一种基于软核的电光调制器多工作点偏压控制系统及方法

1.本发明属于空间激光通信领域，涉及一种偏压控制方法，具体涉及一种基于软核的电光调制器多工作点偏压控制系统及方法。


背景技术：

2.随着信息时代的来临，传统的无线通信系统受带宽和传输速度限制，已经难以满足当下日益增长的高速和大容量需求。因此，以激光为载波的激光通信系统应运而生。
3.激光通信调制方式分为内调制和外调制两种。在外调制激光通信系统中，主要采用电光调制器，具有带宽高、电压低、调制信号的频率啁啾小、光损耗较低、电光系数高、适用于多种码型等优势，被广泛应用于激光通信系统中。
4.激光通信系统依据不同的卫星轨道高度，可以分为低轨、中轨及高轨卫星激光通信系统。在不同的通信系统中采用的的调制方式也不相同。如采用bpsk(二进制移相键控)或者dpsk(差分移相键控)调制方式时，电光调制器需要工作在min(最小)点或者max(最大)点，如采用ook(二进制振幅键控)调制方式时，电光调制器需要工作在qaud+或者qaud-工作点，如采用qpsk(正交相移键控)调制方式时，电光调制器需要工作在null点及qaud点。
5.为了避免电光调制器输出的光信号失真，影响激光通信系统性能，必须使调制器工作在最佳工作点。然而，由于外加电场的改变，以及受温度、湿度、自然老化等一系列因素的影响，会引起调制器偏置工作点发生漂移，为了减小调制器偏置工作点的漂移，需要实时控制调制器工作点。激光通信系统的调制器偏压控制方法多为反馈式控制，适合通过arm、单片机、dsp等处理器来控制，但是，由于激光通信系统通信速率很高，通信数据多为高速数据流，现有的arm、单片机、dsp等处理器又不适合处理高速数据，就需要采用fpga来配合处理高速数据流。因此，目前多采用fpga加处理器或fpga加偏压控制模块的架构控制调制器偏置工作点，但是，这类控制架构硬件成本高、控制方法不灵活，且功耗和体积均较大。


技术实现要素：

6.本发明为解决目前能够兼顾调制器偏压控制和高速数据流通信的控制架构，存在硬件成本高、控制方法不灵活，且功耗和体积均较大的技术问题，提供一种基于软核的电光调制器多工作点偏压控制系统及方法。
7.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
8.一种基于软核的电光调制器多工作点偏压控制系统，其特殊之处在于，包括激光器、调制器、耦合器、探测器、光电转换模块、模数转换模块、fpga和数模转换模块；
9.所述激光器的输出端连接调制器的光口；
10.所述耦合器的输入端与调制器的输出端相连，耦合器的一个输出端连接探测器的输入端；
11.所述探测器的输出端连接光电转换模块的一个输入端、光电转换模块的输出端连接模数转换模块的输入端、模数转换模块的输出端连接fpga的一个输入端，光电转换模块
用于将探测器输出的电流信号转换为电压信号，并进行放大和滤波，模数转换模块用于将采集到的电压信号转换为数字信号；
12.所述fpga的第一控制端连接数模转换模块的输入端，数模转换模块的输出端连接调制器，fpga的第二控制端分别连接光电转换模块的另一输入端，fpga的第三控制端连接调制器，fpga中设置有软核，fpga用于向调制器输出高速数据和正弦微扰信号，软核用于控制数模转换模块的输出电压、光电转换模块中电流信号转换为电压信号的幅度值、以及fpga是否向调制器输出高速数据和正弦微扰信号。
13.进一步地，所述光电转换模块包括数字电位器、第一放大器、带通滤波器和第二放大器；
14.所述模数转换模块设置有两个通道；
15.所述数字电位器的一个输入端连接探测器的输出端，数字电位器的输出端连接第一放大器的输入端；fpga的一个控制端连接数字电位器的另一输入端；
16.所述第一放大器的输出端分别连接带通滤波器的输入端和模数转换模块的一个通道，带通滤波器的输出端连接第二放大器的输入端，第二放大器的输出端连接模数转换模块的另一个通道。
17.进一步地，所述带通滤波器采用rc+cr带通滤波器。
18.进一步地，还包括激光通信发射模块和激光通信接收模块；
19.所述激光通信发射模块的输入端与耦合器的另一输出端相连；
20.所述激光通信接收模块的输出端与fpga的另一输入端相连，激光通信接收模块的输入端用于接收外部的激光通信信号。
21.一种基于软核的电光调制器多工作点偏压控制方法，采用上述基于软核的电光调制器多工作点偏压控制系统，其特殊之处在于，包括以下步骤：
22.s1，得到调制器的特征曲线
23.s1.1，使激光器发射激光进入调制器，同时，通过fpga的软核控制数模转换模块向调制器输出不同电压，并通过fpga的软核记录数模转换模块的输出电压；
24.s1.2，调制器输出的调制信号依次经耦合器、探测器、光电转换模块和模数转换模块后，通过fpga的软核采集模数转换模块输出的电压信号；
25.s1.3，软核根据步骤s1.1中记录的输出电压，和经步骤s1.2采集的电压信号，得到调制器的特征曲线；
26.s2，获取特征曲线上各工作点对应的数模转换模块输出的电压，根据对应的调制方式，通过软核控制数模转换模块向调制器输出对应的电压；
27.s3，偏压控制
28.s3.1，通过fpga向调制器发送高速数据信号和正弦微扰信号；
29.s3.2，通过软核对采集的模数转换模块输出的电压信号数据进行傅里叶变换处理；
30.s3.3，根据模数转换模块输出的电压信号数据点总数、模数转换模块的采样率、正弦微扰信号的频率、步骤s3.2的傅里叶变换结果，得到一次谐波频率位置n；
31.s3.4，以n对应的傅里叶变换结果作为一次谐波值；
32.s3.5，通过软核比较一次谐波值和目标值，根据比较结果，控制数模转换模块向调
制器输出对应电压，实现对调制器的偏压控制。
33.进一步地，步骤s3.3具体为，通过下式得到n：
34.fn＝(n-1)*fs/n
35.其中，fn表示正弦微扰信号的频率，fs表示模数转换模块的采样率，n表示模数转换模块采样的数据点总数。
36.进一步地，步骤s3.1中，所述正弦微扰信号通过外部的开发工具生成，封装为ip核后，导入fpga。
37.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
38.1.本发明提供了一种基于软核的电光调制器多工作点自动偏压控制系统及方法，在激光通信中实现了既能处理高速数据流，又能灵活反馈调整电光调制器偏压工作点。本发明在fpga中设置软核，采用软核实现外设控制简单方便，灵活性强，可快速迭代，大大提高了开发效率。有利于实现激光通信终端体积、功耗及成本的控制，采用的部件简单，整体结构复杂度低，实现激光通信系统中调制器偏压控制模块高度集成化，实现调制器多工作点自动偏压控制。提供了一种既能够实现偏压控制，又能够兼顾成本、体积和功耗的控制系统。
39.2.本发明中的正弦微扰小信号，使用软核进行控制，实现了正弦小信号使能、频率及幅度可调。方便系统调试，找到最优幅度的正弦信号，在满足系统功能基础上最大化减少微扰信号对射频信号影响。
40.3.本发明中的基于软核的偏压控制方法能根据模数转换芯片采集的数据，分析调制器输出信号是否出现削顶或者削底情况，以此判断光信号比较弱或者比较强，并依据现象动态调整光电信号的放大倍数，使调制器输出曲线完整、幅度大小易于偏压工作点调整并跟踪。
附图说明
41.图1为本发明基于软核的电光调制器多工作点偏压控制系统实施例的结构示意图；
42.图2为本发明实施例中fpga内部软核及外设框架图；
43.图3为本发明实施例中光电转换模块的示意图；
44.图4为本发明基于软核的电光调制器多工作点偏压控制方法实施例的流程示意图。
45.其中：1-激光器、2-调制器、3-耦合器、4-探测器、5-光电转换模块、501-数字电位器、502-第一放大器、503-带通滤波器、504-第二放大器、6-模数转换模块、7-fpga、8-数模转换模块、9-激光通信发射模块、10-激光通信接收模块、11-软核、12-调制器驱动。
具体实施方式
46.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
47.本发明提出了一种基于软核的电光调制器多工作点偏压控制系统及方法，以达到既能采用fpga7处理高速数据流，又能进行灵活反馈控制调制器2偏压，同时，还可以适应不同的调制方式及工作点，使调制器2工作在任意工作点。具有高度集成化，能够节省硬件资源、减小体积功耗等优点。
48.参照图1所示的一种基于软核的电光调制器多工作点偏压控制系统，包括激光器1、调制器2、耦合器3、探测器4、光电转换模块5、模数转换模块6、fpga7和数模转换模块8，其中，数模转换模块8的输出端连接调制器2的直流输入端口。
49.激光器1输出光信号进入调制器2光口，调制器2输出信号至耦合器3。耦合器3输出两路光信号，一路进入偏压控制系统的探测器4，供偏压控制使用，另外一路进入后端的激光通信发射模块9，进行正常的激光通信。探测器4输出电流信号进入光电转换模块5，光电转换模块5将电流信号转换为合适大小的电压信号，并对电压信号进行放大滤波处理，然后通过模数转换模块6进行模数转换，再进入fpga7。fpga7输出电压数据通过数模转换模块8进入调制器2。另外，fpga7还可以输出高速数据信号经过调制器驱动12后通过射频线进入调制器2。
50.参照图2所示，fpga7可在内部创建软核，如microblaze软核，软核与作为bram的local memory之间互联，同时，与axi interconnect互联，通过建立axi iic、axi spi1、axi spi2三个ip核，由fpga的io引脚分别连接到adc
51.(模数转换模块)、dac(数模转换器)及数字电位器，由microblaze软核直接控制所有外设。
52.探测器4的输出端与光电转换模块5的输入端相连。参照图3所示，为光电转换模块5的示意图，包括数字电位器501、第一放大器502、带通滤波器503和第二放大器504，模数转换模块6设置两个通道，探测器4的输出端与数字电位器501的输入端相连，数字电位器501将电流信号转换为电压信号，再经第一放大器502进行放大。在确定特性曲线时，放大后的电压信号进入模数转换模块6的第一个通道ch1进行采集。当打开高速数据及微扰小信号后，放大后的电压信号进入带通滤波器503进行滤波，得到微扰小信号，带通滤波器503的输出进入第二放大器504进行第二级放大，第二放大器504的输出连接到模数转换模块6的第二个通道ch2进行信号采集。此处仅是光电转换模块5的一个具体实施例，各部分的设置和连接方式也可以做适当调整，能够实现上述功能即可。
53.在本发明的一个具体实施例中，各器件可采用如下参数：
54.激光器1为1550nm波段窄线宽激光器，调制器2为带宽》10g、插入损耗《5db的低v
π
linbo3调制器，耦合器3采用90:10光纤耦合无源器件。另外，在本发明的其他实施例中，数模转换模块8可包含一个或者多个dac芯片，调制器2采用电光调制器，包括但不限于强度调制器，相位调制器，包括但不限于mz调制器，iq调制器，dpmz调制器。fpga7的软核11可以控制一个或者多个dac芯片，dac芯片输出的电压提供给调制器2的一个或者多个端，以此来适用于不同的调制方式和应用场景。
55.如图4，采用上述基于软核的调制器多工作点自动偏压控制系统能够进行偏压控制，如下是采用上述实施例进行偏压控制的具体方法：
56.1.新建软核
57.本发明在进行调制器多工作点偏压控制时，要在fpga7中新建软核11。参照图2，在
vivado fpga工程下新建模块设计，新建microblaze软核，依据经验，可以选择配置该软核内存为128kb，时钟为100m。新建axi iic、axi quadspi等ip核,将ip核连接至microblaze控制器，对ip核的速率、时钟、位宽等参数进行设置，编写顶层模块代码，对fpga7的引脚进行约束，导出vivado，将此硬件配置导入sdk,使得microblaze作为fpga的片内处理器，microblaze使用c语言进行开发，能够达到灵活控制adc、dac及数字电位器等外设的效果。
58.2.激光器1发出激光，经控制系统转换为电流信号
59.在本实施例中，选择激光器1输出1550nm波段光信号进入调制器2，microblaze软核通过spi接口控制数模转换模块8输出-2.5～+2.5v范围电压，-2.5～+2.5v电压通过放大电路变为-8v～+8v范围电压，加载-8v～+8v范围电压到调制器2的直流输入端口，就能够得到2v
π
范围内调制器2输出光功率随外加电压的变化曲线，其中，v
π
为调制器的开关电压，即调制器单臂产生π相移所需的电压，同时也是调制器输出光强由最大变为最小所需要的电压。调制器2输出的光信号通过90:10耦合器3进行分束，将分束出的10％光信号连接到用于偏压控制的探测器4，探测器4将10％光信号转换成电流信号，再进入光电转换模块5。即在本实施例中，图1中n＝10，m＝90，耦合器3进行分束后，分束出90％的光信号进入激光通信发射模块9，用于正常的激光通信。
60.3.获取特性曲线，使调制器2工作在最小工作点
61.软核11控制数模转换模块8向调制器2输入不同的电压，调制器2根据不同的输入电压输出不同的功率，探测器4根据输入的不同功率输出不同的电流，输出的电流信号经光电转换模块5中的数字电位器501，被转换为电压信号，再经第一放大器502放大后，进入模数转换模块6一个通道进行采集，采集的数据通过fpga7的spi接口传输给microblaze软核，软核11根据采集的电压数据获取调制器2对应的功率幅度，就能获取调制器2的特征曲线，该特征曲线的横坐标为电压，纵坐标为功率。
62.其中，数字电位器501连接到fpga7的io口，microblaze软核通过i2c接口控制数字电位器501，可通过软件编程动态调整数字电位器501的电阻值，使其输出的电压值经过其后端的第一放大器502放大后，电压信号幅度能够满足后续模数转换模块6采集所需的信号幅度。当光信号比较弱或者比较强，影响工作点电压值分析时，软核11也能够自动调节数字电位器501的电压放大倍数，再去分析求得调制器2的工作点电压值。本发明能够根据模数转换模块6采集的数据，分析调制器2输出信号是否出现削顶或者削底情况，以此判断光信号比较弱或者比较强，并依据该现象动态调整光电信号的放大倍数，使调制器输出曲线完整、幅度大小易于偏压工作点调整并跟踪。
63.扫描完成后，能够获取调制器2的特征曲线的最大值点、最小值点以及quad点，并且记录保存不同的工作点对应的da值(数模转换模块8的输出电压值)。本发明中需要调制器2工作在最小值点，因此，将最小值点对应的da值通过数模转换模块8设置到调制器2的直流输入端口，此时，调制2工作在最小工作点，输出的光功率最小。
64.4.实时跟踪调整调制器偏压工作点
65.可使用system generator产生正弦微扰信号，将其作为ip核加入到fpga工程中。system generator为能够生成信号的开发工具，封装为ip核后可导入fpga7。作为一个具体实施例，选取的正弦信号频率为1khz,信号幅度小于100mv,microblaze软核通过axi4总线控制微扰信号的使能开关打开。microblaze软核通过axi4总线控制高速数据信号打开，高
速数据信号经过调制器驱动12后通过射频线加载到调制器2的射频信号输入端。正弦微扰小信号通过数模转换模块8进入到调制器2的直流输入端口。
66.调制器2输出高速数据叠加微扰小信号调制后的信号，经耦合器3后，通过探测器4之后进入光电转换模块5，在光电转换模块5中，先进入数字电位器501，转换为电压信号后，先经第一放大器502进行一级放大，随后进入带通滤波器503，再经第二放大器504放大后，进入模数转换模块6的另一个通道。作为一种优选方案，带通滤波器503可采用rc+cr带通滤波器，通过调整其中滤波电路的电阻电容比值，使得1khz小信号能够得以通过。滤波之后的正弦信号幅度很小，采用两级放大电路，能够将1khz信号放大为幅度合理的正弦信号，此时，若正弦信号有负压，通过调整第二放大器504的正反馈端电阻分压，提高正弦信号直流偏置，使正弦信号通过带通滤波器503和第二放大器504之后，进入模数转换模块6时幅值合理，既满足模数转换模块6的采集量程范围，又能使得采集到的信号清晰可用，并且最大限度减少该微扰信号对正常通信的高速数据信号产生影响。正弦微扰信号进入模数转换模块6的另一个通道，采集的数据通过spi接口进入microblaze软核，进行偏压控制数据处理。
67.本实施例中，选择的模数转换模块6采样率为10khz,满足采样定理adc采样率大于2倍的信号速率。本实施例中模数转换模块6选取采集4096个数据点，microblaze软核对4096个数据点进行fft变换(傅里叶变换)后，根据以下公式：
68.fn＝(n-1)*fs/n
69.其中，fn表示模数转换模块6采集的数据点中，第n个点所表示的频率；n为大于等于1且小于等于模数转换模块6采集的数据点总数的整数；fs表示模数转换模块6的采样率；n表示模数转换模块6采集的数据点总数。
70.在本实施例中，模数转换模块6的采样率为10khz，正弦微扰信号的频率为1khz，模数转换模块6在一个周期内采集10个数据点，4096个数据点需要采集410个正弦微扰信号的周期，对应的，上述公式中n大于等于1且小于等于4096，n等于4096。在本发明的其他实施例中，采集的数据点数量、模数转换模块6的采样率、正弦微扰信号的频率都可根据需要进行调整，计算逻辑与上述公式相同，根据fft变换需要，采集的数据点数n一般应该是2的多次方，工程应用一般是1024，2048，4096，8192等，点数越多，分辨率越高，但若数量过多资源要求会更高，综合考虑4096为较优的方案。
71.通过上述公式，能够找到一次谐波，即1khz点信号幅度值，将1khz代入fn，10khz代入fs，4096代入n，求得n等于410，说明第410个点对应的fft变换结果为一次谐波的结果。
72.为了使结果更加准确，可多次采样进行fft变换，将对应获得的多个第410个点对应的fft变换结果求取平均值，得到一次谐波值的平均值。
73.软核11根据一次谐波值的平均值，控制数模转换模块8向调制器2发送对应电压，控制调制器2工作在最佳工作点。
74.该实例中调制方式选用dpsk调制，因此，选取调制器2工作点为最小点。若一次谐波距离目标值较远，还可在步骤3保存的最小工作点对应的da值基础上大步进调整数模转换模块8的输出值，若一次谐波距离目标值较近，则在步骤3保存的最小工作点对应的da值基础上小步进调整数模转换模块8的输出值，最终使得调制器2稳定工作在最小工作点。
75.本发明提供了一种基于软核的调制器多工作点自动偏压控制系统及控制方法，针对电光调制器，在fpga7工程下搭建软核11，使激光器1输出的光信号进入调制器2，软核11
控制数模转换模块8输出一定范围的电压，数模转换模块8输出电压信号到调制器2的直流输入端，调制器2输出的调制信号通过耦合器3进行分束，将分束出的光信号连接到用于偏压控制的探测器4。探测器4将输入的光信号转换成电流信号，送入光电转换模块5。光电转换模块5对电流信号进行电流-电压转换，并对转换后信号的电压进行放大，软核11控制使该信号放大到到合适倍数时，对该信号进行模数转换采集，得到调制器2的特性曲线，送入fpga7供后续偏压控制使用。软核11通过总线控制高速数据信号打开，软核11通过spi接口输出正弦微扰信号到调制器直流输入端，将经过调制器2和探测器4之后的信号进行带通滤波处理，获取正弦微扰小信号，然后对该正弦微扰小信号进行放大，再调整直流偏置，最后将其放大到适合模数转换模块6采集的信号幅度。将模数转换模块6采集的信号送入fpga7，在软核11中进行傅里叶变换，通过偏压控制算法调整数模转换模块8的输出值，找到正弦微扰小信号的一阶频谱最小值，并使其保持在该最小值。当光信号比较弱或者比较强，影响工作点电压值分析时，软核11能够自动调节数字电位器的光电信号的放大倍数，在光信号大小达到合理的时候再去分析求得调制器的工作点电压值。在获取调制器2的特性曲线时，找到2v
π
周期内模数转换模块6采集信号的最大值和最小值,并计算该最大值和最小值工作点对应的数模转换芯片输出电压值。根据获取的调制器特性曲线，按照需要的调制方式设置好对应的工作点后，软核11控制高速数据信号开始发送。在高速数据开启同时，软核11控制正弦微扰小信号使能开关同时开启。调制器2工作点可根据直流电压的不同值而分别设置在四个不同的工作点(min，max，+quad，－quad)，从而实现不同方式的调制。当调制器工作在最小点(min)或者最大点(max)时，输出光功率最小或者最大，适用于相位调制，此时正弦微扰小信号的一次谐波项为0。当调制器工作在
±
quad工作点时，适用于强度调制，此时微扰小信号的二次谐波项为0。
76.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。