CN201690436U - 应用于相位调制器的工作点控制装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种应用于相位调制器的工作点控制装置，该装置主要包括TIA电路、滤波放大电路、相位比较电路、积分电路、单片机控制电路、复位电路、低频信号产生电路、低通滤波器和监控电路；通过将所述控制装置用于相位调制器工作点的寻找，包括位于光特性曲线最大点和最小点的控制，整个装置采用硬件电路控制，能及时有效的对光路中的信号进行反馈控制，在上电的同时就可以完成对调制器工作点的控制，并且在环境变化的情况下保持光信号相对相位不变，达到稳定控制的效果。
Description
技术领域
本实用新型涉及光通信领域光调制器技术，尤其涉及一种应用于相位调制器的工作点控制装置。
背景技术
在高速长距离的光纤传输中，采用强度调制很难达到要求，目前在光纤通信领域的长距传输中的需要利用相位调制技术。对于当前的光电相位调制器，往往由于调节电压信号幅度的不同、控制工作点的不同，使得调制后的光信号呈现出不同的曲线。但是，光器件在运行过程中产生的热以及长期运行老化都会影响电场的强度，容易使电光调制器的特性发生改变，从而使得调制器的理想控制点从预设位置处产生漂移。而漂移导致的结果是调制后的光信号的曲线振幅和中心位置发生改变，从而使光眼图产生劣化。当发生严重漂移时，接收到的光信号甚至无法恢复出原有信息，所以必须实现光调制器工作点的稳定控制。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型的主要目的在于提供一种应用于相位调制器的工作点控制装置，用于防止由于器械、环境以及其他一系列的影响造成调制器工作点的偏移，使该装置的实现电路简洁，控制效果好，精确度高，响应速度快，应用方便。
为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：
一种应用于相位调制器的工作点控制装置，包括跨阻放大器TIA电路、滤波放大电路、相位比较电路；其特征在于，该装置还包括单片机控制电路和积分复位监控电路；其中，
TIA电路，用于将该调制器的光电二极管PD输出电流转化成电压信号；
滤波放大电路，用于检测TIA电路输出的电压信号，并将低频信号成分放大；
相位比较电路，用于检测误差信号的相位信息；
低频信号产生控制器，用于产生一个低频信号，并对偏置电压进行监控和对该低频信号幅度进行调节；
积分复位监控电路，完成直流偏置电压的输出电路。
较佳地，所述滤波放大电路进一步包括无源低通滤波器、比例运放电路、带通滤波器和有源低通滤波器；其中，
无源低通滤波器，采用RC电路，用于滤除从TIA电路输出的电压信号中含有的高频成份；
比例运放电路，用于放大从所述无源低通滤波器输出的电压信号；
带通滤波器，用于滤除所述比例运放电路输出的放大信号中的高频和低频噪声部分；
有源低通滤波器，用于滤除除了有用低频信号f之外的频率成份。
较佳地，所述相位比较电路，进一步包括反相器和相位误差比较器；其中，
反相器，用于对所述滤波放大电路输出的低频信号进行反相变换；
相位误差比较器，采用开关电容芯片设计，用于比较经滤波放大电路处理后的检测信号与所述反相器输出的反相信号的相位误差。
较佳地，所述单片机控制电路，进一步包括一单片机和一数字电位器；其中，
所述单片机，用于产生低频方波信号；
数字电位器，用于调节所述低频方波信号的幅度。
所述积分复位监控电路，进一步包括积分电路、复位电路、低通滤波器和监控电路；其中，复位电路进一步由窗口比较器和模拟开关芯片组成；
积分电路，用于对所述相位比较电路输出的误差信号进行积分调节，使其输出一个稳定直流信号，即该调制器的最佳工作点电压；
复位电路，用于对所述相位调制器的偏置电压脚重置复位；
低通滤波器，用于滤除输出信号DC bias中的高频成分；
监控电路，用于对输出信号DC bias的电压进行监视，若超过其工作电压范围，则进行自动复位操作。
本实用新型所提供的应用于相位调制器的工作点控制装置，具有以下优点：
本实用新型的控制装置用于相位调制器工作点的寻找，包括位于光特性曲线最大点和最小点的控制，整个装置采用硬件电路控制，能及时有效的对光路中的信号进行反馈控制，在上电的同时就可以完成对调制器工作点的控制，并且在环境变化的情况下保持光信号相对相位不变，达到稳定控制的效果。
附图说明
图1为现有光调制器工作点控制原理图；
图2为本实用新型的相位调制器工作点控制装置功能框图；
图3为本实用新型相位调制器原理示意图；
图4为图2所示装置的滤波放大电路功能框图；
图5为图2所示装置的相位比较电路功能框图；
图6为图4的滤波放大电路输出的检测信号及其反向信号示意图；
图7为图2所示装置的积分复位监控电路功能框图；
图8为图2所示装置的低频信号产生控制器功能框图；
图9为图8的低频信号产生控制器输出的低频方波信号示意图。
具体实施方式
下面结合附图及本实用新型的实施例对本实用新型的控制装置作进一步详细的说明。
图1为现有光调制器工作点控制原理图，如图1所示，除包括相位调制器外，还包括跨阻放大器(TIA，Transimpedance Amplifier)电路10、滤波放大电路20、误差信号比较电路30、积分补偿电路40、低频信号产生电路70。
其工作过程如下：将相位调制器的光电二极管(PD，Photo-Diode)输出的反向电流输入TIA电路10得到输出电压信号，将该输出电压信号再输入滤波放大电路20进行放大；从低频信号产生电路70输出低频信号，将该低频信号和滤波放大电路20放大后的信号输入误差信号比较电路30进行对比，检测误差信号的相位信息，并将该信息输入积分补偿电路40对相位的误差进行积分调节，然后将低频信号产生电路70输出的低频信号和积分补偿电路40输出的信号送入加法器进行相加，再将加法器输出后的信号输入该相位调制器的直流偏置(DC bias)电压对该光调制器进行工作点的控制。
图2为本实用新型的相位调制器工作点控制装置功能框图，如图2所示，该工作点控制装置主要包括：TIA电路10、滤波放大电路20、相位比较电路30、积分电路40、单片机控制电路50、复位电路60、低频信号产生电路70、低通滤波器80和监控电路90。这里，积分电路40、复位电路60、低通滤波器80和监控电路90，合称积分复位监控电路(详见附图7)；单片机控制电路50和低频信号产生电路70，合称低频信号产生控制器(详见附图)。其中，
TIA电路10，用于将该调制器的PD输出电流转化成电压信号；
滤波放大电路20，用于检测TIA电路输出的电压信号，并将低频信号成份放大；
相位比较电路30，用于检测误差信号的相位信息；
积分电路40，用于对上述相位的误差信号进行积分调节；
单片机控制电路50，单片机产生一个低频信号，并且对偏置电压进行监控；
复位电路60，用于对所述相位调制器的偏置电压脚重置复位；
低频信号产生电路70，对低频信号幅度进行调节；
低通滤波电路80，用于滤除输出信号DC bias中的高频成分；
监控电路90，用于对输出信号DC bias的电压进行监视，若超过其工作电压范围，则进行自动复位操作。
由于外部因素造成了光相位调制器的调制曲线发生了漂移而使传递的信号产生错误，上述装置实现了对调制器偏置电压工作点的反馈控制。
光相位的调制，要求调制器工作在null点，将一个低频方波信号通过调制器的直流(DC)端口叠加到高速的数据信号中去，再通过PD对光信号进行解调，该解调信号经过检波、滤波放大、信号误差比较和积分调节输出直流控制信号实时寻找调制器工作点。
在具体应用上，光传输系统从激光器发光到调制器输出光信号有时间的要求，要在毫秒级的时间内寻找到工作点并完成反馈控制，相位调制器工作点的寻找是通过单片机控制电路50产生一个低频方波信号输入到调制器的DC bias管脚，使该信号叠加在高速的数据信号上一起进行光调制，从而得到相位调制的光眼图，如图3所示。
叠加在数据信号的低频信号可以实时反映光调制曲线的偏移情况，该控制装置即是要对此信号进行反馈控制达到稳定工作点的目的，光相位调制器的内置的PD检测出光电流信号，该信号里包含了所需要控制的低频信号，还包括高频信号部分。
PD出来的光电流经过TIA电路10转化成放大的电压信号，该电压信号包括了所需要控制的低频部分还有高频噪声以及直流的成份，所以首先要求搁置直流的成份，滤出所需要的低频部分。
该放大的信号经过滤波放大电路20滤出低频信号与原输入到调制器的低频信号f进行相位的比较，通过相位比较电路30得到一个误差信号。
积分电路40调节该误差信号直到输出一个稳定直流信号，即该调制器的最佳工作点电压。
图4为图2所示装置的滤波放大电路原理框图，如图4所示，该滤波放大电路20，主要包括：无源低通滤波器201、比例运放电路202、带通滤波器203、有源低通滤波器204。其中，
无源低通滤波器201，采用RC电路，根据所要滤波的频率，设计合适的RC值；
比例运放电路202，由一定电阻、放大器组成；
带通滤波器203，由一定电阻、电容、放大器组成带通滤波电路；
有源低通滤波器204，由合适电阻、电容、放大器组成低通滤波电路；
该滤波放大电路工作流程如下：由调制器的内置PD将光信号转化成电流信号，该信号包含了从调制器偏置(bias)端口输入的低频信号f成份，选取合适的TIA电路10，将电流信号转换成可处理的电压信号，再进入无源低通滤波电路201滤除高频成份，为了得到较为干净的低频信号，经过比例运放电路202将该信号放大，再通过带通滤波器203再次进行滤波处理，滤除高频和低频的噪声部分，最后再经一级有源低通滤波器204得到低频信号f。
图5为图2所示装置的相位比较电路功能框图，如图5所示，该相位比较电路包括一个信号反相器301和一个相位比较器302。其中，
反相器301，直接选取带宽频率合适的反相器芯片；
相位误差比较器302，采用开关电容芯片设计，用于比较经滤波放大后的检测信号与其反向信号的相位误差。
该相位比较电路工作流程如下：经过滤波放大以后的信号是一个干净低频信号，为了得到该信号与单片机控制电路50产生的低频信号之间相位差信息，该信号一端经过反相器301反相后输入到相位比较器302，另一端直接输入到相位比较器302，此时在由单片机控制电路50产生的低频方波信号控制比较器的电容开关，来控制是正相输出还是反相输出。如图6所示为输入到相位误差比较器中的两路相位相反的信号波形。
图7为图2所示装置的积分复位监控电路功能框图，如图7所示，完成直流偏置(DC Bias)电压的输出电路，包括积分电路40、复位电路60、低通滤波器80和监控电路90。其中，
积分电路40，由选取合适的放大器、电容组成；
复位电路60，由窗口比较器601，模拟开关芯片602组成；
低通滤波器80，选择合适放大器、电容和电阻组成；
监控电路90，选择合适的取样电阻和放大器组成。
该积分复位监控电路工作流程如下：通过相位误差比较器302输出的信号是一个随着调制器偏置(Bias)电压变化而变化的信号，当该信号输入到积分电路中，积分电路的输出始终朝某趋势变化，直到调制器处于最佳工作点，此时积分电路的输入信号平均值为0，对应积分电路的输出为一个稳定的直流电压即偏置(Bias)电压。由于调制器的工作状态随环境变化而变化，它的工作点Bias电压也随着变化，但是通过积分电路40的输出电压存在一个上下限制，当达到限制电压值时就维持不变，另外积分电路先于调制器开始工作，此时PD并没有信号输出，积分电路会积分到它的限制电压而不再变化，所以设计了复位电路60，首先在Bias电压的输出端监控电路90对其进行采样输入到窗口比较器电路中601，设定窗口比较器的门限值，当输出电压超过门限值时比较器输出一个开关信号给模拟开关602的控制脚，模拟开关芯片602输出一个零电平信号到Bias的输出使其归零重置，此时从0电平开始重新积分直到找到最佳工作点。
图8为图2所示装置的低频信号产生控制器功能框图，如图8所示，该低频信号产生电路主要由单片机控制电路50和数字电位器701组成。其中，
单片机控制电路50，用于产生低频方波信号，根据电路设计，该低频方波信号的频率还可以调节；
数字电位器701，用于调节所述低频方波信号的幅度。
本实用新型中，对于方波信号有一定要求：(1)对于抖动信号幅度的大小不能太小，要保证其经过PD能够检测出来，也不能太大而影响数据信号，一般要求小于数据信号幅度的1％；(2)低频信号的频率要保证足够低，要使其不会影响调制信号的光谱；(3)该低频信号选择占空比为50％的方波信号。如图9所示信号幅度为50mv左右，频率为10KHz的低频方波信号，即符合上述要求。
以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。
Claims (5)
1.一种应用于相位调制器的工作点控制装置，包括跨阻放大器TIA电路、滤波放大电路、相位比较电路；其特征在于，该装置还包括单片机控制电路和积分复位监控电路；其中，
TIA电路，用于将该调制器的光电二极管PD输出电流转化成电压信号；
滤波放大电路，用于检测TIA电路输出的电压信号，并将低频信号成分放大；
相位比较电路，用于检测误差信号的相位信息；
低频信号产生控制器，用于产生一个低频信号，并对偏置电压进行监控和对该低频信号幅度进行调节；
积分复位监控电路，完成直流偏置电压的输出电路。
2.根据权利要求1所述的应用于相位调制器的工作点控制装置，其特征在于，所述滤波放大电路进一步包括无源低通滤波器、比例运放电路、带通滤波器和有源低通滤波器；其中，
无源低通滤波器，采用RC电路，用于滤除从TIA电路输出的电压信号中含有的高频成份；
比例运放电路，用于放大从所述无源低通滤波器输出的电压信号；
带通滤波器，用于滤除所述比例运放电路输出的放大信号中的高频和低频噪声部分；
有源低通滤波器，用于滤除除了有用低频信号f之外的频率成份。
3.根据权利要求1所述的应用于相位调制器的工作点控制装置，其特征在于，所述相位比较电路，进一步包括反相器和相位误差比较器；其中，
反相器，用于对所述滤波放大电路输出的低频信号进行反相变换；
相位误差比较器，采用开关电容芯片设计，用于比较经滤波放大电路处理后的检测信号与所述反相器输出的反相信号的相位误差。
4.根据权利要求1所述的应用于相位调制器的工作点控制装置，其特征在于，所述单片机控制电路，进一步包括一单片机和一数字电位器；其中，
所述单片机，用于产生低频方波信号；
数字电位器，用于调节所述低频方波信号的幅度。
5.根据权利要求1所述的应用于相位调制器的工作点控制装置，其特征在于，所述积分复位监控电路，进一步包括积分电路、复位电路、低通滤波器和监控电路；其中，复位电路进一步由窗口比较器和模拟开关芯片组成；
积分电路，用于对所述相位比较电路输出的误差信号进行积分调节，使其输出一个稳定直流信号，即该调制器的最佳工作点电压；
复位电路，用于对所述相位调制器的偏置电压脚重置复位；
低通滤波器，用于滤除输出信号DC bias中的高频成分；
监控电路，用于对输出信号DC bias的电压进行监视，若超过其工作电压范围，则进行自动复位操作。
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