CN108306689B - 基于三导频的双平行马赫-曾德尔调制器(dpmzm)的任意点自动偏压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三导频的双平行马赫‑曾德尔调制器(DPMZM)的任意点自动偏压控制方法，提出了一种基于三导频分时隙谐波检测算法的自动偏压控制系统。该发明主要涉及光通信技术以及自动控制领域。该发明在DPMZM的三个通道上分别加载频率不同的小幅度低频正弦信号，使导频信号谐波分量带有DPMZM三个直流偏置的漂移信息。输出光进入偏压控制模块，经光电转换、放大、滤波等处理后模数转换进入数字处理单元中进行快速傅里叶变换(FFT)，分时隙分析所需导频信号谐波分量，分别控制DPMZM的三个工作点。本发明通过分析DPMZM传输函数的特征，利用三个导频及其经过调制器后的谐波关系，分两个时隙实现DPMZM三个工作点的偏压控制，以稳定DPMZM的三个工作点于任意点。

Description

基于三导频的双平行马赫-曾德尔调制器(DPMZM)的任意点自 动偏压控制方法

技术领域

本发明涉及光通信技术以及自动控制领域，特别涉及一种基于三导频的双平行马赫- 曾德尔调制器(DPMZM)的任意点自动偏压控制方法。

背景技术

光载射频通信(RoF)技术利用光纤和高频无线电波各自的优点，实现成本低、容量大的射频信号光纤传输以及无线接入，是未来宽带接入发展的趋势。基于铌酸锂材料的电光调制器，因其具有调制带宽大、损耗小、零啁啾等优点，而被广泛应用于RoF系统，其性能对整个系统信号传输质量起决定性作用。

由于调制器材料以及结构的限制，热电效应、光折变效应、光电导效应、外部环境变化、结构形变等因素都会使调制器的直流工作点发生漂移，输出信号的波形不能符合预期，严重影响整个系统的信号质量。

目前已存在控制单个马赫-曾德尔调制器偏压的方法，包括导频信号法和功率检测法。导频信号法通过偏压控制模块检测导频信号经调制后的一阶、二阶谐波或者一阶分量与直流分量的比值来稳定单个调制器的工作点；功率检测法分为前向功率检测和后向功率检测，核心方案是检测调制器的输出光功率，该功率的大小对应半波电压内的工作点，以稳定功率来稳定工作点，不同的是前向功率检测法会受到输入光功率以及射频信号功率的影响，后向功率检测法利用调制器反向传输不受射频信号调制的特点消除了射频信号对控制结果的影响。

当前已存在采用导频方法控制DPMZM传统工作点的偏压控制方案，比如存在采用导频控制QPSK、DPSK调制模式时的偏压方案，利用DPMZM工作在传统工作点时，导频信号受调制产生谐波分量的特点，通过判断特定谐波分量是否存在并通过控制偏压消除因工作点漂移产生的频率分量来稳定传统工作点，这些方案都只能控制DPMZM的传统工作点，对于例如线性优化等一系列提高链路无杂散动态范围等特定场景的特殊工作点无法控制。

发明内容

为了解决背景技术中现存方案无法控制DPMZM任意工作点的问题，本发明提出了一种基于三导频的双平行马赫-曾德尔调制器(DPMZM)的任意点自动偏压控制方法，寻找经调制后导频信号特定交调分量，满足所需频率分量不被其他频率分量干扰，且其比值不被射频信号干扰，从而实现对DPMZM任意工作点的偏压控制。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：基于三个导频分时隙分析、处理谐波或交调分量的DPMZM偏压控制方法，包括可调激光器、DPMZM、射频信号源、分光器、偏压控制模块。光源输出端口与DPMZM相连，射频信号输出与DPMZM的两个射频输入端口相连，DPMZM输出端口与分光器相连，分光器输出的小信号光进入偏压控制模块，偏压控制模块的三个输出与DPMZM的三个直流偏置输入端口相连，上述分光器的另一路进入另一个光电探测器后输出端可以进行测试或后续信号处理。

所述偏压控制模块由导频信号发生电路、光电探测器、前置放大电路、低通滤波器、模数转换电路、数字处理单元、数模转换电路、驱动电路构成。

本发明在工作时包括以下步骤：

1)搭建链路，激光器连接调制器输入端，调制器输出端连接分光器，分光器的输出95％一路继续进行后续信号处理，另一路连接偏压控制模块，偏压控制模块输出端与调制器三个直流电压端口连接；

2)从激光器产生波长为λ光输入到DPMZM中。

3)偏压控制模块上电，进入调整模式，第一时隙通过驱动电路对DPMZM的上下臂分别进行电压扫描，并记录上下两臂各自的最大点、最小点偏压值以及半波电压；第二时隙设定上下臂的偏压均为最大点，通过驱动电路对DPMZM的主臂进行电压扫描，记录主臂的最大、最小点偏压值以及半波电压，并以以上参数设定DPMZM需要的三个工作点；

4)调整模式完成后进入偏压控制模式。射频信号加载到DPMZM，偏压控制模块产生的三个导频信号加载到DPMZM上和射频信号一起进行调制，经过调制后，DPMZM输出端的导频信号谐波分量及其比值能反应DPMZM三个直流工作点相关的相位漂移情况，需后续处理分析。

5)调制器输出信号经分光器后，5％光信号进入偏压控制器，经光电转换后，微弱光电流信号在偏压控制器中经过放大、滤波、模数转换后进入数字处理单元，在数字处理单元中完成对信号的分析，包括通过FFT提取所需频率分量，计算所需比值、判断工作点漂移情况以及对漂移电压的补偿。

6)判定及补偿方案为：假设加载在调制器上下两个子调制器导频信号分别为pilot_i＝V_piloti sin(ω_it)和pilot_q＝V_pilotq sin(ω_qt)，主臂为pilot_p＝V_pilotp sin(ω_pt)，且上下两个调制器的直流偏置分别为V_dci和V_dcq，主臂为V_dcp，则DPMZM传输函数为

其中，P_IN为DPMZM的输入光功率，K为DPMZM的插入损耗相关系数，V_πi，V_πq，V_πp分别表示上、下、主臂的半波电压，

分别表示导频信号与直流偏置在DPMZM三个子调制器上引起的总相移，

分别表示三个直流偏置引入的相移，

分别表示加载在三个子调制器上导频信号的调制指数。

由贝塞尔函数特性知高阶贝塞尔函数很小可以忽略，对式1-1进行贝塞尔展开且忽略高阶项后提取偏压控制所需的判定分量计算比值，选取规则为控制相关臂的工作点时所选取分量的比值只与本臂工作点以及已经稳定的工作点的直流偏置大小有关。贝塞尔展开后，经过比较筛选，控制DPMZM主臂工作点的谐波分量选取为加载在主臂上导频信号的一阶和二阶分量，其大小分别为：

计算两分量的幅度比值为

由式1-2易知DPMZM的主臂工作点大小只与所选取分量的幅度比值有关，且满足正切关系，半波电压范围内单调，因此数字处理单元可以在控制的第一个时隙内提取上述所需分量并计算比值来控制主臂的工作点。主臂工作点稳定后的第二个时隙，分别提取上臂导频与主臂导频之间的二阶交调分量，下臂导频与主臂导频之间的二阶交调分量，其大小分别为：

以及上下臂导频信号之间的二阶交调分量：

稳定上臂工作点所需比值为上下臂导频之间的二阶交调分量幅度，与下臂和主臂导频之间的二阶交调分量幅度的比值：

第一个时隙已经稳定了主臂工作点，由式1-3知该比值仅与上臂的直流偏置电压有关且满足正切关系，在半波电压内单调，可以用来稳定上臂的工作点。

同理，稳定下臂工作点所需比值为上下臂导频之间的二阶交调分量幅度，与上臂和主臂导频之间的二阶交调分量幅度的比值：

第一个时隙稳定了主臂工作点，该比值仅与下臂的直流偏置电压有关且满足正切关系，在半波电压内单调，可以用来稳定下臂的工作点。

前述三个判定比值的大小均为半波电压周期内的单调函数，因此各臂子调制器可以依据判定值大小变化判断各个直流偏置的漂移方向，在数字处理单元内按照步进电压输出补偿电压的数字信号。

7)对漂移电压的补偿经过数模转换后转化为模拟电压信号，通过三个直流输出端口分别加载到DPMZM的三个直流端口以控制调制器的工作点。

本发明提出了一种新型的对DPMZM进行任意工作点偏置控制方法，该方法利用三个特定频率小幅度导频信号在受DPMZMZ调制后某些交调频率分量的比值和三个工作点分别相关，且不受其他频率分量的影响的特点，通过分时隙处理的方法实现对DPMZM三个工作点不受输入光功率波动影响的任意点偏置控制。

与现有技术相比较，本发明的优点如下：

1)利用分时隙处理三个导频信号谐波分量的方法，和现有DPMZM工作点控制方案相比，可以实现控制DPMZM所需的三个工作点偏置在任意点的功能；

2)该方案不受输入光功率波动的影响；

3)判定偏压漂移的比值随偏压大小单调变化，可省略补偿电压的左右试探确定偏压漂移方向的的步骤，简化控制算法。

附图说明

图1为本发明利用偏压控制模块进行偏压控制的原理框图，图2为偏压控制模块内部的结构组成，图3为MZM调制曲线及其偏压漂移情况，图4为DPMZM三导频法偏压控制方案流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

图1为本发明利用偏压控制模块进行偏压控制的系统链路原理图。其中DPMZM用于对光载波信号进行调制，经过调制的光载波在DPMZM输出端经过分光器分成两束，其中一束进入偏压控制模块进行分析处理实现对工作点的控制，另一束进行后续的信号处理。

如图1所示，本实施例中装置包括：光源、射频信号源、DPMZM、分光器、偏压控制模块。偏压控制模块如图2所示，由前置放大电路、低通滤波器、模数转换电路、数字处理单元、数模转换电路、驱动电路以及导频信号生成模块构成。光源输出端口与DPMZM相连，射频信号输出与DPMZM的两射频输入端口相连，偏压控制模块三个输出端口与DPMZM三个直流偏置端口相连，DPMZM输出端口与分束器相连，其中5％的光信号输入偏压控制模块，在偏压控制模块中进行光电转换，光电流信号在偏压控制器中经过跨阻放大、滤波、数模转换后进入数字处理单元，在数字处理单元中完成对信号的分析，包括提取所需频率分量，计算所需比值、判断工作点漂移情况以及对漂移电压的补偿，之后数模转换电路将数字处理单元产生的数字信号转化为模拟直流电压信号，通过控制模块输出端口加载到DPMZM直流端口实现三个工作点的稳定，上述分光器的另一路进入另一个光电探测器后输出端可以进行测试或后续信号处理。

本实例中，方法的具体实施步骤为：

步骤一：光源产生工作波长为1550nm、功率为P_in的连续光波，连续光波输入到DPMZM中准备进行调制。

步骤二：偏压控制模块上电，不加射频信号，进入调整模式。驱动电路按时隙分别对DPMZM 的上、下、主调制器进行直流电压扫描，得到并存储三个子调制器工作点的最大、最小点以及各自的半波电压。

步骤三：偏压控制模块进入控制模式。DPMZM加载射频信号，偏压控制模块产生的三个导频信号进入DPMZM随射频信号一起调制。本实施例中选取的三个特定导频信号频率分别为上臂 11kHz，下臂7kHz，主臂1kHz的正弦信号，满足权利要求书中导频频率选取要求。调制过程中，所加载的三个导频信号产生用于工作点控制的交调分量。

步骤四：DPMZM输出光信号经过分光器后，5％的光信号进入偏压控制模块，在偏压控制模块中该部分光经光电转换转化为微小电流信号，电信号中包括前述主臂导频信号的一、二阶分量，上、下臂与主臂导频的二阶交调分量，以及上、下臂导频信号的二阶交调分量。微弱电流信号经过前置放大后经低通滤波器虑除高频分量，经过模数转换后进入数字处理单元实现算法分析，偏压控制算法流程如图3所示，具体步骤如下：

1)数字处理单元对采样到的数字信号进行FFT分析，得到前述所需的三个导频信号的谐波或交调分量。

2)第一个时隙计算主臂导频信号一二阶分量比值

该比值为DPMZM主臂偏压引入相移的正切函数，通过检测该比值变化计算相应相移以及对应的偏压值、补偿值。

3)第二个时隙分别计算：

上下臂导频的二阶交调分量幅度，与上臂和主臂导频二阶交调分量幅度的比值：

上下臂导频的二阶交调分量幅度，与下臂和主臂导频二阶交调分量幅度的比值：

这两个比值分别为上臂与下臂直流偏置引入相移的正切函数，偏压控制模块通过检测两比值的变化计算相应相移以及对应的偏压值、补偿值。

4)经过数模转换后，各子调制器输出的模拟补偿电压通过驱动电路和导频信号一起加载到 DPMZM，实现对DPMZM三个任意工作点控制。

综上，本发明针对现存的方法局限于控制DPMZM三个工作点于传统点的不足，提出了一种基于分时隙处理三个导频信号谐波分量的DPMZM偏压控制方案，使得DPMZM的三个工作点可以偏置在任意点，适用的场景更加广泛。

总之，以上所述方案仅为本发明的实施例而已，并非仅用于限定本发明的保护范围，应当指出对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明公开的内容上，还可以做出若干等同形变和替换，这些等同变形和替换以及频率范围的调整也应视为本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种基于三导频的双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM的任意点自动偏压控制方法，系统由光电探测器PD、前置放大、低通滤波、模数转换、数字处理单元、数模转换、导频信号生成模块构成，其特征在于，在DPMZM的上、下、主三个子调制器分别加入三个特定频率的导频信号，DPMZM输出光信号经光电探测产生导频信号的谐波和交调分量，分时隙分析导频交调谐波比值大小，在第一时隙内分析主臂偏压点对应的谐波分量比值以稳定主调制器工作点于任意所需工作点，其中控制DPMZM主调制器任意工作点对应的谐波分量比值为主臂加载导频一阶与二阶谐波分量的幅度比值；在第二时隙内分析上、下臂偏压点对应的交调分量比值以稳定上、下两子调制器工作点于任意所需工作点，其中控制DPMZM上臂子调制器工作点对应的交调分量比值为两子臂导频之间的二阶交调分量，与下、主臂导频之间的二阶交调分量的幅度比值，而控制DPMZM下臂子调制器工作点对应的交调分量比值为两子臂导频之间的二阶交调分量，与上、主臂导频之间的二阶交调分量的幅度比值；

所述三个特定频率导频信号，其频率选择需要满足，用于分析的导频谐波或交调分量幅值不受其他谐波或交调分量的影响。

2.根据权利要求1所述的基于三导频的双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM的任意点自动偏压控制方法，其特征在于，所述数字处理单元中实现的偏压控制方法分为调整模式和控制模式，且都分时隙完成；偏压控制模块上电后，进入调整模式，按预设分时隙对DPMZM的上、下、主臂进行驱动电压扫描，得到DPMZM各个子调制器的最大、最小点偏压值和半波电压，并以以上参数来确定三个初始工作点；调整模式结束后，偏压控制模块进入控制模式，通过数字处理单元的信号处理，得到所需的导频谐波或交调分量，第一时隙通过分析加载到主臂上的导频信号一阶与二阶谐波分量的比值稳定主臂工作点，第二时隙分别得到上下两臂导频信号之间的二阶交调分量，以及上臂与主臂导频之间的二阶交调分量，下臂与主臂导频之间的二阶交调分量，分析上下两臂导频信号之间的二阶交调分量以及上臂与主臂导频之间的二阶交调分量的比值以稳定下臂工作点，分析上下两臂导频信号之间的二阶交调分量以及下臂与主臂导频之间的二阶交调分量的比值以稳定上臂工作点。

3.根据权利要求书1所述的基于三导频的双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM的任意点自动偏压控制方法，其特征在于，稳定三个子调制器时分析的交调分量的比值，满足随各自偏压漂移的单调变化关系，省略了补偿电压左右试探的过程，直接依据各自比值单调性单方向步进调整补偿电压。

4.根据权利要求书1所述的基于三导频的双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM的任意点自动偏压控制方法，其特征在于，DPMZM三个工作点判定比值，不受输入光功率变化的影响，且判定比值皆为正切函数，在π区间上单调，该方法控制DPMZM三个工作点于任意点。

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