CN113572537A - 一种基于dds的可宽温工作的iq调制器偏置电压控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于DDS的可宽温工作的IQ调制器偏置电压控制装置。该装置由光电探测器、前置输入放大模块、DSP处理模块、宽温晶振模块、DDS模块、模拟开关模块、数模转换模块、输出放大模块构成。本发明通过DDS模块生成两个幅值、频率严格相同且相位相差
Figure DDA0003226898560000011
的导频信号并对导频反馈信号一、二次谐波幅值的监测来自动调节偏置电压，利用宽温晶振模块为DSP处理模块与DDS模块同时提供相同时钟信号，从而避免了温度改变时DSP处理模块的采样频率和由DDS模块生成的导频频率的比例发生变化而导致采样到的导频反馈信号相位存在偏差的问题，从而可以在‑40℃至80℃温度范围内精确控制IQ调制器的偏置状态。本发明适用于光通信等领域。

Description

一种基于DDS的可宽温工作的IQ调制器偏置电压控制装置
技术领域
本发明涉及一种基于DDS的可宽温工作的IQ调制器偏置电压控制装置，适用于光纤通信等领域。
背景技术
在过去的十年中，由于相干光通信的快速发展，相干光正交频分复用因其优异的性能而备受关注且被认为是未来长距离传输和动态光网络的一项有前途的技术。IQ调制器(In-phase And Quadrature Modulator)相干光传输系统中产生光信号的关键部件，但一些环境因素如温度和机械振动会影响调制器的稳定性。为了保持传输信号的长期质量，自动偏置控制对于保持调制器处于最佳偏置状态至关重要，而IQ调制器由两个马赫曾德调制器和一个相位调制器集成，其最佳偏置状态是将相位调制器设置在PEAK点，将I、Q分支调制器设置在NULL点。而偏置电压控制方式是在I、Q分支调制器偏置电压端口引入两个幅值、频率严格相同且相位相差
Figure BDA0003226898540000011
的导频信号，并基于对导频信号的一、二次谐波幅值的监测来自动调节偏置电压，但传统偏置电压控制装置会由于温度变化造成导频频率和采样频率的比例发生变化，导致采样到的导频反馈信号相位存在偏差，从而无法精确保持调制器处于最佳偏置状态。本发明通过同一个宽温晶振模块为DSP(Digital Signal Processing)处理模块与DDS(Direct Digital Synthesizer)模块提供相同的时钟信号，从而避免了温度改变时DSP处理模块的采样频率和由DDS模块生成的导频频率的比例发生变化而导致采样到的导频反馈信号相位存在偏差的问题，从而使偏置电压控制装置能在-40℃至80℃范围内精确控制IQ调制器的偏置状态。
发明内容
本发明提出一种基于DDS的可宽温工作的IQ调制器偏置电压控制装置，通过同一个宽温晶振模块为DSP处理模块与DDS模块提供时钟信号，并通过DDS模块同时生成两个幅值、频率严格相同且相位相差
Figure BDA0003226898540000012
的导频信号导入至I、Q分支调制器的偏置电压控制端，并监测导频信号的一、二次谐波来自动控制IQ调制器偏置电压，适用于光纤通信等领域。
本发明的技术方案是一种基于DDS的可宽温工作的IQ调制器偏置电压控制装置，其特征在于：偏置电压控制装置由光电探测器、前置输入放大模块、DSP处理模块、宽温晶振模块、DDS模块、模拟开关模块、数模转换模块、输出放大模块构成。宽温晶振模块与DSP处理模块和DDS模块连接，提供相同的时钟信号；DDS模块由双通道的AD9958芯片及其外围电路构成，经模拟开关模块连接至输出放大模块的加法器；模拟开关模块由两个模拟开关芯片及其外围电路构成；DSP处理模块由DSP芯片以及其外围电路构成，通过IIC总线与数模转换模块连接；而数模转换模块由12位的DA芯片及其外围电路构成。
偏置电压控制装置操作方式如下：DSP处理模块生成数字信号并将其传输至数模转换模块进行转换，转换生成的模拟信号经输出放大模块放大后分别传输至IQ调制器的三个直流偏置电压输入端口，对IQ调制器的偏置电压进行扫描调节，经IQ调制器调制后的输出光信号通过光纤耦合器耦合出部分光，传输至光电探测器转换为电信号，电信号经过前置输入放大模块的放大后传至DSP处理模块进行监测，扫描调节偏置电压和监测传输曲线完成对IQ调制器最佳偏置状态的偏置电压粗略确定，然后DSP处理模块控制DDS模块同时生成两个幅值、频率严格相同且相位相差
Figure BDA0003226898540000021
的导频信号通过模拟开关模块和输出放大模块分别引入至I、Q分支调制器的偏置电压端口并同步对导频反馈信号进行采样，通过DSP处理模块对导频反馈信号的一、二次谐波幅值的监测来对IQ调制器最佳偏置状态进行确定，从而自动控制IQ调制器的偏置电压。
本发明的原理是：首先通过对IQ调制器偏置电压的扫描调节并监测输出光功率从而对IQ调制器的最佳偏置状态进行初控制，然后，使两个幅值、频率严格相同且相位差为
Figure BDA0003226898540000022
的导频信号同时导入至I、Q分支调制器的偏置电压端口，并同步对导频反馈信号进行采样，通过对导频反馈信号进行的二次谐波幅值的最小值进行监测来调节相位调制器的偏置电压；再者，仅使一路导频信号导入至I分支调制器的偏置电压端口，并同步对导频反馈信号进行采样，通过对导频反馈信号的一次谐波幅值的最小值进行监测来调节I分支调制器的偏置电压；之后，仅使一路导频信号导入至Q分支调制器的偏置电压端口，并同步对导频反馈信号进行采样，通过对导频反馈信号的一次谐波幅值的最小值进行监测来调节Q分支调制器的偏置电压；最后通过多次迭代循环调节偏置电压，以控制IQ调制器工作在最佳偏置状态。而通过宽温晶振模块为DSP处理模块与DDS模块提供相同的时钟信号，从而避免了温度改变时DSP处理模块的采样频率和由DDS模块生成的导频频率的比例发生变化而导致采样到的导频反馈信号相位存在偏差的问题。从而使本发明能在-40℃至80℃范围内精确控制IQ调制器的偏置状态。
附图说明
图1是偏置电压控制装置操作图。
图2是IQ调制器结构图。
图3是导频频率与采样频率比例对比图。
图4是偏置电压自动控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
如图1所示，偏置电压控制装置(4)由光电探测器(5)、前置输入放大模块(6)、DSP处理模块(7)、宽温晶振模块(8)、DDS模块(9)、模拟开关模块(10)、数模转换模块(11)、输出放大模块(12)构成。宽温晶振模块(8)与DSP处理模块(7)和DDS模块(9)连接，提供相同的时钟信号；DDS模块(9)由双通道的AD9958芯片及其外围电路构成，经模拟开关模块(10)连接至输出放大模块(12)的加法器；模拟开关模块(10)由两个模拟开关芯片及其外围电路构成；DSP处理模块(7)由DSP芯片以及其外围电路构成，通过IIC总线与数模转换模块(11)连接；而数模转换模块(11)由12位的DA芯片及其外围电路构成。
如图2所示，IQ调制器由两个马赫曾德调制器和一个相位调制器集成。其中两个马赫曾德调制器(MZM1和MZM2)分别嵌套在I、Q分支上并对各个分支的光信号进行调制，另外一个相位调制器(MZM3)将两个分支调制后的信号进行相位调制后汇合输出。
由图2可得，IQ调制器2的传输曲线可由下式表示：
Figure BDA0003226898540000023
其中Pi为输入光功率，PO为输出光功率，α为衰减系数，VBias1为MZM1的偏置电压，P2为MZM1的半波电压，Vd2为MZM2的偏置电压，Vπ2为MZM2的半波电压，
Figure BDA0003226898540000024
为MZM3调制的相位，而MZM3调制的相位会受MZM3的偏置电压变化的影响,且同一个IQ调制器里的半波电压相同，即Vπ1＝Vπ2＝Vπ。
MZM1的偏置电压VBias1和MZM2的偏置电压VBias2，由下式所示：
VBias1＝V1-Vπ+Vd1
VBias2＝V2-Vπ+Vd2
其中V1-Vπ为MZM1的直流偏置电压，V2-Vπ为MZM2的直流偏置电压，Vd1为MZM1的导频信号，即Vd1＝Asin(2πft)，Vd2为MZM2的导频信号，即Vd2＝Acos(2πft)，A为导频信号的峰值，f为导频信号的频率，且f远小于射频频率以及光载波频率。
根据上述表达式，将P1、P2设置为：
Figure BDA0003226898540000031
Figure BDA0003226898540000032
然后将P1、P2通过泰勒级数展开到二阶近似表示为：
Figure BDA0003226898540000033
Figure BDA0003226898540000034
由上式的推导，当
Figure BDA0003226898540000035
为
Figure BDA0003226898540000036
时，即相位调制器工作在QUAD点时，导频信号二次谐波的幅值最小，然后再当I、Q分支调制器工作在NULL点时，各自导频信号一次谐波的幅值最小。
如图3所示，T1为常温时导频信号的周期，T2为温度变化后导频信号的周期，T3为常温时采样信号的周期，T4为温度变化后采样信号的周期。当给DSP处理模块和DDS模块提供的时钟信号不相同时，由于温度改变，采样频率和对导频频率的比例发生变化，从而导致采样到的反馈信号相位产生偏差，因而无法在在-40℃至80℃温度范围内正常工作。而通过同一个晶振某块提供DSP处理模块和DDS模块提供相同的时钟信号即可避免了温度改变时采样频率和导频频率的比例发生变化而导致采样到的导频反馈信号相位存在偏差的问题，因此可以在-40℃至80℃温度范围内精确控制IQ调制器的偏置状态。
如图4所示，本发明的偏置电压控制装置的具体控制方法为：DSP处理模块(7)生成数字信号并将其传输至数模转换模块(11)进行转换，转换生成的模拟信号经输出放大模块(12)放大后分别传输至IQ调制器(2)的三个直流偏置电压输入端口，对IQ调制器(2)的偏置电压进行扫描调节，经IQ调制器(2)调制后的输出光信号通过光纤耦合器(3)耦合出部分光，传输至光电探测器(5)转换为电信号，电信号经过前置输入放大模块(6)的放大后传至DSP处理模块(7)进行监测，扫描调节偏置电压和监测传输曲线完成对IQ调制器(2)最佳偏置状态的偏置电压粗略确定，然后DSP处理模块(7)控制DDS模块(9)同时生成两个幅值、频率严格相同且相位相差
Figure BDA0003226898540000037
的导频信号通过模拟开关模块(10)和输出放大模块(12)分别引入至I、Q分支调制器的偏置电压端口。DSP处理模块(7)并同步对经前置输入放大模块(6)放大、隔直后的导频反馈信号进行模数转换和采样，并将采样数据进行FFT处理后得到导频反馈信号的一、二次谐波的幅值分量与相位关系来进行精确控制偏置电压。具体操作如下；首先，DSP处理模块(7)控制模拟开光模块(10)两路都导通，连接至输出放大模块(12)的加法器使两个幅值、频率严格相同且相位差为
Figure BDA0003226898540000041
的导频信号同时导入至I、Q分支调制器的偏置电压端口，并同步对导频反馈信号进行采样，通过对导频反馈信号的二次谐波幅值的最小值进行监测来调节相位调制器的偏置电压；然后，DSP处理模块(7)控制模拟开光模块(10)的仅一路导通，连接至输出放大模块(12)的加法器1使一路导频信号导入至I分支调制器的偏置电压端口，并同步对导频反馈信号进行采样，通过对导频反馈信号的一次谐波幅值的最小值进行监测来调节I分支调制器的偏置电压；再者，DSP处理模块(7)控制模拟开光模块(10)的仅一路导通，连接至输出放大模块(12)的加法器2使一路导频信号导入至Q分支调制器的偏置电压端口，并同步对导频反馈信号进行采样，通过对导频反馈信号的一次谐波幅值的最小值进行监测来调节Q分支调制器的偏置电压；最后，通过多次迭代循环调节偏置电压，以控制IQ调制器工作在最佳偏置状态。而宽温晶振模块(8)为DSP处理模块(7)和DDS模块(9)提供相同的时钟信号，从而避免了温度改变时DSP处理模块(7)的采样频率和由DDS模块(9)生成的导频频率的比例发生变化而导致采样到的导频反馈信号相位存在偏差的问题。因此本发明可以在-40℃至80℃温度范围内精确控制IQ调制器的偏置状态。

Claims (3)

1.一种基于DDS的可宽温工作的IQ调制器偏置电压控制装置，其特征在于：偏置电压控制装置(4)由光电探测器(5)、前置输入放大模块(6)、DSP处理模块(7)、宽温晶振模块(8)、DDS模块(9)、模拟开关模块(10)、数模转换模块(11)、输出放大模块(12)构成。宽温晶振模块(8)与DSP处理模块(7)和DDS模块(9)连接，提供相同的时钟信号；DDS模块(9)由双通道的AD9958芯片及其外围电路构成，经模拟开关模块(10)连接至输出放大模块(12)的加法器；模拟开关模块(10)由两个模拟开关芯片及其外围电路构成；DSP处理模块(7)由DSP芯片以及其外围电路构成，通过IIC总线与数模转换模块(11)连接；而数模转换模块(11)由12位的DA芯片及其外围电路构成。
偏置电压控制装置操作方式如下：DSP处理模块(7)生成数字信号并将其传输至数模转换模块(11)进行转换，转换生成的模拟信号经输出放大模块(12)放大后分别传输至IQ调制器(2)的三个直流偏置电压输入端口，对IQ调制器(2)的偏置电压进行扫描调节，经IQ调制器(2)调制后的输出光信号通过光纤耦合器(3)耦合出部分光，传输至光电探测器(5)转换为电信号，电信号经过前置输入放大模块(6)的放大后传至DSP处理模块(7)进行监测，扫描调节偏置电压和监测传输曲线完成对IQ调制器(2)最佳偏置状态的偏置电压粗略确定，然后DSP处理模块(7)控制DDS模块(9)同时生成两个幅值、频率严格相同且相位相差
Figure FDA0003226898530000013
的导频信号经模拟开关模块(10)和输出放大模块(12)分别引入至I、Q分支调制器的偏置电压端口并同步对导频反馈信号进行采样，通过DSP处理模块(7)对导频反馈信号的一、二次谐波幅值的监测来对IQ调制器(2)最佳偏置状态进行确定，从而完成自动控制IQ调制器(2)的偏置电压。
2.根据权利要求1所述的一种基于DDS的可宽温工作的IQ调制器偏置电压控制装置，其特征在于：所述的宽温晶振模块(8)与DSP处理模块(7)和DDS模块(9)连接，提供相同的时钟信号。DSP处理模块控制DDS模块(9)同时生成两个幅值、频率严格相同且相位差为
Figure FDA0003226898530000011
的导频信号并同步对导频反馈信号进行采样，并且通过宽温晶振模块(8)为DSP处理模块(7)和DDS模块(9)提供相同的时钟信号，从而避免了温度改变时DSP处理模块(7)的采样频率和由DDS模块(9)生成的导频频率的比例发生变化而导致采样到的导频反馈信号相位存在偏差的问题。因此本发明可以在-40℃至80℃温度范围内精确控制IQ调制器(2)的偏置状态。
3.根据权利要求1所述的一种基于DDS的可宽温工作的IQ调制器偏置电压控制装置，其特征在于：所述的通过DSP处理模块(7)对导频反馈信号的一、二次谐波幅值的监测来对IQ调制器(2)最佳偏置状态进行确定。DSP处理模块(7)对经前置输入放大模块(6)放大、隔直后的导频反馈信号进行模数转换和采样，然后DSP处理模块(7)再将采样数据进行FFT处理得到导频反馈信号一、二次谐波的幅值分量与相位关系。首先，DSP处理模块(7)控制模拟开光模块(10)两路都导通，连接至输出放大模块(12)的加法器使两个幅值、频率严格相同且相位差为
Figure FDA0003226898530000012
的导频信号同时导入至I、Q分支调制器的偏置电压端口，并同步对导频反馈信号进行采样，通过对导频反馈信号的二次谐波幅值的最小值进行监测来调节相位调制器的偏置电压；然后，DSP处理模块(7)控制模拟开光模块(10)的仅一路导通，连接至输出放大模块(12)的加法器1使一路导频信号导入至I分支调制器的偏置电压端口，并同步对导频反馈信号进行采样，通过对导频反馈信号的一次谐波幅值的最小值进行监测来调节I分支调制器的偏置电压；再者，DSP处理模块(7)控制模拟开光模块(10)的仅一路导通，连接至输出放大模块(12)的加法器2使一路导频信号导入至Q分支调制器的偏置电压端口，并同步对导频反馈信号进行采样，通过对导频反馈信号的一次谐波幅值的最小值进行监测来调节Q分支调制器的偏置电压；最后通过多次迭代循环调节偏置电压，以控制IQ调制器工作在最佳偏置状态。
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