前馈控制因子，其初始值可以通过定标得到，x为输入光，从而计算出PUMP(泵浦激光器)输出结果。

图5是计算K的流程图。其中：601是数据采集模块，602为误差计算模块，603为增益因子的Gain_k计算模块，604为K因子计算模块，605为Kx+B的计算模块，606为数据输出模块。

图6为算法的基本流程图，当数据采集601完成后，计算系统的误差602，通过误差得出增益调节因子603并计算K值的调节量604，更新后的K因子作用于输入光强值x，计算得到输出量605，并通过数据输出模块606输出。在该流程中，通过对输入光强和输出光强的实时变化进行比对，不断刷新系统误差error，从而调节K值，使K值快速收敛后调整系统到稳定状态。

Claims (2)

1.一种用于实现掺铒光纤放大器快速收敛的控制装置的控制方法，包括：将掺铒光纤放大器输入光强P_in和输出光强P_out按设定比例分别对应进入输入光电探测二极管(102)和输出光电探测二极管(111)产生两路光生电流；将所产生的两路光生电流分别对应的通过输入光探测跨导电路(103)和输出光探测跨导电路(112)转换为电压信号；将所转换的电压信号分别经输入光模数转换器(104)和输出光模数转换器(113)生成输入光强值和输出光强值；将输入光强值和输出光强值分别输入到计算单元(B)计算出PUMP输出结果并传递给数模转换器(107)，驱动泵浦激光器(106)，产生泵浦光并进入掺铒光纤(101)，实现掺铒光纤放大器在自动增益控制模式下的光放大，其特征在于，所述的计算单元(B)包括有：已存入的系统设定增益量(105)和自发辐射量(114)，所述计算单元(B)中的计算过程是：将所述的输入光强值、输出光强值、系统设定增益量(105)和自发辐射量(114)代入增益误差值Gain_err的计算公式(501)得到增益的偏差量Gain_err(110)；将得到的增益的偏差量Gain_err(110)经K因子的计算公式内插法(503)或者比例积分微分法(504)的反馈计算得到实际的K值(109)；将实际的K值(109)和输入光强值代入前馈计算公式Kx+B(108)，其中，x为输入光大小，B为线性偏差量，从而计算出PUMP输出结果，具体计算公式如下：

Gain_err(dB)＝(P_out-ASE)-(P_in+Gain_set)←(501)

Gain_k＝Gain_set-Gain_err←(502)

K＝Inline(Table(K)，Gain_k)←(503)

K＝PID(Gain_k)←(504)

其中：ASE是自发辐射量，为Amplified spontaneous emission的简称；Gainset是在自动增益控制模式(AGC)下设定的系统设定增益量，是系统的设置参数；(501)为增益误差值Gain_err的计算公式，(502)为调K的增益因子Gain_k的计算公式，(503)为K因子的计算公式，Table(k)是前馈因子K的参数表，内插法从表中插值计算得出对应Gain_k的K值，(504)为K因子的另一种计算公式，利用比例积分微分法(PID)得出对应Gain_k的K值。

2.一种实现掺铒光纤放大器快速收敛的控制装置的控制方法，包括：将掺铒光纤放大器输入光强P_in和输出光强P_out按设定比例分别对应进入输入光电探测二极管(102)和输出光电探测二极管(111)产生两路光生电流；将所产生的两路光生电流分别对应的通过输入光探测对数放大电路(303)和输出光探测对数放大电路(312)转换为电压信号；将所转换的电压信号分别经输入光模数转换器(104)和输出光模数转换器(113)生成输入光强值和输出光强值；将输入光强值和输出光强值分别输入到计算单元(B)计算出PUMP输出结果并传递给数模转换器(107)，驱动泵浦激光器(106)，产生泵浦光并进入掺铒光纤(101)，实现掺铒光纤放大器在自动增益控制模式(AGC)下的光放大，其特征在于，所述的计算单元(B)包括有：已存入的系统设定增益量(105)和自发辐射量(114)，所述计算单元(B)中的计算过程是：将所述的输入光强值、输出光强值、系统设定增益量(105)和自发辐射量(114)代入增益误差值Gain_err的计算公式(501)得到增益的偏差量Gain_err(110)；将得到的增益的偏差量Gain_err(110)经K因子的计算公式内插法(503)或者比例积分微分法(504)的反馈计算得到实际的K值(109)；将输入光强值通过对数查找表(308)得到输入光功率值；将实际的K值(109)和输入光功率值代入前馈计算公式Kx+B(108)，其中的K、B为前馈控制因子，通过定标得到，x为输入光，从而计算出PUMP输出结果，具体计算公式如下：

Gain_err(dB)＝(P_out-ASE)-(P_in+Gain_set)←(501)

Gain_k＝Gain_set-Gain_err←(502)

K＝Inline(Table(K)，Gain_k)←(503)

K＝PID(Gain_k)←(504)

其中：ASE是自发辐射量，为Ampiified spontaneous emission的简称；Gainset是在自动增益控制模式(AGC)下设定的系统设定增益量，是系统的设置参数；(501)为增益误差值Gain_err的计算公式，(502)为调K的增益因子Gain_k的计算公式，(503)为K因子的计算公式，Table(k)是前馈因子K的参数表，内插法从表中插值计算得出对应Gain_k的K值，(504)为K因子的另一种计算公式，利用比例积分微分法(PID)得出对应Gain_k的K值。

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