CN107154790B - 基于fpga的反馈信号控制方法、系统及光模块调制器 - Google Patents

基于fpga的反馈信号控制方法、系统及光模块调制器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的反馈信号控制方法、系统及光模块调制器，涉及通讯技术领域。本方法包括以下步骤：FPGA接收反馈信号，并产生一参考正弦信号和一参考余弦信号，参考正弦信号与反馈信号的频率相同且相位不同，对参考正弦信号进行移相90度获得参考余弦信号；将参考正弦信号和参考余弦信号分别与反馈信号依次进行乘积运算和低通滤波处理后得到第一直流分量和第二直流分量；将第一直流分量和第二直流分量依据CORDIC算法计算获得原始信号的幅值和相位；使用原始信号的幅值和相位输出控制电压信号将反馈信号的幅值调整接近于零。本发明可以极大地提高Q值，确保能够从噪声中识别出微弱的原始信号。

Description

基于FPGA的反馈信号控制方法、系统及光模块调制器
本发明涉及通讯技术领域，具体是涉及一种反馈信号的控制方法、系统及光模块调制器。
背景技术
在数字信号处理中，经常会用到带通滤波器过滤待检测信号中的噪声并保留有用的信号。带通滤波器的一个重要指标为Q值，即带通滤波器的中心频率与通带宽度的比值，Q值越大，表示带通滤波器抑制噪声的能力越强。带通滤波器受到精度、时间以及温度的影响，Q值大约只在100左右，当使用现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)实现带通滤波器时，由于FPGA的资源有限，能够达到的Q值更小。当待检测信号中的有用信号的幅值接近于零时，会被混入的噪声淹没，造成幅值和相位的检测非常困难。例如，在光模块调制器的调制过程中，通常使用FPGA对调制器的一个反馈环路进行监控，并保证反馈信号的幅值无限接近于零。由于反馈信号的幅值会随着温度的变化而变化，FPGA需要实时从反馈信号中检测出原始信号的幅值和相位，当原始信号的幅值接近于零时，会被混入的噪声淹没，造成难以检测出原始信号的幅值和相位，从而无法实现根据原始信号的幅值和相位做出相应的调整。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的主要目的在于提供一种基于FPGA的反馈信号控制方法，本发明的另一目的在于提供一种基于FPGA的反馈信号控制系统，可以有效地压缩带宽，极大地提高Q值，确保当原始信号的幅值接近于零时，仍然能够从噪声中识别出微弱的原始信号。本发明还提供一种采用基于FPGA的反馈信号控制系统的光模块调制器。
本发明提供一种基于FPGA的反馈信号控制方法，反馈信号包括原始信号和噪声，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
FPGA接收反馈信号，并产生一参考正弦信号和一参考余弦信号，其中，所述参考正弦信号与反馈信号的频率相同且相位不同，对所述参考正弦信号进行移相90度获得所述参考余弦信号；
将所述参考正弦信号与反馈信号依次进行乘积运算和低通滤波处理后得到第一直流分量，将所述参考余弦信号与反馈信号依次进行乘积运算和低通滤波处理后得到第二直流分量；
将所述第一直流分量和第二直流分量依据CORDIC算法计算获得原始信号的幅值和相位；
使用原始信号的幅值和相位输出控制电压信号将反馈信号的幅值调整接近于零。
在上述技术方案的基础上，所述原始信号为
Figure BDA0001279987450000021
Vs、ω和
Figure BDA0001279987450000022
分别为原始信号的幅值、频率和相位，t为时间，Vb为原始信号的基准电压，Vb≠0。
在上述技术方案的基础上，所述低通滤波处理的截止频率依据原始信号的频率确定。
在上述技术方案的基础上，计算获得的原始信号的幅值和相位为：
Figure BDA0001279987450000023
Figure BDA0001279987450000024
其中，所述参考正弦信号为
Figure BDA0001279987450000031
Vr和
Figure BDA0001279987450000032
分别为所述参考正弦信号的幅值和相位，所述参考余弦信号为
Figure BDA0001279987450000033
F1和F2分别为所述第一直流分量和第二直流分量，
Figure BDA0001279987450000034
Figure BDA0001279987450000035
在上述技术方案的基础上，根据从当前接收的反馈信号中计算获得的原始信号与从上次反馈信号中计算获得的原始信号的比较结果，输出数字直流电压信号，数字直流电压信号用于将反馈信号的幅值调整接近于零，数字直流电压信号经过数字模拟转换后作为控制电压信号。
本发明还提供一种基于FPGA的反馈信号控制系统，反馈信号包括原始信号和噪声，所述控制系统包括：
接收模块，其用于接收反馈信号；
参考信号模块，其用于产生一参考正弦信号和一参考余弦信号，其中，所述参考正弦信号与反馈信号的频率相同且相位不同，对所述参考正弦信号进行移相90度获得所述参考余弦信号；
锁相放大器，其用于将所述参考正弦信号与反馈信号依次进行乘积运算和低通滤波处理后得到第一直流分量，将所述参考余弦信号与反馈信号依次进行乘积运算和低通滤波处理后得到第二直流分量；
运算模块，其用于将所述第一直流分量和第二直流分量依据CORDIC算法计算获得原始信号的幅值和相位；
控制模块，其用于使用原始信号的幅值和相位输出控制电压信号将反馈信号的幅值调整接近于零。
在上述技术方案的基础上，所述锁相放大器包括相连接的第一乘法器和第一低通滤波器，以及相连接的第二乘法器和第二低通滤波器，所述第一乘法器对分别接收的反馈信号和所述参考正弦信号进行乘积运算，所述第一低通滤波器对所述第一乘法器的输出信号进行低通滤波处理，所述第二乘法器对分别接收的反馈信号和所述参考余弦信号进行乘积运算，所述第二低通滤波器对所述第二乘法器的输出信号进行低通滤波处理。
在上述技术方案的基础上，所述第一低通滤波器和第二低通滤波器均为无限脉冲响应IIR低通滤波器，所述第一低通滤波器和第二低通滤波器的截止频率均依据原始信号的频率确定。
在上述技术方案的基础上，控制模块根据从当前接收的反馈信号中计算获得的原始信号与从上次反馈信号中计算获得的原始信号的比较结果，输出数字直流电压信号，数字直流电压信号用于将反馈信号的幅值调整接近于零，数字直流电压信号经过数字模拟转换后作为控制电压信号。
本发明还提供一种光模块调制器，所述光模块调制器采用上述的基于FPGA的反馈信号控制系统对光模块调制器的反馈环路进行监控，使得反馈信号的幅值接近于零。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
(1)由于参考正弦信号和参考余弦信号与反馈信号中的原始信号相关而与噪声不相关，因此可以有效地压缩带宽，极大地提高Q值，确保当原始信号的幅值接近于零时，仍然能够从噪声中识别出微弱的原始信号。
(2)通过锁相放大器和运算模块可以直接获得原始信号的幅值和相位，省去了经过带通滤波器去噪声之后还要进一步检测幅值和相位，提高反馈信号的检测效率。另外，IIR低通滤波器占用面积小，节省FPGA资源，降低成本。
(3)根据原始信号的幅值和相位，输出数字交流电压信号，由于数字交流电压信号集成在FPGA中，数字交流电压信号使得反馈信号的幅值接近于零，电路简单，控制方便。
附图说明
图1是本发明实施例反馈信号的控制方法流程图；
图2是本发明实施例反馈信号的控制系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
与带通滤波器相比，锁相放大器(Lock-In Amplify)的Q值可以达到107左右，可以从带有噪声的微弱信号中几乎准确地还原待检测信号。
参见图1所示，本发明实施例提供一种基于FPGA的反馈信号控制方法，反馈信号包括原始信号和噪声，反馈信号控制方法包括以下步骤：
S1.FPGA接收反馈信号，并产生一参考正弦信号和一参考余弦信号，其中，参考正弦信号与反馈信号的频率相同且相位不同，对参考正弦信号进行移相90度获得参考余弦信号。为了方便后续步骤的计算，参考正弦信号的峰峰值可以设为2。
S2.将参考正弦信号与反馈信号依次进行乘积运算和低通滤波处理后得到第一直流分量，将参考余弦信号与反馈信号依次进行乘积运算和低通滤波处理后得到第二直流分量。
当原始信号为
Figure BDA0001279987450000051
时，其中，Vs、ω和
Figure BDA0001279987450000052
分别为原始信号的幅值、频率和相位，t为时间。
参考正弦信号为
Figure BDA0001279987450000061
Vr和
Figure BDA0001279987450000062
分别为参考正弦信号的幅值和相位，将参考正弦信号与反馈信号进行乘积运算：
Figure BDA0001279987450000063
其中，
Figure BDA0001279987450000064
为第一直流分量，即
Figure BDA0001279987450000065
Figure BDA0001279987450000066
为第一交流分量。经过低通滤波处理后，第一交流分量被滤除，剩下第一直流分量。
可以看出，第一直流分量是原始信号幅值和相差共同作用的结果，为了能够分别得到幅值和相差两个量。还需要引入参考余弦信号
Figure BDA0001279987450000067
将参考余弦信号与反馈信号进行乘积运算：
Figure BDA0001279987450000068
其中，
Figure BDA0001279987450000069
为第二直流分量，即
Figure BDA00012799874500000610
Figure BDA00012799874500000611
为第二交流分量。经过低通滤波处理后，第二交流分量被滤除，剩下第二直流分量。
由上述可见，低通滤波处理的截止频率根据第一交流分量和第二交流分量的频率确定，当原始信号为
Figure BDA00012799874500000612
时，第一交流分量和第二交流分量的频率为原始信号的频率的两倍。
在上述的推导过程中，原始信号的基准电压Vb是0，在实际应用中，反馈信号的幅值会随着温度的变化而变化，即原始信号实际为
Figure BDA00012799874500000613
Vs、ω和
Figure BDA00012799874500000614
分别为原始信号的幅值、频率和相位，t为时间，Vb为原始信号的基准电压，该直流基准电压不为零，即Vb≠0。
将参考正弦信号与反馈信号进行乘积运算：
Figure BDA0001279987450000071
将参考余弦信号与反馈信号进行乘积运算：
Figure BDA0001279987450000072
由上述可见，当原始信号为
Figure BDA0001279987450000073
时，Vb≠0，第一交流分量和第二交流分量的最低频率为原始信号的频率，低通滤波处理的截止频率根据第一交流分量和第二交流分量的频率确定，因此，低通滤波处理的截止频率需要更低一些。
由于参考正弦信号和参考余弦信号与反馈信号中的原始信号相关而与噪声不相关，因此可以有效地压缩带宽，极大地提高Q值，确保当原始信号的幅值接近于零时，仍然能够从噪声中识别出微弱的原始信号。
S3.将第一直流分量和第二直流分量依据CORDIC算法计算获得原始信号的幅值和相位。
计算获得的原始信号的幅值和相位为：
Figure BDA0001279987450000074
Figure BDA0001279987450000075
其中，
Figure BDA0001279987450000076
atan2为求反正切函数，即对
Figure BDA0001279987450000077
求反正切。
通过步骤S2和S3可以直接获得原始信号的幅值和相位，省去了经过带通滤波器去噪声之后还要进一步检测幅值和相位，提高反馈信号的检测效率。
S4.使用原始信号的幅值和相位输出控制电压信号将反馈信号的幅值调整接近于零。
具体的，根据从当前接收的反馈信号中计算获得的原始信号与从上次反馈信号中计算获得的原始信号的比较结果，输出数字直流电压信号，数字直流电压信号用于将反馈信号的幅值调整接近于零，数字直流电压信号经过数字模拟转换后作为控制电压信号。使用原始信号的幅值和相位输出数字直流电压信号的电路可以集成在FPGA中，电路简单，控制方便。
在实际应用中，当FPGA启动时，首先输出从预设范围内选定的初始数字直流电压信号后，接收反馈信号，并从反馈信号中计算获得原始信号的幅值和相位，将该次反馈信号作为上次反馈信号，并存储从上次反馈信号中计算获得的原始信号的幅值和相位。将接收到的新的反馈信号作为当前反馈信号，从当前反馈信号中计算获得原始信号的幅值和相位。由于反馈信号的幅值会随着温度的变化而变化，从当前反馈信号中计算获得的原始信号的幅值不为零且相对于从上次反馈信号中计算获得的原始信号的幅值变化时，相应调整输出的数字直流电压信号，直到当前反馈信号的幅值调整接近于零。例如，从当前反馈信号中计算获得的原始信号的幅值大于从上次反馈信号中计算获得的原始信号的幅值时，输出的数字直流电压信号小于上次反馈信号所对应的数字直流电压信号，以调整反馈信号的幅值接近于零。
由上述分析可知，当输出用于调整反馈信号的幅值无限接近于零的控制电压信号时，原始信号
Figure BDA0001279987450000081
的基准电压Vb，实际上由于控制电压信号以及温度等因素变化而产生。
参见图2所示，本发明实施例提供一种基于FPGA的反馈信号控制系统，反馈信号包括原始信号和噪声，本控制系统包括接收模块、参考信号模块、锁相放大器、运算模块和控制模块。
接收模块用于接收反馈信号。
参考信号模块用于产生一参考正弦信号和一参考余弦信号，其中，参考正弦信号与反馈信号的频率相同且相位不同，对参考正弦信号进行移相90度获得参考余弦信号。具体的，参考信号模块可以包括信号发生单元和移相器，信号发生单元产生与反馈信号的频率相同且相位不同的参考正弦信号，移相器对参考正弦信号进行移相90度获得参考余弦信号。
锁相放大器用于将参考正弦信号与反馈信号依次进行乘积运算和低通滤波处理后得到第一直流分量，将参考余弦信号与反馈信号依次进行乘积运算和低通滤波处理后得到第二直流分量。
锁相放大器包括相连接的第一乘法器和第一低通滤波器，以及相连接的第二乘法器和第二低通滤波器，第一乘法器对分别接收的反馈信号和参考正弦信号进行乘积运算，第一低通滤波器对第一乘法器的输出信号进行低通滤波处理，第二乘法器对分别接收的反馈信号和参考余弦信号进行乘积运算，第二低通滤波器对第二乘法器的输出信号进行低通滤波处理。
第一低通滤波器和第二低通滤波器均为无限脉冲响应IIR低通滤波器，第一低通滤波器和第二低通滤波器的截止频率均依据原始信号的频率确定。IIR低通滤波器占用面积小，节省FPGA资源，降低成本。
运算模块用于将第一直流分量和第二直流分量依据CORDIC算法计算获得原始信号的幅值和相位。
通过锁相放大器和运算模块可以直接获得原始信号的幅值和相位，省去了经过带通滤波器去噪声之后还要进一步检测幅值和相位，提高反馈信号的检测效率。
控制模块用于使用原始信号的幅值和相位输出控制电压信号将反馈信号的幅值调整接近于零。
具体的，控制模块根据从当前接收的反馈信号中计算获得的原始信号与从上次反馈信号中计算获得的原始信号的比较结果，输出数字直流电压信号，数字直流电压信号用于将反馈信号的幅值调整接近于零，数字直流电压信号经过数字模拟转换后作为控制电压信号。使用原始信号的幅值和相位输出数字直流电压信号的电路可以集成在FPGA中，电路简单，控制方便。数字模拟转换可以采用数字模拟转换DAC芯片实现。本发明实施例提供一种光模块调制器，光模块调制器采用上述的基于FPGA的反馈信号的控制系统对光模块调制器的反馈环路进行监控，使得反馈信号的幅值接近于零。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种基于FPGA的反馈信号控制方法，反馈信号包括原始信号和噪声，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
FPGA接收反馈信号，并产生一参考正弦信号和一参考余弦信号，其中，所述参考正弦信号与反馈信号的频率相同且相位不同，对所述参考正弦信号进行移相90度获得所述参考余弦信号；
将所述参考正弦信号与反馈信号依次进行乘积运算和低通滤波处理后得到第一直流分量，将所述参考余弦信号与反馈信号依次进行乘积运算和低通滤波处理后得到第二直流分量；
将所述第一直流分量和第二直流分量依据CORDIC算法计算获得原始信号的幅值和相位；
使用原始信号的幅值和相位输出控制电压信号将反馈信号的幅值调整为无限接近于零；
根据从当前接收的反馈信号中计算获得的原始信号与从上次反馈信号中计算获得的原始信号的比较结果，输出数字直流电压信号，数字直流电压信号用于将反馈信号的幅值调整为无限接近于零，数字直流电压信号经过数字模拟转换后作为控制电压信号。
2.如权利要求1所述的反馈信号控制方法，其特征在于：所述原始信号为
Figure FDA0002409632890000011
Vs、ω和
Figure FDA0002409632890000012
分别为原始信号的幅值、频率和相位，t为时间，Vb为原始信号的基准电压，Vb≠0。
3.如权利要求2所述的反馈信号控制方法，其特征在于：所述低通滤波处理的截止频率依据原始信号的频率确定。
4.如权利要求3所述的反馈信号控制方法，其特征在于：计算获得的原始信号的幅值和相位为：
Figure FDA0002409632890000021
Figure FDA0002409632890000022
其中，所述参考正弦信号为
Figure FDA0002409632890000023
Vr和
Figure FDA0002409632890000024
分别为所述参考正弦信号的幅值和相位，所述参考余弦信号为
Figure FDA0002409632890000025
F1和F2分别为所述第一直流分量和第二直流分量，
Figure FDA0002409632890000026
Figure FDA0002409632890000027
5.一种基于FPGA的反馈信号控制系统，反馈信号包括原始信号和噪声，其特征在于，所述控制系统包括：
接收模块，其用于接收反馈信号；
参考信号模块，其用于产生一参考正弦信号和一参考余弦信号，所述参考正弦信号与反馈信号的频率相同且相位不同，对所述参考正弦信号进行移相90度获得所述参考余弦信号；
锁相放大器，其用于将所述参考正弦信号与反馈信号依次进行乘积运算和低通滤波处理后得到第一直流分量，将所述参考余弦信号与反馈信号依次进行乘积运算和低通滤波处理后得到第二直流分量；
运算模块，其用于将所述第一直流分量和第二直流分量依据CORDIC算法计算获得原始信号的幅值和相位；
控制模块，其用于使用原始信号的幅值和相位输出控制电压信号将反馈信号的幅值调整为无限接近于零；
控制模块根据从当前接收的反馈信号中计算获得的原始信号与从上次反馈信号中计算获得的原始信号的比较结果，输出数字直流电压信号，数字直流电压信号用于将反馈信号的幅值调整为无限接近于零，数字直流电压信号经过数字模拟转换后作为控制电压信号。
6.如权利要求5所述的基于FPGA的反馈信号控制系统，其特征在于：所述锁相放大器包括相连接的第一乘法器和第一低通滤波器，以及相连接的第二乘法器和第二低通滤波器，所述第一乘法器对分别接收的反馈信号和所述参考正弦信号进行乘积运算，所述第一低通滤波器对所述第一乘法器的输出信号进行低通滤波处理，所述第二乘法器对分别接收的反馈信号和所述参考余弦信号进行乘积运算，所述第二低通滤波器对所述第二乘法器的输出信号进行低通滤波处理。
7.如权利要求6所述的基于FPGA的反馈信号控制系统，其特征在于：所述第一低通滤波器和第二低通滤波器均为无限脉冲响应IIR低通滤波器，所述第一低通滤波器和第二低通滤波器的截止频率均依据原始信号的频率确定。
8.一种光模块调制器，其特征在于：所述光模块调制器采用权利要求5至7任一项所述的基于FPGA的反馈信号控制系统对光模块调制器的反馈环路进行监控，使得反馈信号的幅值无限接近于零。
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CN102045036A (zh) * 2011-01-27 2011-05-04 中山大学 一种数字锁相放大器
CN104092442A (zh) * 2014-06-04 2014-10-08 广东顺德中山大学卡内基梅隆大学国际联合研究院 一种模拟数字混合结构的锁相放大器及其锁相放大方法

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