CN113394646B - 一种调谐光电振荡器及其反馈控制方法 - Google Patents

一种调谐光电振荡器及其反馈控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种调谐光电振荡器，包括：正反馈振荡系统包括依序连接的激光器、电光调制器、长光纤、光电探测器、可调滤波器、低相噪放大器、压控移相器和功分器，功分器的第一输出端与耦合器，耦合器与电光调制器的射频驱动端连接，功分器的第二输出端与反馈控制系统连接，反馈控制系统分别与激光器和电光调制器连接；频率调制电路包括粗调电路和细调电路，由反馈控制系统与可调滤波器连接构成粗调电路，细调电路包括依序连接的恒温晶振、高鉴相频锁相频率合成电路和可调衰减器，并且可调衰减器与耦合器连接；带宽锁定电路，由恒温晶振与反馈控制系统连接，反馈控制系统与压控移相器连接构成。本发明可实现光电振荡器的快速高精度调频。

Description

一种调谐光电振荡器及其反馈控制方法
技术领域
本发明涉及一种调谐光电振荡器及其反馈控制方法，属于微波光子中光电振荡器技术领域。
背景技术
微波振荡器是微波射频系统的心脏，在通信系统、雷达、测试仪器、电子对抗系统等电子系统中扮演着非常重要的角色。微波振荡器的相位噪声、频率稳定性、频率可调谐性等都是决定系统综合性能的重要指标。光电振荡器(OEO)是一种光电混合结构的频率源，能够产生高频、高Q值、高频谱纯度的射频信号，其在相位噪声性能方面对比其他微波振荡器拥有绝对的优势。然而，目前国内的很多光电振荡器都没有调频功能，都在解决单模起振、噪声抑制、频率稳定性等问题。即使有调频功能，也不能做到高精度调谐。在光电振荡器实施过程中，其高精度调谐功能以及其综合性能的提升，是光电振荡器能否走向工程应用的关键。
发明内容
基于上述，本发明提供一种调谐光电振荡器及其反馈控制方法，能够实现光电振荡器快速高精度调频，提高光电振荡器的综合性能，以克服现有技术的不足。
本发明的技术方案是：一种调谐光电振荡器，包括：
正反馈振荡系统，包括依序连接的激光器、电光调制器、长光纤、光电探测器、可调滤波器、低相噪放大器、压控移相器和功分器，所述功分器的第一输出端与耦合器，所述耦合器与所述电光调制器的射频驱动端连接，所述功分器的第二输出端与反馈控制系统连接，所述反馈控制系统分别与所述激光器和所述电光调制器连接，所述功分器的第三输出端作为信号输出端口；
频率调制电路，包括粗调电路和细调电路，由所述反馈控制系统与所述可调滤波器连接构成粗调电路，所述细调电路包括依序连接的恒温晶振、高鉴相频锁相频率合成电路和可调衰减器，并且所述可调衰减器与所述耦合器连接；
带宽锁定电路，所述恒温晶振与所述反馈控制系统连接，所述反馈控制系统与所述压控移相器连接。
可选的，所述反馈控制系统包括CPU模块、D/A转换模块、A/D转换模块、调制器直流偏置驱动模块、调制器光电流I/V转换模块、激光器光电流I/V转换模块和恒流恒温激光器驱动模块，其中，
所述CPU模块通过所述恒流恒温激光器驱动模块与所述激光器连接，所述激光器与所述激光器光电流I/V转换模块与所述A/D转换模块连接，所述A/D转换模块与所述CPU模块连接；
所述CPU模块与所述D/A转换模块连接，所述D/A转换模块与所述调制器直流偏置驱动模块连接，所述调制器直流偏置驱动模块与所述电光调制器连接，所述电光调制器与所述调制器光电流V/I转换模块连接，所述调制器光电流V/I转换模块与所述A/D转换模块连接。
可选的，所述激光器为带半导体制冷器和光电二极管的分布反馈激光器，所述电光调制器为带PD的强度调制器，所述反馈控制系统根据所述激光器和所述电光调制器二者光电流反馈实时控制所述电光调制器的直流偏置电压，保证所述电光调制器工作在正交点。
可选的，所述长光纤设置在恒温箱内，所述反馈控制系统还包括温箱恒温控制模块，所述CPU模块与所述温箱恒温控制模块连接，所述温箱恒温控制模块与所述恒温箱连接，以控制所述恒温箱的温度。
可选的，所述反馈控制系统还包括滤波器调制电压驱动模块，所述CPU模块通过所述D/A转换模块与所述滤波器调制电压驱动模块连接，所述滤波器调制电压驱动模块与所述可调滤波器连接。
可选的，所述反馈控制系统还包括锁相环模块，所述CPU模块与所述锁相环模块连接，所述锁相环模块与所述压控移相器连接。
可选的，所述恒温晶振与所述锁相环模块连接。
可选的，所述反馈控制系统还包括通信模块，所述CPU模块与所述通信模块连接，所述通信模块与上位机连接。
本发明还提供一种所述的调谐光电振荡器的反馈控制方法，首先获取所述激光器和电光调制器的输出光功率，排除所述激光器功率波动对所述电光调制器工作点判断的影响，然后采用数字PID控制算法对调制器直流偏置电压进行控制，通过大量实验获取合适的KP、KI、KD，通过增量式PID得到控制量。
本发明的有益效果是：本发明中，由激光器、电光调制器、长光纤、光电探测器、可调滤波器、低噪声放大器、压控移相器、功分器和耦合器等共同构成正反馈振荡系统，产生高品质微波信号，由反馈控制系统调节可调滤波器的滤波窗口实现输出信号频率粗调，由恒温晶振、高鉴相频锁相频率合成电路和可调衰减器产生低相噪、高精度、高稳定性的晶振倍频信号并通过耦合器注入到环路中，粗调、细调两级联调实现高精度调谐，同时抑制滤波窗口内其他振荡模式，再由反馈控制系统根据恒温晶振鉴相反馈控制压控移相器,保证振荡器输出信号与注入信号频率差在锁定带宽内，最终实现高精度调谐、高稳定性输出。本发明可以实现光电振荡器X波段频率快速、高精度调谐，提升光电振荡器综合性能，提高频率源的信号质量。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)、本发明采用可调滤波器与晶振倍频信号注入结合的方式，实现了光电振荡器高精度调节。
(2)、本发明采用了高鉴相频锁相的频率合成方式产生高稳定性、低相噪注入信号，有效提高光电振荡器输出信号近载频相位噪声。
(3)、本发明采用锁相环反馈控制微波移相器，可以实现自由振荡信号始终保持在锁定带宽内，大大提高输出信号的稳定性。
(4)、本发明充分利用FPGA的高速并行性，对激光器、电光调制器、温箱、移相器、滤波器进行反馈控制，实现光电振荡器快速调频，减小相位噪声恶化程度，提高频率稳定性。
附图说明
图1为本发明一种高精度调谐光电振荡器及其反馈控制系统；
图2为本发明采用的反馈控制系统模块框图；
图3为本发明中高鉴相频锁相频率合成电路的原理框图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
请参阅图1至图3，本发明实施例一种调谐光电振荡器，包括正反馈振荡系统、频率调制电路和带宽锁定电路，
正反馈振荡系统，包括依序连接的激光器、电光调制器、长光纤、光电探测器、可调滤波器、低相噪放大器、压控移相器和功分器，功分器的第一输出端与耦合器，耦合器与电光调制器的射频驱动端连接，功分器的第二输出端与反馈控制系统连接，反馈控制系统分别与激光器和电光调制器连接，功分器的第三输出端作为信号输出端口。
可选的，反馈控制系统包括CPU模块、D/A转换模块、A/D转换模块、调制器直流偏置驱动模块、调制器光电流I/V转换模块、激光器光电流I/V转换模块和恒流恒温激光器驱动模块，其中，CPU模块通过恒流恒温激光器驱动模块与激光器连接，激光器与激光器光电流I/V转换模块与A/D转换模块连接，A/D转换模块与CPU模块连接；CPU模块与D/A转换模块连接，D/A转换模块与调制器直流偏置驱动模块连接，调制器直流偏置驱动模块与电光调制器连接，电光调制器与调制器光电流V/I转换模块连接，调制器光电流V/I转换模块与A/D转换模块连接。
本实施例中，激光器采用带半导体制冷器(TEC)和光电二极管(PD)的分布反馈激光器(DFB)，所述电光调制器采用带PD的强度调制器，反馈控制系统根据激光器和电光调制器二者光电流反馈实时控制电光调制器的直流偏置电压，保证电光调制器工作在正交点，减小调制曲线漂移造成的相位噪声恶化。
本实施例中，CPU模块可采用Xilinx公司的FPGA，利用FPGA的高速并行处理能力以及灵活的可编程能力，可以快速的提高系统的实时调频功能。压控移相器可采用HMC247，保证在X波段移相范围达200°。
具体而言，工作状态下，激光器产生光载波信号，经过电光调制器和长光纤，然后通过光电探测器将光信号转换成电信号并滤除直流信号，通过可调滤波器、低相噪放大器、压控移相器和功分器处理后，功分器输出的第一输出信号通过耦合器接入电光调制器的射频驱动端，功分器的第二输出信号接入到反馈控制系统中(与锁相环模块连接)，功分器的第三输出信号作为最终输出信号。上述器件共同构成正反馈振荡系统。输出信号频率由式(1)和滤波器通带范围决定：
ωkτ'+φ(ωk)+φ0＝2kπ,k＝0，1,2… (1)
式中，τ'为光纤延时量，ωk为振荡频率，φ0为初始相位。
本发明中关于电光调制器的反馈控制方法为，首先获取所述激光器和电光调制器的输出光功率，排除所述激光器功率波动对所述电光调制器工作点判断的影响，然后采用数字PID控制算法对调制器直流偏置电压进行控制，通过大量实验获取合适的KP、KI、KD，通过增量式PID得到控制量。
频率调制电路，包括粗调电路和细调电路，由反馈控制系统与可调滤波器连接构成粗调电路，细调电路包括依序连接的恒温晶振、高鉴相频锁相频率合成电路和可调衰减器，并且可调衰减器与耦合器连接。
可选的，反馈控制系统还包括滤波器调制电压驱动模块，CPU模块通过D/A转换模块与滤波器调制电压驱动模块连接，滤波器调制电压驱动模块与可调滤波器连接。反馈控制系统还包括锁相环模块，CPU模块与锁相环模块连接，锁相环模块与压控移相器连接。本实施例中，锁相环模块可采用ADI公司HMC492和HMC704，保证在X波段频率全覆盖。
具体而言，工作状态下，反馈控制系统通过滤波器驱动模块调节滤波窗口实现输出信号频率粗调(20MHz)，并且输出信号存在多个振荡模式。此外，高鉴相频锁相频率合成电路产生一路低相噪、高精度、高稳定性晶振倍频信号，通过耦合器注入到环路中。当某个模式与注入信号频率差小于锁定带宽，输出信号将被锁定到注入频率上。锁定带宽由下式决定：
Figure BDA0003115572110000051
式中，Q为品质因子，ω0为输出频率，E0、E1分别是环路振荡信号的功率和注入信号的功率。
此时滤波器带通范围内其他模式将被有效的抑制，系统的短期稳定性得到一定的提高。同时输出信号近载频相位噪声与注入源保持一致，远载频相位噪声与自由振荡信号保持一致，其分界点与注入功率成正比例关系。通过对注入信号频率精确调节联合滤波器滤波窗口的调节，实现粗调、细调两级联调，最终实现输出信号的高精度调谐。
带宽锁定电路，恒温晶振与反馈控制系统连接，反馈控制系统与压控移相器连接。具体而言，工作状态下，反馈控制系统中锁相环模块通过与外部高稳恒温晶振鉴相反馈控制压控移相器，保证振荡器输出信号与注入信号频率差在锁定带宽内。
本发明中，由可调滤波器、锁相环模块、压控移相器、注入信号(恒温晶振、高鉴相频锁相频率合成电路和可调衰减器)共同构成了选频网络，实现了高精度调谐的目标。选频网络中的注入信号改善了滤波窗口内多模式起振的情况。注入信号通过高鉴相频频率合成电路产生，能够极大改善光电振荡器近载频相位噪声，通过可调衰减器调节系统锁定带宽以及相噪影响频率范围。
可选的，长光纤设置在恒温箱内，反馈控制系统还包括温箱恒温控制模块，CPU模块与温箱恒温控制模块连接，温箱恒温控制模块与恒温箱连接，以控制恒温箱的温度。本实施例中，恒温箱采用部分TEC材料，通过WHY5640温控芯片实现激光器和温箱的恒温控制，精度达0.01°。长光纤易受环境温度影响，是系统输出频率漂移的主要原因，通过反馈控制系统控制长光纤所在恒温箱温度控制，减小环境带来的频率漂移。结合压控移相器的反馈控制保证输出信号的高精度和高稳定性。
可选的，反馈控制系统还包括通信模块，CPU模块与通信模块连接，通信模块与上位机连接，以便进行调频与调试。
采用本发明后，工作时，CPU模块首先进行系统的初始化设置，包括激光器驱动、调制器直流偏置驱动、温箱驱动等。在接收到上位机的调频信号后，调频步骤如下：
1)根据滤波器线性特性，改变驱动电压，调节滤波窗口；
2)发送频率合成参数指令，改变注入频率；
3)更改反馈控制系统锁相环参数，自动调节压控移相器；
4)锁定。
总体上，本发明所述的一种高精度调谐光电振荡器及其反馈控制系统，具有较好的实时性，频率调谐精度高，频率长期稳定性高，有效提高了光电振荡器的综合性能。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种调谐光电振荡器，其特征在于，包括：
正反馈振荡系统，包括依序连接的激光器、电光调制器、长光纤、光电探测器、可调滤波器、低相噪放大器、压控移相器和功分器，所述功分器的第一输出端与耦合器，所述耦合器与所述电光调制器的射频驱动端连接，所述功分器的第二输出端与反馈控制系统连接，所述反馈控制系统分别与所述激光器和所述电光调制器连接，所述功分器的第三输出端作为信号输出端口；
频率调制电路，包括粗调电路和细调电路，由所述反馈控制系统与所述可调滤波器连接构成粗调电路，所述细调电路包括依序连接的恒温晶振、高鉴相频锁相频率合成电路和可调衰减器，并且所述可调衰减器与所述耦合器连接；
带宽锁定电路，所述恒温晶振与所述反馈控制系统连接，所述反馈控制系统与所述压控移相器连接。
2.根据权利要求1所述的调谐光电振荡器，其特征在于，所述反馈控制系统包括CPU模块、D/A转换模块、A/D转换模块、调制器直流偏置驱动模块、调制器光电流I/V转换模块、激光器光电流I/V转换模块和恒流恒温激光器驱动模块，其中，
所述CPU模块通过所述恒流恒温激光器驱动模块与所述激光器连接，所述激光器与所述激光器光电流I/V转换模块与所述A/D转换模块连接，所述A/D转换模块与所述CPU模块连接；
所述CPU模块与所述D/A转换模块连接，所述D/A转换模块与所述调制器直流偏置驱动模块连接，所述调制器直流偏置驱动模块与所述电光调制器连接，所述电光调制器与所述调制器光电流V/I转换模块连接，所述调制器光电流V/I转换模块与所述A/D转换模块连接。
3.根据权利要求2所述的调谐光电振荡器，其特征在于，所述激光器为带半导体制冷器和光电二极管的分布反馈激光器，所述电光调制器为带PD的强度调制器，所述反馈控制系统根据所述激光器和所述电光调制器二者光电流反馈实时控制所述电光调制器的直流偏置电压，保证所述电光调制器工作在正交点。
4.根据权利要求2所述的调谐光电振荡器，其特征在于，所述长光纤设置在恒温箱内，所述反馈控制系统还包括温箱恒温控制模块，所述CPU模块与所述温箱恒温控制模块连接，所述温箱恒温控制模块与所述恒温箱连接，以控制所述恒温箱的温度。
5.根据权利要求2所述的调谐光电振荡器，其特征在于，所述反馈控制系统还包括滤波器调制电压驱动模块，所述CPU模块通过所述D/A转换模块与所述滤波器调制电压驱动模块连接，所述滤波器调制电压驱动模块与所述可调滤波器连接。
6.根据权利要求2所述的调谐光电振荡器，其特征在于，所述反馈控制系统还包括锁相环模块，所述CPU模块与所述锁相环模块连接，所述锁相环模块与所述压控移相器连接。
7.根据权利要求6所述的调谐光电振荡器，其特征在于，所述恒温晶振与所述锁相环模块连接。
8.根据权利要求2所述的调谐光电振荡器，其特征在于，所述反馈控制系统还包括通信模块，所述CPU模块与所述通信模块连接，所述通信模块与上位机连接。
9.权利要求1至8任一项所述的调谐光电振荡器的反馈控制方法，其特征在于，首先获取所述激光器和电光调制器的输出光功率，排除所述激光器功率波动对所述电光调制器工作点判断的影响，然后采用数字PID控制算法对调制器直流偏置电压进行控制，通过大量实验获取合适的KP、KI、KD，通过增量式PID得到控制量，其中，KP、KI、KD分别代表激光器输出pid调节的比例、积分、微分参数。
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