CN101877615A - 一种用dsp实现edfa中的增益和功率锁定装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于设计一种用DSP实现EDFA中的增益和功率锁定。用DSP，A/D，D/A代替原有的闭环模拟控制单元，并在DSP内用软件的方式实现高效和灵活的控制算法。整个控制流程包括，4片14位TI的A/D采样芯片，分2级分别采样输入输出光功率，TI的DSP读取输入输出光功率后，按当前的控制模式，根据增益或输出光功率设置值，并结合ASE补偿功率，计算出最终的输出光功率。通过前馈补偿式的数字比例积分微分(PID)控制算法，计算出驱动泵浦激光器的控制电压，用1片14位TI双通道的D/A芯片控制2个泵浦激光器。整个闭环控制系统完成一次控制的周期为2us左右，配合整定过的控制参数，能有效地实现增益和功率锁定，满足用户的瞬态和稳态指标。

Description

一种用DSP实现EDFA中的增益和功率锁定装置

技术领域

本发明涉及通信领域光传输系统，特别是波分复用(WDM，WavelengthDivision Multiplexing波分复用)系统中掺饵光纤放大器(EDFA，Erbium DopedFiber Amplifier掺饵光纤放大器)的增益和功率锁定。

背景技术

随着90年代EDFA进入商用，以强劲的优势改变系统中光信号需要经过电光转化才可以放大的过程，掺铒光纤放大器的实用化，不仅实现了直接光放大，节省了大量的再生中继器，使得传输中的光纤损耗不再成为主要问题；同时使传输链路“透明化”，简化了系统，成几倍或几十倍地扩大了传输容量，促进了真正意义上的密集波分复用技术的飞速发展，是光纤通信领域上的一次革命。EDFA在密集波分复用(DWDM密集波分复用)光纤通信系统中获得广泛应用。在这些系统中，需要采用EDFA来补偿因器件和线路引入带来的损耗。业界人士已达成共识，DWDM+EDFA是充分挖掘光纤带宽资源，提高光通信容量的有效手段。

EDFA一般由五个基本部分组成，它们是掺铒光纤(EDF掺铒光纤)、泵浦激光器(PUMP-LD泵浦激光器)、光无源器件、控制单元和监控接口(通信接口)。其中光无源器件包括：光波分复用器(WDM光波分复用器)、光隔离器(ISO光隔离器)、光纤连接器(FC/APC Connecter光纤连接器)和光耦合器(Coupler光耦合器)。EDFA的放大原理是通过1550nm波长的信号光在掺铒光纤中传输与铒离子相互作用产生的。铒离子经过激活，可以在光传输损耗较低的1550nm工作窗口中放大光信号。980nm光学泵浦激光器能向掺铒光纤注入高强度能量，从而激活铒离子，把传输中的光信号加以放大。

由于在实际使用时的功能不同，EDFA可工作在多种不同的模式下，包括增益控制，功率控制，泵浦电流控制，泵浦功率控制。传统的控制单元是由模拟器件构成，控制手段比较单一，实现一些要求较高的瞬态和稳态指标比较困难，同时在各个模式切换的瞬间容易产生控制量的突变，引起系统的不稳定。这就需要应用新的控制手段来解决现有的问题，从而提高EDFA在不同工作模式下的瞬态和稳态指标。

发明内容

本发明的目的在于设计一种用DSP(Digital Signal Processor数字信号处理器)实现EDFA中的增益和功率锁定。用数字信号处理器DSP(Digital SignalProcessor数字信号处理器)，模数转换器A/D(Analog To Digital模数转换器)，数模转换器D/A(Digital To Analog数模转换器)代替原有的闭环模拟控制单元，并在DSP内用软件的方式实现高效和灵活的控制算法。整个控制流程包括，4片14位TI(Texas Instruments德州仪器)的A/D采样芯片，分2级分别采样输入输出光功率，TI的DSP读取输入输出光功率后，按当前的控制模式，根据增益或输出光功率设置值，并结合ASE(amplified spontaneous emission，放大的自发辐射)补偿功率，计算出最终的输出光功率。通过前馈补偿式的数字比例积分微分(PIDProportional，Integral，Differential比例积分微分)控制算法，计算出驱动泵浦激光器的控制电压，用1片14位TI双通道的D/A芯片控制2个泵浦激光器。整个闭环控制系统完成一次控制的周期为2us左右，配合整定过的控制参数，能有效地实现增益和功率锁定，满足用户的瞬态和稳态指标。

为了实现上述目的，本发明提出了一种用DSP实现掺饵光纤放大器(EDFA)中的增益和功率锁定的装置，其特征在于，该装置包括：

ARM(Advanced RISC Machines先进的精减指令集单片机)模块、数字信号处理器DSP模块，其中，ARM和DSP之间以主从的方式实现连接；数字信号处理器DSP自带的UHPI(Universal Host Port Interface通用主机接口)接口和ARM的外扩总线实现无缝连接；ARM通过UHPI可以访问DSP内部的双口RAM(静态存储器)，实现和DSP之间的信息交互；ARM可以设置控制参数和控制模式，控制模式可以是自动电流控制(ACC Automatic Current Control自动电流控制)，自动功率控制(APC Automatic Power Control自动功率控制)，或者自动增益控制(AGC Automatic Gain Control自动增益控制)，同时能读取输入，输出光功率，VOA(Variable Optical Attenuator可变光调节器)输入；DSP负责瞬态和稳态控制；

4片14位TI的A/D采样芯片、1片14位TI双通道的D/A芯片、2个泵浦激光器，其中，对输入，输出光功率通过4片14位TI的A/D采样芯片分2级A/D采集，通过内部变结构，变参数的前馈补偿式数字(PID)控制算法计算，输出用1片14位TI双通道的D/A控制2个泵浦激光器的驱动电流，实现瞬态和稳态控制；其中，DSP模拟控制中的PI调节环，电子开关，数字电位器的组合；ARM提供调试板的接口，泵的温度检测，复位，电源，告警信息。

所述PID控制算法的离散算法优选地为：

$u\left(k\right)=K_{p}e\left(k\right)+\mathrm{Ki}\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}e\left(j\right)T+\frac{K_d}{T}[e\left(k\right)-e(k-1)]$

式中3项分别是比例、积分、微分环节，前面对应的3个系数分别为比例系数K_p，积分系数K_d和微分系数K_i，e(k)表示误差，T表示时间常数。

其中，前馈补偿采用输入光变化率的补偿方式优选地为：

K_p(P(i)-P(i-1))

其中，K_p表示输入光变化率补偿系数，P(i)表示输入光大小。

本发明的优点是：1、与传统的模拟控制相比，DSP控制手段灵活很多，在控制过程中PID的参数能通过软件自动调节，从而能实现一些要求较高的瞬态和稳态指标。同时在各个模式切换的瞬间能有效避免控制量的突变，从而保持系统的稳定。2、整个装置DSP负责对光路的瞬态和稳态控制，ARM负责整个装置的管理和对外的通讯。从而能同时处理外部通讯和光路瞬态控制，有效避免了处理通讯的时间过长而导致光路瞬态控制的延时。

附图说明

图1示出了以DSP为控制单元的系统硬件框图。

图2示出了系统的软件上电流程图。

图3示出了DSP软件的流程图。

图4示出了前馈式数字PID控制算法的实现框图。

图5示出了瞬态控制测试图。

具体实施方式

基于DSP作为控制单元的数字EDFA主要用于光传输系统中光通道的功率放大，主要实现的功能有中级接入、增益可调、工作模式可选、智能化通讯等。整个系统的硬件框图见图1。

数字EDFA的硬件实现主要功能模块包括ARM(Advanced RISC Machines)，DSP。数字EDFA的设计思想是将MCU和控制完全分开，ARM和DSP之间以主从的方式实现连接。DSP自带的UHPI(Universal Host Port Interface)接口和ARM的外扩总线实现无缝连接。ARM通过UHPI可以访问DSP内部的双口RAM，实现和DSP之间的信息交互。ARM可以设置控制参数和控制模式自动电流控制ACC(Automatic Current Control)，自动功率控制APC(Automatic Power Control)，自动增益控制AGC(Automatic Gain Control)等，同时能读取输入，输出光功率，VOA输入，输出光功率等。DSP负责瞬态和稳态控制，对输入、输出光功率通过4片14位TI的A/D采样芯片分2级A/D采集，通过内部变结构，变参数的前馈补偿式数字PID算法计算，输出用1片14位TI双通道的D/A控制2个泵浦激光器的驱动电流，实现瞬态和稳态控制。DSP的作用，就是模拟控制中的PI调节环，电子开关，数字电位器的组合。ARM的作用主要是，提供调试板的接口，泵的温度检测，复位，电源，告警信息等。本发明的核心就是DSP控制器。

数字EDFA的软件实现主要包括二部分，ARM控制器的软件和DSP控制器的软件。DSP的参数和控制程序由ARM提供，DSP的启动通过UHPI接口实现，实时运行过程中参数部分可以升级和修改，控制程序部分原则上不能升级和修改(控制算法一旦确定，就不用修改，只需要调整参数)。整个系统的软件上电流程框图见图2。

系统上电后ARM开始复位工作，硬件电路设置DSP复位后处于UHPI启动方式并处于等待主机唤醒状态。ARM从FLASH中启动版本程序并运行主程序，ARM运行正常后调用FLASH中DSP的版本软件和参数，通过UHPI接口下载程序到DSP指定的空间，并且发送唤醒命令启动DSP，DSP开始运行，此时系统启动完成。

如果需要升级控制程序有二种方法：

1、ARM可以通过GPIO(General Purpose I/O通用输入/输出口)硬件先复位DSP，再进行程序的升级，类似一个启动过程，ARM将新的控制程序下载到DSP中，再触发DSP开始运行。这个过程瞬态控制会中断，中断的时间大概是下载软件的时间。平时ARM检测到DSP有问题死机时，也可以用这种方法复位重新加载DSP。

2、ARM可以将升级的控制程序写到DSP的另一段不冲突的空间，并将更新程序的入口地址写入交互寄存器，下载完后DSP通过检测交互寄存器，跳转到新的程序入口地址就可以。这个过程瞬态控制不会中断，这种方式要求合理利用和分配DSP的内存空间，保证没有物理冲突。

DSP控制器软件主要负责A/D的采样，控制算法的计算，D/A的输出控制，以及和ARM的信息交互等。DSP和ARM之间的交互是通过分配DSP内部一块静态全局双口RAM来实现，提供读缓冲区和写锁存区，ARM访问的优先级高于DSP本身。这部分的内存空间包括功能设置区，数据读取区，控制交互区，和参数存放区，实现ARM和DSP之间的信息交互。DSP的主程序把工作模式分为AGC，APC，ACC，Disable四种工作模式，并且认为放大器一定工作在其中一种模式下。DSP的软件流程图见图3。

DSP每个循环检测系统工作在哪种方式，并采取相应的控制方式。ACC模式下，DSP根据上位机和ARM设定的泵浦电流值，采用闭环PI控制方式，跟踪泵浦驱动电流，以保证泵浦工作在设置的电流值。APC模式下，DSP根据上位机和ARM设定的输出功率值，采用闭环PI控制方式，跟踪输出功率，检测输出光的功率值并比较输出光设定功率值，保证输出光功率锁定到设置的功率值，同时满足上下冲的指标。AGC模式下，DSP根据上位机和ARM设定的增益值，采用闭环前馈补偿式PID控制方式，跟踪增益，检测输入光的功率值，输出光的功率值，结合设置增益值和ASE(Amplified Spontaneous Emission)补偿值，保证输出光功率锁定到设置的增益值，同时满足加掉波上下冲的瞬态指标。

DSP控制器的控制算法是采用前馈式的数字PID控制算法。工业控制中被控对象常常被简化和等效为一个一阶惯性环节：

$G_0\left(S\right)=\frac{k_1(\mathrm{\λ},p,t).k_2}{T(\mathrm{\λ},p,t)s+1}$

(k₁，k₂表示被控对象各个系数，T表示被控对象时间常数，λ表示被控对象波长，p表示被控对象功率，t表示被控对象温度)，采用与之对应的PID调节器来控制光路，PID调节器的连续算法模型为： $G_c\left(s\right)=K_p+\frac{K_i}{s}+K_{d}s,$ 离散算法为： $u\left(k\right)=K_{p}e\left(k\right)+\mathrm{Ki}\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}e\left(j\right)T+\frac{K_d}{T}[e\left(k\right)-e(k-1)]$ 式中3项分别是比例、积分、微分环节，前面对应3个系数分别为比例系数K_p，积分系数K_d和微分系数K_i，e(k)表示误差，T表示时间常数。3个环节的作用分别如下：

1.比例环节K_p

增大比例系数可以提高系统响应速度，在瞬态跟踪过程中，放大器输出上下冲最主要由比例环节决定，但增大比例系数会造成系统相对稳定性降低，从输出上看将引起超调加大(如掉波下冲，加波上冲)甚至会引起系统的不稳定。

2.微分环节K_d

有助于增加系统的稳定性，微分控制仅在瞬态过程有效，其主要作用是增加控制系统的阻尼比，在保证系统具有一定的相对稳定性要求下，容许采用较大的增益，减小稳态误差，其不足之处是放大了噪声信号。

3.积分环节K_i

提高系统的无差度，使系统在位置信号(阶跃)输入时，输出位置无差。从放大器实际工作条件来说，输入信号除正旋输入外，都是位置信号，在保证跟踪实时性得到满足外，由于具有一个积分环节，跟踪误差无需通过提高比例参数来保证，并且由于采用了微分环节，使噪声信号得以放大影响MPI(Multi Path Interference多通道干扰)指标。基于此考虑，控制校正环节仅采用比例和积分两项，时域表达式： $u\left(k\right)=K_{p}e\left(k\right)+\mathrm{Ki}\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}e\left(j\right)T;$ 频域表达式： $G_c\left(s\right)=K_p+\frac{K_i}{s}=\frac{K_{p}s+K_i}{s}=\mathrm{Ki}\frac{\mathrm{Ks}+1}{s};$ 其中 $K=\frac{K_p}{K_i}.$ 由于光路瞬态的不确定性，快速性和加掉波的随机性，使用传统的PID控制不能满足客户的上下冲指标，必须使用其它的辅助控制手段来提高跟踪的瞬态性能。

在AGC模式下，输入光是变化的，增益是固定的，被控量是输出光，引起输出上下冲变化的是由输入光的加掉波引起的，可以认为输入光就是系统的扰动量，在控制器输出数据控制被控对象之前需要增加额外的补偿量来减小输出光的上下冲。前馈补偿采用输入光变化率的补偿方式：K_p(P(i)-P(i-1))，K_p表示输入光变化率补偿系数，P(i)表示输入光大小。前馈式数字PID控制算法的实现框图见图4。

首先通过设定值模块对输入光P、增益G、ASE补偿进行设定，设定值模块的输出连接到负反馈模块的正输入端，输入光P通过前馈补偿后的输出连接到负反馈模块的另一个正输入端，负反馈模块的输出连接到PID调节器的输入端，PID调节器的输出连接到加法器的一个输入端，前馈补偿的输出也连接到加法器的另一个输入端，加法器的输出连接到饱和模块的输入端，饱和模块的输出连接到光路一阶环节模块的输入端，光路一阶环节模块的输出连接到输出光模块，同时连接到负反馈模块的负输入端，完成反馈功能。

在AGC模式下，实现净增益的跟踪和锁定。净增益的跟踪锁定测试，加掉波瞬态测试图见图5。4张子图分别表示加波上冲(ADD OVERSHOT加波上冲)，加波下冲(ADD UNDERSHOOT加波下冲)，掉波上冲(DROP OVERSHOOT掉波上冲)，掉波下冲(DROP UNDERSHOOT掉波下冲)，加掉波的上下冲都小于1.5dB，满足客户的指标要求。

虽然本发明已经详细地示出和并描述了一个相关的特定的实施例参考，但本领域的技术人员能够应该理解，在不背离本发明的精神和范围内可以在形式上和细节上作出各种改变。这些的改变都将落入本发明的权利要求所要求保护的范围。

Claims (3)

1.一种用DSP实现掺饵光纤放大器中的增益和功率锁定的装置，其特征在于：该装置包括：

ARM模块、DSP模块，其中，ARM和DSP之间以主从的方式实现连接；

DSP自带的UHPI接口和ARM的外扩总线实现无缝连接；

ARM通过UHPI可以访问DSP内部的双口RAM，实现和DSP之间的信息交互；

ARM用于设置控制参数和控制模式，控制模式是自动电流控制(ACC)，自动功率控制(APC)，或者自动增益控制(AGC)，同时能读取输入，输出光功率，VOA输入；

DSP负责瞬态和稳态控制；

4片14位TI的A/D采样芯片、1片14位TI双通道的D/A芯片、2个泵浦激光器，

其中，对输入，输出光功率通过4片14位TI的A/D采样芯片分2级A/D采集，通过内部变结构，变参数的前馈补偿式数字(PID)控制算法计算，输出用1片14位TI双通道的D/A控制2个泵浦激光器的驱动电流，实现瞬态和稳态控制；

其中，DSP模拟控制中的PI调节环，电子开关，数字电位器的组合；

ARM提供调试板的接口，泵的温度检测，复位，电源，告警信息。

2.如权利要求1中的用DSP实现掺饵光纤放大器中的增益和功率锁定的装置，其特征在于：

所述PID控制算法的离散算法为：

$u\left(k\right)=K_{p}e\left(k\right)+\mathrm{Ki}\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}e\left(j\right)T+\frac{K_d}{T}[e\left(k\right)-e(k-1)]$

式中3项分别是比例、积分、微分环节，前面对应的3个系数分别为比例系数K_p，积分系数K_d和微分系数K_i，e(k)表示误差，T表示时间常数。

3.如权利要求1中的用DSP实现掺饵光纤放大器中的增益和功率锁定的装置，其特征在于：

前馈补偿采用输入光变化率的补偿方式：

K_p(P(i)-P(i-1))

其中，K_p表示输入光变化率补偿系数，P(i)表示输入光大小。

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