CN106932925B - 一种基于混沌信号的偏置控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于混沌扰动信号的电光调制器偏置控制装置，主要用于基于电光调制器的光学移频，本发明包括激光器、电光调制器、光耦合器、偏置控制模块。其中所述偏置控制模块包括光电转换信号放大模块、模数转换模块、控制器、直流偏置输出电路、混沌信号发生器、正弦信号发生器和信号混合电路；本发明还公开了一种基于混沌信号的电光调制器偏置控制装置的实现方法。本发明在现有电光调制器偏置控制装置的基础上，通过引入新型的偏置控制模块，实现对探测光的频移以及混沌信号的应用。通过宽频混沌信号代替低频扰动信号进行反馈调制，减少杂散信号。

Description

一种基于混沌信号的偏置控制装置及方法

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，特别是一种基于混沌信号的偏置控制装置及方法。

背景技术

电光调制器是利用某些晶体的电光效应对光信号进行调制的器件，在高速光通信、光纤传感等领域应用非常广泛。电光调制根据所施加的电场方向的不同, 可分为纵向电光调制和横向电光调制；根据调制类型的不同，可分为电光相位调制和电光强度调制。典型的电光调制器输出特性曲线见示意图2，电光调制器输出特性曲线是一个余弦函数形状的曲线。对于电光调制器，环境温度、机械扭曲、机械振动以及输入光的偏振态变化都会引起电光调制器工作点的缓慢漂移（示意见图2），从而导致电光调制器的性能变坏，给电光调制器的应用带来了麻烦。因此，对电光调制器工作点进行自动跟踪和控制是十分必要的。

此外，在对电光调制器工作点进行自动跟踪和控制时，传统的电光调制器工作点控制方案往往采用在直流偏置端输入的低频扰动信号作为反馈信号，这种方法会在电光调制器的输出能量谱上带来单音噪声信号，而该单音噪声信号容易在调制时由于非线性带来杂散，进而影响后续的处理及应用。

但现有的电光调制器调控制装置如图5所示，往往只有通过单纯的移频正弦信号以及直流偏置低频扰动信号进行控制，所以难以避免扰动信号对输出谱的影响，具有一定的局限性，虽然可以实现电光调制器稳定的工作，但往往会引入过量的杂散。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于混沌信号的偏置控制装置及方法，利用混沌信号进行反馈调制，很好的消除了传统结构的局限性，使得电光调制产生的连续光更利于后续处理，且有更广的应用范围。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种基于混沌信号的偏置控制装置，包括激光器、电光调制器、光耦合器和偏置控制模块，所述偏置控制模块包括光电转换信号放大模块、模数转换模块、控制器、直流偏置输出电路、混沌信号发生器、正弦信号发生器和信号混合电路；其中,

激光器，用于输出连续的激光至电光调制器；

电光调制器，用于将连续的激光移频，输出信号光至光耦合器；

光耦合器，用于将信号光分成两路：第一路光作为光学本振信号输出，第二路光作为反馈光输出至光电转换信号放大模块；

光电转换信号放大模块，用于将第二路光转换成电压信号后并放大，输出放大后的电压信号至模数转换模块；

模数转换模块，用于将放大后的电压信号转换成数字信号作为反馈信号输出至控制器；

混沌信号发生器，用于输出两路宽频噪声信号，一路输出至信号混合电路，另一路作为参考信号输出至控制器；

控制器，用于控制混沌信号发生器以及正弦信号发生器的工作，并对输入的反馈信号和参考信号进行运算处理，得出电光调制器工作点漂移情况，根据该漂移情况控制直流偏置输出电路；

直流偏置输出电路，用于输出直流偏置电压信号至电光调制器的直流偏置输入端口，使得电光调制器的工作点向最佳工作点靠近；

正弦信号发生器，用于产生纯净的正弦信号并将其输出至信号混合电路；

信号混合电路，用于将宽频噪声信号和纯净的正弦信号叠加，产生射频控制信号并将其输出至电光调制器的射频控制端，射频控制信号控制电光调制器的工作。

作为本发明所述的一种基于混沌信号的偏置控制装置进一步优化方案，最佳工作点为电光调制器在连续光工作的条件下输出光功率最小时所需要的直流偏置电压大小。

作为本发明所述的一种基于混沌信号的偏置控制装置进一步优化方案，控制器采用最佳工作点控制算法来得出电光调制器工作点漂移情况，将宽频噪声信号作为最佳工作点控制算法的反馈信号。

作为本发明所述的一种基于混沌信号的偏置控制装置进一步优化方案，所述对输入的反馈信号和参考信号进行运算处理是将反馈信号和参考信号相乘后经滤波，即得到电光调制器工作点漂移情况。

基于上述的一种基于混沌信号的电光调制器偏置控制装置的实现方法，包括以下步骤：

步骤一、控制器控制混沌信号发生器和正弦信号发生器分别产生两路宽频噪声信号以及纯净的正弦信号；

步骤二、通过信号混合电路将一路宽频噪声信号与纯净的正弦信号进行叠加后产生射频控制信号；

步骤三、电光调制器产生的信号光经过光耦合器分为两路，第一路光作为光学本振信号输出，第二路光作为反馈光输入至光电转换信号放大模块；

步骤四、光电转换信号放大模块将第二路光转换为电压信号，将该电压信号进行放大并转换成数字信号，数字信号作为反馈信号与参考信号经运算处理得出电光调制器工作点漂移情况，参考信号为混沌信号发生器输出的另一路宽频噪声信号；根据当前工作点的漂移情况，控制器计算得到一个控制电压，该电压控制直流偏置输出电路输出一个电光调制器驱动信号，使得电光调制器工作点向最佳工作点靠近。

基于上述的一种基于混沌信号的电光调制器偏置控制装置的实现电光调制器偏置点自动锁定的方法，具体如下：

A、利用相干的原理判别电光调制器的工作点的漂移方向及大小，由控制器控制混沌信号发生器生成一个宽频噪声信号，此信号输出至电光调制器的射频控制端；

B、经电光调制器调制后的宽频噪声信号依次经光电转换信号放大模块、模数转换模块转换为数字信号传输至控制器；在控制器内部，该宽频噪声信号与作为参考信号的宽频噪声信号进行相乘，并消除乘法产生的高频分量，得到一个反映工作点漂移情况的缓变量，然后进行如下判断：

若缓变量为0，则表明此时的工作点为最佳工作点；

若缓变量为负，则表明最佳工作点向高电压方向漂移，此时将当前工作点电压加上一个最小步进电压，逐渐向最佳工作点靠近；

若缓变量为正，则表明最佳工作点向低电压方向漂移，此时将当前工作点电压减去一个最小步进电压，逐渐向最佳工作点靠近；

C、重复上述相乘滤波比较的过程，逐步锁定电光调制器的最佳工作点。

作为本发明所述的一种基于混沌信号的电光调制器偏置控制装置的实现电光调制器偏置点自动锁定的方法进一步优化方案，所述B中消除乘法产生的高频分量是通过一个数字低通滤波器来实现的。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

（1）本发明采用正弦调制波实现了电光调制器的移频作用，使得输出连续光位于非基频位置，便于后续的处理；

（2）本发明用宽频噪声信号代替低频扰动信号进行最佳工作点控制，防止了直流偏置端引入低频扰动信号带来的单音噪声，使得电光调制器的输出噪声谱更加平坦，有效降低了杂散信号对光学移频质量的影响。

附图说明

图1是本发明的系统结构图。

图2是现有技术中基于光耦合器的电光调制器偏置电压控制示意图。

图3是宽频噪声信号波形示意图。

图4是宽频噪声信号作为反馈信号的最佳工作点控制原理示意图；其中，（a）为工作点电压漂移至低于最佳工作点电压时的情况，（b）为工作点电压位于最佳工作点电压时的情况，（c）为工作点电压漂移至高于最佳工作点电压时的情况。

图5是现有的电光调制器调控制装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

为了减少该低频扰动信号，则在本装置中提供一个宽频噪声信号代替低频扰动信号作为反馈信号。宽频噪声信号的能量可看做是对宽频噪声信号进行全波整流。宽频噪声信号类似于随机信号，其波形如图3所示。将一个宽频噪声信号加载在射频控制端口上，以此作为最佳工作点控制的反馈信号。这样EOM调制出来的连续光上就会调制上一个宽频噪声信号，经过探测器变为电压信号。将获得的反馈信号和参考信号即宽频噪声信号相乘，并通过低通滤波器滤波后即可得得到电光调制器输出特性曲线的漂移情况，进而确定工作点的漂移状况。EOM工作在特性曲线的最小值处即最佳工作点，如图4中的（b）所示，调制信号频率为生成宽频噪声信号的两倍，此时反馈信号与参考信号相乘结果为0；若EOM工作点向低偏置电压方向移动，则反馈信号与参考信号相位同向，如图4中的（a）所示，此时反馈信号与参考信号乘积近似为正的直流量；EOM工作点往高偏置电压方向移动，如图4中的（c）所示，则反馈信号与参考信号相位相反，此时反馈信号与参考信号乘积近似为负的直流量。通过分辨反馈信号与参考信号的乘积结果，即可直接分辨工作点的偏移方向，并通过控制器实现对工作点的控制。

将宽频噪声信号作为反馈信号可以使引入的噪声在频谱上分散到宽谱范围内，去除低频扰动信号在某些频率上的集中影响，使得电光调制器的输出能量谱更加稳定，有利于后续的频谱处理。

一个优秀的电光调制器工作点控制方案，要使得电光调制器工作在最适工作点且能输出适当频率的信号光，此外直流偏置端输入的扰动电压对于输出谱的影响要尽可能小。

本发明是一个针对连续光调制的电光调制器进行偏置电压控制的闭环控制装置。如图1所示，主要包含两大模块：分光模块、电光调制器偏置控制模块。

分光模块主要就是光耦合器。

电光调制器偏置控制模块如图1所示包括：光电转换信号放大模块；模数转换模块；控制器；直流偏置输出电路；混沌信号发生器；正弦信号发生器；信号混合电路。

光电转换信号放大模块包含了光电探测器与跨阻放大电路两部分。这里使用的光电探测器的型号为GD3560J，它是一种近红外光电探测器，光谱敏感带在1550nm 处；驱动电压5V 时，该光电探测器的暗电流最大为1nA ；响应度0.85A/W，满足装置要求。光电探测器将光信号转换成电流信号。跨阻放大电路主要由运放AD8000组成。该运放为低能，低噪，以及1.58GHz的带宽，可以满足装置要求。

模数转换模块主要就是将光电转换信号放大模块产生的模拟电压信号转换为数字信号。这里使用的A/D转换器型号为Microchip公司的MCP3428，它是一款具有16位精度的模数转换器，完全可以满足本发明消光比约有30dB的要求。

在这里用的控制器为Lattice 公司的非易失性无限重构可编程逻辑器件MachXOPLD 系列的LCMXO1200。该可编程逻辑器件提供嵌入式存储器，方便数据的缓冲；同时它还具有内置的PLL 与振荡器，可以进行集成的时钟管理。该控制器接收A/D 生成的数字信号，对此数字量进行运算处理，得到电光调制器当前的工作状态，根据电光调制器的这个工作状态，调整输出驱动电路的输出。

直流偏置输出电路包括了D/A 转换器及放大器。数模转换的精度决定了最后电光调制器偏置电压控制系统锁定的工作点与电光调制器最佳工作点的接近程度，所以D/A 转换器的精度可以取得大一点，这里使用的数模转换器为TI 公司的DAC8552，它是16 位精度电压输出型的D/A 转换器。放大器主要是增大输出驱动电路的负载驱动能力以及电光调制器直流偏置端输入电压的范围，使其大于一个半波电压。由于要匹配D/A 输出电压，这里的放大器位AD8000具有轨对轨输出高供电电压的特点，带宽达到1.58GHz。

混沌信号发生器用于产生宽频噪声信号，所以采用饱和二极管式噪声发生器。

正弦信号发生器包括直接数字式频率合成器，可用于合成移频用的正弦电压，所以这里使用AD公司的AD9915，能够产生高达1GHz的正弦波，并且自带D/A转换器。

信号混合电路包括合路器，用于将混沌信号发生器和正弦信号发生器产生的信号生成为射频调制波。

结合器件参数的具体步骤如下：

步骤一，混沌信号发生器通过饱和二极管式噪声发生器产生宽频噪声信号，正弦信号发生器通过AD8000产生纯净的500MHz的正弦信号；

步骤二，通过信号混合电路中的合路器将宽频噪声信号与纯净的正弦信号进行调制后产生射频控制信号；

步骤三，电光调制器产生的光信号经过90:10光耦合器分为两路，90%的激光作为应用光输出，10%作为反馈光信号输入光电转换信号放大模块；

步骤四，光电转换信号放大模块中的GD3560J将光信号转换为电信号，并经由AD8000放大至伏级别。由控制器LCMXO1200运算处理反馈信号和参考信号得出电光调制器工作点漂移情况。根据漂移情况LCMXO1200输出一个数字控制量，经过D/A 转换器DAC8552及放大器AD8000，得到一个模拟控制电压，使得电光调制器工作点向最佳工作点靠近；

本发明中电光调制器的最佳工作点控制方法具体如下：

经电光调制器调制后的宽频噪声信号依次经光电转换信号放大模块、模数转换模块转换为数字信号传输至控制器；在控制器内部，该宽频噪声信号与作为参考的宽频噪声信号进行相乘，并通过一个数字低通滤波器消除乘法产生的高频分量，得到一个反映工作点漂移情况的缓变量，然后进行如下判断：若缓变量为0，则表明此时的工作点为最佳工作点；若缓变量为负，则表明最佳工作点向高电压方向漂移，此时将当前工作点电压加上一个输出驱动电路中的数模转换器可输出的最小步进电压，逐渐向最佳工作点靠近；若缓变量为正，则表明最佳工作点向低电压方向漂移，此时将当前工作点电压减去一个输出驱动电路中的数模转换器可输出的最小步进电压，逐渐向最佳工作点靠近；重复上述相乘滤波比较的过程，逐步锁定电光调制器的最佳工作点。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替代，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于混沌信号的偏置控制装置，包括激光器、电光调制器、光耦合器和偏置控制模块，其特征在于，所述偏置控制模块包括光电转换信号放大模块、模数转换模块、控制器、直流偏置输出电路、混沌信号发生器、正弦信号发生器和信号混合电路；其中,

激光器，用于输出连续的激光至电光调制器；

电光调制器，用于将连续的激光移频，输出信号光至光耦合器；

光耦合器，用于将信号光分成两路：第一路光作为光学本振信号输出，第二路光作为反馈光输出至光电转换信号放大模块；

光电转换信号放大模块，用于将第二路光转换成电压信号后并放大，输出放大后的电压信号至模数转换模块；

模数转换模块，用于将放大后的电压信号转换成数字信号作为反馈信号输出至控制器；

混沌信号发生器，用于输出两路宽频噪声信号，一路输出至信号混合电路，另一路作为参考信号输出至控制器；

控制器，用于控制混沌信号发生器以及正弦信号发生器的工作，并对输入的反馈信号和参考信号进行运算处理，得出电光调制器工作点漂移情况，根据该漂移情况控制直流偏置输出电路；

直流偏置输出电路，用于输出直流偏置电压信号至电光调制器的直流偏置输入端口，使得电光调制器的工作点向最佳工作点靠近；

正弦信号发生器，用于产生纯净的正弦信号并将其输出至信号混合电路；

信号混合电路，用于将宽频噪声信号和纯净的正弦信号叠加，产生射频控制信号并将其输出至电光调制器的射频控制端，射频控制信号控制电光调制器的工作；

控制器采用最佳工作点控制算法来得出电光调制器工作点漂移情况，将宽频噪声信号作为最佳工作点控制算法的反馈信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于混沌信号的偏置控制装置，其特征在于，最佳工作点为电光调制器在连续光工作的条件下输出光功率最小时所需要的直流偏置电压大小。

3.根据权利要求1所述的一种基于混沌信号的偏置控制装置，其特征在于，所述对输入的反馈信号和参考信号进行运算处理是将反馈信号和参考信号相乘后经滤波，即得到电光调制器工作点漂移情况。

4.基于权利要求1-3中任一项所述的一种基于混沌信号的电光调制器偏置控制装置的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、控制器控制混沌信号发生器和正弦信号发生器分别产生两路宽频噪声信号以及纯净的正弦信号；

步骤二、通过信号混合电路将一路宽频噪声信号与纯净的正弦信号进行叠加后产生射频控制信号；

步骤三、电光调制器产生的信号光经过光耦合器分为两路，第一路光作为光学本振信号输出，第二路光作为反馈光输入至光电转换信号放大模块；

步骤四、光电转换信号放大模块将第二路光转换为电压信号，将该电压信号进行放大并转换成数字信号，数字信号作为反馈信号与参考信号经运算处理得出电光调制器工作点漂移情况，参考信号为混沌信号发生器输出的另一路宽频噪声信号；根据当前工作点的漂移情况，控制器计算得到一个控制电压，该电压控制直流偏置输出电路输出一个电光调制器驱动信号，使得电光调制器工作点向最佳工作点靠近。

5.基于权利要求1-3中任一项所述的一种基于混沌信号的电光调制器偏置控制装置的实现电光调制器偏置点自动锁定的方法，其特征在于，具体如下：

A、利用相干的原理判别电光调制器的工作点的漂移方向及大小，由控制器控制混沌信号发生器生成一个宽频噪声信号，此信号输出至电光调制器的射频控制端；

B、经电光调制器调制后的宽频噪声信号依次经光电转换信号放大模块、模数转换模块转换为数字信号传输至控制器；在控制器内部，该宽频噪声信号与作为参考信号的宽频噪声信号进行相乘，并消除乘法产生的高频分量，得到一个反映工作点漂移情况的缓变量，然后进行如下判断：

若缓变量为0，则表明此时的工作点为最佳工作点；

若缓变量为负，则表明最佳工作点向高电压方向漂移，此时将当前工作点电压加上一个最小步进电压，逐渐向最佳工作点靠近；

若缓变量为正，则表明最佳工作点向低电压方向漂移，此时将当前工作点电压减去一个最小步进电压，逐渐向最佳工作点靠近；

C、重复上述相乘滤波比较的过程，逐步锁定电光调制器的最佳工作点。

6.根据权利要求5所述的一种基于混沌信号的电光调制器偏置控制装置的实现电光调制器偏置点自动锁定的方法，所述B中消除乘法产生的高频分量是通过一个数字低通滤波器来实现的。

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