式】
[0029] 下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
[0030] 本实施提供一种三晶片型偏振态编码器的驱动控制系统，如图1所示，包括相互相 连的一高压驱动电路与一控制电路;所述高压驱动电路包含一直流稳压单元、一高精度稳 压单元、一 DAC单元以及一高压放大单元;所述控制电路包括一 ARM主控单元以及一 DPS运算 单元;所述控制电路根据从输入偏振态到目标偏振态的搜索路径，用以控制所述高压驱动 电路的输出电压;所述高压驱动电路与一自由空间相干光通信的三晶片型偏振态编码器相 连，用以为三晶片型偏振态编码器提供驱动偏压，实现自由空间单光束相干光通信的偏振 态编码。
[0031] 在本实施例中，所述自由空间相干光通信的三晶片型偏振态编码器包括第一晶 片、第二晶片与第三晶片，编码器输出偏振态与外加偏压和输入偏振态的关系为：
其中，引入Stokes参量描述偏振态，S2和S3为输出偏振态的Stokes参量，Vi、V2和V3分别 为所述高压驱动电路的三组输出偏压，即施加在三块晶片上的偏压。
[0032] 根据公式计算可得，若想完成偏振态编码器的Poincare球遍历，所需最大偏压为 120V，考虑到自由空间相干光通信三晶片型偏振态编码器的这种结构特点与需求，构建相 应的驱动器，设计输出范围为0V~150V，三组输出驱动自由空间相干光通信的三晶片型偏振 态编码器的对应晶片，包含高压驱动电路和控制电路两部分。
[0033] 在本实施例中，如图2所示，控制电路内部结构和接口分配，ARM为意法半导体公司 (ST)生产的处理器STM32F103RFT6，DSP为德州仪器（TI)公司制造的数字信号处理器 TMS320F2812。其中ARM芯片主要用到USB 2.0、1^41^、3个5?1接口、1个40(：和一个定时器。 ARM的Cortex M3内核通过ΑΡΗ总线管理各个接口，通过USB或者串口总线用于向PC发送编码 数据，USART用于调试。ADC负责采集外界电磁噪声，给随机数产生提供种子。三个SPI接口负 责控制高压驱动电路，与高压驱动电路的三个DAC单元通信，其中SPI1接口作为复用口，与 DSP通信。DSP主要用到SPI、JTAG、PIE中断管理器、内部FLASH和RAM资源。SPI接口用于与ARM 交换数据，JTAG接口用于程序下载和仿真，内部FLASH和RAM分别用于偏振搜索算法代码和 算法产生的临时变量的储存，中断管理器PIE用于及时响应ARM发送来的数据。ARM的程序实 现如下的功能： 第一，利用ADC采集电磁噪声作为种子，通过随机数生成器产生随机调制信号； 第二，将调制信号通过SPI1总线发送给DSP; 第三，将随机选择的编码通过串口或者USB总线发送给上位机。
[0034]第四，接受来自DSP的返回电压值，通过SPI总线发送给DAC。
[0035] DSP嵌入程序的主要功能是:通过SPI总线接收来自ARM的控制编码信号，通过偏振 搜索算法，搜索出达到目标偏振态所需的一组电压值，并通过SPI总线返回给ARM。
[0036] 在本实施例中，所述ARM主控单元与所述DPS运算单元通过一SPI总线相连，所述 ARM主控单元还通过串口或USB总线与一用以显示编码信号的上位机相连;所述ARM主控单 元随机选择编码信号并通过所述SPI总线发送至所述DSP运算单元，所述ARM主控单元还通 过串口或USB总线发送至一上位机显示编码信号，所述DSP运算单元采用偏振搜索算法找到 该编码对应的一组编码电压返回至所述ARM主控单元;所述ARM主控单元将编码电压值转换 为电压控制信号，通过另一 SPI总线发送至所述高压驱动电路中的所述DAC单元。
[0037]在本实施例中，所述直流稳压单元的输出端与所述高精度稳压单元的输入端相 连;所述DAC单元包括一第一 DAC模块、一第二DAC模块以及一第三DAC模块，所述高压放大单 元包括一第一 PA模块，一第二PA模块以及一第三PA模块;所述第一 DAC模块、第二DAC模块以 及第三DAC模块的输入端均与所述高精度稳压单元的输出端连接，所述第一 DAC模块、第二 DAC模块以及第三DAC模块的输入端还通过总线与所述ARM主控单元相连;所述第一 DAC模 块、第二DAC模块以及第三DAC模块的输出端分别与所述第一 PA模块，第二PA模块以及第三 PA模块的第一输入端相连;所述直流稳压单元还与所述第一 PA模块，第二PA模块以及第三 PA模块的第二输入端相连;所述第一 PA模块，第二PA模块以及第三PA模块的输出端分别与 所述三晶片型偏振态编码器的第一晶片、第二晶片以及第三晶片的输入端相连。
[0038]在本实施例中，所述直流稳压单兀包含一个输入与输出抽头为1: 5的变压器以及 整流桥，三端稳压器以及电容的组合，将220V交流市电变为35V直流电压。高精度稳压单元 高精度稳压单元包含LM317、7915以及REF5050等稳压芯片，能有效抑制电压纹波。所述DAC 单元包含3组的DAC模块，用SPI总线或者I2C总线或者并行总线接收来自ARM主控单元的电 压控制信号，通过DAC电路将数字信号转换为模拟信号。所述高压放大单元采用PA84运放， 可以将输入电压放大30倍，分辨率为0.146V。
[0039]在本实施例中，所述高压驱动电路与所述三晶片型偏振态编码器的三晶片两侧采 用SMA-n跳线相连，所述SMA-n跳线共六根，所述SMA-n跳线的一头为SMA公头，与所述三晶片 型偏振态编码器的SMA母头相连，所述SMA-n跳线的一头为跳线帽，与所述PA模块的引脚连 接。
[0040]在本实施例中，所述DSP运算单元采用禁忌搜索方法实现偏振路径搜索，能快速搜 索到目标偏振态路径，确定优化的控制电压值，控制高压电路的输出电压值，并在搜索算法 中加入超过120V的复位处理功能。
[0041 ]在本实施例中，所述高压驱动电路的输出电压范围为0V~150V，驱动的上升时间为 2us，下降时间为2.5us，最大编码速率为119kHz，输出电压的纹波不大于118mV，最低分辨率 为0.146V，线性度误差小于1%。
[0042] 在本实施例中，图3(a)为控制系统的时序流程图，图3(b)为DSP和ARM SPI通信的 环形队列图，需要指出的是，为了保证QKD系统通信速率，在ARM和DSP全双工的SPI通信之间 设置了环形队列，存储缓存数据，位于双方的Flash中，则三晶片型偏振态编码器的驱动控 制系统的实现方法，包括以下步骤： 步骤S1:对电路进行初始化设置，所述初始化设置包括系统时钟设置、延时初始化、SPI 口初始化、USB初始化、模数转换ADC初始化以及串口 USART初始化； 步骤S2:所述ARM主控单元产生随机调制信号，通过所述SPI总线发送至所述DSP运算单 元，并接受所述DSP运算模块返回的前一次计算好的一组电压值，存入所述ARM主控单元中 的环形队列的队尾，同时将调制信号通过串口或USB总线发送至所述上位机； 步骤S3:所述DSP运算模块开启中断，若接收到所述ARM主控单元发送的数据，则中断响 应，接受所述ARM主控单元发送的调制信号，存入环形队列的队尾;提取队首的调制信号，通 过偏振搜索算法快速搜索目标偏振态路径，确定优化的控制电压值，通过所述SPI总线将该 组编码电压值发送至所述ARM控制单元;否则由偏振搜索算法继续计算电压值，并将计算结 果存入缓存中； 步骤S4:所述ARM主控单元将环形队列队首的一组电压值转换为电压控制信号，通过总 线发送至所述DAC单元，所述DAC单元将所述电压控制信号发送至所述高压放大单元得到一 组驱动电压，施加在所述三晶片型偏振态编码器的三晶片上，则入射偏振光经过偏振态编 码器时其偏振方向随着施加电压所改变，完成了相干光通信的偏振态编码过程； 其中，所述步骤S2、步骤S3、步骤S4为并行执行的任务。
[0043]在本实施例中，如图4所示，直流稳压单元由环形变压器、整流桥、三端稳压器以及 电阻电容组成。所用的环形变压器为四川恒达电子厂定制的变压器，其有五组输出，分别和 220V交流市电连接。每组输出和一个整流桥连接，将交流电压变换为直流电压。整流桥输出 经过电容C1滤波，C2用于改善三端稳压器LM317输出的瞬态响应。三端输出可调稳压器 LM317稳定输出的电压，电阻Rl、R2改变三端稳压器1的输出电压值，通过调节R2/R1的值可 以将输出电压调节为30V。同理另外四组的电路实现和上述描述相同的功能。整流桥2~5用 于输出直流电压、电容03、05、07、09用于滤波，电容04、06、08、(：10用于改善该组三端稳压器 的瞬态响应，三端输出可调稳压器2~5用于稳定输出+30V电压，电阻R3和R4，R5和R6，R7和 R8，R9和R10用于改变该组输出的电压。把五组+30V输出串联组合得到+150V电压输出。 [0044]在本实施例中，如图5所示，所述高精度稳压单元由7915和美国德州仪器公司压制 的稳压芯片REF5050以及电阻电容组成。将直流稳压单元得到的30V直流电压，输入到7915 负端稳压器，即可得到15V的电压输出。通过引入REF5050作为电压基准芯片来控制纹波，提 高稳定度。
[0045] 在本实施例中，如