CN105589385B - 三晶片型偏振态编码器的驱动控制系统及其实现方法 - Google Patents
三晶片型偏振态编码器的驱动控制系统及其实现方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105589385B CN105589385B CN201610061514.7A CN201610061514A CN105589385B CN 105589385 B CN105589385 B CN 105589385B CN 201610061514 A CN201610061514 A CN 201610061514A CN 105589385 B CN105589385 B CN 105589385B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- voltage
- polarization state
- chip
- modules
- dac
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 230000010287 polarization Effects 0.000 title claims abstract description 117
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims abstract description 24
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 claims abstract description 20
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 claims abstract description 17
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 claims abstract description 16
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 11
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 claims description 9
- 230000006870 function Effects 0.000 claims description 6
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims description 6
- 238000005457 optimization Methods 0.000 claims description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 4
- 230000035807 sensation Effects 0.000 claims description 3
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 claims 1
- 235000013399 edible fruits Nutrition 0.000 claims 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 230000008859 change Effects 0.000 description 5
- 230000004044 response Effects 0.000 description 5
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 101100067427 Saccharomyces cerevisiae (strain ATCC 204508 / S288c) FUS3 gene Proteins 0.000 description 3
- 101100015484 Saccharomyces cerevisiae (strain ATCC 204508 / S288c) GPA1 gene Proteins 0.000 description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 3
- 101000823089 Equus caballus Alpha-1-antiproteinase 1 Proteins 0.000 description 2
- 101000651211 Homo sapiens Transcription factor PU.1 Proteins 0.000 description 2
- 102100027654 Transcription factor PU.1 Human genes 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 239000003381 stabilizer Substances 0.000 description 2
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 2
- 229910003327 LiNbO3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005697 Pockels effect Effects 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 239000000872 buffer Substances 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 1
- 238000007726 management method Methods 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000005622 photoelectricity Effects 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 238000010845 search algorithm Methods 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
- G05B19/00—Programme-control systems
- G05B19/02—Programme-control systems electric
- G05B19/04—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers
- G05B19/042—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers using digital processors
- G05B19/0423—Input/output
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
- G05B2219/00—Program-control systems
- G05B2219/30—Nc systems
- G05B2219/31—From computer integrated manufacturing till monitoring
- G05B2219/31176—Universal, same protocol to control all kind of drives, dc, ac, step motor
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Optical Communication System (AREA)
- Analogue/Digital Conversion (AREA)
Abstract
本发明涉及一种三晶片型偏振态编码器的驱动控制系统及其实现方法,该系统包括相互相连的一高压驱动电路与一控制电路；所述高压驱动电路包含一直流稳压单元、一高精度稳压单元、一DAC单元以及一高压放大单元；所述控制电路包括一ARM主控单元以及一DPS运算单元；所述控制电路根据从输入偏振态到目标偏振态的搜索路径，用以控制所述高压驱动电路的输出电压；所述高压驱动电路与一自由空间相干光通信的三晶片型偏振态编码器相连，用以为三晶片型偏振态编码器提供驱动偏压，实现自由空间单光束相干光通信的偏振态编码。
Description
技术领域
本发明涉及信号生成电路、相干光通信以及量子保密通信领域，特别是一种三晶片型偏振态编码器的驱动控制系统及其实现方法。
背景技术
偏振编码，作为一种光信号编码方式，广泛用于经典的相干光通信和量子保密通信当中。偏振编码要用偏振控制器来完成，常见的偏振控制器主要有：可旋晶体波片型偏振控制器、磁光调制器、液晶型偏振控制器以及电光调制器等几种。
磁光调制器利用的Faraday旋光效应，其驱动器需要提供高达几安培电流，受制于电磁铁的磁回滞效应，驱动器速率较慢，导致编码速率只能达到几KHz。可旋晶体波片型偏振控制器利用机械旋转波片达到偏振控制的目的，其驱动器包含机械可移动部件，并需要反馈信号控制波片的运动，需要的时间较长，编码速率较慢。液晶型偏振控制器，通过驱动器控制电压改变一定厚度液晶的双折射，从而引起液晶相位延迟量的改变，响应快，但是插入损耗大，稳定性较差，不适合偏振编码。电光调制器一般使用LiNbO3晶体的Pockels效应实现偏振编码。编码速度快，可以实现GHz的编码速率。但是缺点是驱动器的驱动电压非常高，半波电压可达几千伏。这个缺点限制了电光编码器的应用。
NewPort公司生产的电光调制驱动器可以电控波片，控制出射光的偏振态，但是速率较慢；美国通用光电公司生产的PSG-101，只能产生5-6个特殊偏振态，而且驱动器精度低，切换速度大于250us。
三晶片型偏振态编码器是一种电光型的调制器，其驱动器需要满足以下几方面要求。一是调制电压高，在0~120V左右；二是调制的速率的要求；三是对调制信号的噪声以及精度的要求。上述的偏振控制器驱动器以及以上两家公司的驱动器均无法胜任，而国内尚无相关驱动器的成熟产品。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种三晶片型偏振态编码器的驱动控制系统及其实现方法，用于驱动三晶片型偏振态编码器，实现自由空间中单光束相干光的偏振编码。
本发明采用以下方案实现：一种三晶片型偏振态编码器的驱动控制系统，包括相互相连的一高压驱动电路与一控制电路；所述高压驱动电路包含一直流稳压单元、一高精度稳压单元、一DAC单元以及一高压放大单元；所述控制电路包括一ARM主控单元以及一DSP运算单元；所述控制电路根据从输入偏振态到目标偏振态的搜索路径，用以控制所述高压驱动电路的输出电压；所述高压驱动电路与一自由空间相干光通信的三晶片型偏振态编码器相连，用以为三晶片型偏振态编码器提供驱动偏压，实现自由空间单光束相干光通信的偏振态编码。
进一步地，所述自由空间相干光通信的三晶片型偏振态编码器包括第一晶片、第二晶片与第三晶片，编码器输出偏振态与外加偏压和输入偏振态的关系为：
其中，引入Stokes参量描述偏振态，S 2和S 3为输出偏振态的Stokes参量，V 1、V 2和V 3分别为所述高压驱动电路的三组输出偏压，即施加在三块晶片上的偏压。
进一步地，所述ARM主控单元与所述DSP运算单元通过一SPI总线相连，所述ARM主控单元还通过串口或USB总线与一用以显示编码信号的上位机相连；所述ARM主控单元随机选择编码信号并通过所述SPI总线发送至所述DSP运算单元，所述ARM主控单元还通过串口或USB总线发送至一上位机显示编码信号，所述DSP运算单元采用偏振搜索算法找到该编码对应的一组编码电压返回至所述ARM主控单元；所述ARM主控单元将编码电压值转换为电压控制信号，通过另一SPI总线发送至所述高压驱动电路中的所述DAC单元。
进一步地，所述直流稳压单元的输出端与所述高精度稳压单元的输入端相连；所述DAC单元包括一第一DAC模块、一第二DAC模块以及一第三DAC模块，所述高压放大单元包括一第一PA模块，一第二PA模块以及一第三PA模块；所述第一DAC模块、第二DAC模块以及第三DAC模块的输入端均与所述高精度稳压单元的输出端连接，所述第一DAC模块、第二DAC模块以及第三DAC模块的输入端还通过总线与所述ARM主控单元相连；所述第一DAC模块、第二DAC模块以及第三DAC模块的输出端分别与所述第一PA模块，第二PA模块以及第三PA模块的第一输入端相连；所述直流稳压单元还与所述第一PA模块，第二PA模块以及第三PA模块的第二输入端相连；所述第一PA模块，第二PA模块以及第三PA模块的输出端分别与所述三晶片型偏振态编码器的第一晶片、第二晶片以及第三晶片的输入端相连。
进一步地，所述直流稳压单元包含一个输入与输出抽头为1:5的变压器以及整流桥，三端稳压器以及电容的组合，将220V交流市电变为35V直流电压。高精度稳压单元高精度稳压单元包含LM317、7915以及REF5050等稳压芯片，能有效抑制电压纹波。所述DAC单元包含3组的DAC模块，用SPI总线或者I2C总线或者并行总线接收来自ARM主控单元的电压控制信号，通过DAC电路将数字信号转换为模拟信号。所述高压放大单元采用PA84运放，可以将输入电压放大30倍，分辨率为0.146V。
进一步地，所述高压驱动电路与所述三晶片型偏振态编码器的三晶片两侧采用SMA-n跳线相连，所述SMA-n跳线共六根，所述SMA-n跳线的一头为SMA公头，与所述三晶片型偏振态编码器的SMA母头相连，所述SMA-n跳线的一头为跳线帽，与所述PA模块的引脚连接。
进一步地，所述DSP运算单元采用禁忌搜索方法实现偏振路径搜索，能快速搜索到目标偏振态路径，确定优化的控制电压值，控制高压电路的输出电压值，并在搜索算法中加入超过120V的复位处理功能。
进一步地，所述高压驱动电路的输出电压范围为0V~150V，驱动的上升时间为2us，下降时间为2.5us，最大编码速率为119kHz，输出电压的纹波不大于118mV，最低分辨率为0.146V，线性度误差小于1%。
进一步地，所述的ARM控制单元包括一ARM芯片，型号为STM32F103RFT6，所述DSP运算模块包括一数字信号处理器，型号为TMS320F2812。
本发明还采用以下方法实现：一种三晶片型偏振态编码器的驱动控制系统的实现方法，包括以下步骤：
步骤S1：对电路进行初始化设置，所述初始化设置包括系统时钟设置、延时初始化、SPI口初始化、USB初始化、模数转换ADC初始化以及串口USART初始化；
步骤S2：所述ARM主控单元产生随机调制信号，通过所述SPI总线发送至所述DSP运算单元，并接受所述DSP运算模块返回的前一次计算好的一组电压值，存入所述ARM主控单元中的环形队列的队尾，同时将调制信号通过串口或USB总线发送至所述上位机；
步骤S3：所述DSP运算模块开启中断，若接收到所述ARM主控单元发送的数据，则中断响应，接受所述ARM主控单元发送的调制信号，存入环形队列的队尾；提取队首的调制信号，通过偏振搜索算法快速搜索目标偏振态路径，确定优化的控制电压值，通过所述SPI总线将该组编码电压值发送至所述ARM控制单元；否则由偏振搜索算法继续计算电压值，并将计算结果存入缓存中；
步骤S4：所述ARM主控单元将环形队列队首的一组电压值转换为电压控制信号，通过总线发送至所述DAC单元，所述DAC单元将所述电压控制信号发送至所述高压放大单元得到一组驱动电压，施加在所述三晶片型偏振态编码器的三晶片上，则入射偏振光经过偏振态编码器时其偏振方向随着施加电压所改变，完成了相干光通信的偏振态编码过程；
其中，所述步骤S2、步骤S3、步骤S4为并行执行的任务。
与现有技术相比，本发明的优点是：输出电压范围为0V~150V，高压驱动的上升时间为2us，下降时间为2.5us，最大可以实现119KHz的编码速率；输出电压的纹波不超过118mV；最低的分辨率为0.146V；线性度误差小于1%。相比市面上主流的偏振态控制器的驱动器，本发明在精度略优于其他产品的情况下，调制速率为常见驱动器的18倍左右。
附图说明
图1是本发明的原理框图。
图2是本发明控制电路的框图。
图3(a)是本发明控制系统软件的时序流程图。
图3(b)是本发明控制系统软件的环形队列图。
图4是本发明直流稳压单元的原理图。
图5是本发明高精度稳压单元的原理图
图6是本发明DAC单元的原理图。
图7是本发明高压放大单元的原理图。
图8是本发明产生的高斯调制信号波形图。
图9是本发明的输出电压误差图。
图10(a)是本发明的高压电源输出值。
图10(b)是本发明的高压电源纹波值。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
本实施提供一种三晶片型偏振态编码器的驱动控制系统，如图1所示，包括相互相连的一高压驱动电路与一控制电路；所述高压驱动电路包含一直流稳压单元、一高精度稳压单元、一DAC单元以及一高压放大单元；所述控制电路包括一ARM主控单元以及一DSP运算单元；所述控制电路根据从输入偏振态到目标偏振态的搜索路径，用以控制所述高压驱动电路的输出电压；所述高压驱动电路与一自由空间相干光通信的三晶片型偏振态编码器相连，用以为三晶片型偏振态编码器提供驱动偏压，实现自由空间单光束相干光通信的偏振态编码。
在本实施例中，所述自由空间相干光通信的三晶片型偏振态编码器包括第一晶片、第二晶片与第三晶片，编码器输出偏振态与外加偏压和输入偏振态的关系为：
其中，引入Stokes参量描述偏振态，S 2和S 3为输出偏振态的Stokes参量，V 1、V 2和V 3分别为所述高压驱动电路的三组输出偏压，即施加在三块晶片上的偏压。
根据公式计算可得，若想完成偏振态编码器的Poincare球遍历，所需最大偏压为120V，考虑到自由空间相干光通信三晶片型偏振态编码器的这种结构特点与需求，构建相应的驱动器，设计输出范围为0V~150V，三组输出驱动自由空间相干光通信的三晶片型偏振态编码器的对应晶片，包含高压驱动电路和控制电路两部分。
在本实施例中，如图2所示，控制电路内部结构和接口分配，ARM为意法半导体公司（ST）生产的处理器STM32F103RFT6，DSP为德州仪器（TI）公司制造的数字信号处理器TMS320F2812。其中ARM芯片主要用到USB 2.0、USART、3个SPI接口、1个ADC和一个定时器。ARM的Cortex M3内核通过APH总线管理各个接口，通过USB或者串口总线用于向PC发送编码数据，USART用于调试。ADC负责采集外界电磁噪声，给随机数产生提供种子。三个SPI接口负责控制高压驱动电路，与高压驱动电路的三个DAC单元通信，其中SPI1接口作为复用口，与DSP通信。DSP主要用到SPI、JTAG、PIE中断管理器、内部FLASH和RAM资源。SPI接口用于与ARM交换数据，JTAG接口用于程序下载和仿真，内部FLASH和RAM分别用于偏振搜索算法代码和算法产生的临时变量的储存，中断管理器PIE用于及时响应ARM发送来的数据。ARM的程序实现如下的功能：
第一，利用ADC采集电磁噪声作为种子，通过随机数生成器产生随机调制信号；
第二，将调制信号通过SPI1总线发送给DSP；
第三，将随机选择的编码通过串口或者USB总线发送给上位机。
第四，接受来自DSP的返回电压值，通过SPI总线发送给DAC。
DSP嵌入程序的主要功能是：通过SPI总线接收来自ARM的控制编码信号，通过偏振搜索算法，搜索出达到目标偏振态所需的一组电压值，并通过SPI总线返回给ARM。
在本实施例中，所述ARM主控单元与所述DSP运算单元通过一SPI总线相连，所述ARM主控单元还通过串口或USB总线与一用以显示编码信号的上位机相连；所述ARM主控单元随机选择编码信号并通过所述SPI总线发送至所述DSP运算单元，所述ARM主控单元还通过串口或USB总线发送至一上位机显示编码信号，所述DSP运算单元采用偏振搜索算法找到该编码对应的一组编码电压返回至所述ARM主控单元；所述ARM主控单元将编码电压值转换为电压控制信号，通过另一SPI总线发送至所述高压驱动电路中的所述DAC单元。
在本实施例中，所述直流稳压单元的输出端与所述高精度稳压单元的输入端相连；所述DAC单元包括一第一DAC模块、一第二DAC模块以及一第三DAC模块，所述高压放大单元包括一第一PA模块，一第二PA模块以及一第三PA模块；所述第一DAC模块、第二DAC模块以及第三DAC模块的输入端均与所述高精度稳压单元的输出端连接，所述第一DAC模块、第二DAC模块以及第三DAC模块的输入端还通过总线与所述ARM主控单元相连；所述第一DAC模块、第二DAC模块以及第三DAC模块的输出端分别与所述第一PA模块，第二PA模块以及第三PA模块的第一输入端相连；所述直流稳压单元还与所述第一PA模块，第二PA模块以及第三PA模块的第二输入端相连；所述第一PA模块，第二PA模块以及第三PA模块的输出端分别与所述三晶片型偏振态编码器的第一晶片、第二晶片以及第三晶片的输入端相连。
在本实施例中，所述直流稳压单元包含一个输入与输出抽头为1:5的变压器以及整流桥，三端稳压器以及电容的组合，将220V交流市电变为35V直流电压。高精度稳压单元高精度稳压单元包含LM317、7915以及REF5050等稳压芯片，能有效抑制电压纹波。所述DAC单元包含3组的DAC模块，用SPI总线或者I2C总线或者并行总线接收来自ARM主控单元的电压控制信号，通过DAC电路将数字信号转换为模拟信号。所述高压放大单元采用PA84运放，可以将输入电压放大30倍，分辨率为0.146V。
在本实施例中，所述高压驱动电路与所述三晶片型偏振态编码器的三晶片两侧采用SMA-n跳线相连，所述SMA-n跳线共六根，所述SMA-n跳线的一头为SMA公头，与所述三晶片型偏振态编码器的SMA母头相连，所述SMA-n跳线的一头为跳线帽，与所述PA模块的引脚连接。
在本实施例中，所述DSP运算单元采用禁忌搜索方法实现偏振路径搜索，能快速搜索到目标偏振态路径，确定优化的控制电压值，控制高压电路的输出电压值，并在搜索算法中加入超过120V的复位处理功能。
在本实施例中，所述高压驱动电路的输出电压范围为0V~150V，驱动的上升时间为2us，下降时间为2.5us，最大编码速率为119kHz，输出电压的纹波不大于118mV，最低分辨率为0.146V，线性度误差小于1%。
在本实施例中，图3（a）为控制系统的时序流程图，图3（b）为DSP和ARM SPI通信的环形队列图，需要指出的是，为了保证QKD系统通信速率，在ARM和DSP全双工的SPI通信之间设置了环形队列，存储缓存数据，位于双方的Flash中，则三晶片型偏振态编码器的驱动控制系统的实现方法，包括以下步骤：
步骤S1：对电路进行初始化设置，所述初始化设置包括系统时钟设置、延时初始化、SPI口初始化、USB初始化、模数转换ADC初始化以及串口USART初始化；
步骤S2：所述ARM主控单元产生随机调制信号，通过所述SPI总线发送至所述DSP运算单元，并接受所述DSP运算模块返回的前一次计算好的一组电压值，存入所述ARM主控单元中的环形队列的队尾，同时将调制信号通过串口或USB总线发送至所述上位机；
步骤S3：所述DSP运算模块开启中断，若接收到所述ARM主控单元发送的数据，则中断响应，接受所述ARM主控单元发送的调制信号，存入环形队列的队尾；提取队首的调制信号，通过偏振搜索算法快速搜索目标偏振态路径，确定优化的控制电压值，通过所述SPI总线将该组编码电压值发送至所述ARM控制单元；否则由偏振搜索算法继续计算电压值，并将计算结果存入缓存中；
步骤S4：所述ARM主控单元将环形队列队首的一组电压值转换为电压控制信号，通过总线发送至所述DAC单元，所述DAC单元将所述电压控制信号发送至所述高压放大单元得到一组驱动电压，施加在所述三晶片型偏振态编码器的三晶片上，则入射偏振光经过偏振态编码器时其偏振方向随着施加电压所改变，完成了相干光通信的偏振态编码过程；
其中，所述步骤S2、步骤S3、步骤S4为并行执行的任务。
在本实施例中，如图4所示，直流稳压单元由环形变压器、整流桥、三端稳压器以及电阻电容组成。所用的环形变压器为四川恒达电子厂定制的变压器，其有五组输出，分别和220V交流市电连接。每组输出和一个整流桥连接，将交流电压变换为直流电压。整流桥输出经过电容C1滤波，C2用于改善三端稳压器LM317输出的瞬态响应。三端输出可调稳压器LM317稳定输出的电压，电阻R1、R2改变三端稳压器1的输出电压值，通过调节R2/R1的值可以将输出电压调节为30V。同理另外四组的电路实现和上述描述相同的功能。整流桥2~5用于输出直流电压、电容C3、C5、C7、C9用于滤波，电容C4、C6、C8、C10用于改善该组三端稳压器的瞬态响应，三端输出可调稳压器2~5用于稳定输出+30V电压，电阻R3和R4，R5和R6，R7和R8，R9和R10用于改变该组输出的电压。把五组+30V输出串联组合得到+150V电压输出。
在本实施例中，如图5所示，所述高精度稳压单元由7915和美国德州仪器公司压制的稳压芯片REF5050以及电阻电容组成。将直流稳压单元得到的30V直流电压，输入到7915负端稳压器，即可得到15V的电压输出。通过引入REF5050作为电压基准芯片来控制纹波，提高稳定度。
在本实施例中，如图6所示的DAC单元，DAC1、DAC2、DAC3通过SPI总线时分复用的形式将来自控制器的数字编码信号转换为0V~5V的模拟信号。其中的DIN、SLCK表示来自控制器SPI总线的数据信号以及时钟信号，CS1、CS2、CS3表示来自控制器的片选信号。当片选信号有效时，对应的DAC芯片工作。AOUT1、AOUT2、AOUT3表示DAC1、DAC2、DAC3的输出，作为下一级高压放大单元的输入。电压基准芯片REF5050为DAC1、DAC2、DAC3提供+5V电源。C2为电压基准芯片的输出电容，C1为电压基准芯片的电源旁路电容。R1、R2将电压基准芯片1的输出分压，为DAC提供一个2.5V的参考电压。
在本实施例中，如图7所示的高压放大单元，采用APEX公司生产的功率运算放大器PA84。AOUT1、AOUT2、AOUT3分别和R1、R4、R7连接。三个高压运放均采用反相放大的形式，R1、R2，R4、R5，R7、R8用于调节运放的增益。运放的同相端接地。为了高压运放能够安全的工作需要相位补偿电路。C1、R3、C2、R6、C3，R9就是各个运放电路中的相位补偿电路，和运放的正电压以及补偿端相连，实现相位补偿。滑动变阻器RV1、RV2、RV3用于运放调零。三个高压运放输出端使用跳线输出。高压运放将输入电压放大30倍。当输入电压为0～5V时，高压运放的正极端为0~+150V，负极端接地。
在本实施例中，如图8所示的调制信号波形图。由于ARM芯片可以产生2位、4位、8位、16位随机数，每个随机数对应一个偏振态。利用DSP芯片的偏振所搜算法得到偏振态对应的一组偏压，并将随机数信号存储在上位机或者微控制器中，得到的偏压将作为控制信号发送给DAC进行数模转换后驱动偏振态编码器。调制信号最高频率可以达到119kHz，可以驱动三晶片型偏振态编码器进行快速的编码调制。
在本实施例中，如图9所示的驱动控制系统输出电压的误差图，横坐标为设定电压值，纵坐标为对应的误差，可以看到，在三晶片偏振态编码器要求的偏压0~120V范围内，驱动器输出电压的误差在0.2V以内，处于编码器的允许范围内。当偏压大于120V时，误差稍微增大，在总输出范围内，误差基本稳定在0.5 V以内。
在本实施例中，如图10（a）为驱动控制系统输出电压，每格电压为50V，直流分流为三个，即输出电压为150V，图10(b)为150V直流电压下测得的纹波，纹波为118mV，可见驱动器输出直流电压包含的纹波较小，满足相干光通信和量子通信中编码器驱动器的要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (8)
1.一种三晶片型偏振态编码器的驱动控制系统，其特征在于：包括相互相连的一高压驱动电路与一控制电路；所述高压驱动电路包含一直流稳压单元、一高精度稳压单元、一DAC单元以及一高压放大单元；所述控制电路包括一ARM主控单元以及一DSP运算单元；所述控制电路根据从输入偏振态到目标偏振态的搜索路径，用以控制所述高压驱动电路的输出电压；所述高压驱动电路与一自由空间相干光通信的三晶片型偏振态编码器相连，用以为三晶片型偏振态编码器提供驱动偏压，实现自由空间单光束相干光通信的偏振态编码；所述自由空间相干光通信的三晶片型偏振态编码器包括第一晶片、第二晶片与第三晶片，编码器输出偏振态与外加偏压和输入偏振态的关系为：
其中，引入Stokes参量描述偏振态，S 2和S 3为输出偏振态的Stokes参量，V 1、V 2和V 3分别为所述高压驱动电路的三组输出偏压，即施加在三块晶片上的偏压。
2.根据权利要求1所述的一种三晶片型偏振态编码器的驱动控制系统，其特征在于：所述ARM主控单元与所述DSP运算单元通过一SPI总线相连，所述ARM主控单元还通过串口或USB总线与一用以显示编码信号的上位机相连；所述ARM主控单元随机选择编码信号并通过所述SPI总线发送至所述DSP运算单元，所述ARM主控单元还通过串口或USB总线发送至一上位机显示编码信号，所述DSP运算单元采用偏振搜索算法找到该编码对应的一组编码电压返回至所述ARM主控单元；所述ARM主控单元将编码电压值转换为电压控制信号，通过另一SPI总线发送至所述高压驱动电路中的所述DAC单元。
3.根据权利要求1所述的一种三晶片型偏振态编码器的驱动控制系统，其特征在于：所述直流稳压单元的输出端与所述高精度稳压单元的输入端相连；所述DAC单元包括一第一DAC模块、一第二DAC模块以及一第三DAC模块，所述高压放大单元包括一第一PA模块，一第二PA模块以及一第三PA模块；所述第一DAC模块、第二DAC模块以及第三DAC模块的输入端均与所述高精度稳压单元的输出端连接，所述第一DAC模块、第二DAC模块以及第三DAC模块的输入端还通过总线与所述ARM主控单元相连；所述第一DAC模块、第二DAC模块以及第三DAC模块的输出端分别与所述第一PA模块，第二PA模块以及第三PA模块的第一输入端相连；所述直流稳压单元还与所述第一PA模块，第二PA模块以及第三PA模块的第二输入端相连；所述第一PA模块，第二PA模块以及第三PA模块的输出端分别与所述三晶片型偏振态编码器的第一晶片、第二晶片以及第三晶片的输入端相连。
4.根据权利要求3所述的一种三晶片型偏振态编码器的驱动控制系统，其特征在于：所述高压驱动电路与所述三晶片型偏振态编码器的三晶片两侧采用SMA-n跳线相连，所述SMA-n跳线共六根，所述SMA-n跳线的一头为SMA公头，与所述三晶片型偏振态编码器的SMA母头相连，所述SMA-n跳线的一头为跳线帽，与所述PA模块的引脚连接。
5.根据权利要求1所述的一种三晶片型偏振态编码器的驱动控制系统，其特征在于：所述DSP运算单元采用禁忌搜索方法实现偏振路径搜索，采用偏振态矩阵分解和三角函数线性化，快速搜索目标偏振态路径，确定优化的控制电压值，控制高压电路的输出电压值。
6.根据权利要求1所述的一种三晶片型偏振态编码器的驱动控制系统，其特征在于：所述高压驱动电路的输出电压范围为0V~150V，驱动的上升时间为2us，下降时间为2.5us，最大编码速率为119kHz，输出电压的纹波不大于118mV，最低分辨率为0.146V，线性度误差小于1%。
7.根据权利要求1所述的一种三晶片型偏振态编码器的驱动控制系统，其特征在于：所述的ARM控制单元包括一ARM芯片，型号为STM32F103RFT6，所述DSP运算模块包括一数字信号处理器，型号为TMS320F2812。
8.一种如权利要求1所述的三晶片型偏振态编码器的驱动控制系统的实现方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：对电路进行初始化设置，所述初始化设置包括系统时钟设置、延时初始化、SPI口初始化、USB初始化、模数转换ADC初始化以及串口USART初始化；
步骤S2：所述ARM主控单元产生随机调制信号，通过所述SPI总线发送至所述DSP运算单元，并接受所述DSP运算模块返回的前一次计算好的一组电压值，存入所述ARM主控单元中的环形队列的队尾，同时将调制信号通过串口或USB总线发送至一上位机；
步骤S3：所述DSP运算模块开启中断，若接收到所述ARM主控单元发送的数据，则中断响应，接受所述ARM主控单元发送的调制信号，存入环形队列的队尾；提取队首的调制信号，通过偏振搜索算法快速搜索目标偏振态路径，确定优化的控制电压值，通过所述SPI总线将该组控制电压值发送至所述ARM控制单元；否则由偏振搜索算法继续计算电压值，并将计算结果存入缓存中；
步骤S4：所述ARM主控单元将环形队列队首的一组电压值转换为电压控制信号，通过总线发送至所述DAC单元，所述DAC单元将所述电压控制信号发送至所述高压放大单元得到一组驱动电压，施加在所述三晶片型偏振态编码器的三晶片上，使入射偏振光经过偏振态编码器时其偏振方向随着施加电压所改变，完成了相干光通信的偏振态编码过程；
其中，所述步骤S2、步骤S3、步骤S4为并行执行的任务。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610061514.7A CN105589385B (zh) | 2016-01-29 | 2016-01-29 | 三晶片型偏振态编码器的驱动控制系统及其实现方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610061514.7A CN105589385B (zh) | 2016-01-29 | 2016-01-29 | 三晶片型偏振态编码器的驱动控制系统及其实现方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN105589385A CN105589385A (zh) | 2016-05-18 |
| CN105589385B true CN105589385B (zh) | 2017-11-17 |
Family
ID=55929049
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201610061514.7A Expired - Fee Related CN105589385B (zh) | 2016-01-29 | 2016-01-29 | 三晶片型偏振态编码器的驱动控制系统及其实现方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN105589385B (zh) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106154589A (zh) * | 2016-07-11 | 2016-11-23 | 北京交通大学 | 压电式偏振控制器系统的控制方法 |
| CN109164742B (zh) * | 2018-09-26 | 2023-07-11 | 合肥量芯科技有限公司 | 一种偏振控制器的高压控制装置及其控制方法 |
| CN111901044B (zh) * | 2019-11-28 | 2021-11-02 | 阳光学院 | 一种单光束相干光通信装置 |
| CN114265213B (zh) * | 2020-09-16 | 2023-04-11 | 华中科技大学 | 一种基于数模转换器时分复用的片上光偏振控制系统 |
| CN215871436U (zh) * | 2020-12-30 | 2022-02-18 | 广东国腾量子科技有限公司 | 一种量子密钥分发的光源编码驱动系统 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1988373A1 (en) * | 2007-05-02 | 2008-11-05 | National University of Ireland Galway | A vectorial polarimetry method and apparatus for analysing the three-dimensional electromagnetic field resulting from an interaction between a focused illuminating field and a sample to be observed |
| CN202230718U (zh) * | 2011-07-08 | 2012-05-23 | 华南师范大学 | 空间光调制器控制器 |
| CN102607620A (zh) * | 2012-03-29 | 2012-07-25 | 扬州永阳光电科贸有限公司 | 反射式干涉型光纤传感器系统 |
| CN102902220A (zh) * | 2012-10-19 | 2013-01-30 | 东华大学 | 一种激光多普勒测振计信号实时采集处理装置 |
| CN103326779A (zh) * | 2013-06-21 | 2013-09-25 | 中国科学院空间科学与应用研究中心 | 一种基于压缩感知的自由空间光通信系统及方法 |
| CN104503302A (zh) * | 2014-11-26 | 2015-04-08 | 天津三英精密仪器有限公司 | 一种精密运动控制系统及其控制方法 |
-
2016
- 2016-01-29 CN CN201610061514.7A patent/CN105589385B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1988373A1 (en) * | 2007-05-02 | 2008-11-05 | National University of Ireland Galway | A vectorial polarimetry method and apparatus for analysing the three-dimensional electromagnetic field resulting from an interaction between a focused illuminating field and a sample to be observed |
| CN202230718U (zh) * | 2011-07-08 | 2012-05-23 | 华南师范大学 | 空间光调制器控制器 |
| CN102607620A (zh) * | 2012-03-29 | 2012-07-25 | 扬州永阳光电科贸有限公司 | 反射式干涉型光纤传感器系统 |
| CN102902220A (zh) * | 2012-10-19 | 2013-01-30 | 东华大学 | 一种激光多普勒测振计信号实时采集处理装置 |
| CN103326779A (zh) * | 2013-06-21 | 2013-09-25 | 中国科学院空间科学与应用研究中心 | 一种基于压缩感知的自由空间光通信系统及方法 |
| CN104503302A (zh) * | 2014-11-26 | 2015-04-08 | 天津三英精密仪器有限公司 | 一种精密运动控制系统及其控制方法 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| 三波片型LiNbO_3偏振态产生器的控制方案设计;黄春晖等;《激光与光电子学进展》;20130531(第5期);第194-200页 * |
| 用TS算法实现三波片型PSG的偏振态快速转换;黄春晖等;《红外与激光工程》;20150131;第44卷(第1期);第195-200页 * |
| 连续变量相干光系统模块供电的远程智能控制;林立等;《光电技术应用》;20091231;第24卷(第6期);全文 * |
| 连续变量相干光通信中的联合调制编码系统;黄春晖等;《光子学报》;20141031;第43卷(第10期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105589385A (zh) | 2016-05-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105589385B (zh) | 三晶片型偏振态编码器的驱动控制系统及其实现方法 | |
| CN105391313B (zh) | 一种模块化多电平换流器的控制方法 | |
| CN104578879A (zh) | 一种svpwm调制方法 | |
| CN105045952B (zh) | 模块化多电平换流器多维度建模方法与仿真方法 | |
| CN102522938A (zh) | 用于动态模拟实验的发电机励磁控制系统 | |
| CN105117543A (zh) | 一种考虑多种闭锁模态的基于全桥子模块mmc的等效仿真方法 | |
| CN103368432A (zh) | 柔性直流输电模块化多电平换流器的调制方法及控制装置 | |
| CN102710159A (zh) | 混合驱动的低谐波逆变控制方法及其调制模式切换电路 | |
| CN105978039A (zh) | 微网孤岛下低频率偏移的三相多逆变器并联运行控制方法 | |
| CN104218921B (zh) | 一种超高速脉冲信号发生器 | |
| CN107733270B (zh) | 级联h桥型光伏并网逆变器的控制及调制策略 | |
| CN104442921A (zh) | 铁路微电子相敏轨道电路电源产生系统 | |
| CN106546851A (zh) | 一种mmc换流阀运行试验电路的稳定控制方法及装置 | |
| CN103138595A (zh) | 中点箝位式变流器的控制系统及控制方法 | |
| CN107046388B (zh) | 一种开关磁阻电机电流跟踪控制方法、控制器及调速系统 | |
| CN105426579B (zh) | 一种模块化多电平换流器宽频建模方法 | |
| CN106301106B (zh) | 永磁同步电机初始磁极的自学习方法 | |
| CN108418461B (zh) | 一种三角形连接级联h桥逆变器的空间矢量调制方法 | |
| CN102281071B (zh) | 大动态范围数控信号转换输出电路 | |
| CN205880047U (zh) | 一种实现多回路电压和多回路电流同步采样的系统 | |
| CN110112938A (zh) | 一种单相级联h桥多电平变流器实时计算方法 | |
| Ali et al. | Sine carrier for fundamental fortification in three phase Z-source PWM inverters | |
| Attaianese et al. | Recursive dead time compensation techniques for PV system power converters | |
| CN204679769U (zh) | 一种联合rtds和rt-lab的mmc仿真系统 | |
| CN102707538A (zh) | 一种液晶透镜驱动电路及立体显示器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20171117 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |