CN105807656B - 基于分段极值搜索与多点判决的光学晶体控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分段极值搜索与多点判决的光学晶体控制方法，选取基波分量和谐波分量作为最佳工作点的判决依据，采用基波幅值绝对值与谐波幅值绝对值的比值作为偏置电压控制参考变量，并采取分段扫描，找出并找出最大谐波抑制比和对应的偏置电压点并设置谐波抑制比阈值，以最佳偏置电压点为基准确定扫描区间，直到扫描步长小于定位精度则停止扫描，输出最佳偏置电压；且分别扫描当前最佳偏置电压左边五点和右边五点的谐波抑制比，判断最佳工作点是否飘移。本发明利用分段极值搜索算法可快速缩小最佳工作点位置的搜索范围，极大的提升了搜索速度和并确保达到定位精度，且利用五点控制算法在确保达到控制精度的情况下稳定跟随最佳工作点。

Description

基于分段极值搜索与多点判决的光学晶体控制方法

技术领域

本发明涉及光纤通信领域，特别涉及一种基于分段极值搜索与多点判决的光学晶体控制方法。

背景技术

铌酸锂MZM调制器是光纤通信系统中常用的外调制器件之一，但是MZM调制器存在最佳偏置电压工作点会随着激光器输入光功率、连接器插损和环境温度等因素的影响而发生漂移的问题，为了改善MZM调制器的电光调制特性以提高整个光纤通信系统的性能，通常采用基于导频信号的最佳偏置电压控制系统来对MZM调制器的最佳偏置电压点进行检测和偏置电压控制。

但采用基于导频信号的最佳偏置电压控制系统算法精度不高，难以有效控制。本发明采用一种新的精确控制将此类问题有效解决。

传统的基于导频信号的外调制器偏置电压控制系统，通常基于基波和谐波的幅值变化进行最佳工作点的判决，当扰动变量施加到外调制器和偏置电压控制电路时，基波和谐波的判决阈值将发生整体漂移，无法满足抗环境扰动的鲁棒性设计。

传统的铌酸锂MZM调制器偏置控制技术主要包括：基于输入/输出光功率比值变化的反馈控制技术，基于RF抖动信号谐波归零的反馈控制回路。采用以上两种控制方式的控制精度和控制稳定性，都受到相应限制。对于基于输入/输出光功率比值变化的反馈控制方法，通过监测特定偏置工作点时的MZM调制器的输入/输出功率比，进行反馈控制，但是，光功率比值同时受到输入光功率波动和光路插入损耗变化的影响，并在实际工程应用中，受到连接器重复性和光纤传输路由的影响。基于以上描述的限制，该技术通常应用于实验室场景中。对于基于抖动信号谐波归零的反馈控制技术，低频的抖动信号(通常在几kHz)附加到直流偏置电压上，驱动MZM正常工作，并通过光探测器对其谐波信号进行检测。基于偏置工作点的选择，特定阶数的谐波信号能够被抑制并作为反馈归零信号进行偏置工作点的控制。比如，2阶谐波信号在正交偏置点处消失，基频信号在最大/最小点处归零。

抖动谐波信号归零技术最终仍然依赖于MZM的输出光功率，因此仍然受到光功率变化和插入损耗等因素的影响，但较光功率比值技术大为改进，除了谐波信号的受环境影响的问题，并且基于归零算法的控制技术仅仅局限于对正交偏置点的扫描定位，无法实现任意工作点的选择。在实际的电路设计和算法设计中，谐波归零技术通常受到电路本底噪声的干扰，因此无法提取有效信号，使得偏置工作点的定位无法准确实现，无法实现较高的控制精度；另外，谐波信号的变化区间较小，使得基于归零判决的偏置点搜索算法，需要更长的响应时间；由于电路本底噪声和环境扰动的影响，谐波归零点会发生漂移从而导致对于正交偏置点的判决失效，因此会存在控制稳定性的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种利用分段极值搜索算法可快速缩小最佳工作点位置的搜索范围，极大的提升了搜索速度和并确保达到定位精度，且利用五点控制算法在确保达到控制精度的情况下稳定跟随最佳工作点的基于分段极值搜索与多点判决的光学晶体控制方法。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：1、一种基于分段极值搜索与多点判决的光学晶体控制方法，包括首先对引入导频信号的MZM外调制器传递函数进行傅里叶级数展开，选取基波分量和谐波分量作为最佳工作点的判决依据，采用基波幅值绝对值与谐波幅值绝对值的比值作为偏置电压控制参考变量，还包括以下步骤：

1)、输入偏置电压扫描区间，将扫描区间分成N段等长的步长进行扫描，其中N≥2且N为整数；

2)搜索N个偏置电压点的谐波抑制比找出并找出最大谐波抑制比和对应的偏置电压点，并设置谐波抑制比阈值；

3)以最佳偏置电压点为基准确定扫描区间，与最佳偏置电压点相邻的前后各一步长为下一扫描区间；

4)重复步骤1～步骤3，若当前区间最大谐波抑制比小于上一区间谐波抑制比阈值，则返回上一区间重新扫描，否则进入下一扫描区间，直到扫描步长小于定位精度则停止扫描，输出最佳偏置电压；

5)分别扫描当前最佳偏置电压左边五点和右边五点的谐波抑制比，分别找出左边和右边最大谐波抑制比对应电压位置和离最佳点的距离；

6)将左边五点的最大谐波抑制比和右边五点的最大谐波抑制比与最佳工作点的谐波抑制比相比较，判断最佳工作点是否飘移，并控制其回到最佳位置。

与现有技术相比，本发明的优点在于：一、对引入导频信号的MZM传递函数进行傅里叶级数展开，选取基波分量和谐波分量作为最佳工作点的判决依据，采用基波幅值绝对值与谐波幅值绝对值的比值作为偏置电压控制参考变量，并通过计算二次谐波抑制比的变化曲线得到Q值并取绝对值，使谐波比例因子变化曲线连续，并使程序上更容易判断最佳点。

二、采用分段极值搜索算法扫描正交偏置电压确定最佳工作点位置，分段极值搜索算法快速缩小最佳工作点位置的搜索范围，与过去的线性搜索相比，极大的提升了搜索速度和并确保达到定位精度，特别是扫描大范围正交偏置电压时，效果更加明显。

三、采用五点稳定控制算法将正交偏置电压控制在最佳工作点位置，即活动工作点偏离最佳工作点(正交工作点)时，获取最佳工作点左边五点偏置电压的最大谐波抑制比和右边五点偏置电压的最大谐波抑制比，并与最佳工作点相比较，即三点比较从而产生误差信号，根据当前偏置电压所在的位置，调整偏置电压值，回到最佳位置。

附图说明

图1是本发明的基于分段极值搜索与多点判决的光学晶体控制方法的流程图。

图2是本发明专利的外调制器传递函数曲线，横坐标是偏置点的相位变化，纵坐标是外调制器的输出光功率。

图3是本发明专利的基频扰动信号与二次谐波信号的变化曲线，横坐标是偏置点的相位变化，纵坐标是基频信号和谐波信号的电压变化。

图4是本发明专利的谐波抑制比变化曲线，横坐标是偏置点相位变化，纵坐标是谐波抑制比变化。

图5是本发明专利的分段极值搜索算法流程图。

图6是本发明专利的五点稳定控制算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步描述。

如图1所示，一种基于分段极值搜索与多点判决的光学晶体控制方法，包括首先对引入导频信号的MZM外调制器传递函数进行傅里叶级数展开，选取基波分量和谐波分量作为最佳工作点的判决依据，采用基波幅值绝对值与谐波幅值绝对值的比值作为偏置电压控制参考变量，还包括以下步骤：

1)、输入偏置电压扫描区间，将扫描区间分成N段等长的步长进行扫描，其中N≥2且N为整数；

2)搜索N个偏置电压点的谐波抑制比找出并找出最大谐波抑制比和对应的偏置电压点，并设置谐波抑制比阈值；

3)以最佳偏置电压点为基准确定扫描区间，与最佳偏置电压点相邻的前后各一步长为下一扫描区间；

4)重复步骤1～步骤3，若当前区间最大谐波抑制比小于上一区间谐波抑制比阈值，则返回上一区间重新扫描，否则进入下一扫描区间，直到扫描步长小于定位精度则停止扫描，输出最佳偏置电压；

5)分别扫描当前最佳偏置电压左边五点和右边五点的谐波抑制比，分别找出左边和右边最大谐波抑制比对应电压位置和离最佳点的距离；

6)将左边五点的最大谐波抑制比和右边五点的最大谐波抑制比与最佳工作点的谐波抑制比相比较，判断最佳工作点是否飘移，并控制其回到最佳位置。

为了保证控制精度，五点控制的最大范围应小于等于控制精度，所以五点控制中每两点之间的步长小于等于控制精度的十分之一，以保证控制精度。

步骤6)中若最佳工作点未漂移，设置自身判定阈值，连续扫描该电压点的谐波抑制比，若连续8次小于阈值，最佳工作点漂移，则重复步骤1)至步骤4)。

步骤6)中若最佳工作点向左漂移，左边最大谐波抑制比对应偏置电压为最佳工作点，此时应该向左移动到达最佳工作点，重复步骤1)至4)。

步骤6)中若最佳工作点向右漂移，右边五点的最大谐波抑制比对应偏置电压为最佳工作点，此时应该向右移动到达最佳工作点，重复步骤1)至4)

如图2-4所示，对引入导频信号的MZM传递函数进行傅里叶级数展开，选取基波分量和谐波分量作为最佳工作点的判决依据，采用基波幅值绝对值与谐波幅值绝对值的比值作为偏置电压控制参考变量，并通过计算二次谐波抑制比的变化曲线得到Q值并取绝对值，使谐波比例因子变化曲线连续，并使程序上更容易判断最佳点。

如图5所示，分段搜索主要流程如下：

(1)输入偏置电压扫描区间，起始电压StartVoltage，终止电压StopVoltage，将扫描区间分成N(N>＝2)段等长的步长进行扫描，扫描步长DAC_STEP＝(StartVoltage-StopVoltage)/N。

(2)搜索记录N个偏置电压点的谐波抑制比并存入MaxR[]，并找出最大谐波抑制比和对应的偏置电压点BestVoltage，并设置谐波抑制比阈值设定谐波抑制比阈值thresthodR＝MaxR[i]-Max[i-1]/a(a>＝2)。

(3)以BestVoltage偏置电压点为基准确定扫描区间，区间是与其相邻的前后各一步长，即StartVoltage＝BestVoltage-DAC_STEP，StopVoltage＝BestVoltage+DAC_STEP。

(4)重复步骤(1)至(3)，若当前区间最大谐波抑制比小于上一区间谐波抑制比阈值，则返回上一区间重新扫描，否则进入下一扫描区间，直到扫描步长小于定位精度则停止扫描，输出最佳偏置电压BestVoltage。

如图6所示，主要控制流程如下：

(1)五点控制法控制的最大范围为10*PointSpace(左边五点加右边五点共十个点，PointSpace为两点之间的步长)，控制范围应在控制精度ControlAccuracy以内，所以(10*PointSpace)<＝ControlAccuracy，每两点之间的步长PointSpace应小于等于控制精度ControlAccuracy的十分之一，以保证控制精度。

(2)获取当前最佳偏置电压BestVoltage左边五点的谐波抑制比并存入LeftR[]，并找出最大谐波抑制比MaxLeftR，计算出对应的偏置电压与最佳点的距离MoveLeft＝PointSpace*i。

(3)获取当前最佳偏置电压BestVoltage右边五点的谐波抑制比并存入RightR[]，并找出最大谐波抑制比MaxRightR，计算出对应的偏置电压与最佳点的距离MoveRight＝PointSpace*i。

(4)将左边最大谐波抑制比MaxLeftR和右边五点偏置电压的最大谐波抑制比MaxRightR，与最佳工作点的谐波抑制比CenterR相比较，判断最佳工作点是否飘移，并控制其回到最佳位置:

若CenterR>LeftMaxR && CenterR>RightMaxR，最佳工作点未漂移，设置自身判定阈值Thresthold＝CenterR-CenterR/b(b>＝2)，连续扫描该电压点的谐波抑制比，若连续8次小于阈值，最佳工作点漂移，则重复步骤一至四。

若LeftMaxR>CenterR&&LeftMaxR>RightMaxR，最佳工作点向左漂移，LeftMaxR对应偏置电压为最佳工作点，此时应该向左移动MoveLeft到达最佳工作点，重复步骤一至四。

若RightMaxR>CenterR&&RightMaxR>RightMaxR，最佳工作点向右漂移，RightMaxR对应偏置电压为最佳工作点，此时应该向右移动MoveRight到达最佳工作点，重复步骤(1)至(4)。

以上仅就本发明的最佳实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅局限于以上实施例，其具体结构允许有变化。凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于分段极值搜索与多点判决的光学晶体控制方法，包括首先对引入导频信号的MZM外调制器传递函数进行傅里叶级数展开，选取基波分量和谐波分量作为最佳工作点的判决依据，采用基波幅值绝对值与谐波幅值绝对值的比值作为偏置电压控制参考变量，其特征在于：还包括以下步骤：

1)输入偏置电压扫描区间，将扫描区间分成N段等长的步长进行扫描，其中N≥2且N为整数；

2)搜索N个偏置电压点的谐波抑制比并找出最大谐波抑制比和对应的偏置电压点，并设置谐波抑制比阈值；

3)以最佳偏置电压点为基准确定扫描区间，与最佳偏置电压点相邻的前后各一步长为下一扫描区间；

4)重复步骤1)～步骤3)，若当前区间最大谐波抑制比小于上一区间谐波抑制比阈值，则返回上一区间重新扫描，否则进入下一扫描区间，直到扫描步长小于定位精度则停止扫描，输出最佳偏置电压；

5)分别扫描当前最佳偏置电压左边五点和右边五点的谐波抑制比，分别找出左边和右边最大谐波抑制比对应电压位置和离最佳工作点的距离；

6)将左边五点的最大谐波抑制比和右边五点的最大谐波抑制比与最佳工作点的谐波抑制比相比较，判断最佳工作点是否飘移，并控制其回到最佳位置。

2.根据权利要求1所述的基于分段极值搜索与多点判决的光学晶体控制方法，其特征在于：为了保证控制精度，五点控制的最大范围应小于等于控制精度，所以五点控制中每两点之间的步长小于等于控制精度的十分之一，以保证控制精度。

3.根据权利要求1所述的基于分段极值搜索与多点判决的光学晶体控制方法，其特征在于：步骤6)中若最佳工作点未漂移，设置自身判定阈值，连续扫描该电压点的谐波抑制比，若连续8次小于阈值，最佳工作点漂移，则重复步骤1)至步骤4)。

4.根据权利要求1所述的基于分段极值搜索与多点判决的光学晶体控制方法，其特征在于：步骤6)中若最佳工作点向左漂移，左边最大谐波抑制比对应偏置电压为最佳工作点，此时应该向左移动到达最佳工作点，重复步骤1)至步骤4)。

5.根据权利要求1所述的基于分段极值搜索与多点判决的光学晶体控制方法，其特征在于：步骤6)中若最佳工作点向右漂移，右边五点的最大谐波抑制比对应偏置电压为最佳工作点，此时应该向右移动到达最佳工作点，重复步骤1)至步骤4)。