调制器偏压锁定方法及基于软核的激光通信偏压控制系统

技术领域

本发明属于激光通信领域，具体涉及一种调制器偏压锁定方法及基于软核的激光通信偏压控制系统。

背景技术

以激光为载波的激光通信技术近几年广泛应用在航空航天、无线通信、工业制造等行业。在激光通信中，光调制主要分为内调制和外调制，但由于内调制无法满足现代通信对通信速率的要求，目前主要采用外调制的方式进行激光通信。外调制不受输出频率的限制，当调制器工作在最佳偏置电压点时，可以调制出理想的光信号。但由于受到环境温湿度、输入器件光功率、器件自身老化等因素的影响，调制器偏置电压点会发生漂移，造成输出的光信号质量劣化，进而导致误码率上升。

目前，为了实现最好的调制效果，需要采用外部施加的偏置电压进行反馈式控制，对激光通信系统的调制器偏置电压点的变化做出实时响应。目前，调制器偏置电压的锁定方法主要有输出功率检测法和微扰信号检测法。但输出功率检测法的精度较低，而微扰信号检测法由于采用快速傅里叶变换(FFT)获取微扰信号幅度大小，以进行调制器工作点跟踪处理，当采用FFT来锁定工作点时，由于FFT采样为固定的一些点，会增加处理时延，且存在计算量大、消耗时间长且存储空间大的问题，进而导致微扰信号检测法偏压锁定慢，且跟踪实时性和动态适应性差。另外，激光通信偏压控制系统通常采用可编程逻辑器件来实现激光通信高速数据传输处理，同时采用ARM、DSP、单片机等处理器来实现调制器工作点反馈式控制算法，当采用可编程逻辑器件叠加处理器一起控制调制器工作点电压值时，会造成硬件成本上升、系统功耗和体积均增大等问题。

发明内容

本发明的目的在于解决现有的调制器偏压锁定方法存在的精度低、偏压锁定慢、跟踪实时性和动态适应性差的技术问题，以及现有的激光通信偏压控制系统存在的硬件成本高、系统功耗和体积大的技术问题，而提供一种调制器偏压锁定方法及基于软核的激光通信偏压控制系统。

为了实现上述目的，本发明提供的技术解决方案如下：

一种调制器偏压锁定方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1】依次扫描调制器中I、Q、P三路信号的特征曲线，找到三路信号特征曲线中的最大点、最小点以及正交点；再根据调制方式设置I、Q、P三路信号对应的工作点电压；

2】偏压控制信号处理模块产生三路不同频率的微扰信号fI、fQ、fP，并将产生的三路不同频率的微扰信号fI、fQ、fP加载到调制器的三个直流偏置输入端；

3】三路不同频率的微扰信号fI、fQ、fP经过调制器后两两拍频，获得三路差频信号f1、f2、f3；

4】根据设定的采样频率fs1、fs2、fs3和采样点数N，计算三路差频信号f1、f2、f3各自对应的I/Q两路本地正交参考信号数组；

5】采集三路差频信号f1、f2、f3，获得三路差频信号f1、f2、f3对应的三个数据集；将三个数据集中的数据分别与三路差频信号f1、f2、f3各自对应的I/Q两路本地正交参考信号数组做内积，再根据三路差频信号f1、f2、f3分别对应的内积结果，计算三路差频信号f1、f2、f3的振幅值；其中，三路差频信号f1、f2、f3的采样频率与采样点数，与步骤4中对应的采样频率fs1、fs2、fs3和采样点数N相同；

6】根据三路差频信号f1、f2、f3的振幅值，调节输入调制器三个直流偏置输入端的三路直流电压值，并返回步骤5进行迭代，直至三路差频信号f1、f2、f3的振幅值均为最小值，实现调制器I、Q、P三路偏置电压的实时跟踪调整。

进一步地，步骤4】中，第一路差频信号f1产生的I/Q两路本地正交参考信号数组为f1R和f1I，第二路差频信号f2产生的I/Q两路本地正交参考信号数组为f2R和f2I，第三路差频信号f3产生的I/Q两路本地正交参考信号数组为f3R和f3I；所述f1R、f1I、f2R、f2I、f3R、f3I分别通过下式确定：

其中，f1′表示第一路差频信号f1的频率，f2′表示第二路差频信号f2的频率，f3′表示第三路差频信号f3的频率，n取0，1，2，...(N-1)。

进一步地，步骤5】中，将三个数据集中的数据与三路差频信号f1、f2、f3各自对应的I/Q两路本地正交参考信号数组做内积，再根据三路差频信号f1、f2、f3分别对应的内积结果，计算三路差频信号f1、f2、f3的振幅值，具体为：

将第一路差频信号f1对应的数据集中的数据分别与f1R、f1I做内积，得到第一路差频信号f1的实部f1_R与虚部f1_I；将第二路差频信号f2对应的数据集中的数据分别与f2R、f2I做内积，得到第二路差频信号f2的实部f2_R与虚部f2_I；将第三路差频信号f3对应的数据集中的数据分别与f3R、f3I做内积，得到第三路差频信号f3的实部f3_R与虚部f3_I；

再分别通过下述公式计算三路差频信号f1、f2、f3相应的振幅值A1、A2、A3：

进一步地，步骤5】中，还包括：

采集三路差频信号f1、f2、f3前，先对三路差频信号f1、f2、f3分别进行滤波。

进一步地，步骤4】中，采样频率fs1、fs2、fs3为相应的三路差频信号f1、f2、f3频率的四倍。

本发明还提供了一种基于软核的激光通信偏压控制系统，用于实现上述的一种调制器偏压锁定方法，本发明基于软核的激光通信偏压控制系统包括驱动模块和按输入输出依次连接的激光器、调制器、分束器、光电探测器以及偏压控制信号处理模块；所述驱动模块用于对高速数据流进行放大，放大后的信号进入调制器中，由调制器将数据调制到激光器发射的激光信号上；所述分束器用于将调制器输出的光信号分为两路，一路供后续光通信使用，另一路通过光电探测器转换为电信号后送入偏压控制信号处理模块，其特殊之处在于：

所述偏压控制信号处理模块包括按输入输出依次连接的程控放大电路、精调整电路、带通滤波电路、AD转换模块、可编程逻辑器件以及DA转换模块；

所述程控放大电路的输入端连接光电探测器的输出端，用于对接收的电信号进行程控放大；

所述精调整电路，用于对经程控放大的电信号进行精细放大或衰减；

所述带通滤波电路包括三路不同带宽的滤波模块，用于将经精细放大或衰减的信号通过三路滤波模块滤波后，获得三路不同频率的差频信号f1、f2、f3；

所述AD转换模块用于分别对三路不同频率的差频信号f1、f2、f3进行采集并将采集的模拟信号转换为数字信号；

所述DA转换模块的输出端连接调制器的三个直流偏置输入端；

所述可编程逻辑器件内设置有软核；所述软核，用于将采集的三路差频信号f1、f2、f3与三路差频信号f1、f2、f3各自对应的I/Q两路本地正交参考信号数组做内积，并根据内积结果计算出三路差频信号f1、f2、f3的振幅值，进而通过三路差频信号f1、f2、f3的振幅值调节DA转换模块输入到调制器三个直流偏置输入端的三路直流电压值。

进一步地，所述程控放大电路为两级程控放大电路，采用AD8253芯片实现；

所述精调整电路采用AD5450芯片实现。

进一步地，所述AD转换模块包括三个AD转换器，或者所述AD转换模块中的AD转换器包括三个转换通道；

所述DA转换模块包括三个DA转换器，或者所述DA转换模块中的DA转换器包括三个转换通道。

进一步地，所述可编程逻辑器件为FPGA；

所述软核采用microblaze。

本发明相比于现有技术的有益效果如下：

1、本发明提供的一种调制器偏压锁定方法，通过扫描调制器特征曲线设置对应工作点，产生三路不同频率的微扰信号fI、fQ、fP，进而两两拍频获得三路差频信号f1、f2、f3；再计算三路差频信号f1、f2、f3产生的I/Q两路本地正交参考信号数组，本方法只需要保存三组I/Q两路本地正交参考信号数组，即六路本地正交参考信号到内存中供后续使用，该方法极大地节省了系统内存。

2、本发明提供的一种调制器偏压锁定方法，将采集的三路差频信号f1、f2、f3分别与三路差频信号f1、f2、f3各自对应的I/Q两路本地正交参考信号数组做内积，获取三路差频信号f1、f2、f3的振幅值，该方法只需计算三路差频信号的内积值，相比传统的N点(N一般为1024，2048等)FFT，大大节省了计算量，有效提高了调制器偏置点的锁定速度，保证了偏压锁定跟踪的实时性和动态适应性。

3、本发明提供的一种调制器偏压锁定方法，相比传统的FFT的采样点数必须固定设置为2

4、本发明提供的一种调制器偏压锁定方法，由于大大节省了计算量，且系统内存占用较少，因此，只需要在可编程逻辑器件上设置软核，采用单片可编程逻辑器件及其内部的软核，就可以实现高速数据流处理和调制器工作点控制，不需要增加额外单独的处理器，节省了硬件资源，降低系统设计复杂度，减少了成本和功耗。

5、为了实现上述调制器偏压锁定方法，本发明还提供了一种基于软核的激光通信偏压控制系统，在可编程逻辑器件上设置有软核，软核将采集的三路差频信号f1、f2、f3分别与三路差频信号f1、f2、f3各自对应的I/Q两路本地正交参考信号数组做内积，并根据内积结果计算出三路差频信号f1、f2、f3的振幅值，进而通过三路差频信号的振幅值调节DA转换模块输入到调制器三个直流偏置输入端的三路直流电压值，这种方式大大减少了计算量，且系统内存占用较少，因此，本发明的激光通信偏压控制系统只需要采用单片可编程逻辑器件及其内部的软核，就可以实现高速数据流处理和调制器工作点控制，不需要增加额外单独的处理器，节省了硬件资源，降低系统设计复杂度，减少了成本和功耗。

6、本发明提供的一种基于软核的激光通信偏压控制系统，稳定性高，且能够实时跟踪调制器的工作点。

附图说明

图1为本发明一种调制器偏压锁定方法的流程示意图；

图2为本发明一种基于软核的激光通信偏压控制系统实施例的结构示意图。

具体附图标记如下：

1-激光器；2-调制器；3-驱动模块；4-分束器；5-光电探测器；6-偏压控制信号处理模块，61-程控放大电路；62-精调整电路；63-带通滤波电路；64-AD转换模块；65-可编程逻辑器件；66-DA转换模块。

具体实施方式

为使本发明的优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

一种调制器偏压快速锁定方法，如图1所示，具体步骤如下：

1】依次扫描调制器I、Q、P三路信号的特征曲线，找到三路信号特征曲线中的最大点、最小点以及正交点，本实施例中调制器的调制方式选取QPSK的调制方式，因此设置I、Q两路信号的工作点电压为最小点电压，P路信号的工作点电压为正交点电压。

2】偏压控制信号处理模块中的可编程逻辑器件在本实施例中选用FPGA,FPGA根据I、Q、P三路信号设置的工作点电压输出三路不同频率的PWM波，三路不同频率的PWM波经过不同的低通滤波器电路进行滤波，产生三路不同频率的微扰信号fI、fQ、fP。其中，PWM波的占空比优选设置为50％。

将三路微扰信号fI、fQ、fP加载到调制器I、Q、P三路信号对应的三个直流偏置输入口；此实施例中微扰信号为正弦信号，设置信号幅值范围为几十到几百毫伏。

3】三路不同频率的微扰信号fI、fQ、fP经过调制器后两两拍频，获得三路差频信号f1、f2、f3，即f1＝|fI-fQ|，f2＝abs|fI-fP|，f3＝abs|fQ-fP|，分别用于反映P路、Q路、I路的工作点漂移情况。

4】根据设定的采样频率fs1、fs2、fs3和采样点数N，计算三路差频信号f1、f2、f3各自对应的I/Q两路本地正交参考信号数组。

其中，采样频率fs1、fs2、fs3和采样点数N为获取三路差频信号f1、f2、f3的I/Q两路本地正交参考信号数组时的采样频率和采样点数。本发明中采样频率fs1、fs2、fs3和采样点数N在满足奈奎斯特采样定理(大于两倍信号频率)前提下，可以根据实际设计情况进行选择。优选的，本实施例中采样频率fs1、fs2、fs3设置为相应差频信号频率的四倍，将第一路差频信号f1的频率记为f1′，第二路差频信号f2的频率记为f2′，第三路差频信号f3的频率记为f3′，即fs1＝4f1′，fs2＝4f2′，fs3＝4f3′，采样点数N取1024。

将第一路差频信号f1产生的I/Q两路本地正交参考数组记为f1R、f1I，第二路差频信号f2产生的本地正交参考数组记为f2R、f2I，第三路差频信号f3产生的本地正交参考数组记为f3R、f3I。则f1R、f1I、f2R、f2I、f3R、f3I分别通过下式确定：

其中，n取0，1，2，...(N-1)。

针对第一路差频信号f1，本实施中选取1024点的本地正交参考数组如下：

f1R[1024]＝[1,0,-1,0,1,0,-1,0,1,0,-1,0……]，

f1I[1024]＝[0,-1,0,1,0,-1,0,1,0,-1,0,1……]。

针对差频信号f2，本实施中选取1024点的本地正交参考数组如下：

f2R[1024]＝[1,0,-1,0,1,0,-1,0,1,0,-1,0……]，

f2I[1024]＝[0,-1,0,1,0,-1,0,1,0,-1,0,1……]。

针对差频信号f3，本实施中选取1024点的本地正交参考数组如下：

f3R[1024]＝[1,0,-1,0,1,0,-1,0,1,0,-1,0……]，

f3I[1024]＝[0,-1,0,1,0,-1,0,1,0,-1,0,1……]。

5】通过AD转换器采集三路差频信号f1、f2、f3，并将其转换为相应的数字信号，获得三路差频信号f1、f2、f3对应的三个数据集。将三个数据集中的数据分别与步骤4获得的三路差频信号f1、f2、f3各自对应的I/Q两路本地正交参考信号数组做内积，再根据三路差频信号f1、f2、f3分别对应的内积结果，计算三路差频信号f1、f2、f3的振幅值；其中，三路差频信号f1、f2、f3的采样频率fs1_AD、fs2_AD、fs3_AD与采样点数N_AD，与步骤4中产生I/Q两路本地正交参考信号时的对应的采样频率fs1、fs2、fs3和采样点数N相同。

对于第一路差频信号f1，AD转换器采集1024个数据，形成第一路差频信号f1对应的数据集，将数据集中的数据存放在buffer_f1[1024]中，并分别与f1R、f1I做内积，得到第一路差频信号f1的实部f1_R与虚部f1_I，即：

f1_R＝buffer_f1[0]*f1R[0]+buffer_f1[1]*f1R[1]+buffer_f1[2]*f1R[2]+buffer_f1[3]*f1R[3]+……+buffer_f1[1023]*f1R[1023]；

f1_I＝buffer_f1[0]*f1I[0]+buffer_f1[1]*f1I[1]+buffer_f1[2]*f1I[2]+buffer_f1[3]*f1I[3]+……+buffer_f1[1023]*f1I[1023]；

再通过下式计算第一路差频信号f1的振幅值A1：

对于第二路差频信号f2，AD转换器采集1024个数据，形成第二路差频信号f2对应的数据集，将数据集中的数据存放在buffer_f2[1024]中，并分别与f2R、f2I做内积，得到第二路差频信号f2的实部f2_R与虚部f2_I，即：

f2_R＝buffer_f2[0]*f2R[0]+buffer_f2[1]*f2R[1]+buffer_f2[2]*f2R[2]+buffer_f2[3]*f2R[3]+……+buffer_f2[1023]*f2R[1023]；

f2_I＝buffer_f2[0]*f2I[0]+buffer_f2[1]*f2I[1]+buffer_f2[2]*f2I[2]+buffer_f2[3]*f2I[3]+……+buffer_f2[1023]*f2I[1023]；

再根据下式计算第二路差频信号f2的振幅值A2：

对于第三路差频信号f3，AD转换器采集1024个数据，形成第三路差频信号f3对应的数据集，将数据集中的数据存放在buffer_f3[1024]中，并分别与f3R、f3I做内积，得到第三路差频信号f3的实部f3_R与虚部f3_I，即：

f3_R＝buffer_f3[0]*f3R[0]+buffer_f3[1]*f3R[1]+buffer_f3[2]*f3R[2]+buffer_f3[3]*f3R[3]+……+buffer_f3[1023]*f3R[1023]；

f3_I＝buffer_f3[0]*f3I[0]+buffer_f3[1]*f3I[1]+buffer_f3[2]*f3I[2]+buff er_f3[3]*f3I[3]+……+buffer_f3[1023]*f3I[1023]；

再根据下式计算第三路差频信号f3的振幅值A3：

本实施例中由于采样频率fs1、fs2、fs3、fs1_AD、fs2_AD、fs3_AD优选设置为相应差频信号频率的四倍，因此控制过程不需要乘法运算，只需要对原始信号对应位置取反再求累加和，可以大大节省运算资源，提高运算速度。本实施例选取的四倍采样率为特殊值，在本发明的其他实施例中，当采样频率fs1、fs2、fs3、fs1_AD、fs2_AD、fs3_AD选择普通倍数时，即使有乘法运算，也只需要计算三个差频信号f1、f2、f3各自对应的N次乘法运算，相比于传统的偏压锁定FFT方法，同样大大节省了系统的运算资源，提高了运算速度。

本实施例选取的采样点数N和N_AD为1024点，依据本发明的调制器偏压快速锁定方法，可以随意选择采样点数，不受限于固定的一些点数。

因此本实施例中的四倍采样频率和1024采样点仅为该发明的一个优选的实施例，采样频率和采样点数也可以做适当调整，只要能实现上述功能即可。

6】本发明中偏压控制信号处理模块通过DA转换器将三路直流电压值输入调制器的三个直流偏置输入端，故根据步骤5获得的三路差频信号f1、f2、f3的振幅值，调节输入调制器的三路直流电压值，即DA转换器的输出值，并返回步骤5进行迭代，直至三路差频信号f1、f2、f3的振幅值均为最小值。当三路差频信号f1、f2、f3的振幅值均为最小值后，根据设置好的定时器定时时间实现调制器I、Q、P三路偏置电压的实时跟踪调整。

具体的，以第一路差频信号f1为例，根据步骤4获得的第一路差频信号f1的振幅值A1，增加DA转换器的输出值，并返回步骤5进行迭代，以获得更新迭代的振幅值。将首次获得的振幅值记为A1，第一次迭代后获得的新振幅值记为A1_1，比较A1_1与A1，若A1_1≤A1，则继续增加DA转换器的输出值，获得第二次迭代后获得的新振幅值A1_2，比较A1_1与A1_2，以此类推，直至A1_n>A1_(n-1)，则振幅值为A1_(n-1)时DA转换器的输出值为最佳值，此时，A1_(n-1)为振幅最小值，最终使A1_n稳定在振幅最小值。同理，第二路差频信号f2和第三路差频信号f3也采取同样的控制方法，直至三路差频信号f1、f2、f3的振幅值均为最小值。其中，定时器的定时时间根据实际电路设计及系统测试情况设置，定时时间既要满足一个周期内能完成一轮I、Q、P三路信号调整，又要保证周期间隔时间不能过长，影响跟踪的实时性，同时要保证整个处理系统可以处理别的进程。

为了实现上述调制器偏压锁定方法，本发明还供了一种基于软核的激光通信偏压控制系统，如图2所示，包括驱动模块3、激光器1、调制器2、分束器4、光电探测器5以及偏压控制信号处理模块6。

驱动模块3的输出端连接调制器2的射频输入端，激光器1的输出端连接调制器2的光输入端，驱动模块3用于对高速数据流进行放大，放大后的信号进入调制器2中，由调制器2将数据调制到载波(激光器1发射的激光信号)上。调制器2的光输出端连接分束器4的输入端，分束器4用于将调制器2输出的光信号分为两路；分束器的第一输出端用于将其中一路光信号输供给后续光通信使用，其第二输出端连接光电探测器5的输入端，用于将另一路光信号通过光电探测器5转换为电信号后送入偏压控制信号处理模块6中。

偏压控制信号处理模块6包括按输入输出依次连接的程控放大电路61、精调整电路62、带通滤波电路63、AD转换模块64、可编程逻辑器件以及DA转换模块66。

程控放大电路61的输入端连接光电探测器5的输出端，用于对接收的电信号进行程控放大，即进行粗放大。本实施例中程控放大电路61为两级程控放大电路。精调整电路62，用于对经程控放大的电信号进行精细放大或衰减调整。带通滤波电路63包括三路不同带宽的滤波模块，用于将经精细放大或衰减的信号通过三路滤波模块滤波后，获得三路不同频率的差频信号f1、f2、f3。本实施例中AD转换模块64中的AD转换器包括三个转换通道，用于分别对三路不同频率的差频信号f1、f2、f3进行采集并将采集的模拟信号转换为数字信号，在本发明的其他实施例中也可以将AD转换模块64设置为三个AD转换器。DA转换模块66输出的三路直流信号分别和对应的微扰信号fI、fQ、fP叠加，分别通过三个接口连接至调制器2的三个直流偏置输入端。同样的，本实施例中DA转换模块66中的DA转换器包括三个转换通道，在本发明的其他实施例中也可以将DA转换模块66设置为三个DA转换器。AD转换器在对三路不同频率的差频信号f1、f2、f3采集前，三路差频信号f1、f2、f3的幅度需要在AD转换器的采集量程范围内，若不满足，则通过调整前面的程控放大电路61和精调整电路62来进行粗调整和精调整。

可编程逻辑器件内设置有软核，软核用于将采集的三路差频信号f1、f2、f3与三路差频信号f1、f2、f3各自对应的I/Q两路本地正交参考信号数组做内积，并根据内积结果计算出三路差频信号f1、f2、f3的振幅值，进而通过三路差频信号f1、f2、f3的振幅值调节DA转换模块66输入到调制器2三个直流偏置输入端的三路直流电压值。

在本发明的一个具体实施例中，各器件可采用如下参数：

激光器1采用窄线宽激光器，产生的激光作为载波。调制器2采用电光调制器，为插入损耗<8dB、带宽>20G的LiNbO3调制器；本实施例中调制器2的调制方式选择QPSK调制，在本发明的其他实施例中，也可以采用OOK调制、BPSK调制、M-PSK及M-QAM等高阶调制或者双偏振调制等调制方式。驱动模块3采用高带宽、高增益、低插损的驱动。分束器4采用90:10光纤耦合无源器件，其中90％输出光信号供后续通信使用，10％输出光信号进入光电探测器。光电探测器5采用PIN管。程控放大电路61采用的程控放大芯片为AD8253，支持*1、*10、*100、*1000四档放大倍数，根据实测的信号大小选择放大倍数。精调整电路62采用双极性、精密AD5450进行精细放大或缩小微调。

本实施例中可编程逻辑器件使用FPGA,软核采用microblaze作为片内处理器，灵活控制AD转换器和DA转换器等外设。在本发明的其他实施例中，可编程逻辑器件也可以采用PLA、CPLD等器件。

以上所述，仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对上述实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。