一种基于FPGA的电光调制器偏置电压自动控制装置的制作方法
本发明涉及一种基于fpga的电光调制器偏置电压自动控制装置，属于光学控制技术领域。
背景技术：
光纤通信、分布式传感等技术领域大多采用脉冲光调制，通过分析光路的干涉或者散射情况来获得待测物理量的信息，其中脉冲光的消光比是系统最为重要的参数之一，直接影响后续系统的信噪比和稳定性。锂酸铌linbo3电光调制器以其低损耗、高响应度、频率调制啁啾小和波长依赖性小等优点，被广泛应用于脉冲光调制系统。然而由于其波导材料和自身结构的原因，易受外界环境如温度、振动的影响，长时间工作情况下，其自身热量的积累也容易造成其最佳工作点漂移或者抖动，导致输出脉冲光的消光比下降，影响系统性能甚至使得系统无法正常工作。因此对电光调制器的偏置电压进行自动控制，使其稳定在最佳工作点，对于系统长时间稳定运行具有重要意义。
目前电光调制器偏置电压反馈控制装置大多以单片机为主控芯片，采用内部a/d、d/a模块完成光电压的采集和偏置电压的输出。由于单片机工作主频一般不超过20mhz，且内部集成ad、da模块位宽有限，因此在偏置电压控制过程中存在响应速度慢、控制精度不足等缺点。
基于上述硬件方案的偏置电压反馈控制方法主要分为三类：
(1)直接光功率测量：直接测量电光调制器输出光功率，通过最小值点定位最佳工作点。由于电光调制器在扫频过程中不同频点对应的光功率存在波动，采用直接测量光功率的方式容易受到扫频的影响从而导致反馈控制过程发散；
(2)锁相混频积分法：在偏置电压基础上叠加正弦扰动信号进行调制，由硬件电路对电光调制器输出信号和正弦扰动信号进行混频后积分，通过检测积分零点定位最佳工作点。由于该方案无法区分电光调制器输出特性曲线最佳工作点相位φ0和(φ0+π)，因此首先需要在整个偏置电压控制范围内进行最佳工作点扫描，然后再通过该方法进行漂移跟踪。该方法对应的电路设计方案复杂，需要包括正弦信号发生器、加法器、混频器、积分电路等算法专用硬件模块，且扫描过程花费时间较长。
(3)二次谐波检测：在偏置电压基础上叠加正弦扰动信号进行调制，通过检测电光调制器输出信号二次谐波分量和一次谐波分量强度的比值来定位最佳工作点。由于电光调制器传输特性曲线在最佳工作点附近斜率k≈0，对应二次谐波分量与一次谐波分量强度的比值无法形成明显的峰值，难以实际应用，且需要倍频器生成二倍频信号，相对于方案(2)进一步提高了硬件成本和复杂度。
上述三种方案均无法通过软件调整光电放大电路放大倍数，当电光调制器输出光功率偏大时可能造成光电压饱和，光功率偏小时可能导致光电压信号信噪比下降。光功率偏大或者偏小均可能导致系统无法正常工作。
技术实现要素：
本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提出了一种基于fpga的电光调制器偏置电压自动控制装置，针对现有基于单片机的电光调制器偏置电压自动控制装置存在硬件电路复杂、响应速度慢、控制精度不足和系统适应性差等缺点，在主控fpga内部实现数字信号处理流程和反馈控制逻辑，简化外围电路，充分利用fpga并行处理的优势，提高了反馈控制速度，并且通过灵活配置数字电位器输出提高了跨阻放大电路的动态范围，增强了装置对外围光路差异的适应性。
本发明解决的技术方案为：一种基于fpga的电光调制器偏置电压自动控制装置，包括：光电探测器(1)、跨阻放大电路(3)、a/d采集模块(4)、主控fpga(5)、d/a转换模块(6)和偏置电压调理电路(7)；
跨阻放大电路(3)中具有数字电位器(2)；数字电位器(2)用作跨阻放大电路(3)中的跨阻；
外部电光调制器输出光信号，由分光片将输出光信号功率的5％输入至光电探测器(1)，由光电探测器(1)进行光电转换，产生光电流信号，送至跨阻放大电路(3)；
fpga(5)向数字电位器(2)发出控制指令，数字电位器(2)根据fpga(5)的控制指令，调整跨阻放大电路(3)中的跨阻值；
跨阻放大电路(3)根据调整后的跨阻值将光电流信号转换为模拟光电压信号，送至a/d采集模块(4)，主控fpga(5)控制a/d采集模块(4)采集模拟光电压信号进行模数转换后形成数字光电压信号，作为反馈控制的输入；主控fpga(5)通过反馈控制，驱动d/a转换模块(5)产生偏置电压信号，然后由偏置电压调理电路(6)对偏置电压信号进行幅度线性放大后，输出至电光调制器，使电光调制器工作在最佳工作点。
优选的，数字电位器(2)作为跨阻放大电路(3)中的跨阻，主控fpga(5)与数字电位器(2)控制接口相连，设置数字电位器(2)的输出值从而调整跨阻放大电路(3)放大倍数，提高了跨阻放大电路(3)的动态范围。
优选的，d/a转换模块(6)采用高精度(≥16bits)、低温漂(＜10ppm/℃)的d/a转换芯片dac8560，能够产生0v～2.5v的电光调制器偏置电压信号。
优选的，偏置电压调理电路(7)包括加法器(701)和同相比例放大电路(702)；加法器(701)具有两个输入端，分别为输入端1和输入端2；并具有一个输出端；其中加法器(701)输入端1连接至外部-1.25v直流偏置电压，加法器(701)的输入端2连接至d/a转换模块(6)输出；同相比例放大电路(702)输入端连接至加法器(701)输出端，同相比例放大电路(702)输出端连接至外部电光调制器偏置电压引脚，偏置电压调理电路(7)的放大倍数a＝10，偏置电压调理电路(7)的输出偏置电压范围为-12.5v～+12.5v。
优选的，主控fpga(5)控制数字电位器(2)设置跨阻值，控制a/d采集模块(4)采集光电压信号并进行模数转换，进行反馈控制，驱动d/a转换模块(6)产生偏置电压。
优选的，主控fpga(5)，包括：dds数字信号发生器(501)、数据选通器(502)、数字加法器(503)、d/a控制模块(504)，偏置电压反馈控制模块(505)、a/d控制模块(506)、带通滤波器(507)、互相关运算模块(508)。
优选的，主控fpga(5)包括：dds数字信号发生器(501)、数据选通器(502)、数字加法器(503)、d/a控制模块(504)，偏置电压反馈控制模块(505)、a/d控制模块(506)、带通滤波器(507)、互相关运算模块(508)；
dds数字信号发生器(501)产生直流偏置信号vbias和正弦扰动信号vsin；
数据选通器(502)具有输入端1、输入端2、选通端、输出端；
数字加法器(503)具有输入端1、输入端2、输出端；
偏置电压反馈控制模块(505)具有输入端1、输入端2、输出端；
互相关运算模块(508)具有输入端1、输入端2、输出端；
产生的直流偏置信号vbias为完全相同的两路，分别为信号vbias1和vbias2：信号vbias1连接至数据选通器(502)输入端1，信号vbias2连接至数字加法器(503)输入端1；产生的正弦扰动信号vsin为完全相同的两路，分别为：信号vsin1和vsin2；信号vsin1连接至数字加法器(503)输入端2，信号vsin2连接至互相关运算模块(508)输入端1，数字加法器(503)输出端连接至数据选通器(502)输入端2，数据选通器(502)输出端连接至d/a控制模块(504)的输入，数据选通器(502)选通端连接至偏置电压反馈控制模块(505)的输出端；
a/d采集模块(4)在a/d控制模块(506)的驱动下，采集模拟光电压信号进行模数转换后形成数字光电压信号，作为反馈控制的输入，数字光电压信号为完全相同的两路信号，分别为信号vdc1和vdc2：信号vdc1连接至偏置电压反馈控制模块(505)的输入端1，信号vdc2连接至带通滤波器(507)的输入端，经过带通滤波器(507)带通滤波后，带通滤波器(507)的输出连接至互相关运算模块(508)输入端2，互相关运算模块(508)输出端连接至偏置电压反馈控制模块(505)的输入端2；
(4)偏置电压反馈控制模块(505)根据a/d控制模块输出(506)输出的信号vdc1和互相关运算模块(508)输出的信号，采用预先设定的反馈控制逻辑，控制数据选通器(502)输出电光调制器偏置电压。
优选的，主控fpga(5)内部偏置电压反馈控制模块(505)采用的预先设定的反馈控制逻辑，包括三个阶段：初步定位最佳工作点阶段、调整跨阻放大电路阶段和精确定位并稳定最佳工作点阶段，步骤如下：
初步定位最佳工作点阶段，具体如下：
(1)电光调制器偏置电压自动控制装置上电，控制数据选通器(508)选通信号vbias1，设d/a控制模块(504)输出的直流偏置电压为vbias；
(2)dds数字信号发生器(501)驱动d/a控制模块(504)依次输出vbias＝vbias1-vstep1、vbias＝vbias1、vbias＝vbias1+vstep1，并采集a/d控制模块(506)对应的数字光电压信号输出(vdc1)，设vdc1的值分别为vad1、vad2、vad3，其中vstep1为设定的偏置电压粗调步长；
(3)若vad1>vad2>vad3，更新vbias1＝vbias1+vstep1，重复步骤(2)；若vad1<vad2<vad3，更新vbias1＝vbias1-vstep1，重复步骤(2)；若vad1≥vad2≤vad3，进入步骤(4)；假设电光调制器最佳工作点为vbias0，此时偏置电压vbias1接近最佳工作点：vbias0-vstep1≤vbias≤vbias0+vstep1；
调整跨阻放大电路阶段，具体如下：
(4)当vad2≤vl时，表明跨阻偏小，上调数字电位器(2)电阻值；当vad2≥vh时，表明跨阻偏大，下调数字电位器(2)电阻值，直至vl≤vad2≤vh；
精确定位并稳定最佳工作点阶段，具体如下：
(5)控制数据选通器(508)选通加法器(503)输出vadd＝vsin1+vbias2,vadd在直流分量vbias2的基础上叠加了一个微小的正弦扰动信号vsin1；
(6)互相关运算模块计算vac和vsin1的零点相关峰
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明涉及一种基于fpga的电光调制器偏置电压自动控制装置，以fpga为主控芯片，在fpga内部实现dds数字信号发生器、带通滤波器和互相关运算并进行反馈控制，降低了外围电路的复杂度，充分利用fpga并行处理的优势，提高了反馈控制速度；
(2)本发明与现有技术相比，用数字电位器取代了固定电阻作为跨阻，主控fpga可以通过控制数字电位器输出调整跨阻放大电路放大倍数，提高了电路的动态范围，增强了装置对外围光路差异的适应性；
(3)本发明与现有技术相比，采用高精度、低温漂模转换器dac8560进行数模转换,输出电压纯净，装置运行过程中不易产生热量积累，温漂引入的误差可控，提高了装置运行的稳定性；
(4)本发明与现有技术相比，反馈控制流程包括三个阶段：初步定位最佳工作点阶段、调整跨阻放大电路阶段和精确定位并稳定最佳工作点阶段，整个流程中首先对电光调制器偏置电压进行粗调，再进行微调，兼顾了电光调制器最佳工作点的定位精度和收敛速度；
(5)本发明与现有技术相比，采用反馈控制流程采用递归控制的方式自动定位最佳工作点，无需扫描整个电压范围，收敛速度快，工作效率高；
(6)本发明与现有技术相比，在fpga内部计算正弦扰动信号和电光调制器输出信号交流分量的零点相关峰，通过相关峰的正负判定最佳工作点漂移方向，数字信号处理过程灵活可控。
附图说明
图1是本发明一种基于fpga的电光调制器偏置电压自动控制装置系统组成示意图；
图2是本发明主控fpga内部数字信号处理流程示意图；
图3是本发明主控fpga内部反馈控制逻辑流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。
本发明一种基于fpga的电光调制器偏置电压自动控制装置，涉及光学控制领域，包括光电探测器、数字电位器、跨阻放大电路、a/d采集模块、主控fpga、d/a转换模块和偏置电压调理电路。主控fpga通过内部dds数字信号发生器、d/a转换模块和偏置电压调理电路在电光调制器直流偏置电压vbias基础上施加一个微小的正弦扰动信号vsin，电光调制器通过分光片将5％的输出光功率送至光电探测器，经过跨阻放大和a/d转换后输入至fpga，在fpga内部进行带通滤波后与vsin进行互相关运算，通过零点相关峰的正负来判断电光调制器最佳工作点的漂移方向从而进行反馈控制。本发明以fpga为主控芯片，在fpga内部实现dds数字信号发生器、带通滤波器和互相关运算并进行反馈控制，降低了外围电路的复杂度，提高了反馈控制速度；同时可以通过数字电位器改变跨阻放大电路的放大倍数，提高了电路的动态范围和系统的适应性，对于稳定电光调制器最佳工作点具有良好的实用价值。
电光调制器作为光纤通信、分布式传感等技术领域的关键元件，是否稳定工作在最佳工作点直接影响后续系统的信噪比和稳定性。本发明公开了一种基于fpga的电光调制器偏置电压控制装置，采用并行处理fpga替代传统的微控制器mcu作为控制核心，在fpga内部实现偏置电压反馈控制逻辑，简化了外围硬件电路，提高了反馈控制速度；装置反馈控制流程包括三个阶段：初步定位最佳工作点阶段、调整跨阻放大电路阶段和精确定位并稳定最佳工作点阶段。反馈控制流程无需扫描整个偏置电压工作范围即可定位最佳工作点，缩短了装置上电启动时间；调整跨阻放大电路阶段根据装置输入光功率的大小对i-v转换后的光电压信号幅度进行适应性调整，提高了跨阻放大电路的动态范围，增强了装置对于外围光路差异的适应性，大大提高了装置的实际应用价值。
如图1所示，一种基于fpga的电光调制器偏置电压自动控制装置，由光电探测器(1)、数字电位器(2)、跨阻放大电路(3)、a/d采集模块(4)、主控fpga(5)、d/a转换模块(6)和偏置电压调理电路(7)组成。
优选方案为：电光调制器通过分光片将5％的输出光功率输入至光电探测器(1)进行光电转换，光电探测器(1)输出的光电流信号送至跨阻放大电路(3)，其中跨阻为数字电位器(2)。主控fpga(5)根据输入光功率的大小，通过调整数字电位器(2)的输出电阻，对跨阻放大电路(3)的放大倍数进行调整，避免光电压信号饱和或者幅度过低；跨阻放大电路输出光电压信号送至a/d采集模块(4)，主控fpga(5)驱动adc采集光电压信号进行数字信号处理，fpga内部反馈控制逻辑根据数字信号处理结果驱动d/a转换模块(6)输出模拟电压信号并送至偏置电压调理电路(7)；偏置电压调理电路(7)对d/a转换模块(6)输出的模拟电压信号进行幅度线性放大，最终产生电光调制器所需的偏置电压；
优选方案为：光电探测器(1)，采用ingaas光电探测器，工作模式于反偏模式，提高光电探测灵敏度；
优选方案为：数字电位器(2)，选用ad5251单通道、128位、i2c接口、非易失性数字电位器，i2c控制接口连接至主控fpga，选择100kω档位；
优选方案为：跨阻放大电路(3)，选用数字电位器(2)作为跨阻，通过改变数字电位器(2)输出电阻调整跨阻放大电路(3)的放大倍数；
优选方案为：a/d采集模块(4)，选用ad7720单通道16位、12.5msps、spi接口模数转换器，主控fpga通过spi接口控制a/d采集模块进行采样；
优选方案为：主控fpga(5)，选用ep3c40f144c8n进行数字信号处理和反馈控制，具有低成本、小体积的优点；
优选方案为：d/a转换模块(6)，采用ti模数转换芯片dac8560进行电光调制器偏置电压的模数转换，该芯片内部集成2.5v基准电压，具有典型值2ppm/℃温漂，0.15nv-s毛刺脉冲能量和低至1.377mw的功耗，输出电压纯净，运行过程中不易产生热量积累，温漂引入的误差可控，对于提高装置运行稳定性具有重要意义；
优选方案为：偏置电压调理电路(7)，由加法器(701)和比例放大电路(702)构成，加法器(701)输入分别为d/a转换模块(6)输出模拟电压和-1.25v直流偏置电压，加法器(701)输出送至比例放大电路(702)，其中d/a转换模块(6)输出电压范围0～2.5v，叠加-1.25v直流偏置后，加法器输出电压范围-1.25v～1.25v；比例放大电路放大倍数a＝10，输出连接至电光调制器，输出电压范围-12.5v～12.5v；
优选方案为：所述主控fpga(5)，内部数据信号处理流程如图2所示，主控fpga(5)包括：dds数字信号发生器(501)、数据选通器(502)、数字加法器(503)、d/a控制模块(504)，偏置电压反馈控制模块(505)、a/d控制模块(506)、带通滤波器(507)、互相关运算模块(508)；
dds数字信号发生器(501)产生直流偏置信号vbias和正弦扰动信号vsin；
数据选通器(502)具有输入端1、输入端2、选通端、输出端；
数字加法器(503)具有输入端1、输入端2、输出端；
偏置电压反馈控制模块(505)具有输入端1、输入端2、输出端；
互相关运算模块(508)具有输入端1、输入端2、输出端；
产生的直流偏置信号vbias为完全相同的两路，分别为信号vbias1和vbias2：信号vbias1连接至数据选通器(502)输入端1，信号vbias2连接至数字加法器(503)输入端1；产生的正弦扰动信号vsin为完全相同的两路，分别为：信号vsin1和vsin2；信号vsin1连接至数字加法器(503)输入端2，信号vsin2连接至互相关运算模块(508)输入端1，数字加法器(503)输出端连接至数据选通器(502)输入端2，数据选通器(502)输出端连接至d/a控制模块(504)的输入，数据选通器(502)选通端连接至偏置电压反馈控制模块(505)的输出端；
a/d采集模块(4)在a/d控制模块(506)的驱动下，采集模拟光电压信号进行模数转换后形成数字光电压信号，作为反馈控制的输入，数字光电压信号为完全相同的两路信号，分别为信号vdc1和vdc2：信号vdc1连接至偏置电压反馈控制模块(505)的输入端1，信号vdc2连接至带通滤波器(507)的输入端，经过带通滤波器(507)带通滤波后，带通滤波器(507)的输出连接至互相关运算模块(508)输入端2，互相关运算模块(508)输出端连接至偏置电压反馈控制模块(505)的输入端2；
(4)偏置电压反馈控制模块(505)根据a/d控制模块输出(506)输出的信号vdc1和互相关运算模块(508)输出的信号，采用预先设定的反馈控制逻辑，控制数据选通器(502)输出电光调制器偏置电压。
优选方案为：所述主控fpga内部偏置电压反馈控制逻辑如图3所示，控制流程优选包括三个阶段：
初步定位最佳工作点阶段、调整跨阻放大电路阶段和精确定位并稳定最佳工作点阶段，步骤如下：
初步定位最佳工作点阶段，获取电光调制器传输特性曲线上三个点的坐标，通过鉴别最小值点来获取偏置电压递归的方向，递归步长vstep1＝(1％～10％)vπ，vπ为电光调制器半波电压，优选方案具体如下：
(1)电光调制器偏置电压自动控制装置上电，控制数据选通器(508)选通信号vbias1，设d/a控制模块(504)输出的直流偏置电压为vbias；
(2)dds数字信号发生器(501)驱动d/a控制模块(504)依次输出vbias＝vbias1-vstep1、vbias＝vbias1、vbias＝vbias1+vstep1，并采集a/d控制模块(506)对应的数字光电压信号输出(vdc1)，设vdc1的值分别为vad1、vad2、vad3，其中vstep1为设定的偏置电压粗调步长；
(3)若vad1>vad2>vad3，更新vbias1＝vbias1+vstep1，重复步骤(2)；若vad1<vad2<vad3，更新vbias1＝vbias1-vstep1，重复步骤(2)；若vad1≥vad2≤vad3，进入步骤(4)；假设电光调制器最佳工作点为vbias0，此时偏置电压vbias1接近最佳工作点：vbias0-vstep1≤vbias≤vbias0+vstep1；
调整跨阻放大电路阶段，具体如下：
(4)当vad2≤vl时，表明跨阻偏小，上调数字电位器(2)电阻值；当vad2≥vh时，表明跨阻偏大，下调数字电位器(2)电阻值，直至vl≤vad2≤vh；
精确定位并稳定最佳工作点阶段，具体如下：
(5)控制数据选通器(508)选通加法器(503)输出vadd＝vsin1+vbias2,vadd在直流分量vbias2的基础上叠加了一个微小的正弦扰动信号vsin1＝asin(ωt)，其中a为正弦扰动信号vsin1的幅度，a≤1‰vπ；ω为扰动信号角频率，ω≤10khz/2π；
vadd＝vbias2+asin(ωt)；(1)
(6)电光调制器传输特性曲线可以表示为：
其中α为系数，pin为电光调制器输入光功率，v为调制电压，vπ为半波电压，
通过带通滤波器(507)滤除直流分量：
计算vac与扰动信号vsin1的零点相关峰convzero：
其中ρ为常数，由式(5)可知convzero与电光调制器传输特性曲线在直流偏置电压vbias2处斜率成线性关系，当最佳工作点负向漂移时，convzero>0；当最佳工作点正向漂移时，convzero<0；当vbias位于最佳工作点时convzero＝0；
优选方案为：互相关运算模块(508)，计算vac和vsin1的零点相关峰
本发明涉及一种基于fpga的电光调制器偏置电压自动控制装置，以fpga为主控芯片，在fpga内部实现dds数字信号发生器、带通滤波器和互相关运算并进行反馈控制，降低了外围电路的复杂度，充分利用fpga并行处理的优势，提高了反馈控制速度；且本发明与现有技术相比，用数字电位器取代了固定电阻作为跨阻，主控fpga可以通过控制数字电位器输出调整跨阻放大电路放大倍数，提高了电路的动态范围，增强了装置对外围光路差异的适应性；
本发明采用高精度、低温漂模转换器dac8560进行数模转换,输出电压纯净，装置运行过程中不易产生热量积累，温漂引入的误差可控，提高了装置运行的稳定性；且本发明反馈控制流程包括三个阶段：初步定位最佳工作点阶段、调整跨阻放大电路阶段和精确定位并稳定最佳工作点阶段，整个流程中首先对电光调制器偏置电压进行粗调，再进行微调，兼顾了电光调制器最佳工作点的定位精度和收敛速度；
本发明与现有技术相比，采用反馈控制流程采用递归控制的方式自动定位最佳工作点，无需扫描整个电压范围，收敛速度快，工作效率高；且本发明与现有技术相比，在fpga内部计算正弦扰动信号和电光调制器输出信号交流分量的零点相关峰，通过相关峰的正负判定最佳工作点漂移方向，数字信号处理过程灵活可控。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！