CN113179133A - 基于卡尔曼滤波器的iq调制器自动偏压控制方法及系统 - Google Patents
基于卡尔曼滤波器的iq调制器自动偏压控制方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种基于卡尔曼滤波器的IQ调制器自动偏压控制方法及系统,属于光信号调制技术领域。所述方法包括:IQ调制器输出的部分光信号经过光电检测器转换为电信号后,通过模数转换器输入同步检测器以提取与偏置电压漂移量成比例的幅值信号,提取的幅值信号为检测误差信号E,根据得到的检测误差信号E,卡尔曼滤波器估计出当前IQ调制器中三个偏置点的偏移大小,将估计得到的估计误差信号e输入到偏置电压控制模块进行反馈输出,反馈信号经由三个数模转换器输出到IQ调制器三个偏置点中,实现对偏置电压的控制。采用本发明,能够有效提升自动偏压控制系统的收敛速度和工作稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及光信号调制技术领域,特别是指一种基于卡尔曼滤波器的IQ调制器自动偏压控制方法及系统。
背景技术
近年来,在高速相干光通信系统中,当调制QPSK、16QAM等复数信号时,需要将IQ调制器中两个马赫曾德(MZ)调制器偏置点控制在Null点,将IQ两路的相位差控制在90度。
目前光通信中应用最广泛的IQ调制器由两个MZ调制器和一个相位调制器组成。MZ调制器多由铌酸锂材料制成,由于铌酸锂材料具有光吸收少,电光效应显著,波导损耗小,对波长的依赖程度较低,工艺制造技术成熟等特点,基于铌酸锂材料的调制器可生成高速、低啁啾,且特性与波长无关的传输信号。而铌酸锂材料的主要缺点为易受环境变化,比如温度、压强等的影响,这会导致其工作点发生漂移,影响长期工作稳定性。因此对于IQ调制器三个偏置电压进行长期稳定的控制是十分重要的。特别是对于高阶调制信号,偏置电压的偏移会带来严重的信噪比代价,设计IQ调制器的偏置点自动控制(Auto Bias Controller,ABC)算法非常重要。
偏置点控制技术根据原理不同基本可以分为以下几类:基于光功率监测的偏置点控制方法,基于扰动信号的偏置点控制方法,基于相位监测的控制方法等等。
一般认为基于功率监测的方法具有较低的复杂度但控制精度较低,基于低频扰动信号与功率监测的偏置点控制算法被认为可以提升系统的控制精度并且降低复杂度,因此受到广泛研究。而在实际的应用中需要考虑的性能指标包括算法的复杂度、成本、稳定性、收敛速度、对输出信号质量的影响等等,因此设计一个各方面性能均衡的算法式具有实际意义的。
现有技术一,基于光功率监测的偏置点控制技术。该技术基于的主要原理是当IQ偏置点工作在最佳状态时,IQ调制器输出光信号的平均光功率处于极大值或极小值,且射频信号所对应的调制信号平均功率达到最小值。利用该原理可以实现对偏置点的监测和控制,但是控制精度较低且需要一个射频探测器来提取射频信号,所以一般应用于简单调制格式和低精度要求场景。
现有技术二,基于相位监测的偏置点控制技术,该技术通过监测调制信号的相位信息来控制IQ偏置点,需要利用一个差分相位检测器来提取调制信号的相位信息,通过相位信息的变化来实现对偏置点的控制,适用于复杂调制格式信号。差分相位检测器通常由一个二项耦合器和三项耦合器级联组成,这限制了该技术的实现复杂度,很难被投入到实际应用中。
现有技术三,基于扰动信号的偏置点控制技术,该技术需要在IQ调制器两臂输入两个正交的低频扰动信号,扰动信号经过IQ调制器会产生对应频率的强度调制信号,利用该强度调制信号的幅度大小与IQ偏置电压的对应关系,可以实现对偏置点的控制。该方案可以适用于任意的调制格式,但是低频小幅值的扰动信号的选择通常会导致对噪声的容忍较差。
综上,以上技术在实现复杂度以及抗干扰能力等方面存在局限性。
发明内容
本发明实施例提供了基于卡尔曼滤波器的IQ调制器自动偏压控制方法及系统,能够有效提升自动偏压控制系统的收敛速度和工作稳定性。所述技术方案如下:
一方面,提供了一种基于卡尔曼滤波器的IQ调制器自动偏压控制系统,该系统包括:IQ调制器、光电检测器和自动偏压控制器;其中,所述自动偏压控制器包括:模数转换器、DSP模块和三个数模转换器;所述DSP模块包括:同步检测器、卡尔曼滤波器和偏置电压控制模块;其中,
IQ调制器输出的部分光信号经过光电检测器转换为电信号后,通过模数转换器输入同步检测器以提取与偏置电压漂移量成比例的幅值信号,提取的幅值信号为检测误差信号E,根据得到的检测误差信号E,卡尔曼滤波器估计出当前IQ调制器中三个偏置点的偏移大小,将估计得到的估计误差信号e输入到偏置电压控制模块进行反馈输出,反馈信号经由三个数模转换器输出到IQ调制器三个偏置点中,实现对偏置电压的控制。
进一步地,所述IQ调制器包括:两个马赫曾德调制器和一个相位调制器,对应的三个偏置电压Vbias,I、VbiasQ、Vbias,PH通过自动偏压控制器进行实时的监测和控制。
进一步地,在自动偏压控制器中,生成相互正交的两路正/余弦扰动信号分别加到IQ调制器的两个马赫曾德调制器的偏置电压Vbias,I和Vbias,Q中,所述扰动信号在DSP模块中生成并通过数模转换器输出。
进一步地,所述扰动信号表示为:
ditherI(t)=Vdithcos(2πfditht)
ditherQ(t)=Vdithsin(2πfditht)
其中,ditherI(t)和ditherQ(t)表示相互正交的余弦扰动信号;t表示时间;Vdith表示扰动信号的峰值;fdith表示扰动信号的频率。
进一步地,在加入扰动信号后,Vbias,I和Vbias,Q表示为:
Vbias,I(t)=-Vπ+Vdrift,I+ditherI(t)
Vbias,Q(t)=-Vπ+Vdrift,Q+ditherQ(t)
其中,Vbias,I和Vbias,Q表示IQ调制器的两个马赫曾德调制器的偏置电压,Vdrift,I和Vdrift,Q分别表示Vbias,I和Vbias,Q的漂移量,Vπ表示IQ调制器的半波电压。
进一步地,所述同步检测器包括:乘法器和与所述乘法器相连的低通滤波器。
进一步地,检测误差信号E与IQ调制器的偏置点的漂移量之间的对应关系为:
EI=α·Vdrift,I
EQ=β·Vdrift,Q
EPH=γ·cosφIQ
其中,α、β和γ均表示常量系数,Vdrift,I和Vdrift,Q分别表示Vbias,I和Vbias,Q的漂移量,φIQ表示Vbias,I和Vbias,Q之间的相位差φIQ,EI、EQ、EPH分别表示Vdrift,I、Vdrift,Q、φIQ对应的误差。
进一步地,所述卡尔曼滤波器的数学模型包括测量方程和估计方程;其中,
所述测量方程表示为:
e(k)=Ae(k-1)+Bu(k)+w(k)
E(k)=Ce(k)+v(k).
其中,A、B都表示系统的状态转移参数;C表示测量参数;w(k)和v(k)分别表示状态转移噪声和测量噪声;u(k)表示IQ调制器偏置电压的大小;k表示离散的时间序数;
所述估计方程表示为:
其中,^表示估计值。
一方面,提供了一种基于卡尔曼滤波器的IQ调制器自动偏压控制方法,该方法包括:
IQ调制器输出的部分光信号经过光电检测器转换为电信号后,输入自动偏压控制器;
在自动偏压控制器中的DSP模块中,利用同步检测器提取与偏置电压漂移量成比例的幅值信号,提取的幅值信号为检测误差信号E,根据得到的检测误差信号E,卡尔曼滤波器估计出当前IQ调制器中三个偏置点的偏移大小,将估计得到的估计误差信号e输入到偏置电压控制模块进行反馈输出,反馈信号经由三个数模转换器输出到IQ调制器三个偏置点中,实现对偏置电压的控制。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括:
本发明实施例中,IQ调制器输出的部分光信号经过光电检测器转换为电信号后,通过模数转换器输入同步检测器以提取与偏置电压漂移量成比例的幅值信号,提取的幅值信号为检测误差信号E,根据得到的检测误差信号E,卡尔曼滤波器估计出当前IQ调制器中三个偏置点的偏移大小,将估计得到的估计误差信号e输入到偏置电压控制模块进行反馈输出,反馈信号经由三个数模转换器输出到IQ调制器三个偏置点中,实现对偏置电压的控制。这样,通过利用卡尔曼滤波器的强大估计特性,对存在噪声干扰的IQ调制器的偏置电压进行精确的监测和控制,相较于传统的算法,能够有效提升自动偏压控制系统的收敛速度和工作稳定性,对保证IQ调制器长期稳定工作在最佳状态能起到重要作用,且不需要使用额外的检测器件。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的基于卡尔曼滤波器的IQ调制器自动偏压控制系统的结构示意图;
图2为本发明实施例提供的DSP模块的工作流程示意图;
图3为本发明实施例提供的卡尔曼滤波器数学模型示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
如图1所示,本发明实施例提供了一种基于卡尔曼滤波器的IQ调制器自动偏压控制系统,该系统包括:IQ调制器、光电检测器(PD)和自动偏压控制器(ABC);其中,所述自动偏压控制器包括:模数转换器(ADC)、DSP模块和三个数模转换器(DAC);所述DSP模块包括:同步检测器、卡尔曼滤波器和偏置电压控制模块;其中,
IQ调制器输出的部分光信号经过光电检测器转换为电信号后,通过模数转换器输入同步检测器以提取与偏置电压漂移量成比例的幅值信号,提取的幅值信号为检测误差信号E,根据得到的检测误差信号E,卡尔曼滤波器估计出当前IQ调制器中三个偏置点的偏移大小,将估计得到的估计误差信号e输入到偏置电压控制模块进行反馈输出,反馈信号经由三个数模转换器输出到IQ调制器三个偏置点中,实现对偏置电压的控制。
本发明实施例所述的基于卡尔曼滤波器的IQ调制器自动偏压控制系统,IQ调制器输出的部分光信号经过光电检测器转换为电信号后,通过模数转换器输入同步检测器以提取与偏置电压漂移量成比例的幅值信号,提取的幅值信号为检测误差信号E,根据得到的检测误差信号E,卡尔曼滤波器估计出当前IQ调制器中三个偏置点的偏移大小,将估计得到的估计误差信号e输入到偏置电压控制模块进行反馈输出,反馈信号经由三个数模转换器输出到IQ调制器三个偏置点中,实现对偏置电压的控制。这样,通过利用卡尔曼滤波器的强大估计特性,对存在噪声干扰的IQ调制器的偏置电压进行精确的监测和控制,相较于传统的算法,能够有效提升自动偏压控制系统的收敛速度和工作稳定性,对保证IQ调制器长期稳定工作在最佳状态能起到重要作用,且不需要使用额外的检测器件。
本实施例中,图1中的CW light表示激光器输入光载波。偏置电压控制模块模块是根据误差信号e的大小来给IQ调制器三个偏置点反馈调整的电压,从而实现对偏压的矫正控制。
本实施例中,IQ调制器输出光信号的一小部分被分离出来且经过一个光电检测器(PD)后转换为电信号,然后通过模数转换器(ADC)进入DSP模块。本实施例的关键点在于整个方案的关键部分都在DSP模块来完成,并没有引入额外的器件。在DSP模块利用所设计的算法对IQ调制器的三个偏置点进行监测和反馈控制,反馈信号经由三个DAC输出到IQ调制器三个偏置点中,从而实现对偏置电压的控制。
本实施例中,DSP模块的工作流程如图2所示,ADC输出的信号首先进入同步检测器来提取与IQ调制器的偏置电压漂移量成比例的幅值信号,称之为检测误差信号E,由于收到噪声和射频信号的干扰,导致获取的检测误差信号通常难以有效地反映出IQ调制器的偏置点的漂移情况,因此引入了卡尔曼滤波器来实现对IQ调制器偏置点漂移量的精确监测。利用引入的卡尔曼滤波器,可以很好的估计出当前IQ调制器偏置点的偏移大小,称该估计值为估计误差信号e,之后可以将该估计误差信号e输入到偏置电压控制模块进行反馈输出,反馈信号经过DAC转换后作用于IQ调制器的偏置点,从而实现对IQ调制器偏置电压的控制。
本实施例中,所述IQ调制器包括:两个马赫曾德调制器(MZM)和一个相位调制器(PM),对应的三个偏置电压Vbias,I、VbiasQ、Vbias,PH通过自动偏压控制器进行实时的监测和控制。
为了更好地理解本发明实施例提供的基于卡尔曼滤波器的IQ调制器自动偏压控制系统,结合基础的理论推导和图3中的卡尔曼滤波器数学模型来进行阐述:
(1)通过添加扰动信号来监测IQ调制器偏置点的漂移
本实施例中,为了方便监测偏置点的偏移情况,在IQ调制器两个MZM的偏置点处引入了两个相互正交的低频正/余弦扰动信号(正交是为了便于分别监测Vbias,I和Vbias,Q),具体的:
在自动偏压控制器中,生成相互正交的两路正/余弦扰动信号分别加到IQ调制器的两个马赫曾德调制器的偏置电压Vbias,I和Vbias,Q中,所述扰动信号在DSP模块中生成并通过数模转换器输出。
本实施例中,所述扰动信号可以表示为:
其中,ditherI(t)和ditherQ(t)表示相互正交的余弦扰动信号;t表示时间;Vdith表示扰动信号的峰值,相较于IQ调制器的半波电压Vπ很小;fdith表示扰动信号的频率,且扰动信号的频率fdith也远小于输入信号波特率,这样的话Vbias,I和Vbias,Q就变为随时间变化的量,因此,在加入扰动信号后,Vbias,I和Vbias,Q可以表示为:
其中,Vbias,I和Vbias,Q表示IQ调制器的两个马赫曾德调制器的偏置电压,Vdrift,I和Vdrift,Q分别表示Vbias,I和Vbias,Q的漂移量,Vπ表示IQ调制器的半波电压。
本实施例中,所述同步检测器包括:乘法器和与所述乘法器相连的低通滤波器。
本实施例中,通过数学推导可以知道,加入上述扰动信号后,IQ调制器输出的光信号经过图2中的乘法器和低通滤波器得到的检测误差信号E与IQ调制器的偏置点的漂移量之间的对应关系为:
其中,α,β,γ为常量系数,φIQ表示Vbias,I和Vbias,Q之间的相位差φIQ,EI、EQ、EPH分别表示Vdrift,I、Vdrift,Q、φIQ对应的误差。从上述式(3)可以看出当相位差φIQ存在偏移时,其对应的检测误差信号E理论上可以反映出漂移的趋势,但是正如在现有技术三中所讲,通常扰动信号幅度和频率都非常低,所以在实际的受噪声等外界因素干扰的情况下,单凭E来监测IQ调制器偏置点漂移是很难实现的,因此需要进一步利用卡尔曼滤波来解决这一问题。
(2)采用卡尔曼滤波器来准确估计和控制IQ调制器的偏置点的漂移
本实施例中,基于式(3)中的线性关系以及光通信中的噪声主要为高斯白噪声这两个依据,可以采用一个线性卡尔曼滤波器数学模型来进行描述,如图3所示,用u(k)表示IQ调制器偏置电压的大小,用E表示检测误差信号,用e表示目标估计量,即估计误差信号。
本实施例中,所述卡尔曼滤波器的数学模型包括测量方程和估计方程;其中,
所述测量方程表示为:
e(k)=Ae(k-1)+Bu(k)+w(k)
E(k)=Ce(k)+v(k) (4)
其中,A、B都表示系统的状态转移参数,属于卡尔曼滤波器基本概念;C表示测量参数,属于卡尔曼滤波器基本参数;w(k)和v(k)分别表示状态转移噪声和测量噪声,二者都服从零均值高斯分布,k表示离散的时间序数;所述估计方程可以表示为:
其中,^表示估计值。通过结合系统的检测误差信号和估计误差值,卡尔曼滤波器可以不断更新得到更加准确的估计误差信号e,该估计误差信号相较于检测误差信号能直接反映系统当前偏置点漂移大小,因此理论上可以更快速的实现对偏压的控制,同时卡尔曼滤波器出色的抗噪声干扰能力也保证了本系统的长期稳定性。
实施例二
本发明还提供一种基于卡尔曼滤波器的IQ调制器自动偏压控制方法的具体实施方式,由于本发明提供的基于卡尔曼滤波器的IQ调制器自动偏压控制方法与前述基于卡尔曼滤波器的IQ调制器自动偏压控制系统的具体实施方式相对应,该基于卡尔曼滤波器的IQ调制器自动偏压控制方法可以通过执行上述方法具体实施方式中的流程步骤来实现本发明的目的,因此上述基于卡尔曼滤波器的IQ调制器自动偏压控制系统具体实施方式中的解释说明,也适用于本发明提供的基于卡尔曼滤波器的IQ调制器自动偏压控制方法的具体实施方式,在本发明以下的具体实施方式中将不再赘述。
本发明实施例还提供一种基于卡尔曼滤波器的IQ调制器自动偏压控制方法,包括:
IQ调制器输出的部分光信号经过光电检测器转换为电信号后,输入自动偏压控制器;
在自动偏压控制器中的DSP模块中,利用同步检测器提取与偏置电压漂移量成比例的幅值信号,提取的幅值信号为检测误差信号E,根据得到的检测误差信号E,卡尔曼滤波器估计出当前IQ调制器中三个偏置点的偏移大小,将估计得到的估计误差信号e输入到偏置电压控制模块进行反馈输出,反馈信号经由三个数模转换器输出到IQ调制器三个偏置点中,实现对偏置电压的控制。
本发明实施例所述的基于卡尔曼滤波器的IQ调制器自动偏压控制方法,IQ调制器输出的部分光信号经过光电检测器转换为电信号后,通过模数转换器输入同步检测器以提取与偏置电压漂移量成比例的幅值信号,提取的幅值信号为检测误差信号E,根据得到的检测误差信号E,卡尔曼滤波器估计出当前IQ调制器中三个偏置点的偏移大小,将估计得到的估计误差信号e输入到偏置电压控制模块进行反馈输出,反馈信号经由三个数模转换器输出到IQ调制器三个偏置点中,实现对偏置电压的控制。这样,通过利用卡尔曼滤波器的强大估计特性,对存在噪声干扰的IQ调制器的偏置电压进行精确的监测和控制,相较于传统的算法,能够有效提升自动偏压控制系统的收敛速度和工作稳定性,对保证IQ调制器长期稳定工作在最佳状态能起到重要作用,且不需要使用额外的检测器件。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成,也可以通过程序来指令相关的硬件完成,所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中,上述提到的存储介质可以是只读存储器,磁盘或光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于卡尔曼滤波器的IQ调制器自动偏压控制系统,其特征在于,包括:IQ调制器、光电检测器和自动偏压控制器;其中,所述自动偏压控制器包括:模数转换器、DSP模块和三个数模转换器;所述DSP模块包括:同步检测器、卡尔曼滤波器和偏置电压控制模块;其中,
IQ调制器输出的部分光信号经过光电检测器转换为电信号后,通过模数转换器输入同步检测器以提取与偏置电压漂移量成比例的幅值信号,提取的幅值信号为检测误差信号E,根据得到的检测误差信号E,卡尔曼滤波器估计出当前IQ调制器中三个偏置点的偏移大小,将估计得到的估计误差信号e输入到偏置电压控制模块进行反馈输出,反馈信号经由三个数模转换器输出到IQ调制器三个偏置点中,实现对偏置电压的控制。
2.根据权利要求1所述的基于卡尔曼滤波器的IQ调制器自动偏压控制系统,其特征在于,所述IQ调制器包括:两个马赫曾德调制器和一个相位调制器,对应的三个偏置电压Vbias,I、VbiasQ、Vbias,PH通过自动偏压控制器进行实时的监测和控制。
3.根据权利要求1所述的基于卡尔曼滤波器的IQ调制器自动偏压控制系统,其特征在于,在自动偏压控制器中,生成相互正交的两路正/余弦扰动信号分别加到IQ调制器的两个马赫曾德调制器的偏置电压Vbias,I和Vbias,Q中,所述扰动信号在DSP模块中生成并通过数模转换器输出。
4.根据权利要求3所述的基于卡尔曼滤波器的IQ调制器自动偏压控制系统,其特征在于,所述扰动信号表示为:
ditherI(t)=Vdithcos(2πfditht)
ditherQ(t)=Vdithsin(2πfditht)
其中,ditherI(t)和ditherQ(t)表示相互正交的余弦扰动信号;t表示时间;Vdith表示扰动信号的峰值;fdith表示扰动信号的频率。
5.根据权利要求4所述的基于卡尔曼滤波器的IQ调制器自动偏压控制系统,其特征在于,在加入扰动信号后,Vbias,I和Vbias,Q表示为:
Vbias,I(t)=-Vπ+Vdrift,I+ditherI(t)
Vbias,Q(t)=-Vπ+Vdrift,Q+ditherQ(t)
其中,Vbias,I和Vbias,Q表示IQ调制器的两个马赫曾德调制器的偏置电压,Vdrift,I和Vdrift,Q分别表示Vbias,I和Vbias,Q的漂移量,Vπ表示IQ调制器的半波电压。
6.根据权利要求1所述的基于卡尔曼滤波器的IQ调制器自动偏压控制系统,其特征在于,所述同步检测器包括:乘法器和与所述乘法器相连的低通滤波器。
7.根据权利要求6所述的基于卡尔曼滤波器的IQ调制器自动偏压控制系统,其特征在于,检测误差信号E与IQ调制器的偏置点的漂移量之间的对应关系为:
EI=α·Vdrift,I
EQ=β·Vdrift,Q
EPH=γ·cosφIQ
其中,α、β和γ均表示常量系数,Vdrift,I和Vdrift,Q分别表示Vbias,I和Vbias,Q的漂移量,φIQ表示Vbias,I和Vbias,Q之间的相位差φIQ,EI、EQ、EPH分别表示Vdrift,I、Vdrift,Q、φIQ对应的误差。
9.一种基于卡尔曼滤波器的IQ调制器自动偏压控制方法,其特征在于,包括:
IQ调制器输出的部分光信号经过光电检测器转换为电信号后,输入自动偏压控制器;
在自动偏压控制器中的DSP模块中,利用同步检测器提取与偏置电压漂移量成比例的幅值信号,提取的幅值信号为检测误差信号E,根据得到的检测误差信号E,卡尔曼滤波器估计出当前IQ调制器中三个偏置点的偏移大小,将估计得到的估计误差信号e输入到偏置电压控制模块进行反馈输出,反馈信号经由三个数模转换器输出到IQ调制器三个偏置点中,实现对偏置电压的控制。
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