一种电光调制器偏置工作点控制装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光传输网络领域，特别是指一种电光调制器偏置工作点控制系统，用 于为马赫-曾德尔电光调制器提供合适的直流偏置电压。
【背景技术】
[0002] 在通信系统中，马赫-曾德尔（M-Z)电光调制器的作用是将含有各种信息的电信 号调制到光信号上。无论需要调制的电信号是模拟信号，还是数字信号，都需在M-Z电光调 制器工作在最好的传输特性区间。为了保证M-Z电光调制器工作在最佳特性区域，必须给 其施加一个合适的偏置电压。
[0003] 电光调制器偏置工作点控制装置的目的是为电光调制器提供足够电压幅度；提供 合适的偏置电压，确保其工作于线性区间；根据输入和输出光信号的比较结果，提供对直流 偏置电压的控制，及时对由于各种原因导致的工作点漂移进行修正。
[0004] 图1给出的M-Z电光调制器的传输函数为余弦形式的曲线，虽然它是非线性的，但 其中的一段曲线（A或B点附近）可以近似看成是线性的。为了实现射频信号对光信号的 线性调制，就要确保信号位于调制曲线的这个线性区间内，此时需施加一直流偏置电压，以 保证调制工作点位于线性区的中点。
[0005] 在采用小信号的ROF应用系统中，电光调制器并不像理想的那么稳定，随着时间、 压力、工作温度的改变、器件内产生的静电电荷引起的热电效应，不可避免的会使得偏置电 压发生偏移。另外，调制器的老化以及光耦合效率和固有光折射系数变化，也使运行中的最 佳偏置点发生改变。上述变化都将改变调制器的特性曲线，其结果将导致曲线位置的水平 位移，电光调制器的工作点发生漂移。此时如果偏置电压固定不变，传输函数就会移动，偏 置点将不在最佳位置。偏置点的变化会导致调制区域从线性区域偏离，引起调制后的输出 功率和频响曲线发生较大变化。为了避免上述现象的发生，需要建立一个反馈系统，对偏置 电压进行实时跟踪控制，将偏置电压控制在最佳点，使电光调制一直发生在线性区域。本发 明的作用就是精准跟踪其变化并对偏置进行相应的调整。
[0006] 目前，常用的M-Z电光调制器偏置点的控制方法，都存在下面两个缺点：
[0007] 1.器件和环境的温度稳定性影响控制环路的精度，使得偏置电压修正值精度不 高，不能精准地跟踪偏置电压的变化。
[0008] 2.硬件电路结构较为复杂，对电路中元器件的速度和精度都有较高的要求。
[0009] 本发明所提出的方案，在简化电路的同时，很大程度上满足了精度较高的要求。
【发明内容】
[0010] 技术问题：本发明提供了一种用于M-Z电光调制器直流偏置工作点控制的装置， 特别针对有机聚合物电光调制器频率高、速度快的特点，通过采用可编程片上系统以及比 例-积分-微分（PID)控制算法，达到电光调制器稳定工作点的目的。该装置具有结构简 单、体积小、易于实现、精度高、不需依赖其他外部设备的特点。
[0011] 技术方案：电光调制器偏置工作点控制装置是一种闭环控制装置。该装置通过控 制器来控制直流偏置工作点电压，进而达到电光调制器工作在线性区域的目的。由光电探 测器检测出的抖动信号，经控制器放大后，与原始抖动信号进行相位比较，再经二阶低通滤 波得到相位误差信号。控制器将该信号进行模/数转换后，采用PID算法控制，其结果经数 /模转换后经电压放大电路放大，与控制器产生的偏置电压共同相加，形成最后的电光调制 器直流偏置电压。
[0012] 该装置的光电探测器、控制器、电压放大电路、加法电路顺次连接，控制器、误差比 较器、二阶滤波电路构成一个环路。控制器产生一个低频、幅度很小的抖动信号，一路经直 流偏置信号加到电光调制器，电光调制器的输出端将出现抖动信号的基波和谐波，经光电 探测器滤波后分离出二次谐波分量，并经控制器进行前置放大输出到误差比较器。另一路 抖动信号倍频后产生一个与二次谐波同频的信号，作为基准信号也加到误差比较器中。这 两个二次谐波信号，经同步检测器检测后，得到误差信号。误差信号再通过控制器模/数 转换后，采用PID算法计算出偏置漂移量。该信号表明直流偏置是否存在偏置漂移，是否 处于最佳工作点。控制器据此计算出偏置电压修正值，并将该偏置误差修正值与直流偏置 电压相加，构成修正后的直流偏置电压，加到电光调制器直流偏置端，从而形成一个闭环控 制，对漂移的直流偏置电压进行修正，实现对偏置电压的自动控制。
[0013] 本发明提供了一种电光调制器偏置工作点控制方法，该方法包括：
[0014] 步骤一、控制器产生低频抖动信号以及它的倍频信号，并将低频抖动信号输出到 电光调制器；
[0015] 步骤二、光电探测器检测出低频抖动信号二次谐波，并将其转换为电信号；
[0016] 步骤三、控制器中的可编程运算放大器（PGA)将电信号放大；
[0017] 步骤四、放大后的抖动信号二次谐波与抖动信号的倍频信号输出，经误差比较器 进行同步检测，再经过二阶低通滤波后得到偏置漂移量；
[0018] 步骤五、控制器将偏移量模/数转换后得到数字信号，进行PID算法计算得到偏置 电压修正值，再经过数/模转换后输出到加法电路；
[0019] 步骤六、加法电路将经放大后的偏置电压、偏置电压修正值以及抖动信号相加后， 作为输出电压施加到电光调制器的偏置电压输入端；
[0020] 所述步骤五具体包括：
[0021] (1)电光调制器对阶跃函数响应曲线的确定。采用瞬态响应法，通过控制器产生阶 跃信号，检测二阶低通滤波器输出的电压信号，确定电光调制器对阶跃函数的响应曲线，如 图3所示，据此确定PID控制参数。
[0022] (2) PID控制参数的确定。离散域中的控制微分方程为：
其中，K1^K1= T1Ts和Kd= TDTgPID控制参数，即比例、积分和微分的系数，
Ts为采样时间。根据⑴得到的被控时间常数T、滞 后时间L、NLI (非线性误差）变化幅值k即可确定参数Kp、Kiv KD。
[0024] (3)非线性误差（NLI)变化曲线的测试。控制器通过软件编程按照一定的增幅，对 偏置电压进行扫描检测，得到不同偏置电压下，非线性误差信号与偏置电压的关系，以此作 为偏置电压修正量的参考。
[0025] (4)偏置电压修正值的计算。控制器由公式
根据⑵中所确定的Kp、Kp Kd通过软件计算出需要修正的偏置电压Λ u(n)。其中，e(n)、 e (n-1)、e (n-2)均为PID的反馈输入，即给定量和输出量的误差。
【附图说明】
[0026] 图1为电光调制器输出特性曲线示意图。横坐标表示驱动电压，纵坐标表示电光 调制器的相对光输出功率。
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