CN102710336B - 应用于mz调制器的工作点控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于MZ调制器的工作点控制装置及方法，包括光调制器；跨阻放大器，将调制器的PD输出的电流转化成电压信号；低噪声放大器，检测出低频信号成份并放大，以提高系统的信噪比；高Q带通滤波器，检测误差信号并进行放大，提高系统的信噪比；第一电平调理器，对相位的误差信号进行电平调理，使得信号输出满足A/D的输入范围；微处理器，产生低频信号，完成软件同步检波以及比例积分PI调节算法；第二电平调理器，完成D/A输出电压调理，使得D/A输出能够满足光调制器的直流偏置全控制范围电压范围。应用本发明，能够解决现有MZ调制器偏置点的硬件控制电路较为复杂，控制精度不高的问题。

Description

应用于MZ调制器的工作点控制装置及方法

技术领域

 本发明涉及光传输网络技术，尤其涉及应用于马赫-曾德（MZ）调制器的工作点控制装置及方法。

背景技术

 在高速长距离的通信传输中，采用强度调制很难达到要求，目前在光纤通信领域的长距传输中，需要利用相位调制技术。对于当前的光电相位调制一般采用马赫-曾德（MZ）电光调制器（可简称为“MZ调制器”）来实现。但是，MZ调制器在运行过程中产生的热量、环境温度变化以及长期运行老化都会影响电场的强度易使电光调制器的特性发生改变，从而使得调制器的理想控制点从预设点处产生漂移。而理想控制点漂移的结果是：调制后的光信号的曲线振幅和中心位置发生改变，从而使光眼图劣化。当发生严重漂移时，MZ调制器将表现出强烈的非线性，会降低光通信连接的最大动态范围，劣化整个系统的性能，严重时会导致接收到的光信号甚至无法恢复出原有信息，所以必须实现光调制器工作点的稳定控制。如图1所示，为现有调制器工作点控制原理示意图。

现有常用的MZ调制器的偏置点的控制方法是在MZ的调制信号中加入低频方波信号，然后从输出的调制信号中分离这个信号，通过锁相放大从而控制偏置点的稳定，如图2所示。全硬件控制使得控制电路非常复杂，同时电路器件的温度稳定性也限制了整个控制环路的精度。

发明内容

 有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种应用于MZ调制器的工作点控制装置及方法，以解决现有MZ调制器偏置点的硬件控制电路较为复杂，控制精度不高的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种应用于MZ调制器的工作点控制装置，包括用于对输入数据信号进行相位调制的光调制器，还包括：跨阻放大器、低噪声放大器、高Q值带通滤波器、第一电平调理器、微处理器和第二电平调理器；其中：

所述跨阻放大器，用于将调制器的光电探测器PD输出的电流转化成电压信号；

低噪声放大器，用于检测出低频信号成份并放大，以提高系统的信噪比；

高Q带通滤波器，用于滤出所需的低频信号，得到输入光调制器的低频方波信号的光检波信号；及用于检测误差信号并进行放大，提高系统的信噪比；

第一电平调理器，对相位的误差信号进行电平调理，使得信号输出满足模数转换A/D的输入范围；

微处理器，用于产生低频信号，完成软件同步检波以及比例积分PI调节算法；

第二电平调理器，完成数模转换D/A输出电压调理，使得D/A输出能够满足光调制器的直流偏置DC Bias全控制范围电压范围。

其中：所述微处理器，为含有片上12位及以上的模数转换A/D和数模转换D/A的单片机。

所述高Q带通滤波器输出的光检波信号的相位极性反映直流偏置点相对于最佳偏置点的位置，该光检波信号的幅度则与偏离最佳偏置点的距离成正比。

所述光检波信号通过第一电平调制器进入微处理器的片上模数转换A/D电路，通过微处理器内部的软件同步检波，具体为：通过利用该光检波信号的相位极性和幅度大小信息，在微处理器内通过软件编程对光检波信号进行对基波的同步检波，得到误差交流信号去控制所述光调制器的最佳偏置点。

所述微处理器通过软件PI调节，选择合适的积分常数，调整数模转换D/A电路直到输出一个快速稳定的直流信号，即该光调制器的最佳工作点电压。

一种应用于MZ调制器的工作点控制的方法，该方法包括如下步骤：

A、通过微处理产生一个低频方波信号，输入到MZ调制器的直流偏置DC bias管脚，将该信号叠加在高速的数据信号上一起进行光调制；

B、将从光探测器PD引脚输出的光电流经过跨阻放大器转化成电压信号，再经过低噪声放大器进行放大；

C、将该放大的信号经过高Q值带通滤波器滤出低频信号，得到输入到调制器的低频方波信号的光检波信号；

D、所述光检波信号通过第一电平调制器进入微处理器的片上模数转换A/D电路，通过微处理器内部的软件进行同步检波；

E、该微处理器通过软件PI调节，选择合适的积分常数，调整数模转换D/A电路直到输出一个快速稳定的直流信号，即该调制器的最佳工作点电压。

其中：步骤D所述通过微处理器进行同步检波的过程，具体为：

D1、首先进行初始化，设置微处理器的模数转换A/D电路和数模转换D/A电路的初始值，控制输入输出IO接口发出低频的方波信号；

D2、将所述IO接口发出的低频方波信号的上升沿作为对反馈信号采样的触发信号，采样N次，并进行和累加，得到前半周期的累加和sum1；并将所述IO接口发出的方波下降沿作为对反馈信号采样的触发信号，采样N次，并进行和累加，得到后半周期的累加和sum2；

D3、将前半周期的累加和sum1和后半周期的累加和sum2做差，得到差值cz。

该方法进一步包括实施软件PI算法的控制流程：具体为：

D4、进行初始化，设置D/A的初始值；利用同步检波得到的误差值cz，用前次设置的D/A值和同步检波误差值cz/积分常数T做减法或者加法，将该值设置为当前的D/A值；如果该值超过D/A的可设置的数字量的范围，则软件复位为初始值。

该方法进一步包括：

根据同步检波得到的误差值cz进行PI调节运算，输出模数转换D/A值控制该调制器的直流偏置DC Bias引脚的电压值。

本发明所提供的应用于MZ调制器的工作点控制装置及方法，具有以下优点：

该装置用于MZ调制器理想工作点的寻找，包括位于光特性曲线最大点和最小点的控制，整个装置由预设算法进行控制，能及时有效的对光路中的信号进行反馈控制，在上电通光的同时就可以完成对调制器工作点的控制，并且在环境变化的情况下保持光信号相对相位不变，达到稳定控制的目的。因而，该控制系统具有实现电路简洁、控制效果好、精确度高和响应速度快的优点。

附图说明

图1为现有MZ调制器工作点控制装置的原理示意图；

图2为现有MZ调制器工作点控制装置的总体设计示意图；

图3为本发明的MZ调制器的工作点控制装置的功能框图；

图4为相位调制原理示意图；

图5为抖动法原理示意图；

图6为本发明实施例的软件同步检波部分的控制处理流程图；

图7为本发明实施例的软件PI算法流程图；

图8为本发明MZ调制器的偏置点控制装置进行控制的处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图及本发明的实施例对本发明的系统及方法作进一步详细的说明。

本发明是要解决由于外部因素造成了MZ调制器的传输曲线发生了漂移而使传递的信号产生错误，该方法实现了对调制器偏压工作点的反馈控制。

图3为本发明的MZ调制器的工作点控制装置的功能框图；如图3所示，该控制装置主要包括7个部分：跨阻放大器10、低噪声放大器20、高Q值带通滤波器30、第一电平调理器40、微处理器50和第二电平调理器 60。下面以MZ调制器根据实际应用的需求，假设要求其工作在null点。

我们将一个低频方波信号通过MZ调制器的直流偏置（DC Bias）引脚（可参考图1）。再通过光电探测器（PD）引脚对光信号进行检测，该信号经过跨阻放大器10、低噪声放大器20，高Q值带通滤波器30，第一电平调理器40进入微处理器50的模数转换器（A/D）中，微处理器50通过对采样来的信号进行同步检波、比例积分（PI）调节控制数模转换器（D/A）输出控制信号，所述控制信号经过第二电平调理器60后，最后输出至MZ调制器的直流偏置（DC Bias）引脚。

这里，所述跨阻放大器10，用于将光调制器的光电探测器（PD）输出电流转化成电压信号；

低噪声放大器20，用于检测出低频信号成份并放大，以提高系统的信噪比；

高Q带通滤波器30，用于滤出所需的低频信号，得到输入光调制器的低频方波信号的光检波信号；及用于检测误差信号并进行放大，提高系统的信噪比；

第一电平调理器40，对相位的误差信号进行电平调理，使得信号输出满足A/D输入范围；

微处理器50，为节省空间，可选择含有片上12位及以上A/D和D/A单片机，产生一个低频信号，完成软件同步检波以及PI调节算法；

第二电平调理器 60，完成D/A输出电压调理，使得D/A输出能够满足光调制器70 的直流偏置（DC Bias）全控制范围电压范围；

光调制器70，用于对输入数据信号进行相位调制。

其实现原理如下：

1）在具体应用上，系统从激光器发光到调制器输出光信号有时间的要求，要在毫秒（ms）级的时间里寻找到工作点并完成反馈控制，相位调制器工作点的寻找是通过微处理50产生一个低频方波信号输入到MZ调制器的DC bias管脚，该信号叠加在高速的数据信号上一起进行光调制，得到相位调制的光眼图，如图4所示。

2）从PD引脚出来的光电流经过跨阻放大器10转化成电压信号，再经过低噪声放大器20进行放大。该电压信号包括了所需要控制的低频部分还有高频噪声以及直流的成份，所以首先要求隔离直流成份，滤出所需要的低频部分。

3）该放大的信号经过高Q值带通滤波器30滤出低频信号，得到输入到调制器的低频方波信号f的光检波信号；光检波信号的相位极性反映了直流偏置点相对于最佳偏置点（peak点或者null点）的位置（位于下降沿还是上升沿），光检波信号的幅度则与偏离最佳偏置点的距离成正比。以最小点为例，如图5所示。

4）所述光检波信号通过第一电平调制器40进入微处理器50的片上A/D，通过微处理器内部的软件同步检波，软件同步检波实际上利用光检波信号的相位极性和幅度大小信息，在微处理器内通过软件编程对光检波信号进行对基波的同步检波，得到误差交流信号去控制电光调制器的最佳偏置点。

5）微处理器50通过软件PI调节，选择合适的积分常数，调整数模转换D/A电路直到输出一个快速稳定的直流信号就是该调制器的最佳工作点电压。

由此可见，通过上述的软件算法处理，省略了现有全硬件技术中的误差比较电路、积分电路、复位电路、监控电路。从而能够在保证精度的同时还可以降低外围控制电路的复杂度与成本，有效提高控制过程的稳定性和可靠性，有助于改善整个系统中光信号调制和发送的性能。

具体流程：调制器的内置PD将光信号转化成电流信号，该信号包含了从调制器BIAS端口输入的低频信号f成份，选取合适跨阻放大器10，将电流信号转换成可处理电压信号，再经过低噪声放大器20、高Q值带通滤波器30，得到较为纯净的低频基波信号，再经过第一电平调理器40将该信号调理到微处理器的片上A/D可处理的电压范围。

同时，微处理器50发出低频方波信号，经过第二电平调理器60转化为幅度很小的低频方波信号。微处理50的控制D/A输出的直流信号经过第二电平调理器60转化为调制器DC Bias全电压控制范围。同时小幅度的低频方波信号与D/A调理后的直流电压在第二电平调理器60中进行叠加。

对于方波信号有一定要求：第一，对于抖动信号幅度的大小不能太小，保证其经过PD能够检测出来，也不能太大影响数据信号，一般小于数据信号幅度的1%；第二，低频信号的频率要保证很小，使其不会影响调制信号的光谱并且不会超出微处理器软件处理的速度，同时该低频信号频率也不能太低，以至于与低频噪声无法区分，为保证良好的信噪比，一般选择为数KHz；第三，为保证软件实现同步检波，这个低频信号选择占空比为50%的方波信号，越对称越好。

图6为根据本发明实施例的软件相同步检波部分的控制处理流程图，具体过程包括如下步骤：

步骤S601，初始化，设置微处理器的A/D和D/A的初始值，控制输入输出（IO）接口发出低频的方波信号。

步骤S602，将IO接口发出的方波上升沿作为对反馈信号采样的触发信号，采样N次，并进行和累加，得到sum1。同时，执行步骤S603。

步骤S603，将IO接口发出的方波下降沿作为对反馈信号采样的触发信号，采样N次，并进行和累加，得到sum2。

步骤S604，将前半周期的累加和sum1和后半周期的累加和sum2做差，得到差值cz。

图7为根据本发明实施的软件PI算法的控制处理流程图，具体过程包括如下步骤：

步骤S701，初始化，设置D/A的初始值。

步骤S702，利用同步检波得到误差值cz。

步骤S703，用前一次设置的D/A值和同步检波误差值cz/积分常数T做减法或者加法，将该值设置为当前的D/A值，如果该值超过D/A的可设置的数字量的范围，则软件复位为初始值。减法和加法决定寻找的是null点或者peak点。

此外，根据本实施例的装置中同样能够根据实时性和精确度选择合适的积分常数T，每次控制过程所采用的积分常数T也并不局限于一个固定值，可以根据同步检波cz的范围以确定更大的积分常数，获得更稳定的效果，从而进一步提高最终确定的偏置点的准确度。

图8为根据本发明实施例的MZ调制器的偏置点控制装置进行控制的处理流程图，具体包括如下步骤：

步骤S801，初始化，设置微处理器的A/D和D/A的初始值，控制IO口发出低频的方波信号，设置寻找null点或者peak点的符号。

步骤S802，软件实现同步检波，得到误差值cz。

步骤S803，根据同步检波得到的误差值cz进行PI调节运算，输出D/A值控制调制器的DC Bias引脚电压值。

为了保证MZ调制器能够长时间在高精度下工作，可以不停的重复或者延时一段时间，重复步骤S802和S803。

通过以上的实施方法的描述，本领域的技术人员可以清楚的了解到本发明可借助软件加必需的硬件平台的方式来实现，基于这样的理解，本发明的技术方案对背景技术做出的贡献可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种应用于MZ调制器的工作点控制装置，包括用于对输入数据信号进行相位调制的光调制器，其特征在于，还包括：跨阻放大器、低噪声放大器、高Q值带通滤波器、第一电平调理器、微处理器和第二电平调理器；其中：

所述跨阻放大器，用于将调制器的光电探测器PD输出的电流转化成电压信号；

低噪声放大器，用于检测出低频信号成份并放大，以提高系统的信噪比；

高Q带通滤波器，用于滤出所需的低频信号，得到输入光调制器的低频方波信号的光检波信号；

第一电平调理器，对光检波信号进行电平调理，使得信号输出满足模数转换A/D的输入范围；

微处理器，用于产生低频信号，完成软件同步检波以及比例积分PI调节算法；所述微处理器通过软件PI调节，选择合适的积分常数，调整数模转换D/A电路直到输出一个快速稳定的直流信号，即该光调制器的最佳工作点电压；

第二电平调理器，完成数模转换D/A输出电压调理，使得D/A输出能够满足光调制器的直流偏置DC Bias全控制范围电压范围。

2.根据权利要求1所述的应用于MZ调制器的工作点控制装置，其特征在于，所述微处理器，为含有片上12位及以上的模数转换A/D和数模转换D/A的单片机。

3.根据权利要求1所述的应用于MZ调制器的工作点控制装置，其特征在于，所述高Q带通滤波器输出的光检波信号的相位极性反映直流偏置点相对于最佳偏置点的位置，该光检波信号的幅度则与偏离最佳偏置点的距离成正比。

4.根据权利要求3所述的应用于MZ调制器的工作点控制装置，其特征在于，所述光检波信号通过第一电平调制器进入微处理器的片上模数转换A/D电路，通过微处理器内部的软件同步检波，具体为：通过利用该光检波信号的相位极性和幅度大小信息，在微处理器内通过软件编程对光检波信号进行对基波的同步检波，得到误差交流信号去控制所述光调制器的最佳偏置点。

5.一种应用于MZ调制器的工作点控制的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

A、通过微处理产生一个低频方波信号，输入到MZ调制器的直流偏置DC bias管脚，将该信号叠加在高速的数据信号上一起进行光调制；

B、将从光探测器PD引脚输出的光电流经过跨阻放大器转化成电压信号，再经过低噪声放大器进行放大；

C、将该放大的信号经过高Q值带通滤波器滤出低频信号，得到输入到调制器的低频方波信号的光检波信号；

D、所述光检波信号通过第一电平调制器进入微处理器的片上模数转换A/D电路，通过微处理器内部的软件进行同步检波；通过微处理器进行同步检波的过程，具体为：D1、首先进行初始化，设置微处理器的模数转换A/D电路和数模转换D/A电路的初始值，控制输入输出IO接口发出低频的方波信号；D2、将所述IO接口发出的低频方波信号的上升沿作为对反馈信号采样的触发信号，采样N次，并进行和累加，得到前半周期的累加和sum1；并将所述IO接口发出的方波下降沿作为对反馈信号采样的触发信号，采样N次，并进行和累加，得到后半周期的累加和sum2；D3、将前半周期的累加和sum1和后半周期的累加和sum2做差，得到误差值cz；

还包括实施软件PI算法的控制流程，具体为：D4、进行初始化，设置D/A的初始值；利用同步检波得到的误差值cz，用前次设置的D/A值和同步检波误差值cz/积分常数T做减法或者加法，得到当前的D/A值；如果该当前的D/A值超过D/A的可设置的数字量的范围，则软件复位为初始值；

E、该微处理器通过软件PI调节，选择合适的积分常数，调整数模转换D/A电路直到输出一个快速稳定的直流信号，即该调制器的最佳工作点电压。

6.根据权利要求5所述的应用于MZ调制器的工作点控制的方法，其特征在于，该方法进一步包括：

根据同步检波得到的误差值cz进行PI调节运算，输出模数转换D/A值控制该调制器的直流偏置DC Bias引脚的电压值。