CN103532633A - 一种用于光发射机的自动偏置控制方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种用于光发射机的自动偏置控制方法和装置，所述装置包括：探测单元，其监测所述光发射机的I/Q调制器的输出光功率；计算单元，其根据所述输出光功率和已知的调制数据，计算所述I/Q调制器的I路调制器、Q路调制器、相位调制器各自的偏置电压指示量；调整单元，其根据所述I路调制器、Q路调制器、相位调制器各自的偏置电压指示量，分别调整所述I路调制器、Q路调制器、相位调制器上的直流偏置电压。通过本发明实施例的方法和装置，利用已知的调制数据，通过监测发射机输出光信号的功率在I-Q平面四个象限内分布的均匀性，来实现自动偏置控制。

Description

一种用于光发射机的自动偏置控制方法和装置

技术领域

本发明涉及光通信，尤其涉及一种用于光发射机的自动偏置控制方法和装置。

背景技术

在光通信系统中，随着对系统容量要求的不断提高，高阶调制格式被采用以提高谱效率。这些高阶调制格式包括：相移键控（Phase Shift Keying，PSK），幅度键控（Amplitude Shift Keying，ASK），正交幅度调制（Quadrature Amplitude Modulation,QAM）等。常用的QPSK、16QAM、8APSK等都是高阶调制格式的例子。在采用高阶调制格式的光发射机中，常常使用基于双Mach-Zehnder（MZ）调制器的I/Q调制器，其结构如图1所示。

这种I/Q调制器内含有两个推挽式MZ调制器（MZM）和一个相位调制器（Φ）。两个MZ调制器用于实现I/Q两路信号的调制，一个相位调制器用于在I/Q两路之间引入一个固定的90°相移。单个MZ调制器的结构如图2所示。

在图2所示MZ调制器中，输入的光信号被均匀地分到两个光波导中传输，然后再合起来输出。每个光波导上都敷有电极，用于施加电压。光波导的材料是光电晶体，利用光电晶体的折射率随外加电压改变的效应，每个光波导构成一个相位调制器，其对光信号产生的相移和电极上所加电压成正比。我们把使光信号相移达到π的电压称为半波电压，记作Vπ。推挽式MZ调制器的两个光波导的电极上所加的电压总是相反的。我们把外加电压的直流分量称为直流电压（或偏置电压），用大写字母V表示，交流分量称为交流电压，用小写字母v表示。假设输入到单个MZ调制器的光的复振幅是E_in=1，那么输出光信号的复振幅为：

$E_{\mathrm{out}}=\frac{\mathrm{\α}}{2}{e}^{j\frac{\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}(V+v)}+\frac{\mathrm{\α}}{2}{e}^{-j\frac{\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}(V+v)}=\mathrm{\α}\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}(V+v)\right)---\left(1\right)$

其中0<α≤1，α是一个正实数，它表征了每一路光波导的损耗。上式中假定了两路光波导的损耗是相等的。当直流偏置电压

时，上式简化为：

$E_{\mathrm{out}}=\mathrm{\&alpha;}\sin \left(\frac{\mathrm{\&pi;}}{V_{\mathrm{\&pi;}}}v\right)---\left(2\right)$

此时E_out和交流电压v呈正弦函数的关系，这个关系表示为图3。

是最佳偏置点，即MZ调制器的消光点。在此直流偏压下，输出光信号的复振幅随交流电压同相变化。图3中示意性地画出了交流电压信号和输出光信号的波形。根据这个特性，用单个推挽式MZ就可实现幅度调制。

如图1所示，在I/Q调制器中，除了用两个MZ调制器分别实现I路和Q路的调制外，I/Q两路之间还有一个相对相移，这个相移可用一个相位调制器来实现，详见图1。加在这个相位调制器上的电压是一个直流电压，用大写字母V_Φ表示。I/Q调制器输出光信号的复振幅可表示为：

$E_{\mathrm{out}}=\mathrm{\&alpha;}\cos \left(\frac{\mathrm{\&pi;}}{V_{\mathrm{\&pi;}}}(V_I+v_i)\right)+e^{j\frac{\mathrm{\&pi;}}{V_{\mathrm{\&pi;}}}{V}_{\mathrm{\&phi;}}}\mathrm{\&alpha;}\cos \left(\frac{\mathrm{\&pi;}}{V_{\mathrm{\&pi;}}}(V_Q+v_q)\right)---\left(3\right)$

为了简单起见，假设各个相位调制器的半波电压都是相等的，统一用V_π表示。但以下得出的结论并不依赖于这个假设，也就是说这些半波电压可以不相等，这只须在(3)式中用不同的字母区分这些半波电压即可。(3)式中V_I表示I路MZ调制器上的直流偏置电压，v_i表示I路MZ调制器上的交流电压。V_Q表示Q路MZ调制器上的直流偏置电压，v_q表示Q路MZ调制器上的交流电压，V_Φ表示控制I/Q两路之间相对相移的直流偏置电压。

在最佳偏置状态下：

$V_I=-\frac{V_{\mathrm{\&pi;}}}{2},$ $V_Q=-\frac{V_{\mathrm{\&pi;}}}{2},$ $V_{\mathrm{\&phi;}}=\frac{V_{\mathrm{\&pi;}}}{2}---\left(4\right)$

这时(3)式简化为：

$E_{\mathrm{out}}=\mathrm{\&alpha;}\sin \left(\frac{\mathrm{\&pi;}}{V_{\mathrm{\&pi;}}}{v}_i\right)+\mathrm{j\&alpha;}\sin \left(\frac{\mathrm{\&pi;}}{V_{\mathrm{\&pi;}}}{v}_q\right)---\left(5\right)$

从上式看到，通过在I路和Q路施加不同的交流电压，就能实现I/Q调制。当各调制器上的直流偏置电压等于(4)式中的值时，就是I/Q调制器的最佳偏置状态。

在实际的I/Q调制器中，光波导的折射率会随外界环境条件（比如温度）而变化，这使得各个光波导对光信号产生的相移也随之变化。这样一来，原本处于最佳偏置点的I/Q调制器在外界环境发生变化后可能不再处于最佳偏置点了，这会导致输出信号质量恶化，降低系统性能。为了使I/Q调制器一直工作在最佳偏置点，必须调整MZ调制器上的直流偏置电压V_I，V_Q及产生I/Q之间相对相移的直流偏置电压（也即相位调制器上的直流偏置电压）V_Φ来补偿外界环境变化带来的影响。为了达到这个目的，需要自动偏置控制（Automatic Bias Control，ABC）。顾名思义，ABC就是自动地调整偏置电压，使整个I/Q调制器始终工作在(4)式所述的最佳偏置点。

目前已有一些自动偏置控制的方法，它们大致可以分为三类：1）使用导频信号的方法，如文献1和文献2；2）不解调信号，只根据信号的统计特性（比如功率）反馈控制的方法，如文献3和文献4；3）根据解调后的信号反馈控制的方法，如文献5。

文献1：Y.Yin,“Dual-parallel-MZ modulator bias control”,US patent 20070212075.

文献2：H.Kawakami et al,“Auto bias control technique for optical 16-QAMtransmitter with asymmetric bias dithering”,We.10.P1.47,ECOC 2011.

文献3：L.Dou et al,“electronic pre-distortion operating at 1 sample/symbol withaccurate bias control for CD compensation”,OThT4,OFC 2010.

文献4：Pak S.Cho et al,“Bias control for optical OFDM transmitter”,IEEE photonicstechnology letters,vol.22,no.14,Jul.15,2010.

文献5：H.G.Choi et al,“modulation-format-free bias control technique for MZmodulator based on differential phasor monitor”,JWA33,OFC 2011.

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本发明的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本发明的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

发明内容

本发明实施例提出了一种用于光发射机的自动偏置控制方法和装置。它利用已知的调制数据，通过监测发射机输出光信号的功率在I-Q平面四个象限内分布的均匀性，来实现自动偏置控制。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种用于光发射机的自动偏置控制装置，其中，所述装置包括：

探测单元，其监测所述光发射机的I/Q调制器的输出光功率；

计算单元，其根据所述输出光功率和已知的调制数据，计算所述I/Q调制器的I路调制器、Q路调制器、相位调制器各自的偏置电压指示量；

调整单元，其根据所述I路调制器、Q路调制器、相位调制器各自的偏置电压指示量，分别调整所述I路调制器、Q路调制器、相位调制器上的直流偏置电压。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种光发射机，其中，所述光发射机包括I/Q调制器以及前述的自动偏置控制装置。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种用于光发射机的自动偏置控制方法，其中，所述方法包括：

监测所述光发射机的I/Q调制器的输出光功率；

其根据所述输出光功率和已知的调制数据，分别计算所述I/Q调制器的I路调制器、Q路调制器、相位调制器各自的偏置电压指示量；

根据所述I路调制器、Q路调制器以及相位调制器各自的偏置电压指示量，分别调整所述I路调制器、Q路调制器以及相位调制器上的直流偏置电压。

本发明实施例的有益效果在于：1）和使用导频信号的方法相比，省去了导频信号的产生、探测等过程；2）和根据解调后的信号反馈控制的方法相比，省去了复杂的信号解调过程；3）和其它监测信号统计量的方法相比，本发明实施例的方法对I/Q调制器中三个偏置电压的调整是有方向的，不需要抖动。

参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

参照以下的附图可以更好地理解本发明的很多方面。附图中的部件不是成比例绘制的，而只是为了示出本发明的原理。为了便于示出和描述本发明的一些部分，附图中对应部分可能被放大或缩小。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。此外，在附图中，类似的标号表示几个附图中对应的部件，并可用于指示多于一种实施方式中使用的对应部件。

在附图中：

图1是目前的I/Q调制器的组成示意图；

图2是图1所示的I/Q调制器中MZM（MZ调制器）的结构示意图；

图3是推挽式MZ调制器的调制曲线示意图；

图4是本发明实施例的自动偏置控制装置的组成示意图；

图5是信号星座示意图（以16QAM为例）；

图6是本发明实施例的自动偏置控制装置的结构示意图；

图7是图6所示实施例的一个变形例的自动偏置控制装置的结构示意图；

图8是图6所示实施例的另一个变形例的自动偏置控制装置的结构示意图；

图9是图6所示实施例的再一个变形例的自动偏置控制装置的结构示意图；

图10是在图7所示实施例的基础上增加一个可调延时模块的结构示意图；

图11是在图8所示实施例的基础上增加一个可调延时模块的结构示意图；

图12是在图9所示实施例的基础上增加一个可调延时模块的结构示意图；

图13是图6所示实施例的另一个变形例的自动偏置控制装置的结构示意图；

图14是图6所示实施例的再一个变形例的自动偏置控制装置的结构示意图；

图15是本发明实施例的发射机的组成示意图；

图16是本发明实施例的自动偏置控制方法的流程图。

具体实施方式

参照附图，通过下面的说明书，本发明实施例的前述以及其它特征将变得明显。这些实施方式只是示例性的，不是对本发明的限制。

实施例1

本发明实施例提供了一种用于光发射机的自动偏置控制装置。图4是该装置的组成示意图，请参照图4，该装置包括：

探测单元41，其监测所述光发射机的I/Q调制器的输出光功率；

计算单元42，其根据所述输出光功率和已知的调制数据，计算所述I/Q调制器的I路调制器、Q路调制器、相位调制器各自的偏置电压指示量；

调整单元43，其根据所述I路调制器、Q路调制器、相位调制器各自的偏置电压指示量，分别调整所述I路调制器、Q路调制器、相位调制器上的直流偏置电压。

在一个实施例中，计算单元42包括：

取符号模块421，其提取所述I/Q调制器的I路调制数据对应的符号、Q路调制数据对应的符号，以及I路调制数据和Q路调制数据的乘积对应的符号；

计算模块422，其根据所述输出光功率和所述I路调制数据对应的符号、Q路调制数据对应的符号，以及I路调制数据和Q路调制数据的乘积对应的符号，分别计算所述I路调制器、Q路调制器、相位调制器的偏置电压指示量。

其中，计算模块422根据探测单元41探测到的输出光功率和I路调制数据对应的符号，计算I路调制器上的偏置电压指示量，根据探测单元41探测到的输出光功率和Q路调制数据对应的符号，计算Q路调制器上的偏置电压指示量，根据探测单元41探测到的输出光功率和I路调制数据和Q路调制数据的乘积对应的符号，计算相位调制器上的偏置电压指示量。

具体的，该计算模块422可以根据以下公式分别计算所述I路调制器、Q路调制器、相位调制器的偏置电压指示量：

Δ_I=mean(P·sign(D_I))；

Δ_Q=mean(P·sign(D_Q))；

Δ_Φ=-mean(P·sign(D_I*D_Q))。

其中sign(·)表示取符号，即 $\mathrm{sign}\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& \mathrm{ifx}>0\\ 0& \mathrm{ifx}=0\\ -1& \mathrm{ifx}<0\end{array}\right.;$ mean(·)表示在一段时间内求平均，该段时间的长度在本发明中不作限制。

由此，调整单元43可以利用上述偏置电压指示量，根据以下公式分别调整所述I路调制器的直流偏置电压、所述Q路调制器的直流偏置电压，以及所述相位调制器的直流偏置电压：

V_I=V_I-μ_IΔ_I；

V_Q=V_Q-μ_QΔ_Q；

V_φ=V_φ-μ_φΔ_φ。

其中，P为探测单元41探测到的输出光功率，D_I为所述I/Q调制器的I路调制数据，D_Q为所述I/Q调制器的Q路调制数据，D_I*D_Q为所述I路调制数据和所述Q路调制数据的乘积，sign(D_I)为所述I路调制数据对应的符号，sign(D_Q)为所述Q路调制数据对应的符号，sign(D_I*D_Q)为所述I路调制数据和所述Q路调制数据的乘积对应的符号，mean(·)表示求平均，Δ_I为所述I路调制器的偏置电压指示量，Δ_Q为所述Q路调制器的偏置电压指示量，Δ_Φ为所述相位调制器的偏置电压指示量，μ_I、μ_Q和μ_φ分别是用来调整V_I、V_Q和V_Φ的步长值，它们是正实数。

为了使本实施例的自动偏置控制装置更加清楚易懂，以下结合16QAM星座图对本实施例的装置进行说明。

假设I/Q调制器上的三个偏置电压处于最佳值附近，即：

$V_I=-\frac{V_{\mathrm{\&pi;}}}{2}+x,$ $V_Q=-\frac{V_{\mathrm{\&pi;}}}{2}+y,$ $V_{\mathrm{\&phi;}}=\frac{V_{\mathrm{\&pi;}}}{2}+z---\left(6\right)$

其中，x、y、z是当前偏置电压和最佳偏置电压之间的差。

此时，输出光信号的复振幅为：

$E_{\mathrm{out}}=\mathrm{\&alpha;}\sin \left(\frac{\mathrm{\&pi;}}{v_{\mathrm{\&pi;}}}(v_i+x)\right)+{\mathrm{je}}^{j\frac{\mathrm{\&pi;}}{v_{\mathrm{\&pi;}}}z}\mathrm{\&alpha;}\sin \left(\frac{\mathrm{\&pi;}}{v_{\mathrm{\&pi;}}}(v_q+y)\right)---\left(7\right)$

以16QAM信号为例，当各偏置电压不是最佳值时，信号的星座会发生畸变。

图5(a)是V_I未偏置在最佳点的情况（x>0），此时星座点沿I轴正向有一个平移，这会造成D_I>0星座点的平均功率大于D_I<0星座点的平均功率；如果x<0，会造成相反的情况，即D_I>0星座点的平均功率小于D_I<0星座点的平均功率。因为在发射机中调制数据D_I和D_Q是已知的，通过测量光功率可以得到D_I>0的星座点的平均功率与D_I<0的星座点的平均功率之差，这个量指示了当前V_I偏离最佳偏置电压的方向和大小，根据这个量就可以对当前V_I作调整。

图5(b)是V_Q路未偏置在最佳点的情况（y>0），这时D_Q>0的星座点的平均功率大于D_Q<0的星座点的平均功率，同理，通过测量光功率可以得到D_Q>0的星座点的平均功率与D_Q<0的星座点的平均功率之差，这个量指示了V_Q偏离最佳偏置电压的方向和大小，根据它可以对当前V_Q作调整。

图5(c)是V_Φ未偏置在最佳点的情形（z<0），这会造成星座点的角度发生变化（图中Φ<90°），(D_I*D_Q)＞0的星座点的平均功率大于(D_I*D_Q)<0的星座点的平均功率。通过测量光功率可以得到(D_I*D_Q)<0的星座点的平均功率与(D_I*D_Q)＞0的星座点的平均功率之差，这个量指示了V_Φ偏离最佳偏置电压的方向和大小。

如上所述，本发明实施例提出的自动偏置控制装置通过探测单元41监测I/Q调制器的输出光功率P，并通过计算单元42计算如下三个偏置电压指示量：

Δ_I=mean(P·sign(D_I))         (8)

Δ_Q=mean(P·sign(D_Q))         (9)

Δ_Φ=-mean(P·sign(D_I*D_Q))    (10)

其中，mean(·)表示求平均。D_I和D_Q的值在发射机端都是已知的，P是I/Q调制器输出的光功率，可以用光电探测器测得。(8)式Δ_I表示D_I>0的星座点的平均功率和D_I<0的星座点的平均功率之差，它指示了V_I的调整方向；(9)式Δ_Q表示D_Q>0的星座点的平均功率和D_Q<0的星座点的平均功率之差，它指示了V_Q的调整方向；(10)式Δ_Φ表示(D_I*D_Q)<0的星座点的平均功率和(D_I*D_Q)＞0的星座点的平均功率之差，它指示了V_Φ的调整方向。

根据式(8)-(10)的指示信号，调整单元43可以使用公知的反馈方法来调整加在I/Q调制器上的三个偏置电压。例如：使用以下公式来逐步调整三个偏置电压：

V_I=V_I-μ_IΔ_I        （11）

V_Q=V_Q-μ_QΔ_Q        （12）

V_φ=V_φ-μ_φΔ_φ    （13）

其中，μ_I，μ_Q，μ_φ分别对应调整三个偏置电压的步长值，它们是正实数。偏置电压的调整频率可以根据实际需要确定，例如：可以每个符号调整一次，也可以每隔若干个符号调整一次。本实施例并不以此作为限制。

其中，式（11）-（13）的公式只是举例说明，调制单元43也可以根据其他公知的反馈方法来调整加在I/Q调制器上的三个偏置电压，本发明实施例并不以此作为限制。

图6是本发明实施例的自动偏置控制装置的结构示意图，如图6所示，该自动偏置控制装置62用于调整I/Q调制器61的I路调制器611、Q路调制器612以及相位调制器613上的直流偏置电压。该自动偏置控制装置62包括光电探测器621，该光电探测器621用于实现前述探测单元41的功能。该自动偏置控制装置62还包括取符号模块622和计算模块（求平均）623，该取符号模块622和计算模块623用于实现前述计算单元42的功能。该自动偏置控制装置62还包括调整单元624，该调整单元624用于实现前述调整单元43的功能。由于探测单元41、计算单元42以及调整单元43的组成和功能以及实施方式已经在前面作了说明，在此不再赘述。

图7是本发明实施例的自动偏置控制装置的一个变形例的结构示意图，如图7所示，该自动偏置控制装置除了包括与图6相同的组成和功能外，还包括一个低通滤波器（第一低通滤波模块）71，以对探测单元621探测到的输出光功率进行低通滤波。在本实施例中，探测单元61可以通过光电探测器实现，通过该光电探测器可以测得该I/Q调制器的输出光功率，并应用到(8)-(10)式中。在本实施例的自动偏置控制装置的一个变形例中，该自动偏置控制装置还包括一个低通滤波器，对光电探测器监测到的输出光功率进行低通滤波，以滤除带外噪声。在该实施例中，公式（8）-（11）中的P是经过了低通滤波的光功率信号。通过本实施例的自动偏置控制装置，计算模块623根据经过低通滤波的输出光功率和所述I路调制数据对应的符号、Q路调制数据对应的符号，以及I路调制数据和Q路调制数据的乘积对应的符号，计算所述I路调制器、Q路调制器以及相位调制器的偏置电压指示量。也即，三路sign信号与经过低通滤波的光电探测器的输出信号相乘，然后经过求平均操作，得到三个指示信号，分别用来调整I、Q和Φ路的偏置电压。

图8是本发明实施例的自动偏置控制装置的另外一个变形例的结构示意图，如图8所示，该自动偏置控制装置除了与图6相同的组成和功能外，还包括一个低通滤波器（第二低通滤波模块）72，以分别对I路调制数据对应的符号、Q路调制数据对应的符号，以及I路调制数据和Q路调制数据的乘积对应的符号进行低通滤波。在图8的实施例中，sign(D_I)，sign(D_Q)，sign(D_I*D_Q)这三个信号先通过低通滤波器进行低通滤波后再进入乘法器。通过本实施例的自动偏置控制装置，计算模块623根据所述输出光功率和经过低通滤波的I路调制数据对应的符号、Q路调制数据对应的符号，以及I路调制数据和Q路调制数据的乘积对应的符号，计算所述I路调制器、Q路调制器以及相位调制器的偏置电压指示量。也即，三路sign信号分别经过低通滤波，与光电探测器的输出信号相乘，然后经过求平均操作，得到三个指示信号，分别用来调整I、Q和Φ路的偏置电压。

图9是本发明实施例的自动偏置控制装置的另外一个变形例的结构示意图，如图9所示，本实施例的自动偏置控制装置同时包括用于对输出光功率进行低通滤波的低通滤波器（第一低通滤波模块）71和用于对信号sign(D_I)，sign(D_Q)，sign(D_I*D_Q)进行低通滤波的低通滤波器（第二低通滤波模块）72。通过本实施例的自动偏置控制装置，计算模块623根据经过低通滤波的输出光功率和经过低通滤波的I路调制数据对应的符号、Q路调制数据对应的符号，以及I路调制数据和Q路调制数据的乘积对应的符号，计算所述I路调制器、Q路调制器以及相位调制器的偏置电压指示量。也即，三路sign信号分别经过低通滤波，与经过低通滤波的光电探测器的输出信号相乘，然后经过求平均操作，得到三个指示信号，分别用来调整I、Q和Φ路的偏置电压。

在图7-图9所示实施例的自动偏置控制装置中，为了保证光强信号和sign信号的同步，还可以加入三个可调延时模块，用来调节sign信号的时延。由此，构成了图10-图12所示的三个实施例。

图10的实施例是在图7的实施例的基础上增加一个可调延时模块101，其他组成和功能与实施例7相同，在此不再赘述。图11的实施例是在图8的实施例的基础上增加一个可调延时模块101，其他组成和功能与实施例8相同，在此不再赘述。图12的实施例是在图9的实施例的基础上增加一个可调延时模块101，其他组成和功能与实施例9相同，在此不再赘述。

在图10-12的实施例中，该可调延时模块101的作用是使测得的光功率信号和sign信号达到同步。在实际系统中，测得的光功率信号和sign信号之间可能存在一定的相对延时，这个延时主要来自于电路的延时（比如PD、LPF、ADC等器件）。过大的延时会使该自动偏置控制方法失效。图10-12的实施例中加入的可调延时模块的作用就是补偿电路所带来的时延，将残余延时控制在可接受的范围内，保证该自动偏置控制方法能有效工作。

仿真表明，对残余延时的容忍度与PD和滤波器的带宽成反比，即PD和滤波器的带宽越小，对残余延时的容忍度越高。但随着带宽减小，得到的指示信号的信噪比会降低，它会影响偏置电压的控制精度。在不同的系统中，为了达到特定的偏置电压控制精度，对滤波器带宽和残余延时大小会有不同的要求。如果加入可调的延时器件，将为此自动偏置控制装置带来很大的灵活度。因为sign信号是个二值信号（±1），对它的延时可以用低复杂度的电路实现，所以图9-11中在sign信号路都加入了可调延时器件。

在本实施例中，该可调延时模块用来补偿电路的时延。如果这个电路的时延可以通过某种方法测定，那么这个测得的时延值就可以设置给延时器件。除了直接测量的方法外，本发明实施例还可以用下述的方法来设置延时器件的时延值：

因为当可调延时模块设置合适时，光功率信号和sign信号同步，计算单元的输出将指示当前偏置电压和理想偏置电压的差；当可调延时模块设置不合适时，光功率信号和sign信号不同步，计算单元的输出的绝对值会减小；如果光功率信号和sign信号在时域有较大的错位而完全不同步，计算单元的输出会趋于零。根据这个特点，本发明实施例可以先将I/Q调制器偏置在某个非最佳偏置状态，并保持偏置电压不变。这时分别调节三个可调延时模块，使相应的计算单元输出的偏置电压指示信号的绝对值在当前偏置电压下尽可能大。如果调节某个可调延时模块时，发现相应的计算单元输出的指示信号始终很小，则改变一下相应偏置电压的大小，再重复以上调节过程，直至计算单元输出的指示信号的绝对值在当前偏置电压下尽可能大。这时可认为可调延时模块调整好了，光功率信号和sign信号达到了同步状态。

在以上的实施例中，相乘操作可以通过乘法器实现，求平均操作可以通过积分器实现，但本实施例并不以此作为限制。

在图6所示的自动偏置控制装置的基础上，还可以有以下几个变形例。

图13是本发明实施例的自动偏置控制装置的数字方式的一个实施例的结构示意图，如图13所示，该实施例的自动偏置控制装置在图6-图12任意一个实施例的基础上，增加了两个模数转换器（ADC），其中一个ADC（第一模数转换模块）131用于对输出光功率进行模数转换，另外一个ADC（第二模数转换模块）132用于分别对I路调制数据对应的符号、Q路调制数据对应的符号以及I路调制数据和Q路调制数据的乘积对应的符号进行模数转换。在本实施例中，和图12不同的是，在LPF之后用模数转换器（Analog-Digital Converter,ADC）将模拟信号转换成数字信号进行处理。光功率信号的采样率和sign信号的采样率是相等的，以使它们能逐样值对应相乘。上述采样率可以远低于发送信号的波特率，以使该装置能用低速（低成本）的硬件电路实现。在本实施例中，乘法操作可以通过数字乘法器实现，求平均操作可以通过数字加法器实现。如图13所示，由于该实施例是对应图6-图12任意一个实施例，因此图中的LPF、可调延时模块都是可选的，其具体的功能与前述实施例相同，在此不再赘述。

图14是本发明实施例的自动偏置控制装置的数字方式的另外一个实施例的结构示意图，如图14所示，该实施例的自动偏置控制装置在图6所示实施例的基础上，增加了一个ADC（第一模数转换模块）131和一个下采样模块133，其中ADC 131用于对输出光功率进行模数转换，下采样模块133分别对I路调制数据对应的符号、Q路调制数据对应的符号以及I路调制数据和Q路调制数据的乘积对应的符号进行下采样。这里的下采样即每隔若干个符号取一次sign信号。在本实施例中，下采样后的sign信号的采样率和ADC的采样率相同，以使下采样后的sign信号和经过ADC的光功率信号可以逐样值相乘。上述采样率可以远小于发送信号的波特率，以使该装置能用低速（低成本）的硬件电路实现。因为sign信号只取±1两个值，该实施例中的乘法只是改变符号，而没有实质上的乘法运算。在本实施例中，还可以增加用于对输出光信号进行低通滤波的低通滤波器（第一低通滤波模块），也可以增加对sign信号（所述I路调制数据对应的符号、所述Q路调制数据对应的符号，以及所述I路调制数据和Q路调制数据的乘积对应的符号）进行延时的可调延时模块，然而，该LPF和可调延时模块也是可选的，其具体的功能与前述实施例相同，在此不再赘述。

在以上的实施例中，求平均操作是在一段时间内求平均，该段时间的长度在本发明实施例中不作限制。

通过本发明实施例的自动偏置控制装置，使用探测单元（光电探测器）监测I/Q调制器当前输出光功率，使用计算单元根据(8)-(10)式计算偏置电压指示量，使用调整单元根据公知的反馈方法（例如(11)-(13)式）调整三个偏置电压，实现了发射机的I/Q调制器的自动偏置控制。该装置的优点如下：和使用导频信号的方法相比，省去了导频信号的产生、探测等过程；和根据解调后的信号反馈控制的方法相比，省去了复杂的信号解调过程；和其它监测信号统计量的方法相比，本发明实施例的自动偏置控制装置对I/Q调制器中三个偏置电压的调整是有方向的，不需要抖动。

实施例2

本发明实施例还提供了一种光发射机。图15是该光发射机的结构示意图，如图15所示，该光发射机包括一个I/Q调制器151，还包括一个自动偏置控制装置152，其中，该自动偏置控制（ABC）装置152可以通过实施例1的自动偏置控制装置来实现，其内容被合并于此，在此省略说明。

本发明实施例的光发射机采用了本发明实施例的自动偏置控制装置，它的优点如下：和使用导频信号的方法进行自动偏置控制相比，省去了导频信号的产生、探测等过程；和根据解调后的信号反馈控制的方法进行自动偏置控制相比，省去了复杂的信号解调过程；和其它监测信号统计量的方法相比，本发明实施例的发射机对I/Q调制器中三个偏置电压的调整是有方向的，不需要抖动。

本发明实施例还提供了一种用于光发射机的自动偏置控制方法，如下面的实施例3所述，由于该方法解决问题的原理与实施例1的自动偏置控制装置相同，因此，其实施可以参照实施例1的方法的实施，重复之处不再赘述。

实施例3

本发明实施例还提供了一种用于光发射机的自动偏置控制方法。图16是该方法的流程图，请参照图16，该方法包括：

步骤1601：监测所述光发射机的I/Q调制器的输出光功率；

步骤1602：根据所述输出光功率和已知的调制数据，分别计算所述I/Q调制器的I路调制器、Q路调制器、相位调制器各自的偏置电压指示量；

步骤1603：根据所述I路调制器、Q路调制器以及相位调制器各自的偏置电压指示量，分别调整所述I路调制器、Q路调制器以及相位调制器上的直流偏置电压。

在步骤1602的一个实施例中，可以进一步包括以下步骤：

步骤16021：提取所述I/Q调制器的I路调制数据对应的符号、Q路调制数据对应的符号，以及I路调制数据和Q路调制数据的乘积对应的符号；

步骤16022：根据所述输出光功率和所述I路调制数据对应的符号、Q路调制数据对应的符号，以及I路调制数据和Q路调制数据的乘积对应的符号，分别计算所述I路调制器、Q路调制器、相位调制器的偏置电压指示量。

在步骤16022的一个实施例中，可以根据以下公式分别计算所述I路调制器、Q路调制器、相位调制器的偏置电压指示量：

Δ_I=mean(P·sign(D_I))；

Δ_Q=mean(P·sign(D_Q))；

Δ_Φ=-mean(P·sign(D_I*D_Q))；

在一个实施例中，在步骤1603中，可以根据以下公式分别调整所述I路调制器的直流偏置电压、所述Q路调制器的直流偏置电压，以及所述相位调制器的直流偏置电压：

V_I=V_I-μ_IΔ_I；

V_Q=V_Q-μ_QΔ_Q；

V_φ=V_φ-μ_φΔ_φ；

其中，P为所述输出光功率，D_I为所述I/Q调制器的I路调制数据，D_Q为所述I/Q调制器的Q路调制数据，D_I*D_Q为所述I路调制数据和所述Q路调制数据的乘积，sign(D_I)为所述I路调制数据对应的符号，sign(D_Q)为所述Q路调制数据对应的符号，sign(D_I*D_Q)为所述I路调制数据和所述Q路调制数据的乘积对应的符号，mean(·)表示在一段时间内求平均，Δ_I为所述I路调制器的偏置电压指示量，Δ_Q为所述Q路调制器的偏置电压指示量，Δ_Φ为所述相位调制器的偏置电压指示量，μ_I、μ_Q和μ_φ分别是用来调整V_I、V_Q和VΦ的步长值，它们是正实数。

在步骤16022的一个实施例中，可以根据经过低通滤波的输出光功率和所述I路调制数据对应的符号、Q路调制数据对应的符号，以及I路调制数据和Q路调制数据的乘积对应的符号，计算所述I路调制器、Q路调制器以及相位调制器的偏置电压指示量。

在步骤16022的另外一个实施例中，可以根据所述输出光功率和经过低通滤波的I路调制数据对应的符号、Q路调制数据对应的符号，以及I路调制数据和Q路调制数据的乘积对应的符号，计算所述I路调制器、Q路调制器以及相位调制器的偏置电压指示量。

在步骤16022的另外一个实施例中，可以根据经过低通滤波的输出光功率和经过低通滤波的I路调制数据对应的符号、Q路调制数据对应的符号，以及I路调制数据和Q路调制数据的乘积对应的符号，计算所述I路调制器、Q路调制器以及相位调制器的偏置电压指示量。

在步骤16022的一个实施例中，可以先对输出光功率和所述I路调制数据对应的符号、Q路调制数据对应的符号以及I路调制数据和Q路调制数据的乘积对应的符号进行模数转换，再计算所述I路调制器、Q路调制器以及相位调制器的偏置电压指示量。可选的，还可以对输出光功率先进行低通滤波再进行模数转换。可选的，还可以对sign信号先进行延时和/或进行低通滤波再进行模数转换。

在步骤16022的一个实施例中，也可以既对输出光功率进行模数转换；又分别对所述I路调制数据对应的符号、Q路调制数据对应的符号以及I路调制数据和Q路调制数据的乘积对应的符号进行下采样，再计算所述I路调制器、Q路调制器以及相位调制器的偏置电压指示量。可选的，还可以对输出光功率先进行低通滤波再进行模数转换。可选的，还可以对sign信号先进行延时再进行下采样。

通过本发明实施例的方法进行发射机的自动偏置控制，通过监测I/Q调制器当前输出光功率，并根据(8)-(10)式计算偏置电压指示量，最后根据公知的反馈方法（例如(11)-(13)式）调整三个偏置电压，实现了发射机的I/Q调制器的自动偏置控制。本方法的优点如下：和使用导频信号的方法相比，省去了导频信号的产生、探测等过程；和根据解调后的信号反馈控制的方法相比，省去了复杂的信号解调过程；和其它监测信号统计量的方法相比，本发明实施例的方法对I/Q调制器中三个偏置电压的调整是有方向的，不需要抖动。

以上参照附图描述了本发明的优选实施方式。这些实施方式的许多特征和优点根据该详细的说明书是清楚的，因此所附权利要求旨在覆盖这些实施方式的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的实施方式限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或者它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可以用本领域共知的下列技术中的任一项或者他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列（PGA），现场可编程门阵列（FPGA）等。

流程图中或在此以其它方式描述的任何过程或方法描述或框可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程中的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中，可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或者按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明所述技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或者在此以其它方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备（如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统）使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质例如可以是但不限于电子、磁、光、电磁、红外或半导体系统、装置、设备或传播介质。计算机可读介质的更具体的示例（非穷尽性列表）包括以下：具有一个或更多个布线的电连接部（电子装置），便携式计算机盘盒（磁装置），随机存取存储器（RAM）（电子装置），只读存储器（ROM）（电子装置），可擦除可编程只读存储器（EPROM或闪速存储器）（电子装置），光纤（光装置），以及便携式光盘只读存储器（CDROM）（光学装置）。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其它合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

上述文字说明和附图示出了本发明的各种不同的特征。应当理解，本领域普通技术人员可以准备合适的计算机代码来实现上面描述且在附图中例示的各个步骤和过程。还应当理解，上面描述的各种终端、计算机、服务器、网络等可以是任何类型的，并且可以根据公开内容来准备所述计算机代码以利用所述装置实现本发明。

在此公开了本发明的特定实施方式。本领域的普通技术人员将容易地认识到，本发明在其他环境下具有其他应用。实际上，还存在许多实施方式和实现。所附权利要求绝非为了将本发明的范围限制为上述具体实施方式。另外，任意对于“用于……的装置”的引用都是为了描绘要素和权利要求的装置加功能的阐释，而任意未具体使用“用于……的装置”的引用的要素都不希望被理解为装置加功能的元件，即使该权利要求包括了“装置”的用词。

尽管已经针对特定优选实施方式或多个实施方式示出并描述了本发明，但是显然，本领域技术人员在阅读和理解说明书和附图时可以想到等同的修改例和变型例。尤其是对于由上述要素（部件、组件、装置、组成等）执行的各种功能，除非另外指出，希望用于描述这些要素的术语（包括“装置”的引用）对应于执行所述要素的具体功能的任意要素（即，功能等效），即使该要素在结构上不同于在本发明的所例示的示例性实施方式或多个实施方式中执行该功能的公开结构。另外，尽管以上已经针对几个例示的实施方式中的仅一个或更多个描述了本发明的具体特征，但是可以根据需要以及从对任意给定或具体应用有利的方面考虑，将这种特征与其他实施方式的一个或更多个其他特征相结合。

Claims (10)

1.一种用于光发射机的自动偏置控制装置，其中，所述装置包括：

探测单元，其监测所述光发射机的I/Q调制器的输出光功率；

计算单元，其根据所述输出光功率和已知的调制数据，计算所述I/Q调制器的I路调制器、Q路调制器、相位调制器各自的偏置电压指示量；

调整单元，其根据所述I路调制器、Q路调制器、相位调制器各自的偏置电压指示量，分别调整所述I路调制器、Q路调制器、相位调制器上的直流偏置电压。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述计算单元包括：

取符号模块，其提取所述I/Q调制器的I路调制数据对应的符号、Q路调制数据对应的符号，以及I路调制数据和Q路调制数据的乘积对应的符号；

计算模块，其根据所述输出光功率和所述I路调制数据对应的符号、Q路调制数据对应的符号，以及I路调制数据和Q路调制数据的乘积对应的符号，分别计算所述I路调制器、Q路调制器、相位调制器的偏置电压指示量。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，

所述计算模块根据以下公式分别计算所述I路调制器、Q路调制器、相位调制器的偏置电压指示量：

Δ_I=mean(P·sign(D_I))；

Δ_Q=mean(P·sign(D_Q))；

Δ_Φ=-mean(P·sign(D_I*D_Q))；

所述调整单元根据以下公式分别调整所述I路调制器的直流偏置电压、所述Q路调制器的直流偏置电压，以及所述相位调制器的直流偏置电压：

V_I=V_I-μ_IΔ_I；

V_Q=V_Q-μ_QΔ_Q；

V_φ=V_φ-μ_φΔ_φ；

其中，P为所述输出光功率，D_I为所述I/Q调制器的I路调制数据，D_Q为所述I/Q调制器的Q路调制数据，D_I*D_Q为所述I路调制数据和所述Q路调制数据的乘积，sign(·)表示取符号，sign(D_I)为所述I路调制数据对应的符号，sign(D_Q)为所述Q路调制数据对应的符号，sign(D_I*D_Q)为所述I路调制数据和所述Q路调制数据的乘积对应的符号，mean(·)表示求平均，Δ_I为所述I路调制器的偏置电压指示量，Δ_Q为所述Q路调制器的偏置电压指示量，Δ_Φ为所述相位调制器的偏置电压指示量，μ_I,μ_Q,μ_φ分别是调整V_I,V_Q,V_φ的步长值，它们是正实数。

4.根据权利要求2所述的装置，其中，所述计算单元还包括：

第一低通滤波模块，其对所述输出光功率进行低通滤波；和/或

第二低通滤波模块，其分别对所述I路调制数据对应的符号、Q路调制数据对应的符号，以及I路调制数据和Q路调制数据的乘积对应的符号进行低通滤波；

和/或

第一模数转换模块，其对所述输出光功率进行模数转换；以及

第二模数转换模块，其分别对I路调制数据对应的符号、Q路调制数据对应的符号以及I路调制数据和Q路调制数据的乘积对应的符号进行模数转换；

和/或

可调延时模块，其分别调节所述I路调制数据对应的符号、所述Q路调制数据对应的符号，以及所述I路调制数据和Q路调制数据的乘积对应符号的时延。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，

当所述计算单元包括所述第一低通滤波模块时，所述计算模块根据经过低通滤波的输出光功率和所述I路调制数据对应的符号、Q路调制数据对应的符号，以及I路调制数据和Q路调制数据的乘积对应的符号，计算所述I路调制器、Q路调制器以及相位调制器的偏置电压指示量；

当所述计算单元包括所述第二低通滤波模块时，所述计算模块根据所述输出光功率和经过低通滤波的I路调制数据对应的符号、Q路调制数据对应的符号，以及I路调制数据和Q路调制数据的乘积对应的符号，计算所述I路调制器、Q路调制器以及相位调制器的偏置电压指示量；

当所述计算单元包括所述第一低通滤波模块和所述第二低通滤波模块时，所述计算模块根据经过低通滤波的输出光功率和经过低通滤波的I路调制数据对应的符号、Q路调制数据对应的符号，以及I路调制数据和Q路调制数据的乘积对应的符号，计算所述I路调制器、Q路调制器以及相位调制器的偏置电压指示量。

6.根据权利要求2所述的装置，其中，所述计算单元还包括：

第一模数转换模块，其对所述输出光功率进行模数转换；以及

下采样模块，其分别对所述I路调制数据对应的符号、Q路调制数据对应的符号以及I路调制数据和Q路调制数据的乘积对应的符号进行下采样。

7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述计算单元还包括：

第一低通滤波模块，其对所述输出光功率进行低通滤波；和/或

可调延时模块，其分别调节所述I路调制数据对应的符号、所述Q路调制数据对应的符号，以及所述I路调制数据和Q路调制数据的乘积对应符号的时延。

8.一种光发射机，其中，所述光发射机包括I/Q调制器以及权利要求1-8任一项所述的自动偏置控制装置。

9.一种用于光发射机的自动偏置控制方法，其中，所述方法包括：

监测所述光发射机的I/Q调制器的输出光功率；

其根据所述输出光功率和已知的调制数据，分别计算所述I/Q调制器的I路调制器、Q路调制器、相位调制器各自的偏置电压指示量；

根据所述I路调制器、Q路调制器以及相位调制器各自的偏置电压指示量，分别调整所述I路调制器、Q路调制器以及相位调制器上的直流偏置电压。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述计算偏置电压指示量的步骤包括：

提取所述I/Q调制器的I路调制数据对应的符号、Q路调制数据对应的符号，以及I路调制数据和Q路调制数据的乘积对应的符号；

根据所述输出光功率和所述I路调制数据对应的符号、Q路调制数据对应的符号，以及I路调制数据和Q路调制数据的乘积对应的符号，分别计算所述I路调制器、Q路调制器、相位调制器的偏置电压指示量。

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