CN114063323A - 一种电光调制器最佳偏置点自动控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电光调制器最佳偏置点自动控制方法，实时对电光调制器偏置点进行检测并及时的调整，避免输出的光信号发生失真。提出的控制方案是在电光调制器偏置电压输入端加入一个幅值为500mv，频率为1.6kHz抖动信号，在电光调制器输出端检测抖动信号，通过DSP对反馈的抖动信号进行基2FFT谐波分析，计算其一次谐波和二次谐波幅值，将计算出的各次谐波幅值作为反馈信号送给基于DSP的数字PID控制环节进行整定，经过整定后，系统输出补偿后的偏置电压，进而对电光调制器偏置点进行控制。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种电光调制器最佳偏置点自动控制方法。
背景技术
微波光子链路中，电光转换是非常重要的一步，如果不能保证电光调制器长时间稳定工作，整个应用系统的性能就会大打折扣。目前，光纤通信系统和微波光子链路广泛采用LiNbO3调制器作为电光转换模块。这类调制器主要以LiNbO3晶体为材料，利用该材料的电光效应实现电光转换，具有调制效率快、调制带宽大、体积小、插入损耗低等优点。但是LiNbO3材料有其自身的缺陷，容易受外界温度、湿度、压力、机械振动等的影响，调制器在长时间工作时，工作点会发生漂移，导致信号的杂散失真、消光比恶化、误码率增大等问题。因此，解决电光调制器的偏压漂移问题有着极其重要的意义。探索精度更高、适应范围更广的偏压控制技术也成为了当前的研究热点。
国内外对电光调制器最佳偏置点控制系统都展开了多方面的研究工作，许多成果开始出现。比如直流功率检测方案，通过检测调制器输出光功率稳定工作点；比如正负脉冲判断偏置工作点的偏移方案；比如平均光功率斜率值和余切值的偏置电压控制；比如加抖动信号，判断幅度最大值方案等。这些方案都有自己的创新之处，都有各自的优点，但是大部分方案如果实现系统的设计，都需要很高的硬件要求，并且硬件体积都很大，控制精度和稳定性不够高，不仅给操作上带来困难，而且成本也很高。
发明内容
本发明是为了解决一种电光调制器最佳偏置点自动控制系统，实时对电光调制器偏置点进行检测并及时的调整，避免输出的光信号发生失真。提出的控制方案是在电光调制器偏置电压输入端加入一个幅值为500mv，频率为1.6kHz抖动信号，在电光调制器输出端检测抖动信号，通过DSP对反馈的抖动信号进行基2FFT谐波分析，计算其一次谐波和二次谐波幅值，将计算出的各次谐波幅值作为反馈信号送给基于DSP的数字PID控制环节进行整定，经过整定后，系统输出补偿后的偏置电压，进而对电光调制器偏置点进行控制。
本发明提供一种电光调制器最佳偏置点自动控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、耦合：射频信号进入电光调制器转换为光信号输出至耦合器，耦合器将光信号部分输出至后级光链路、其余输出至光电检测模块，光电检测模块将光信号按照功率与输出电流关系转换为电信号；
S2、获得抖动信号：光电检测模块将电信号进行放大、带通滤波处理后获得抖动信号并输出至微控制模块；
S3、抖动信号处理：微控制模块将抖动信号转换为数字信号后再进行数字低通滤波获得抖动数字信号；
S4、获得偏置电压：微控制模块使用2FFT算法对抖动数字信号进行谐波分析，获得偏置电压u(k)并将偏置电压u(k)输出至DA输出模块，DA输出模块将偏置电压u(k)进行数模转换后获得偏置电压输入r(k)，偏置电压输入r(k)为模拟信号；
S5、获得补偿后偏置电压：抖动信号产生模块产生正弦抖动信号c(k)，偏置电压输入r(k)与正弦抖动信号c(k)共同输入加法模块后获得补偿后偏置电压u(k)，将补偿后偏置电压u(k)加载至电光调制器的输入端，实现最佳偏置点自动控制。
本发明所述的一种电光调制器最佳偏置点自动控制方法，作为优选方式，步骤S2中，带通滤波用于将电信号x(n)进行延时后再进行乘法累加运算，经过多级运算以后获得抖动信号。
本发明所述的一种电光调制器最佳偏置点自动控制方法，作为优选方式，步骤S4中，2FFT算法为：提取抖动数字信号y(n)的一次谐波和二次谐波，将一次谐波与二次谐波的幅值形成反馈误差信号并输出至微控制模块，获得偏置电压u(k)。
本发明所述的一种电光调制器最佳偏置点自动控制方法，作为优选方式，步骤S4中，一次谐波和二次谐波法的获得方法为：构造抖动数字信号y(n)的复序列，然后对复序列求傅里叶变换获得傅里叶变换序列Y(k)，进而求出傅里叶变换序列Y(k)的虚部傅里叶变换序列x1(k)和实部傅里叶变换序列x2(k)，再根据虚部傅里叶变换序列x1(k)和实部傅里叶变换序列x2(k)获得一次谐波幅值X(k)和二次谐波幅值
一次谐波幅值X(k)为：
二次谐波幅值
为：
本发明所述的一种电光调制器最佳偏置点自动控制方法，作为优选方式，电光调制器最佳偏置点自动控制系统包括电光调制器，与电光调制器输出端电连接的耦合器，分别与耦合器输出端电连接的后级光链路、光电检测模块，与光电检测模块输出端依次电连接的微控制模块、DA输出模块、加法模块和与加法模块输入端电连接的抖动信号产生模块，加法模块输出端与光电检测模块的输入端电连接。
本发明所述的一种电光调制器最佳偏置点自动控制方法的系统，作为优选方式，耦合器用于将电光调制器输出的光信号进行耦合分路，耦合器输出的光信号中，95％输出至后级光链路，5％输入至光电检测模块。
本发明所述的一种电光调制器最佳偏置点自动控制方法的系统，作为优选方式，光电检测模块包括信号放大装置和带通滤波装置。
本发明所述的一种电光调制器最佳偏置点自动控制方法的系统，作为优选方式，带通滤波装置为FIR滤波器。
本发明所述的一种电光调制器最佳偏置点自动控制方法的系统，作为优选方式，微控制模块包括DSP，DSP包括AD模块和数字PID控制器。
本发明所述的一种电光调制器最佳偏置点自动控制方法的系统，作为优选方式，抖动信号产生模块包括DDS芯片，DDS芯片产生的正弦抖动信号c(k)的幅度为500mv、频率为1.6kHz。
一种电光调制器最佳偏置点自动控制系统，包括如下步骤：
(1)对电光调制器输出的光进行95/5耦合分路，其中95％的一路进入后级光链路，用于及时监测光功率，5％的一路进入光电探测器，进行光电检测，将光信号按照功率与输出电流关系转换为电信号；
(2)对光电检测之后的电信号进行放大、带通滤波处理，将混杂的噪声和调制信号滤掉，得到抖动信号；
(3)抖动信号进入DSP内部AD模块，进行数字化，再通过数字低通滤波进一步滤除高频干扰；
(4)应用DSP实现的基2FFT算法对抖动信号进行谐波分析，根据此时电光调制器的工作点情况计算出谐波幅值，将谐波幅值作为误差信号送给基于DSP的数字PID控制器，利用数字PID的快速响应，补偿所需的偏置电压；
(5)经DSP计算出的偏置电压补偿值要由外部DA转换电路进行转换，将转换完成的模拟偏置电压值输入加法电路；
(6)选用DDS芯片AD9834产生一个稳定的正弦抖动信号，幅度500mv，频率1.6kHz，输入加法电路；
(7)加法电路实现的功能是将抖动信号与偏置电压相加，然后将输出的信号加载到电光调制器偏置电压输入端，实现最佳偏置点自动控制。
基2FFT算法对抖动信号进行谐波分析，提取出一次谐波与二次谐波，用一次谐波与二次谐波的幅值构成一个反馈误差信号，将误差信号送给数字PID，快速响应，补偿所需的偏置电压。
电光调制器传递函数为：
假设加载到电光调制器的抖动信号为VP(t)＝Vpilotsin(wpilot*t)，射频信号为VRF(t)＝VRFsin(wRF*t)，则经过光电检测器后的电流信号可以表示为：
对式子进行贝塞尔展开，得到：
对该展开式进行进一步化简以方便提取所分析的分量：
推导提取出直流分量为：
提取出抖动信号的一阶和二阶分量分别为：
Ipilot1＝-ηTdPinJ0(mRF)J1(mpilot)sin(φDC)
Ipilot2＝ηTdPinJ0(mRF)J2(mpilot)cos(φDC)
抖动信号一、二阶谐波比值法就是对加载抖动信号的电光调制器的输出经过光电检测后的电信号进行频率分析，提取抖动信号一、二阶分量，对其幅度计算比值，得到抖动信号一、二阶分量幅度比值为：
当加载的抖动信号幅度一定，即调制指数不变时，式中的贝塞尔系数为常数，此时，该比值只与直流偏置电压的相移有关，为正切函数，在调制器半波电压范围内为单调函数。因此该比值可以作为电光调制器偏置电压控制的判定量，并可以通过反馈补偿控制使该比值恒定以稳定控制电光调制器工作点。
具体发明如下：
(1)虽然之前的环节做过带通滤波处理，但是还是会在有用信号频率附近存在杂波，为了让DSP处理的数据更干净，对检测到的数字信号进行谐波分析之前需要做一个低通滤波处理，基于DSP实现了FIR数字低通滤波器。FIR滤波器的实现形式是对采集到的数据x(n)先进行延时，然后进行乘法累加运算，经过多级运算以后计算出滤波以后的序列y(n)；
(2)基2FFT算法求N点的实数据，首先应该构造复序列y(n)，然后对其求傅里叶变换Y(k)，进而求出其虚部、实部的傅里叶变换x1(k)和x2(k)，再把x1(k)和x2(k)通过公式进行计算，这样就最终得到x(n)的傅里叶换X(k)，实现对抖动信号的谐波分析，求出一次、二次谐波的幅值；
(3)电光调制器的偏置电压输入设定量r(k)由DSP给出，与反馈的工作点漂移量c(k)进行相加，经过DSP计算出补偿后的偏置电压u(k)，对它进行DA转换，产生模拟偏置电压，进而实现对被控对象电光调制器的控制，而电光调制器对抖动信号调制后的输出通过AD送入DSP，使整个系统构成典型闭环反馈自动控制系统。(3)电光调制器的偏置电压输入r(k)由DSP给出，与正弦抖动信号c(k)进行相加，输入DSP计算补偿后的偏置电压u(k)，对它进行DA转换，产生模拟偏置电压，进而实现对被控对象电光调制器的控制，使整个系统构成典型闭环反馈自动控制系统。
本发明具有以下优点：
(1)本发明只需要在电光调制器偏置电压输入端加入一个低频抖动信号，控制系统只检测被调制后的抖动信号进行分析和计算，避免了由于输入光源和输出光信号的不稳定和干扰混杂造成的控制失准。
(2)本发明通过对电光调制器的调制原理和特性分析，提出应用DSP设计FIR数字低通滤波器、基于2FFT谐波的快速分析法、数字PID，由于这些重要组成部分都是由DSP实现，不仅使最佳工作点的控制速度和准确性获得非常大的提升，还使系统的相应参数更易调节，可以根据使用者的需要在软件上自行调整，提升了系统操作上的灵活性，更重要的是节省了硬件资源，节约了成本。
(3)本发明提出应用泰勒级数计算工作点偏移量与加载偏置电压的关系，相比其他算法计算量更少，使控制系统的运算时间缩短。
附图说明
图1为一种电光调制器最佳偏置点自动控制方法流程图；
图2为一种电光调制器最佳偏置点自动控制方法结构示意图；
图3为一种电光调制器最佳偏置点自动控制方法特性曲线图；
图4为一种电光调制器最佳偏置点自动控制方法调制器传输曲线图；
图5为一种电光调制器最佳偏置点自动控制方法调制器传输曲线发生漂移图；
图6为一种电光调制器最佳偏置点自动控制方法一二阶谐波比值法仿真图。
附图标记：
1、电光调制器；2、耦合器；3、光电检测模块；4、微控制模块；5、DA输出模块；6、抖动信号产生模块；7、加法模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
如图1所示一种电光调制器最佳偏置点自动控制方法，包括以下步骤：
S1、耦合：射频信号进入电光调制器1转换为光信号输出至耦合器2，耦合器2将光信号部分输出至后级光链路、其余输出至光电检测模块3，光电检测模块3将光信号按照功率与输出电流关系转换为电信号；
S2、获得抖动信号：光电检测模块3将电信号进行放大、带通滤波处理后获得抖动信号并输出至微控制模块4；
带通滤波用于将电信号x(n)进行延时后再进行乘法累加运算，经过多级运算以后获得抖动信号；
S3、抖动信号处理：微控制模块4将抖动信号转换为数字信号后再进行数字低通滤波获得抖动数字信号；
S4、获得偏置电压：微控制模块4使用2FFT算法对抖动数字信号进行谐波分析，获得偏置电压u(k)并将偏置电压u(k)输出至DA输出模块5，DA输出模块5将偏置电压u(k)进行数模转换后获得偏置电压输入r(k)，偏置电压输入r(k)为模拟信号；
2FFT算法为：提取抖动数字信号yn的一次谐波和二次谐波，将一次谐波与二次谐波的幅值形成反馈误差信号并输出至微控制模块4，获得偏置电压u(k)；
一次谐波和二次谐波法的获得方法为：构造抖动数字信号y(n)的复序列，然后对复序列求傅里叶变换获得傅里叶变换序列Y(k)，进而求出傅里叶变换序列Y(k)的虚部傅里叶变换序列x1(k)和实部傅里叶变换序列x2(k)，再根据虚部傅里叶变换序列x1(k)和实部傅里叶变换序列x2(k)获得一次谐波幅值X(k)和二次谐波幅值
一次谐波幅值X(k)为：
二次谐波幅值
为：
S5、获得补偿后偏置电压：抖动信号产生模块6产生正弦抖动信号c(k)，偏置电压输入r(k)与正弦抖动信号c(k)共同输入加法模块7后获得补偿后偏置电压u(k)，将补偿后偏置电压u(k)加载至电光调制器1的输入端，实现最佳偏置点自动控制。
如图2所示，电光调制器最佳偏置点自动控制系统包括电光调制器1，与电光调制器1输出端电连接的耦合器2，分别与耦合器2输出端电连接的后级光链路、光电检测模块3，与光电检测模块3输出端依次电连接的微控制模块4、DA输出模块5、加法模块7和与加法模块7输入端电连接的抖动信号产生模块6，加法模块7输出端与光电检测模块3的输入端电连接；
耦合器2用于将电光调制器1输出的光信号进行耦合分路，耦合器2输出的光信号中，95％输出至后级光链路，5％输入至光电检测模块3；
光电检测模块3包括信号放大装置和带通滤波装置；
带通滤波装置为FIR滤波器；
微控制模块4包括DSP，DSP包括AD模块和数字PID控制器；
抖动信号产生模块6包括DDS芯片，DDS芯片产生的正弦抖动信号c(k)的幅度为500mv、频率为1.6kHz。
实施例2
如图1-2所示，一种电光调制器最佳偏置点自动控制方法，包括如下步骤：
(1)对电光调制器输出的光进行95/5耦合分路，其中95％的一路进入后级光链路，用于及时监测光功率，5％的一路进入光电探测器，进行光电检测，将光信号按照功率与输出电流关系转换为电信号；
(2)对光电检测之后的电信号进行放大、带通滤波处理，将混杂的噪声和调制信号滤掉，得到抖动信号；
(3)抖动信号进入DSP内部AD模块，进行数字化，再通过数字低通滤波进一步滤除高频干扰；
(4)应用DSP实现的基2FFT算法对抖动信号进行谐波分析，根据此时电光调制器的工作点情况计算出谐波幅值，将谐波幅值作为误差信号送给基于DSP的数字PID控制器，利用数字PID的快速响应，补偿所需的偏置电压；
(5)经DSP计算出的偏置电压补偿值要由外部DA转换电路进行转换，将转换完成的模拟偏置电压值输入加法电路；
(6)选用DDS芯片AD9834产生一个稳定的正弦抖动信号，幅度500mv，频率1.6kHz，输入加法电路；
(7)加法电路实现的功能是将抖动信号与偏置电压相加，然后将输出的信号加载到电光调制器偏置电压输入端，实现最佳偏置点自动控制。
基2FFT算法对抖动信号进行谐波分析，提取出一次谐波与二次谐波，用一次谐波与二次谐波的幅值构成一个反馈误差信号，将误差信号送给数字PID，快速响应，补偿所需的偏置电压。
图3-6为实施例1和实例例2的特性曲线图、调制器传输曲线图、调制器传输曲线发生漂移图和一二阶谐波比值法仿真图，可见本方法可提升最佳工作点的控制速度和准确性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种电光调制器最佳偏置点自动控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、耦合：射频信号进入电光调制器(1)转换为光信号输出至耦合器(2)，所述耦合器(2)将所述光信号部分输出至后级光链路、其余输出至光电检测模块(3)，所述光电检测模块(3)将所述光信号按照功率与输出电流关系转换为电信号；
S2、获得抖动信号：所述光电检测模块(3)将所述电信号进行放大、带通滤波处理后获得抖动信号并输出至所述微控制模块(4)；
S3、抖动信号处理：所述微控制模块(4)将所述抖动信号转换为数字信号后再进行数字低通滤波获得抖动数字信号；
S4、获得偏置电压：所述微控制模块(4)使用2FFT算法对所述抖动数字信号进行谐波分析，获得偏置电压u(k)并将所述偏置电压u(k)输出至DA输出模块(5)，所述DA输出模块(5)将所述偏置电压u(k)进行数模转换后获得偏置电压输入r(k)，所述偏置电压输入r(k)为模拟信号；
S5、获得补偿后偏置电压：抖动信号产生模块(6)产生正弦抖动信号c(k)，所述偏置电压输入r(k)与所述正弦抖动信号c(k)共同输入加法模块(7)后获得补偿后偏置电压u(k)，将所述补偿后偏置电压u(k)加载至所述电光调制器(1)的输入端，实现最佳偏置点自动控制。
2.根据权利要求1所述的一种电光调制器最佳偏置点自动控制方法，其特征在于：步骤S2中，所述带通滤波用于将所述电信号x(n)进行延时后再进行乘法累加运算，经过多级运算以后获得所述抖动信号。
3.根据权利要求2所述的一种电光调制器最佳偏置点自动控制方法，其特征在于：步骤S4中，所述2FFT算法为：提取所述抖动数字信号y(n)的一次谐波和二次谐波，将所述一次谐波与所述二次谐波的幅值形成反馈误差信号并输出至所述微控制模块(4)，获得所述偏置电压u(k)。
4.根据权利要求3所述的一种电光调制器最佳偏置点自动控制方法，其特征在于：步骤S4中，所述一次谐波和所述二次谐波法的获得方法为：构造所述抖动数字信号y(n)的复序列，然后对所述复序列求傅里叶变换获得傅里叶变换序列Y(k)，进而求出所述傅里叶变换序列Y(k)的虚部傅里叶变换序列x1(k)和实部傅里叶变换序列x2(k)，再根据所述虚部傅里叶变换序列x1(k)和所述实部傅里叶变换序列x2(k)获得一次谐波幅值X(k)和二次谐波幅值
所述一次谐波幅值X(k)为：
所述二次谐波幅值
为：
5.根据权利要求1所述的一种电光调制器最佳偏置点自动控制方法，其特征在于：电光调制器最佳偏置点自动控制系统包括电光调制器(1)，与所述电光调制器(1)输出端电连接的耦合器(2)，分别与所述耦合器(2)输出端电连接的后级光链路、光电检测模块(3)，与所述光电检测模块(3)输出端依次电连接的微控制模块(4)、DA输出模块(5)、加法模块(7)和与所述加法模块(7)输入端电连接的抖动信号产生模块(6)，所述加法模块(7)输出端与光电检测模块(3)的输入端电连接。
6.根据权利要求5所述的一种电光调制器最佳偏置点自动控制方法，其特征在于：所述耦合器(2)用于将所述电光调制器(1)输出的光信号进行耦合分路，所述耦合器(2)输出的所述光信号中，95％输出至所述后级光链路，5％输入至所述光电检测模块(3)。
7.根据权利要求5所述的一种电光调制器最佳偏置点自动控制方法，其特征在于：所述光电检测模块(3)包括信号放大装置和带通滤波装置。
8.根据权利要求7所述的一种电光调制器最佳偏置点自动控制方法，其特征在于：所述带通滤波装置为FIR滤波器。
9.根据权利要求6所述的一种电光调制器最佳偏置点自动控制方法，其特征在于：所述微控制模块(4)包括DSP，所述DSP包括AD模块和数字PID控制器。
10.根据权利要求6所述的一种电光调制器最佳偏置点自动控制方法，其特征在于：所述抖动信号产生模块(6)包括DDS芯片，所述DDS芯片产生的正弦抖动信号c(k)的幅度为500mv、频率为1.6kHz。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN115833953A (zh) * | 2022-11-29 | 2023-03-21 | 重庆大学 | 一种mz调制器偏置点控制系统及方法 |
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| CN108306689A (zh) * | 2018-01-13 | 2018-07-20 | 西安电子科技大学 | 基于三导频的双平行马赫-曾德尔调制器（dpmzm）的任意点自动偏压控制方法 |
| CN108566249A (zh) * | 2018-03-14 | 2018-09-21 | 中国电子科技集团公司第四十四研究所 | M-z调制器任意偏置点控制系统 |
-
2021
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Patent Citations (2)
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