CN111103705A - 基于线性调频导频的强度调制器偏置点控制方法、装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于线性调频导频的强度调制器偏置点控制方法，以低幅度线性调频信号作为导频信号加载在所述强度调制器的偏置电压中；对调制光信号进行光电转换，并对转换后的电信号进行数字采样；将采样信号与导频信号的基频信号和二倍频信号分别进行匹配滤波，并对一个采样周期内所得到的两个匹配滤波结果的比值进行数值滤波处理，得到当前的匹配滤波比值；通过将其与匹配滤波比值‑偏置电压参考曲线进行比较来对强度调制器的偏置电压进行调整。本发明还公开了一种基于线性调频导频的强度调制器偏置点控制装置。本发明可实现任意偏置点的控制，且具有控制精度高、反馈时间短、对输出信号干扰小、抗噪声和抗脉冲重复频率能力强的优点。

Description

基于线性调频导频的强度调制器偏置点控制方法、装置
技术领域
本发明涉及一种强度调制器偏置点控制方法，属于微波光子技术领域。
背景技术
当今光纤通信系统正朝着高速、长距离、大容量的方向发展，电光调制器作为产生各种调制格式光信号的重要器件，在光纤通信领域内的应用越来越广泛。电光调制器包括马赫曾德尔强度调制器、单边带调制器、双平行马赫曾德尔调制器、双驱动马赫曾德尔调制器等。电光调制器是利用某些电光晶体，如铌酸锂(LiNbO3)晶体、砷化镓(GaAs)晶体和钽酸锂(LiTaO3)晶体的电光效应制成的调制器。电光效应即当把电压加到电光晶体上时，电光晶体的折射率将发生变化，结果引起通过该晶体的光波特性的变化，实现对光信号的相位、幅度、强度及偏振状态的调制。所以，只要通过控制偏置电压，就可以实现不同工作点(包括最大点、线性点、最小点)的调制工作方式。由于电光调制器具有调制速率高、工作性能稳定、调制信号的频率啁啾小、光损耗较低、适用于多种码型等优势，被广泛应用于高速光通信系统、微波光子学链路、光纤有线电视等相关光传输处理系统中。由于电光调制器的传输函数为非线性函数，所以在使用时需要加载一个直流偏置电压来保证其信号调制时可以工作在其传输函数合适的工作点上。但由于时间、环境温度、外电场、应力等因素的变化都会对调制器的稳定性产生影响，偏置点发生偏移，导致调制信号质量变差、传输系统误码率上升。为了保证调制器能够稳定工作在其传输函数的任意点上，需要及时对其偏置点的漂移进行修正。
目前已有的控制调制器偏置点漂移的方法主要有两种：一种是功率法，一种是导频法。基于快速傅里叶变换算法和低频小信号扰动的谐波响应反馈控制方法[冯振华,"LiNbO3马赫-曾德尔调制器任意偏置工作点锁定技术的研究".光学学报.32(12):73-78(2012)]，是在调制器直流偏压上叠加一个低频扰动信号，再将马赫曾德尔调制器输出端的二次谐波信号和基波信号的比值作为反馈参数以实现自动偏置电压的控制和锁定。本方法在3个常用工作点(最大点、线性点、最小点)上可以获得优于0.01°的控制精度，其他工作点可以获得优于0.5°的控制精度，但当MZM工作点漂移过大时很难将调制器锁定于预设工作点。而无扰动信号的循环迭代锁定算法[石跃武,"马赫-曾德尔调制器最佳偏置点自动锁定技术研究".激光与光电子学进展.52(04):180-185(2015)]，系统运行过程中不断取得反馈电压与基准电压比较，通过差量调整输出电压，结构简单，锁定快速稳定。但该方法只针对于最佳偏置点的锁定，无法实现任意点的控制。利用数模转换器(Digital-to-AnalogConverter,DAC)扫描马赫曾德尔调制器的直流偏置电压，放大器将光电探测器(Photodetector,PD)电流转换为直流电压并馈入微控制器[Fu Y."Mach-Zehnder:areview of bias control techniques for Mach-Zehnder modulators in photonicanalog links",IEEE microwave magazine,14(7):102-107(2013)]，该微控制器将PD的直流电压记录为查找表中的参考值，然后用纠错功能对模数转换器(Analog-to-DigitalConverter,ADC)的值进行采样，将其与查找表中的参考值连续进行比较，若发生偏移，则DAC以微小增量增大或减少偏置电压，该方法成本低，对无杂散动态范围无影响，可实现任意点的控制，但其与输入光功率有关，易受输入光功率波动的影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种基于线性调频导频的强度调制器偏置点控制方法，可实现任意偏置点的控制，且具有控制精度高、反馈时间短以及对输出信号干扰小、抗噪声和抗脉冲重复频率能力强的优点。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
基于线性调频导频的强度调制器偏置点控制方法，以低幅度线性调频信号作为导频信号加载在所述强度调制器的偏置电压中；对所述强度调制器输出的调制光信号进行光电转换，并对转换后的电信号进行数字采样；将采样信号与所述导频信号的基频信号和二倍频信号分别进行匹配滤波，并对一个采样周期内所得到的两个匹配滤波结果的比值进行数值滤波处理，得到当前的匹配滤波比值；通过将当前的匹配滤波比值与预先测定的匹配滤波比值-偏置电压参考曲线进行比较来对所述强度调制器的偏置电压进行调整。
基于同一发明构思还可以得到以下技术方案：
基于线性调频导频的强度调制器偏置点控制装置，包括：
线性调频信号源，用于以低幅度线性调频信号作为导频信号加载在所述强度调制器的偏置电压中；
采样模块，用于对所述强度调制器输出的调制光信号进行光电转换，并对转换后的电信号进行数字采样；
匹配滤波模块，用于将采样信号与所述导频信号的基频信号和二倍频信号分别进行匹配滤波，并对一个采样周期内所得到的两个匹配滤波结果的比值进行数值滤波处理，得到当前的匹配滤波比值；
反馈控制模块，用于通过将当前的匹配滤波比值与预先测定的匹配滤波比值-偏置电压参考曲线进行比较来对所述强度调制器的偏置电压进行调整。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
本发明采用低幅度线性调频信号作为导频信号，并以所述导频信号的基频信号和二倍频信号与调制光信号的数字采样信号分别进行匹配滤波结果的比值作为反馈控制参数，加载的导频信号幅度小，对调制信号干扰小，对脉冲重复频率的抗干扰能力强；同时具有反馈时间短的优点，可应用于多种调制格式(如连续调制和脉冲调制等)，适应能力强，具有受随机噪声影响小、偏置电压控制精度高的优点。
附图说明
图1为本发明强度调制器偏置点控制装置的结构原理示意图；
图2为本发明强度调制器偏置点控制方法的流程示意图；
图3为当调制信号为脉冲信号时，导频信号分别为单频信号和线性调频信号时的匹配滤波比值-偏置电压曲线(偏置电压已归一化)，实线对应线性调频信号，虚线对应单频信号；其中，单频信号的比值是取拍频后该单频导频信号的一次谐波和二次谐波的功率比；
图4为当调制信号为连续波信号时，导频信号分别为单频信号和线性调频信号时的匹配滤波比值-偏置电压曲线(偏置电压已归一化)，实线对应线性调频信号，虚线对应单频信号。
具体实施方式
针对现有技术不足，本发明的解决思路是采用低幅度线性调频信号作为导频信号，并以所述导频信号的基频信号和二倍频信号与调制光信号的数字采样信号分别进行匹配滤波结果的比值作为反馈控制参数。
具体而言，本发明所提出的基于线性调频导频的强度调制器偏置点控制方法，以低幅度线性调频信号作为导频信号加载在所述强度调制器的偏置电压中；对所述强度调制器输出的调制光信号进行光电转换，并对转换后的电信号进行数字采样；将采样信号与所述导频信号的基频信号和二倍频信号分别进行匹配滤波，并对一个采样周期内所得到的两个匹配滤波结果的比值进行数值滤波处理，得到当前的匹配滤波比值；通过将当前的匹配滤波比值与预先测定的匹配滤波比值-偏置电压参考曲线进行比较来对所述强度调制器的偏置电压进行调整。
本发明基于线性调频导频的强度调制器偏置点控制装置，包括：
线性调频信号源，用于以低幅度线性调频信号作为导频信号加载在所述强度调制器的偏置电压中；
采样模块，用于对所述强度调制器输出的调制光信号进行光电转换，并对转换后的电信号进行数字采样；
匹配滤波模块，用于将采样信号与所述导频信号的基频信号和二倍频信号分别进行匹配滤波，并对一个采样周期内所得到的两个匹配滤波结果的比值进行数值滤波处理，得到当前的匹配滤波比值；
反馈控制模块，用于通过将当前的匹配滤波比值与预先测定的匹配滤波比值-偏置电压参考曲线进行比较来对所述强度调制器的偏置电压进行调整。
采用以上技术方案，加载的导频信号幅度小，对调制信号干扰小，对脉冲重复频率的抗干扰能力强；同时具有反馈时间短的优点，可应用于多种调制格式(如连续调制和脉冲调制等)，适应能力强，具有受随机噪声影响小、偏置电压控制精度高的优点。
为了便于公众理解，下面通过一个具体实施例并结合附图来对本发明的技术方案进行进一步详细说明：
本实施例的强度调制器为马赫曾德尔调制器(MZM)，其将射频信号RF调制于光源输出的光载波上，输出调制光信号。如图1所示，线性调频信号源所输出的低幅度线性调频信号作为导频信号被加载在MZM的直流偏置端；将MZM输出的调制光信号分出一路经过光电探测器PD拍频，拍频信号经放大器Amp放大后被ADC转换为数字信号并进行采样，将采样信号与所述导频信号的基频信号和二倍频信号分别进行匹配滤波，并对一个采样周期内所得到的两个匹配滤波结果的比值进行数值滤波处理，得到当前的匹配滤波比值；通过将当前的匹配滤波比值与预先测定的匹配滤波比值-偏置电压参考曲线进行比较来对MZM的偏置电压进行调整。
图2显示了本发明强度调制器偏置点控制方法的基本流程，其包括了匹配滤波比值-偏置电压参考曲线的预先测定过程以及实时的偏置电压控制过程。如图2所示，该过程具体如下：
(1)初始化：设置强度调制器偏置电压初值为0，采样时间为T，将低幅度线性调频信号作为导频信号加载到电光调制器的直流偏置端，将强度调制器的光输出经光耦合器分成两路，其中一路经过光电探测器拍频，将拍频出的电信号经放大器转换为电压值并进行模数转换，用信号采集卡采样，分别与所述导频信号的基频和二倍频进行匹配滤波；
(2)在0～2Vπ整个偏置电压周期内采样并进行匹配滤波；
(3)求比值：将匹配滤波得到的结果求比值，重复采集求取多次比值并作数值滤波处理；
(4)将数值滤波后的比值与归一化的偏置电压绘制成匹配滤波比值-偏置电压参考曲线；
(5)在实际控制过程中，当偏置电压在任一点时，比较当前比值与参考曲线上的对应值是否相等，若不相等则根据比较结果调整偏置电压大小。
假设导频信号的重复周期为采样时间T，在-T/2<t<T/2的一个采样周期内，设输入光源为:
Ein(t)＝E0 exp(jω0t) (1)
其中E0、ω0分别表示光载波的幅度、角频率。
设输入到马赫曾德尔调制器两臂电输入端的射频信号为
VRF(t)＝VRFcosωRFt (2)
其中，VRF为射频信号的幅度，ωRF为射频信号的角频率。
设加载到马赫曾德尔调制器直流偏置端的低幅度线性调频信号为：
VLFM(t)＝VLFM cos(ωLFMt+πkt2) (3)
其中VLFM、ωLFM表示注入的低幅度线性调频信号的幅度、起始角频率，k＝B/T为调频指数，B为线性调频信号的带宽，T为采样时间。
马赫曾德尔调制器的输出可表示为：
Eout＝E0 exp(jω0t)·cosΔφ(t) (4)
其中，
Figure BDA0002360603290000061
VDC为加载到直流偏置端的直流偏置电压，Vπ1和Vπ2分别为马赫曾德尔调制器直流偏置端和射频输入端的半波电压。
令
Figure BDA0002360603290000062
则
Figure BDA0002360603290000063
将(6)代入(4)中得：
Figure BDA0002360603290000064
经PD拍频后得：
Figure BDA0002360603290000065
滤除直流分量得：
Figure BDA0002360603290000071
用贝塞尔函数展开得：
Figure BDA0002360603290000072
将拍频得到的电信号经放大器转换成电压值并模数转换后用采集卡采集所得数字信号，并将采集所得数字信号与导频信号的基频和二倍频分别进行匹配滤波，再在0～2Vπ整个周期内采样并进行匹配滤波；将匹配滤波得到的结果求比值，重复采集求取多次比值并作数值滤波处理；将数值滤波后的比值与归一化的偏置电压绘制成匹配滤波比值-偏置电压参考曲线；当偏置电压在任一点时，比较当前比值与参考曲线上的对应值是否相等，若不相等则根据比较结果调整偏置电压大小。
由于在一个采样周期内采集所得信号中的包含的本地信号的基频分量与二倍频分量频率范围不重叠，在频域上正交，因此基频分量和二倍频分量的匹配滤波后的结果非常微小，可忽略不计。包含射频信号的频率分量与本地信号的基频分量及二倍频分量也在频域上正交，因此包含射频信号的频率分量与本地信号的基频分量和二倍频分量的匹配滤波结果也可忽略不计。在-T/2<t<T/2的一个采样周期内，导频信号可表示为：
Figure BDA0002360603290000073
其中，
Figure BDA0002360603290000074
可计算得采集所得信号与导频信号的基频的匹配滤波结果为：
Figure BDA0002360603290000075
采集所得信号与导频信号的二倍频的匹配滤波结果为：
Figure BDA0002360603290000081
将R1和R2求比值并与归一化的偏置电压绘制成匹配滤波比值-偏置电压的曲线即可作为偏置点漂移的参考曲线。
当调制信号为脉冲信号时，将用单频信号作导频信号时拍频后的单频信号的一次谐波和二次谐波的功率比绘制成偏置点漂移参考曲线与用线性调频信号作导频信号时的基频和二倍频与转换后的电信号分别作匹配滤波得到的比值绘制成偏置点漂移参考曲线并作对比得到图3；当调制信号为连续波信号时得到图4。其中，单频信号的频率和线性调频信号的起始频率相同，幅值相等。由图3可知，在一个偏置电压周期内，应用于脉冲调制时，基于线性调频信号的偏置点控制方法的精度更高，且对噪声和脉冲重复频率的抗干扰能力更强。由图4可知基于线性调频信号的偏置点控制方法也可用于连续波调制。
综上，本发明可实现强度调制器在任意偏置点的控制。与现有加单频抖动信号的偏置点控制方法相比，由于在相同时域幅度下，线性调频信号在频域具有更低的功率谱密度，因此该系统具有导频信号对调制器输出信号影响较小的优点。此外，由于该方法算法的优越性，该装置可用于多种调制格式，如连续波信号的调制和脉冲信号的调制，适应能力强。本发明还具有受随机噪声影响小、抗脉冲重频干扰强、反馈时间短等特性，可广泛应用于微波光子链路、高速光通信系统、光纤有线电视等领域。

Claims (2)

1.基于线性调频导频的强度调制器偏置点控制方法，其特征在于，以低幅度线性调频信号作为导频信号加载在所述强度调制器的偏置电压中；对所述强度调制器输出的调制光信号进行光电转换，并对转换后的电信号进行数字采样；将采样信号与所述导频信号的基频信号和二倍频信号分别进行匹配滤波，并对一个采样周期内所得到的两个匹配滤波结果的比值进行数值滤波处理，得到当前的匹配滤波比值；通过将当前的匹配滤波比值与预先测定的匹配滤波比值-偏置电压参考曲线进行比较来对所述强度调制器的偏置电压进行调整。
2.基于线性调频导频的强度调制器偏置点控制装置，其特征在于，包括：
线性调频信号源，用于以低幅度线性调频信号作为导频信号加载在所述强度调制器的偏置电压中；
采样模块，用于对所述强度调制器输出的调制光信号进行光电转换，并对转换后的电信号进行数字采样；
匹配滤波模块，用于将采样信号与所述导频信号的基频信号和二倍频信号分别进行匹配滤波，并对一个采样周期内所得到的两个匹配滤波结果的比值进行数值滤波处理，得到当前的匹配滤波比值；
反馈控制模块，用于通过将当前的匹配滤波比值与预先测定的匹配滤波比值-偏置电压参考曲线进行比较来对所述强度调制器的偏置电压进行调整。
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