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

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：

1、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。

2、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。

技术实现思路

1、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。

2、为了实现上述目的，本发明提供的技术解决方案如下：

3、一种调制器偏压锁定方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

4、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；

5、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；

6、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；

7、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；

8、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；

9、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。

10、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：

11、

12、

13、

14、

15、

16、

17、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)。

18、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：

19、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；

20、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：

21、

22、

23、

24、进一步地，步骤5】中，还包括：

25、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。

26、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。

27、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：

28、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；

29、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；

30、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；

31、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；

32、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；

33、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；

34、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。

35、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；

36、所述精调整电路采用ad5450芯片实现。

37、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；

38、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。

39、进一步地，所述可编程逻辑器件为fpga；

40、所述软核采用microblaze。

41、本发明相比于现有技术的有益效果如下：

42、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。

43、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。

44、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2m，m＝1,2…,本发明不受限于固定的2m个采样点数，可以根据需要随意设置采样点数，设置选取更加灵活。

45、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。

46、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。

47、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。