CN105302019A - 一种电光调制器偏置工作点控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光传输网络领域，公开了一种电光调制器偏置工作点控制装置和方法。特别针对有机聚合物马赫-曾德尔电光调制器频率高、速度快的特点，通过采用可编程片上系统(PsoC)以及比例-积分-微分(PID)控制算法，达到电光调制器工作于最佳工作点的目的。该装置由光电探测器(1)、控制器(2)、电压放大电路(3)、加法电路(4)、误差比较器(5)、二阶低通滤波电路(6)组成，利用PsoC的可编程计算能力，采用了精确的PID控制算法，使其具有结构简单、体积小、易于实现、精度高、不需依赖其他外部设备的特点。本发明解决了现有技术中控制精度低以及电路较为复杂的问题，实现了偏置工作点的高精度控制。

Description

一种电光调制器偏置工作点控制装置及方法

技术领域

本发明涉及光传输网络领域，特别是指一种电光调制器偏置工作点控制系统，用于为马赫-曾德尔电光调制器提供合适的直流偏置电压。

背景技术

在通信系统中，马赫-曾德尔(M-Z)电光调制器的作用是将含有各种信息的电信号调制到光信号上。无论需要调制的电信号是模拟信号，还是数字信号，都需在M-Z电光调制器工作在最好的传输特性区间。为了保证M-Z电光调制器工作在最佳特性区域，必须给其施加一个合适的偏置电压。

电光调制器偏置工作点控制装置的目的是为电光调制器提供足够电压幅度；提供合适的偏置电压，确保其工作于线性区间；根据输入和输出光信号的比较结果，提供对直流偏置电压的控制，及时对由于各种原因导致的工作点漂移进行修正。

图1给出的M-Z电光调制器的传输函数为余弦形式的曲线，虽然它是非线性的，但其中的一段曲线(A或B点附近)可以近似看成是线性的。为了实现射频信号对光信号的线性调制，就要确保信号位于调制曲线的这个线性区间内，此时需施加一直流偏置电压，以保证调制工作点位于线性区的中点。

在采用小信号的ROF应用系统中，电光调制器并不像理想的那么稳定，随着时间、压力、工作温度的改变、器件内产生的静电电荷引起的热电效应，不可避免的会使得偏置电压发生偏移。另外，调制器的老化以及光耦合效率和固有光折射系数变化，也使运行中的最佳偏置点发生改变。上述变化都将改变调制器的特性曲线，其结果将导致曲线位置的水平位移，电光调制器的工作点发生漂移。此时如果偏置电压固定不变，传输函数就会移动，偏置点将不在最佳位置。偏置点的变化会导致调制区域从线性区域偏离，引起调制后的输出功率和频响曲线发生较大变化。为了避免上述现象的发生，需要建立一个反馈系统，对偏置电压进行实时跟踪控制，将偏置电压控制在最佳点，使电光调制一直发生在线性区域。本发明的作用就是精准跟踪其变化并对偏置进行相应的调整。

目前，常用的M-Z电光调制器偏置点的控制方法，都存在下面两个缺点：

1.器件和环境的温度稳定性影响控制环路的精度，使得偏置电压修正值精度不高，不能精准地跟踪偏置电压的变化。

2.硬件电路结构较为复杂，对电路中元器件的速度和精度都有较高的要求。

本发明所提出的方案，在简化电路的同时，很大程度上满足了精度较高的要求。

发明内容

技术问题：本发明提供了一种用于M-Z电光调制器直流偏置工作点控制的装置，特别针对有机聚合物电光调制器频率高、速度快的特点，通过采用可编程片上系统以及比例-积分-微分(PID)控制算法，达到电光调制器稳定工作点的目的。该装置具有结构简单、体积小、易于实现、精度高、不需依赖其他外部设备的特点。

技术方案：电光调制器偏置工作点控制装置是一种闭环控制装置。该装置通过控制器来控制直流偏置工作点电压，进而达到电光调制器工作在线性区域的目的。由光电探测器检测出的抖动信号，经控制器放大后，与原始抖动信号进行相位比较，再经二阶低通滤波得到相位误差信号。控制器将该信号进行模/数转换后，采用PID算法控制，其结果经数/模转换后经电压放大电路放大，与控制器产生的偏置电压共同相加，形成最后的电光调制器直流偏置电压。

该装置的光电探测器、控制器、电压放大电路、加法电路顺次连接，控制器、误差比较器、二阶滤波电路构成一个环路。控制器产生一个低频、幅度很小的抖动信号，一路经直流偏置信号加到电光调制器，电光调制器的输出端将出现抖动信号的基波和谐波，经光电探测器滤波后分离出二次谐波分量，并经控制器进行前置放大输出到误差比较器。另一路抖动信号倍频后产生一个与二次谐波同频的信号，作为基准信号也加到误差比较器中。这两个二次谐波信号，经同步检测器检测后，得到误差信号。误差信号再通过控制器模/数转换后，采用PID算法计算出偏置漂移量。该信号表明直流偏置是否存在偏置漂移，是否处于最佳工作点。控制器据此计算出偏置电压修正值，并将该偏置误差修正值与直流偏置电压相加，构成修正后的直流偏置电压，加到电光调制器直流偏置端，从而形成一个闭环控制，对漂移的直流偏置电压进行修正，实现对偏置电压的自动控制。

本发明提供了一种电光调制器偏置工作点控制方法，该方法包括：

步骤一、控制器产生低频抖动信号以及它的倍频信号，并将低频抖动信号输出到电光调制器；

步骤二、光电探测器检测出低频抖动信号二次谐波，并将其转换为电信号；

步骤三、控制器中的可编程运算放大器(PGA)将电信号放大；

步骤四、放大后的抖动信号二次谐波与抖动信号的倍频信号输出，经误差比较器进行同步检测，再经过二阶低通滤波后得到偏置漂移量；

步骤五、控制器将偏移量模/数转换后得到数字信号，进行PID算法计算得到偏置电压修正值，再经过数/模转换后输出到加法电路；

步骤六、加法电路将经放大后的偏置电压、偏置电压修正值以及抖动信号相加后，作为输出电压施加到电光调制器的偏置电压输入端；

所述步骤五具体包括：

(1)电光调制器对阶跃函数响应曲线的确定。采用瞬态响应法，通过控制器产生阶跃信号，检测二阶低通滤波器输出的电压信号，确定电光调制器对阶跃函数的响应曲线，如图3所示，据此确定PID控制参数。

(2)PID控制参数的确定。离散域中的控制微分方程为：

$u\left(n\right)=K_P\{e\left(n\right)+\frac{T}{T_I}\underset{i=0}{\overset{n}{\Σ}}e\left(i\right)+\frac{T_D}{T}\[e\left(n\right)-e(n-1)\]\}+u_0=u_P\left(n\right)+u_I\left(n\right)+u_D\left(n\right)+u_0,$ 其中，K_p、K_I＝T_IT_s和K_D＝T_DT_s是PID控制参数，即比例、积分和微分的系数， T_s为采样时间。根据(1)得到的被控时间常数T、滞后时间L、NLI(非线性误差)变化幅值k即可确定参数K_p、K_I\、K_D。

(3)非线性误差(NLI)变化曲线的测试。控制器通过软件编程按照一定的增幅，对偏置电压进行扫描检测，得到不同偏置电压下，非线性误差信号与偏置电压的关系，以此作为偏置电压修正量的参考。

(4)偏置电压修正值的计算。控制器由公式Δu(n)＝K_pe(n)+K_Ie(n-1)+K_De(n-2)，根据(2)中所确定的K_p、K_I、K_D通过软件计算出需要修正的偏置电压△u(n)。其中，e(n)、e(n-1)、e(n-2)均为PID的反馈输入，即给定量和输出量的误差。

附图说明

图1为电光调制器输出特性曲线示意图。横坐标表示驱动电压，纵坐标表示电光调制器的相对光输出功率。

图2为本发明的电光调制器偏置工作点控制装置示意图。

图3为电光调制器对阶跃函数的响应曲线，从图中可以获取滞后时间L、被控时间常数T、NLI(非线性误差)变化幅值k。

图4为该电光调制器非线性误差信号与偏置电压的关系，它将作为确定偏置电压修正值的参考。横坐标为偏置电压，纵坐标为非线性误差电压值。

图5为可编程片上系统CY8C29466芯片的内部设置框图，通过编程实现各功能及相互间的连接。

具体实施方式

为了便于对本发明的结构和方法有进一步的了解，以下结合实例对本发明做详细的说明。

该装置由光电探测器(1)、控制器(2)、电压放大电路(3)、加法电路(4)、误差比较器(5)、二阶低通滤波电路(6)组成，如图2。其连接关系是：光电探测器的输入接光耦合器的输出，输出接控制器的PAG输入端；控制器的PAG输出端和抖动信号倍频输出端接误差放大器的输入端；误差放大器的输出端接二阶低通滤波器的输入端；二阶低通滤波器的输出端接控制器的模/数转换输入端；控制器的一个数/模输出端接电压放大电路的输入端，另外两个数/模输出端接加法电路的输入端，分别为低频抖动信号输出和偏置电压修正值输出；输出所需偏置电压的电压放大电路输出端接加法电路的输入端；加法电路的输出端接电光调制器的直流偏置输入端。

实例中，所采用的电光强度调制器工作波长为1550nm，调制带宽为20GHz，半波电压最大值为8V，偏置电压范围为±20V，RF端输入功率28dBm，输入光功率最大20dBm。

光电探测器包括光电二极管、电流电压转换电路，其响应速度要求不高，1s～100μs即可。

控制器采用Cypress公司的可编程片上系统(PSoC)CY8C29466，该系统将微处理器、存储器、高密度逻辑电路、模拟和混合电路，以及其他电路集成在一个芯片上，构成一个具有信号采集、转换、存储和I/O处理功能的系统。

CY8C29466内部设置框图如图5，实例中设定系统时钟为24MHz，CPU时钟为12MHz。ADC采样分辨率为12bit，数据时钟为40.956KHz，采样窗口为100ms。产生的抖动信号频率f₀为500Hz，幅值为300mV；倍频信号频率2f₀为1KHz，幅值为±3V。

误差比较器采用CD4066，实现对调制前二倍频抖动信号与调制后抖动信号二次谐波的相位比较。二阶低通滤波电路采用LM324与电阻、电容组成的电路。放大电路和加法电路均采用OP07实现。

本发明解决了由于外部各种因素引起的偏置工作点漂移问题，通过反馈控制保证电光调制器工作在最佳状态。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种电光调制器偏置工作点的装置，其特征在于，它由光电探测器、控制器、电压放大电路、加法电路、二阶低通滤波电路、误差比较器组成；控制器采用片上可编程系统，除能减少电路复杂度外，更重要的是便于采用PID算法控制，达到高精度跟踪偏置工作点的目的；由耦合器分路的调制光信号经光电探测器检出抖动信号的二次谐波后，转换为电信号，输入到控制器进行放大；控制器产生原始抖动倍频信号与控制器输出的放大后的抖动倍频信号，再通过误差比较器进行相位比较，经过二阶低通滤波后，得到相位误差信号并重新输入到控制器；控制器模/数转换后，据此进行PID算法控制，其结果经数/模转换，电压放大电路放大，得到误差修正信号，该信号和控制器产生的偏置电压共同相加，形成最后的电光调制器直流偏置电压。

2.如权利要求1所述的一种电光调制器偏置工作点控制装置，其特征在于，所述装置采用可编程片上系统作为控制器，实现了信号产生、信号放大、A/D转换、D/A转换功能，外围芯片仅需5个；其极强的可编程性，有利于偏置电压修正值计算方法的实现，偏置电压跟踪精度达到0.1V；与目前大多采用的分立芯片或单片机作为控制器的方法相比，不仅简化了电路，更大大提高了跟踪精度。

3.一种电光调制器偏置工作点控制方法，其特征在于，该方法包括：

步骤一、光电探测器实现对输入抖动信号的二次谐波进行检测并转换为电信号；

步骤二、检测出的抖动信号二次谐波与抖动信号的倍频信号经误差比较器进行同步检测，并经二阶低通滤波后得到偏置漂移量；

步骤三、控制器实现下述功能：低频抖动信号及倍频信号的产生。采用可编程运放将检测出的二次谐波电信号进行放大。对偏置漂移量进行模/数转换。针对偏置漂移量数字信号，进行PID计算并得到偏置电压修正值。对偏置电压修正值进行数/模转换并输出到加法电路；

步骤四、加法电路将放大后的偏置电压、偏置电压修正值以及抖动信号相加后，作为输出电压施加到电光调制器的偏置电压输入端。

4.如权利要求3所述的一种电光调制器偏置工作点控制方法，其特征在于，所述步骤三具体包括：

步骤一、采用瞬态响应法，通过控制器产生阶跃信号，检测二阶低通滤波器输出的电压信号，确定电光调制器对阶跃函数的响应曲线；

步骤二、根据上述响应曲线中的被控时间常数T、滞后时间L、NLI(非线性误差)变化幅值k，确定PID控制算法中的比例、积分和微分系数K_p、K_I\、K_D；

步骤三、通过软件编程对偏置电压按照一定的增幅进行扫描检测，得到不同偏置电压下，非线性误差信号与偏置电压的关系曲线；

步骤四、由公式Δu(n)＝K_pe(n)+K_Ie(n-1)+K_De(n-2)及偏置漂移量，根据步骤二中所确定的K_p、K_I、K_D计算出需要修正的偏置电压△u(n)。