CN109856890A - 光模数转换系统并行解复用模块自动偏置控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光模数转换系统中并行解复用模块自动偏置控制方法，应用于光模数转换系统中并行解复用模块的双输出电光调制器最佳工作电压(正交偏置点)的自动选取和稳定控制。利用双输出调制器两路输出互补的特性及并行解复用模块中光脉冲的特有属性构建一个反馈链路，从而达到以最简化的链路结构自动选取和稳定控制解复用系统中双输出调制器最佳工作电压的功能。

Description

光模数转换系统并行解复用模块自动偏置控制方法

技术领域

本发明涉及微波光子信号处理领域，具体是一种光模数转换系统并行解复用模块自动偏置控制方法，用于通道解复用模块中双输出电光调制器的正交偏置点自动选取和稳定控制。

背景技术

近些年来，光子模数转换技术已取得迅猛的发展，其目标在于克服传统电子模数转换技术中的性能瓶颈。此外，由光子前端和电子后端构成的光子模数转换系统将光子技术的高性能与电子技术的便捷性有机结合起来，为下一代雷达通信信号的接收处理提供了理想的解决方案。在此系统中，主要由光子采样时钟产生模块，电光采样模块，多通道解复用模块，多通道光电转换模块和电子数字量化模块组成。为了能让高速率的光子前端和低速的电子后端有效结合，将高速光子采样序列进一步降低速率显得非常重要，基于电光开关的多通道解复用模块就扮演着这样的角色，当模块中通道数为N时，那么经过多通道解复用模块后，光子采样序列的速率就降为原先的1/N。同时，采用电光开关进行并行解复用的光子模数转换系统有效减轻了系统中出现的脉冲形状失配效应和降低了模块的复杂度例如：申请号为201710401304.2，发明名称为《基于调制器多通道解复用的光模数转换装置》的中国专利申请，提出了一种基于调制器多通道解复用的光模数转换装置，利用调制器的光开关效应实现多通道解复用，通过级联的调制器对高速率的光采样脉冲进行逐级解复用，最终利用并行化的光电转换、电采样以及数据处理复合实现了对被采样信号的采集。但是，作为电光开光主要组成部分的双输出电光调制器需要非常精确地选取工作电压，只有工作在正交偏置点时才能达到最佳的开关效果。然而这在实际实验操作中是困难的，并且每次实验的正交偏置点会随着环境温度、光功率、热电效应等多种因素的变化而漂移，难以长时间稳定在一个固定值，导致实际实验过程中工作点选取不准确。在基于电光开关并行解复用模块的光模数转换系统中，双输出电光调制器的正交偏置点漂移将会造成通道间的失配，从而影响系统的有效比特位数。在多级解复用链路中，此现象带来的影响更加严重。

因此实现电光调制器的自动偏置控制是进一步提升光模数转换系统性能的重要途径。目前，基于硬件实现和软件算法的电光调制器偏置电压自动控制方法不断被研究。硬件实现主要有两种方式：一种是通过两个光耦合器分别耦合出一定比例的输入光和输出光，再将两路光分别通过光电转换模块转换成两路电压信号，把两个电压的比值作为反馈，通过调整反馈参数，最终实现稳定的PID控制单元；另一种是额外加入低频扰动信号，与输出反馈信号相乘，再与直流电源的输出相加作为调制器的偏置电压输入。然而这些方法都存在系统过于复杂或者功能单一的特点，不适用于光模数转换系统中基于电光开关的并行解复用模块。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提出了一种光模数转换系统中并行解复用模块自动偏置控制装置及方法。该控制装置及方法可应用于基于电光开关的并行解复用模块中双输出电光调制器的最佳工作电压(正交偏置点)的自动选取和稳定控制。利用双输出调制器两路输出互补的特性及并行解复用模块中光脉冲的特有属性构建一个反馈链路，从而达到以最简化的链路结构实现自动选取和稳定控制解复用模块中双输出调制器最佳工作电压的功能。

本发明是通过以下技术方案实现的。

根据本发明的一个方面，提供了一种光模数转换系统中并行解复用模块自动偏置控制装置，包括：电光开关模块、输出光耦合模块、反馈量转换模块、反馈信号处理模块以及程控电源模块；其中：

所述电光开关模块主要由双输出电光调制器组成，其中双输出电光调制器包括两路光脉冲输出；所述输出光耦合模块主要由第一光耦合器和第二光耦合器组成，所述第一光耦合器和第二光耦合器均采用M：N光耦合器；

所述电光开关模块的第一输出端与所述第一光耦合器的第一输入端相连，所述电光开关模块的第二输出端与所述第二光耦合器的第一输入端相连；

所述第一光耦合器的第二输出端和所述第二光耦合器的第二输出端分别与所述反馈量转换模块的第一输入端和第二输入端相连；

所述反馈量转换模块的输出端与所述反馈信号处理模块的输入端相连；

所述反馈信号处理模块的输出端与所述程控电源模块的输入端相连；

所述程控电源模块的输出端与所述电光开关模块的驱动电压输入端相连，从而构建了闭环的反馈链路；

所述输出光耦合模块将两路光脉冲分别耦合出的光功率用于反馈链路。

优选地，所述M：N光耦合器采用9：1光耦合器或99:1光耦合器。

优选地，所述反馈量转换模块采用输出包含直流电压的低频平衡光电探测器。

优选地，反馈信号处理模块包括模数转化器和数字信号处理器。

优选地，所述模数转化器采用模数转换芯片。

优选地，所述数字信号处理器采用FPGA或DSP。

根据本发明的另一个方面，提供了一种利用上述控制装置实现的控制方法，包括如下阶段：

-正交偏置点自动选取阶段，包括如下步骤：

S1，程控电源模块给定一个预设电压值输出至电光开关模块的驱动电压输入端，提供电光开关模块的驱动电压；

S2，电光开关模块输出光脉冲，并经过输出光耦合模块后提取的光信号用作反馈光脉冲；

S3，输出光耦合模块提取的反馈光脉冲经过反馈量转换模块得到反馈电压值，并输出至反馈信号处理模块；

S4，反馈信号处理模块获取反馈量转换模块输出的反馈电压值，并与前一次所获取的反馈电压值比较，输出比较结果；

S5，程控电源模块根据反馈信号处理模块输出的比较结果，如果此次反馈电压值与前一次反馈电压值不互为相反数，则控制程控电源模块的电压继续步进增加，直至此次反馈电压值与前一次反馈电压值互为相反数，此时程控电源模块提供的驱动电压即可认为是电光开关模块的正交偏置点；

-稳定控制阶段，包括如下步骤：

s1，程控电源模块以正交偏置点自动选取阶段的最终驱动电压值为初始值输出给电光开关模块的驱动电压输入端，提供电光开关模块的驱动电压；

s2，电光开关模块输出光脉冲，并经过输出光耦合模块后提取的光信号用作反馈光脉冲；

s3，输出光耦合模块提取的反馈光脉冲经过反馈量转换模块得到反馈电压值，并输出至反馈信号处理模块；

s4，反馈信号处理模块获取反馈量转换模块输出的反馈电压值，并与前一次所获取的反馈电压值比较，输出比较结果；

s5，程控电源模块根据反馈信号处理模块输出的比较结果，如果此次反馈电压值小于前一次反馈电压值，程控电源模块的电压变化趋势不变，反之则改变。

优选地，所述S1中，预设电压值为0～1V。

优选地，所述S4中，初始反馈电压值设为0。

优选地，所述稳定控制阶段还包括如下步骤：

s6，以设定的时间间隔不断迭代s1至s5。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明提供的光模数转换系统中并行解复用模块自动偏置控制装置及方法，不仅简化了自动偏置控制装置中的反馈链路，而且可以实现装置最佳工作点的自动选取和稳定控制两个功能，同时不引入其他影响装置性能的因素。

2、本发明提供光模数转换系统中并行解复用模块自动偏置控制装置及方法，其构建过程分为链路反馈信息获取阶段和驱动电压输出两个阶段；其中，链路反馈信息获取阶段将装置中双输出电光调制器的两路光输出分别耦合出部分光信号用低频光电探测器进行光电转换，将光信号转化为直流电压，再把两路电压值做差后得到的电压值(以下称电压差值)，即为反馈链路所需的反馈信息；根据调制器传输理论和实验中获得的数据均表明两路电压差值与双输出电光调制器的工作电压的关系曲线为一条正弦曲线，且当电压差值为0时，双输出电光调制器恰好工作于该时刻的正交偏置点，即电压差值越小，双输出电光调制器工作点越接近于正交偏置点；因此，在驱动电压输出阶段，通过给程控电源设定一个初始电压，再根据反馈信息获取阶段获取的电压差值与前一次获取的电压差值进行大小比较，来控制驱动电压变化的趋势，从而达到反馈信息获取阶段获取的电压差值处于最低水平，电压差值能够无限接近0。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例所提供的光模数转换系统中并行解复用模块自动偏置控制装置结构示意图。

图2为典型的光模数转换系统中并行解复用模块示意图。

图3为本发明一实施例所提供的光模数转换系统中并行解复用模块自动偏置控制方法中反馈电压与双输出调制器的工作电压关系图。

图4为本发明一实施例所提供的光模数转换系统中并行解复用模块自动偏置控制方法在实际应用中测得的实验结果。

具体实施方式

下面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。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

实施例

本实施例提供了一种光模数转换系统中并行解复用模块自动偏置控制装置。

如图1所示，所述控制装置包括：电光开关模块1、输出光耦合模块2、反馈量转换模块3、反馈信号处理模块4以及程控电源模块5，其中：

所述电光开关模块1主要由双输出电光调制器组成，包括两路光脉冲输出，所述输出光耦合模块2主要由两个相同的M：N光耦合器组成，即第一光耦合器2-1和第二光耦合器2-2，M：N光耦合器的特点是包括第一输出端(的光功率耦合输出)、第二输出端(的光功率耦合输出)。所述电光开关模块1的第一输出端与所述第一光耦合器2-1的第一输入端相连，所述电光开关模块1的第二输出端与所述第二光耦合器2-2的第一输入端相连，通过输出光耦合模块2的作用是将两路光脉冲分别耦合出的光功率用于反馈链路。所述第一光耦合器2-1的第二输出端和所述第二光耦合器2-2的第二输出端分别与所述反馈量转换模块3的第一输入端和第二输入端相连。所述反馈量转换模块3的输出端与所述反馈信号处理模块4的输入端相连，所述反馈信号处理模块4的输出端与所述程控电源模块5的输入端相连，所述程控电源模块5的输出端与所述电光开关模块1的驱动电压输入端相连，从而构建了闭环的反馈链路。

基于上述控制装置，其控制方法的工作原理描述如下：

如图3所示，给出了控制方法中反馈电压与双输出电光调制器的工作电压关系图。在理论推导和实验中获得的数据表明，所述反馈量转换模块3的第二输出端所输出的反馈电压值与双输出电光调制器的工作电压(即驱动电压)的关系曲线为一条正弦曲线，且当电压差值为0时，双输出电光调制器恰好处于正交偏置点，即正交偏置点两侧的反馈电压值互为相反数且越接近正交偏置点，所述反馈量转换模块3的第二输出端所输出的反馈电压值越小。所述反馈信号处理模块4正是以此作为算法依据，在正交偏置点自动选取阶段，控制所述程控电源模块5从初始值以固定的步进值增大输出，直到此次反馈电压值与前一次反馈电压值互为相反数，只要步进值较小，这两次反馈对应的驱动电压都可认为是此时刻双输出电光调制器的正交偏置点。在稳定控制阶段控制所述程控电源模块5输出端的电压值以固定的步进值变化，使得所述反馈量转换模块3的第二输出端所输出的反馈电压值保持在最小值。

基于以上工作原理，本实施所提供的控制方法，包括如下阶段：

-正交偏置点自动选取阶段，包括如下子步骤：

S1，程控电源模块5给定一个预设电压值(一般预设值较小，0～1V较适合，之后以固定步进值增大，考虑精确性，一般精确到小数点后3位)输出给电光开关模块1的驱动电压输入端，提供电光开关模块1的驱动电压。

S2，电光开关模块1输出光脉冲经过输出光耦合模块2后提取的光信号用作反馈光脉冲。

S3，输出光耦合模块2提取的反馈光脉冲经过反馈量转换模块3得到反馈电压值，并输出至反馈信号处理模块4。

S4，反馈信号处理模块4获取反馈量转换模块3输出的反馈电压值，与前一次所获取的反馈电压值比较(初始反馈电压值设为0)，并输出比较结果。

S5，程控电源模块5根据反馈信号处理模块4输出的比较结果，如果此次反馈电压值与前一次反馈电压值不互为相反数，则控制程控电源模块5的电压继续步进增加，直至此次反馈电压值与前一次反馈电压值互为相反数，此时程控电源模块5提供的驱动电压即为电光开关模块的正交偏置点。

-稳定控制阶段，包括如下子步骤：

s1，程控电源模块5以正交偏置点自动选取阶段的最终驱动电压值为初始值(迭代过程中以固定步进值增大或减小，考虑精确性，一般精确到小数点后3位)输出给电光开关模块1的驱动电压输入端，提供电光开关模块1的驱动电压。

s2，电光开关模块1输出光脉冲经过输出光耦合模块2后提取的光信号用作反馈光脉冲。

s3，输出光耦合模块2提取的反馈光脉冲经过反馈量转换模块3得到反馈电压值，并输出至反馈信号处理模块4。

s4，反馈信号处理模块4获取反馈量转换模块3输出的反馈电压值，与前一次所获取的反馈电压值比较，并输出比较结果。

s5，程控电源模块5根据反馈信号处理模块4输出的比较结果，如果此次反馈电压值小于前一次反馈电压值，程控电源模块5的电压变化趋势不变，反之改变。

s6，上述过程以设定的时间间隔(算法里时间间隔可改变)不断迭代下去。

进一步地，M：N光耦合器可以采用但不限于9：1光耦合器或99:1光耦合器。

进一步地，反馈量转换模块3采用输出包含直流电压的低频平衡光电探测器。

进一步地，反馈信号处理模块4包括模数转化器和数字信号处理器，其中模数转化器可以采用但不限于模数转换芯片，其中数字信号处理器可以采用但不限于FPGA或DSP。

下面以输出光耦合模块2采用两个相同的9：1光耦合器为一具体应用实例，对本发明上述实施例所提供的技术方案进一步详细描述。

在本具体应用实例中，所述的电光开关模块1主要由双输出电光调制器组成，有两路光脉冲输出，所述的输出光耦合模块2主要由两个相同的9：1光耦合器2-1和2-2组成，9:1光耦合器的特点是有第一输出端(90％的光功率耦合输出)、第二输出端(10％光功率耦合输出)。所述的电光开关模块1第一输出端与所述的光耦合器2-1的第一输入端相连，所述的电光开关1第二输出端与所述的光耦合器2-2的第一输入端相连，通过光耦合模块的作用是将两路光脉冲分别耦合出十分之一的光功率用于反馈链路。所述的光耦合器2-1的第二输出端和所述的光耦合器2-2第二输出端分别与所述的反馈量转换模块3的第一输入端和第二输入端相连。所述的反馈量转换模块3的输出端与所述的反馈信号处理模块4的输入端相连，所述的反馈信号处理模块4的输出端与所述的程控电源模块5的输入端相连，所述的程控电源模块5的输出端与所述的电光开关模块1的驱动电压输入端相连，从而构建了闭环的反馈链路。

利用上述光模数转换系统中并行解复用模块自动偏置控制装置实施的控制方法，包括下列步骤：

正交偏置点自动选取阶段：

①所述的程控电源模块5给定一个预设电压值(一般预设值较小，0～1V较适合，之后以固定步进值增大，考虑精确性，一般精确到小数点后3位)输出给所述的电光开关模块1，提供驱动电压。

②所述的电光开关模块1输出的光脉冲经过所述的输出光耦合模块2后提取百分之十光信号用作反馈所需。

③所述的输出光耦合模块2提取的反馈光脉冲经过所述的反馈量转换模块3得到反馈电压值。

④所述的反馈信号处理模块4获取所述的反馈量转换模块3输出的反馈电压值，与前一次所获取的反馈电压值比较(初始反馈电压值设为0)。

⑤所述的程控电源模块5根据所述的反馈信号处理模块4比较的结果，如果此次反馈值与前一次反馈值不互为相反数，则控制所述的程控电源模块5的电压继续步进增加，直至此次反馈值与前一次反馈值互为相反数，此时的所述的程控电源模块5提供的驱动电压即可认为是电光开关模块的正交偏置点。

稳定控制阶段：

①所述的程控电源模块5以正交偏置点自动选取阶段的最终驱动电压值为初始值(迭代过程中以固定步进值增大或减小，考虑精确性，一般精确到小数点后3位)输出给所述的电光开关模块1，提供驱动电压。

②与正交偏置点自动选取阶段的步骤②相同。

③与正交偏置点自动选取阶段的步骤③相同。

④所述的反馈信号处理模块4获取所述的反馈量转换模块3输出的反馈电压值，与前一次所获取的反馈电压值比较。

⑤所述的程控电源模块5根据所述的反馈信号处理模块4比较的结果，如果此次反馈电压值小于前一次反馈电压值，程控电源模块5的电压变化趋势不变，反之改变。

⑥上述过程以一定的时间间隔(算法里时间间隔可改变)不断迭代下去。

本发明上述实施例所提供的光模数转换系统中并行解复用模块自动偏置控制方法，应用于光模数转换系统中并行解复用模块中双输出电光调制器的最佳工作电压(正交偏置点)的自动选取和稳定控制。利用双输出调制器两路输出互补的特性及并行解复用模块中光脉冲的特有属性构建一个反馈链路，从而达到以最简化的链路结构自动选取和稳定控制解复用系统中双输出调制器最佳工作电压的功能。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (4)

1.一种光模数转换系统并行解复用模块自动偏置控制方法，其特征在于，包括如下阶段：

-正交偏置点自动选取阶段，包括如下步骤：

S1，程控电源模块(5)给定一个预设电压值输出至电光开关模块(1)的驱动电压输入端，提供电光开关模块(1)的驱动电压；

S2，电光开关模块(1)输出光脉冲，并经过输出光耦合模块(2)后提取的光信号用作反馈光脉冲；

S3，输出光耦合模块(2)提取的反馈光脉冲经过反馈量转换模块(3)得到反馈电压值，并输出至反馈信号处理模块(4)；

S4，反馈信号处理模块(4)获取反馈量转换模块(3)输出的反馈电压值，并与前一次所获取的反馈电压值比较，输出比较结果；

S5，程控电源模块(5)根据反馈信号处理模块(4)输出的比较结果，如果此次反馈电压值与前一次反馈电压值不互为相反数，则控制程控电源模块(5)的电压继续步进增加，直至此次反馈电压值与前一次反馈电压值互为相反数，此时程控电源模块(5)提供的驱动电压即为电光开关模块(1)的正交偏置点；

-稳定控制阶段，包括如下步骤：

s1，程控电源模块(5)以正交偏置点自动选取阶段的最终驱动电压值为初始值输出给电光开关模块(1)的驱动电压输入端，提供电光开关模块(1)的驱动电压；

s2，电光开关模块(1)输出光脉冲，并经过输出光耦合模块(2)后提取的光信号用作反馈光脉冲；

s3，输出光耦合模块(2)提取的反馈光脉冲经过反馈量转换模块(3)得到反馈电压值，并输出至反馈信号处理模块(4)；

s4，反馈信号处理模块(4)获取反馈量转换模块(3)输出的反馈电压值，并与前一次所获取的反馈电压值比较，输出比较结果；

s5，程控电源模块(5)根据反馈信号处理模块(4)输出的比较结果，如果此次反馈电压值小于前一次反馈电压值，程控电源模块(5)的电压变化趋势不变，反之则改变。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述S1中，预设电压值为0～1V。

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述S4中，初始反馈电压值设为0。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的控制方法，其特征在于，所述稳定控制阶段还包括如下步骤：

s6，以设定的时间间隔不断迭代s1至s5。