CN115733552B - 一种基于fpga的电光调制器最优偏置点自适应跟踪方法 - Google Patents

一种基于fpga的电光调制器最优偏置点自适应跟踪方法

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本发明提供一种基于FPGA的电光调制器最优偏置点自适应跟踪方法，以光功率为判据，步进扫描出最优偏置点粗略值作为环路跟踪初始值；在电光调制器偏置电压端叠加直流信号、抖动信号、反馈信号；采集光功率反馈信号，计算抖动信号基波幅值和平均光功率的比值，并以此作为误差反馈值送入控制环路；设置合适的环路增益值，使环路输出偏置电压反馈值；经过预设时间后，误差反馈值趋于零，环路进入稳定跟踪状态，实现最优偏置点自适应跟踪。本发明使用抖动信号基波与平均光功率比值作为环路反馈信号，有效避免输入光功率、光电探测器响应度、插入损耗变化对偏置点跟踪的影响，实现光链路变化情况下对电光调制器最优偏置点的自适应跟踪。

Description

一种基于FPGA的电光调制器最优偏置点自适应跟踪方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种基于FPGA的电光调制器最优偏置点自适应跟踪方法。
背景技术
激光通信技术凭借其高速率、大带宽、保密性、灵活性等优势，日益成为世界各国在星间通信领域争相角逐的技术高地。在激光通信系统中，调制光信号的质量直接影响着整个通信系统的稳定性。马赫曾德尔电光调制器以其大带宽、低功耗、低啁啾等特性广泛应用于激光通信技术领域。然而在实际使用中，温度变化、外界干扰以及自身老化等因素都会使电光调制器偏置工作点发生漂移，从而引起调制光信号的失真，进而引起通信误码率的提高。因此解决电光调制器偏置点漂移问题，对于保证激光通信系统稳定运行具有极其重要的意义。
目前用于电光调制器最优偏置点控制的方法主要分为加抖动信号和无抖动信号两类。其中无抖动信号的方案一般是直接检测电光调制器输出光功率大小，以最小光功率对应位置作为最优偏置点，但光功率的波动严重影响最优偏置点的判断。加抖动信号的方案一般是取电光调制器输出光信号中抖动信号的某些特性作为环路反馈信号，再控制环路对最优偏置点实时跟踪。常用的加抖动信号方法有混频积分法和谐波比值法。混频积分法是利用调制器输出光功率与本地抖动信号先混频后积分，积分结果最小值作为最优偏置工作点，但该方法积分结果受光功率波动影响较大。谐波比值法是计算调制器输出光功率信号中抖动信号对应二次谐波与一次谐波比值，谐波比最大值位置对应最优偏置工作点，但该方法计算量大，而且在实际应用中二次谐波幅值波动大、波形效果不明显。
上述前两种方法无法避免光功率波动对最优偏置点位置的影响，只能手动调整积分增益或放大电路放大倍数才能保证最优偏置点稳定跟踪。谐波比值法虽然可以抵消光功率波动的影响，但其运算量占用资源大，实际应用效果不明显。
此外，电光调制器最优偏置点控制从实现手段上分为硬件实现和软件实现。硬件实现的电路设计复杂、成本高、灵活性差。软件实现方法上的主要差异是处理器的选取，主流的处理器有单片机、DSP、ARM、FPGA等，其中FPGA因其并行处理能力，运算速度快，更适合用于电光调制器最优偏置点的快速跟踪。
因此，需要一种可以避免光功率波动对最优偏置点位置影响的跟踪方法。
发明内容
本发明是为了解决光功率波动对最优偏置点位置影响的问题，提供一种基于FPGA的电光调制器最优偏置点自适应跟踪方法，以光功率为判据，步进扫描出最优偏置点粗略值作为环路跟踪初始值；在电光调制器偏置电压端叠加直流信号、抖动信号、反馈信号；采集光功率反馈信号，计算抖动信号基波幅值和平均光功率的比值，并以此作为误差反馈值送入控制环路；设置合适的环路增益值，使环路输出偏置电压反馈值；经过预设时间后，误差反馈值趋于零，环路进入稳定跟踪状态，实现最优偏置点自适应跟踪。本发明使用抖动信号基波与平均光功率比值作为环路反馈信号，抵消了光功率波动对环路的影响，有效避免输入光功率、光电探测器响应度、插入损耗变化对偏置点跟踪的影响，本发明使用FPGA作为主控制器，其高速并行处理能力较之单片机、ARM、DSP等处理器，能大幅提高对最优偏置点的跟踪速度，可实现光链路变化情况下对电光调制器最优偏置点的自适应跟踪。
本发明提供一种基于FPGA的电光调制器最优偏置点自适应跟踪方法，包括以下步骤：
S1、以光功率为判据，在跟踪系统中的电光调制器偏置电压端步进扫描，以光功率最小值位置作为最优偏置点的粗略值和环路跟踪的初始值；
S2、FPGA在电光调制器的偏置电压端叠加直流信号、输出抖动信号和反馈信号；
S3、FPGA接收ADC和光电探测器采集的光功率反馈信号并计算得到误差反馈值送入控制环路，误差反馈值为光功率反馈信号中抖动信号基波幅值和平均光功率的比值；
S4、FPGA设置环路增益值并向电光调制器输出偏置电压反馈值；
S5、判断是否到达预设时间，如果否，返回步骤S2；如果是，环路进入稳定跟踪状态，最优偏置点自适应跟踪方法完成。
本发明所述的一种基于FPGA的电光调制器最优偏置点自适应跟踪方法，作为优选方式，跟踪系统包括：电光调制器，与电光调制器的输入端光连接的激光器，与电光调制器的输出端依次光连接的分光镜、光电探测器，与光电探测器的输出端依次电连接的ADC、FPGA，与FPGA的射频信号输出端依次电连接的第一DAC、驱动放大电路和与FPGA的控制信号输出端电连接的第二DAC，分光镜的另一个输出端与下一级光路光连接，FPGA的输出端与激光器电连接，驱动放大电路的输出端与电光调制器的射频输入端电连接，第二DAC的输出端与电光调制器的控制信号输入端电连接；
FPGA用于进行激光器控制、射频信号输出、偏置电压控制、光功率反馈值采集和算法流程控制。
本发明所述的一种基于FPGA的电光调制器最优偏置点自适应跟踪方法，作为优选方式，分光镜为1:9分光镜，电光调制器的输出光经分光镜分光后90％的输出光作为调制光传送给下一级光路、10％的输出光经光电探测器反馈给FPGA以进行闭环控制。
本发明所述的一种基于FPGA的电光调制器最优偏置点自适应跟踪方法，作为优选方式，步骤S2中，直流信号为最优偏置点的粗略值，抖动信号为低频低振幅正弦信号，反馈信号为步骤S4中的偏置电压反馈值且初值为零。
本发明所述的一种基于FPGA的电光调制器最优偏置点自适应跟踪方法，作为优选方式，抖动信号的频率和幅度均低于射频信号。
本发明所述的一种基于FPGA的电光调制器最优偏置点自适应跟踪方法，作为优选方式，抖动信号的频率范围为：1KHz～10KHz，抖动信号的振幅范围为：0.05V～0.1V。
本发明所述的一种基于FPGA的电光调制器最优偏置点自适应跟踪方法，作为优选方式，步骤S3中，误差反馈值Ratio为：
其中，Vl为抖动信号电压，Vπ为半波电压，Vdc为直流偏置电压。
本发明所述的一种基于FPGA的电光调制器最优偏置点自适应跟踪方法，作为优选方式，
平均光功率为：
其中，k为插入损耗，η为光电探测器响应度；
抖动信号基波幅值P1st为：
本发明所述的一种基于FPGA的电光调制器最优偏置点自适应跟踪方法，作为优选方式，步骤S3中，光功率反馈信号的采样率小于射频频率。
本发明所述的一种基于FPGA的电光调制器最优偏置点自适应跟踪方法，作为优选方式，基于FPGA的电光调制器最优偏置点自适应跟踪方法的控制逻辑包括扫描状态机和闭环状态机，扫描状态机的结束为闭环状态机的开始；
扫描状态机为：初始状态偏置电压Vbias为0V，最优偏置点电压VNull为0V，扫描步进电压为固定值Vstep，在电光调制器的工作范围内扫描一轮，判断反馈光功率值最小的电压值，得到最优偏置点VNull的粗略值；
闭环状态机为：初始状态偏置电压反馈值Vfb为0V，抖动信号电压为Vl，偏置电压Vbias＝VNull+Vfb+Vl，其中Vl＜Vπ，Vπ为半波电压，抖动信号基波幅值与平均光功率的比值作为误差反馈值送入环路，得到更新的偏置电压反馈值Vfb，经过设定时间常数τ后，环路锁定。
本技术方案为：一种基于FPGA的电光调制器最优偏置点自适应跟踪方法，包括以下步骤：
S1、以光功率为判据，在电光调制器偏置电压端步进扫描，以光功率最小值位置作为最优偏置点的粗略值，并作为环路跟踪的初始值；
S2、在电光调制器偏置电压端叠加直流信号、抖动信号、反馈信号；
S3、FPGA通过ADC和光电探测器采集的光功率反馈信号，计算反馈信号中抖动信号基波幅值和平均光功率，将二者比值作为误差反馈值送入控制环路；
S4、设置环路增益值，使环路输出偏置电压反馈值；
S5、重复步骤S2-S4，经过预设时间后，误差反馈值趋于零，环路进入稳定跟踪状态，实现最优偏置点自适应跟踪。
采用的实现装置包括：光调制器、FPGA、激光器、光电探测器、ADC、DAC、驱动放大电路、分光镜。其中FPGA为主控芯片，负责激光器控制、射频信号输出、偏置电压控制、光功率反馈值采集、算法流程控制等功能；电光调制器输出光经1:9分光镜后，90％光作为调制光传送给下一级，10％光经光电探测器反馈给FPGA以供闭环控制。
步骤S2中的直流信号为步骤S1中最优偏置点的粗略值，抖动信号为低频低振幅正弦信号，反馈信号为步骤S4产生的偏置电压反馈值并且初值为零。
步骤S3中光功率反馈信号中抖动信号频率成分基波幅值的计算方法为：将光功率反馈信号分别与本地抖动信号Vsin、正交信号Vcos相乘，在积分周期内各自累加，然后取模。其对应计算公式为：
式中，Pfb为光功率反馈信号，P1st为基波幅值，本式为基波幅值的实现方法公式。
抖动信号的频率和幅度均远低于射频信号，因此不会对调制信息产生影响。
采用远低于射频频率的采样率采集光功率反馈信号，既避免射频信号的干扰，也降低对ADC器件的要求。
将抖动信号频率成分基波幅值与平均光功率比值作为误差反馈值，可以有效避免光功率波动带来的影响，该结论的推导过程如下：
设Pi为输入光功率，Po为输出光功率，电光调制器传递函数为：
式中，k为插入损耗，Vπ为半波电压，VRF为射频信号电压，Vdc为直流偏置电压，Vl为抖动信号电压。
电光调制器输出光经过分光镜后一部分光被光电探测器接收，FPGA控制ADC以远低于射频频段的采样率进行采样，设光电探测器响应度为η，则光功率反馈信号可表示为：
对该式展开：
将该式进行泰勒展开，保留到一次项并整理：
由上式可以得出，平均光功率表示为：
抖动信号基波幅值表示为：
则抖动信号基波幅值与平均光功率的比值为：
从该公式可以看出，抖动信号基波幅值与平均光功率的比值，不仅与输入光功率无关，还与插入损耗、光电探测器的响应度无关。因此利用该比值作为反馈信号，可以有效避免光链路波动造成的影响。
基于FPGA的控制逻辑由两个状态机完成，其中扫描状态机的结束标志为闭环状态机的开始标志。
(1)扫描状态机：初始状态偏置电压Vbias为0V，最优偏置点电压VNull为0V，扫描步进电压为固定值Vstep。在电光调制器工作范围内扫描一轮，判断反馈光功率值最小的电压值，即最优偏置点VNull的粗略值。
(2)闭环状态机：初始状态偏置电压反馈值Vfb为0V，抖动信号为Vl，偏置电压Vbias＝VNull+Vfb+Vl，其中Vπ＞＞Vl。以抖动信号基波幅值与平均光功率比值作为误差送入环路，得到更新的偏置电压反馈值Vfb。经过设定时间常数τ后，偏置电压反馈值Vfb趋于稳定，环路锁定。
电压反馈值通过功率反馈值计算得到。
本发明具有以下优点：
(1)有效避免了输入光功率、光电探测器响应度、插入损耗等光链路变化对偏置点跟踪的影响，解决了长时间工作激光器功率衰减、光电探测器响应度降低等问题给偏置点跟踪带来的影响，避免了手动调制增益值或放大倍数等人工操作，提高了整个控制系统的自适应性、可靠性、稳定性。
(2)在FPGA内部实现抖动信号产生、基波提取、比值计算、环路控制等操作，降低了硬件电路的复杂度。
(3)采取的FPGA控制逻辑简洁高效，并且充分发挥FPGA并行处理能力，较之其他处理器能更快实现最优偏置点跟踪。
附图说明
图1为一种基于FPGA的电光调制器最优偏置点自适应跟踪方法的结构示意图；
图2为一种基于FPGA的电光调制器最优偏置点自适应跟踪方法的流程图；
图3为一种基于FPGA的电光调制器最优偏置点自适应跟踪方法的FPGA控制逻辑图。
附图标记：
1、电光调制器；2、FPGA；3、ADC；4、光电探测器；5、激光器；6、分光镜；7、第一DAC；8、驱动放大电路；9、第二DAC。
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，一种基于FPGA的电光调制器最优偏置点自适应跟踪方法，包括以下步骤：
S1、以光功率为判据，在跟踪系统中的电光调制器1偏置电压端步进扫描，以光功率最小值位置作为最优偏置点的粗略值和环路跟踪的初始值；
S2、FPGA2在电光调制器1的偏置电压端叠加直流信号、输出抖动信号和反馈信号；
直流信号为最优偏置点的粗略值，抖动信号为低频低振幅正弦信号，反馈信号为步骤S4中的偏置电压反馈值且初值为零，抖动信号的频率和幅度均低于射频信号，抖动信号的频率范围为：1KHz～10KHz，抖动信号的振幅范围为：0.05V～0.1V；本实施例中，抖动信号的频率为3KHz，射频信号的频率为1GHz，抖动信号的振幅为0.1V；
S3、FPGA2接收ADC3和光电探测器4采集的光功率反馈信号并计算得到误差反馈值送入控制环路，误差反馈值为光功率反馈信号中抖动信号基波幅值和平均光功率的比值；
误差反馈值Ratio为：
其中，Vl为抖动信号电压，Vπ为半波电压，Vdc为直流偏置电压；
平均光功率为：
其中，k为插入损耗，η为光电探测器响应度；
抖动信号基波幅值P1st为：
光功率反馈信号的采样率小于射频频率，本实施例光功率反馈信号的采样率为100KHz；
S4、FPGA2设置环路增益值并向电光调制器1输出偏置电压反馈值；
S5、判断是否到达预设时间，如果否，返回步骤S2；如果是，环路进入稳定跟踪状态，最优偏置点自适应跟踪方法完成。
如图2所示，跟踪系统包括：电光调制器1，与电光调制器1的输入端光连接的激光器5，与电光调制器1的输出端依次光连接的分光镜6、光电探测器4，与光电探测器4的输出端依次电连接的ADC3、FPGA2，与FPGA2的射频信号输出端依次电连接的第一DAC7、驱动放大电路8和与FPGA2的控制信号输出端电连接的第二DAC9，分光镜5的另一个输出端与下一级光路光连接，FPGA2的输出端与激光器5电连接，驱动放大电路8的输出端与电光调制器1的射频输入端电连接，第二DAC9的输出端与电光调制器1的控制信号输入端电连接；
FPGA2用于进行激光器控制、射频信号输出、偏置电压控制、光功率反馈值采集和算法流程控制；
分光镜6为1:9分光镜，电光调制器1的输出光经分光镜6分光后90％的输出光作为调制光传送给下一级光路、10％的输出光经光电探测器4反馈给FPGA2以进行闭环控制；
如图3所示，基于FPGA的电光调制器最优偏置点自适应跟踪方法的控制逻辑包括扫描状态机和闭环状态机，扫描状态机的结束为闭环状态机的开始；
扫描状态机为：初始状态偏置电压Vbias为0V，最优偏置点电压VNull为0V，扫描步进电压为固定值Vstep，在电光调制器1的工作范围内扫描一轮，判断反馈光功率值最小的电压值，得到最优偏置点VNull的粗略值；
闭环状态机为：初始状态偏置电压反馈值Vfb为0V，抖动信号电压为Vl，偏置电压Vbias＝VNull+Vfb+Vl，其中Vl＜Vπ，Vπ为半波电压，抖动信号基波幅值与平均光功率的比值作为误差反馈值送入环路，得到更新的偏置电压反馈值Vfb，经过设定时间常数τ后，环路锁定。
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 (7)

1.一种基于FPGA的电光调制器最优偏置点自适应跟踪方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、以光功率为判据，在跟踪系统中的电光调制器（1）偏置电压端步进扫描，以光功率最小值位置作为最优偏置点的粗略值和环路跟踪的初始值；
S2、FPGA（2）在所述电光调制器（1）的偏置电压端叠加直流信号、抖动信号和反馈信号；
所述直流信号为所述最优偏置点的粗略值，所述抖动信号为低频低振幅正弦信号，所述反馈信号为步骤S4中的偏置电压反馈值且初值为零；
S3、所述FPGA（2）接收ADC（3）和光电探测器（4）采集的光功率反馈信号并计算得到误差反馈值送入控制环路，所述误差反馈值为所述光功率反馈信号中抖动信号基波幅值和平均光功率的比值；
S4、所述FPGA（2）设置环路增益值并向所述电光调制器（1）输出偏置电压反馈值；
S5、判断是否到达预设时间，如果否，返回步骤S2；如果是，环路进入稳定跟踪状态，最优偏置点自适应跟踪方法完成；
所述跟踪系统包括：所述电光调制器（1），与所述电光调制器（1）的输入端光连接的激光器（5），与所述电光调制器（1）的输出端依次光连接的分光镜（6）、所述光电探测器（4），与所述光电探测器（4）的输出端依次电连接的所述ADC（3）、所述FPGA（2），与所述FPGA（2）的射频信号输出端依次电连接的第一DAC（7）、驱动放大电路（8）和与所述FPGA（2）的控制信号输出端电连接的第二DAC（9），所述分光镜（6）的另一个输出端与下一级光路光连接，所述FPGA（2）的输出端与所述激光器（5）电连接，所述驱动放大电路（8）的输出端与所述电光调制器（1）的射频输入端电连接，所述第二DAC（9）的输出端与所述电光调制器（1）的控制信号输入端电连接；
所述FPGA（2）用于进行激光器控制、射频信号输出、偏置电压控制、光功率反馈值采集和算法流程控制；
基于FPGA的电光调制器最优偏置点自适应跟踪方法的控制逻辑包括扫描状态机和闭环状态机，所述扫描状态机的结束为所述闭环状态机的开始；
所述扫描状态机为：初始状态偏置电压为0V，最优偏置点电压为0V，扫描步进电压为固定值，在所述电光调制器（1）的工作范围内扫描一轮，判断反馈光功率值最小的电压值，得到最优偏置点的粗略值；
所述闭环状态机为：初始状态偏置电压反馈值为0V，抖动信号电压为，偏置电压，其中 ，为半波电压，所述抖动信号基波幅值与所述平均光功率的比值作为所述误差反馈值送入环路，得到更新的偏置电压反馈值，经过设定时间常数后，环路锁定。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的电光调制器最优偏置点自适应跟踪方法，其特征在于：所述分光镜（6）为1:9分光镜，所述电光调制器（1）的输出光经所述分光镜（6）分光后90%的输出光作为调制光传送给所述下一级光路、10%的输出光经所述光电探测器（4）反馈给所述FPGA（2）以进行闭环控制。
3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的电光调制器最优偏置点自适应跟踪方法，其特征在于：所述抖动信号的频率和幅度均低于射频信号。
4.根据权利要求3所述的一种基于FPGA的电光调制器最优偏置点自适应跟踪方法，其特征在于：所述抖动信号的频率范围为：1KHz~10KHz，所述抖动信号的振幅范围为：0.05V~0.1V。
5.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的电光调制器最优偏置点自适应跟踪方法，其特征在于：
步骤S3中，误差反馈值Ratio为：
；
其中，为抖动信号电压，为半波电压，为直流偏置电压。
6.根据权利要求5所述的一种基于FPGA的电光调制器最优偏置点自适应跟踪方法，其特征在于：
平均光功率为：
；
其中，k为插入损耗，为光电探测器响应度；
抖动信号基波幅值为：
。
7.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的电光调制器最优偏置点自适应跟踪方法，其特征在于：步骤S3中，所述光功率反馈信号的采样率小于射频频率。
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