基于IQ调制器的光单边带发射机偏置自适应控制方法

本发明属于光纤通信领域，涉及一种基于iq调制器的光单边带发射机偏置自适应控制方法。

背景技术：

1、云计算、物联网、车联网及虚拟现实等新兴技术的出现使得全球通信数据网络流量每年以指数形式快速增长，而根据思科公司的白皮书，全球通信数据网络流量的99％与数据中心相关，这就给数据中心的光互联带来了巨大的挑战和机遇。传统的直接调制、直接检测(直调直检)方案凭借着结构简单、成本低廉、低功耗等优点备受青睐，但是受限于频谱效率低、色散容忍度差等缺陷，直调直检方案越来越难以满足数据中心光互联的需求。后续发展的单边带调制、直接检测的传输技术(单边带技术)凭借着结构简单、低成本，光纤色散容忍度高，频谱利用率高等优势被认为是目前可以满足数据中心光互联需求的最佳方案之一。

2、目前典型的单边带信号实现方案有光滤波器法、光iq调制器法、双臂独立调制马赫-曾德调制器法等，在这些方案中，基于iq调制器的光ssb发射机具有结构简单、信号质量高、载波信号功率比(cspr)调节范围广等优点，因此得到了广泛的应用。在该方案中，实数信号及其希尔伯特变换信号驱动iq调制器的i和q路径以合成光单边带信号，而光载波则通过略微偏移调制器的零点来产生。这与iq调制器的典型操作不同，在典型的iq调制器传输方案中，i和q路径的偏置通常设置为零偏置点，才能使得最终的信号质量最佳。通常，iq调制器需要三个偏置控制器来稳定这些偏置点，并通过使用自动偏置控制(abc)技术消除由温度、机械振动和其他外部环境变化引起的偏置电压漂移。然而，在基于iq调制器的光单边带信号发射机中，i路和q路的偏置电压需要稳定在非典型点。这给最先进的abc计划带来了挑战。

3、现阶段常见的偏压控制方案主要有两种，一个是基于功率监测的自动偏压控制技术，通常是对输出信号的功率或平均功率进行监测，不断地找功率极值等方式，将偏置电压控制在最佳偏置点。还有一种是基于导频的自动偏压控制技术，在两个mzm的偏置电压中加入一对正交的低频导频信号，在接收端对光电流信号进行fft运算，通过监测一阶谐波分量来对偏置电压进行追踪和控制。但基于导频的方案由于引入了fft运算，增加了运算的复杂度，且无法做到任意偏置点的稳定。后来又在导频的方案基础上提出了相干检测的方案，避免了fft运算带来的复杂度，具有更高的灵敏度。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于iq调制器的光单边带发射机偏置自适应控制方法，基于iqm实现对光ssb发射机偏置自适应的控制，并基于cspr与偏置电压的闭式表达式，构建iq调制器任意偏置位置和单边带信号cspr值之间的关系即cspr–偏置电压模型，通过cspr–偏置电压模型确定调制器偏置电压稳定位置，能够弥补使用自动偏置控制abc方法稳定点受限的不足，进而实现对光ssb发射机偏置自适应的控制。本发明具有控制效果稳定可靠、稳定点范围宽等优点。

2、为实现上述目的，本发明提供如下方案：

3、本发明公开的基于iq调制器的光单边带发射机偏置自适应控制方法，在粗调阶段，获取iq调制器输出的光功率信号，根据光功率的最小值或中位值，调整i、q两路和相位调制器的偏置电压值；在细调阶段，产生一对幅度相同，频率不同的导频信号，加载在i、q两路的直流偏置端口。通过将采样后的光电流信号与相应的导频信号进行相干探测运算，得到三种导频探测量。通过对导频探测量进行相应运算，计算iq调制器的反馈控制信号；构建iq调制器任意偏置位置和单边带信号cspr值之间的关系，根据确定的cspr值计算iq调制器相应的偏置电压，达到预期的传输效果；通过监测任意导频信号的二阶谐波分量大小，扩展iq调制器偏置的稳定范围，基于iq调制器实现光单边带发射机偏置自适应控制。

4、本发明公开的基于iq调制器的光单边带发射机偏置自适应控制方法，包括以下步骤：

5、步骤一、对调制器的偏置电压进行粗略调节，此时不需要加载导频信号。激光器工作后，光电探测器pd仅接收经过iq调制器后的光信号，光信号经过光电转换得到光电流信号，光电流信号po通过高速模数转换器(adc)采样后在微控制单元mcu中进行监测和处理，得到iq调制器输出光功率随时间变化的离散化采样序列。

6、采样序列代表的光功率信号如式(1)所示：

7、

8、其中：p0表示输出光强度，e0为输出光场，ei是输入光场，φiq为i路和q路之间的相位差，vπ是iq调制器的半波电压，vbias,i(q)是i路或q路的直流偏置电压。

9、步骤二：根据光功率的最小值或中位值，对iq调制器的vbias,i、vbias,q和vbias,p三路偏置电压进行粗略调整。首先根据iq调制器输出光功率的最小值，调节i、q两路的偏置电压；再根据iq调制器输出光功率的中位值，调节相位调制器的偏置电压；最后通过数模转换器dac将vbias,i、vbias,q和vbias,p三路偏置电压转换为模拟信号加载到iq调制器对应的直流偏置端口。

10、步骤二的具体实现方法包括如下步骤：

11、步骤2.1：固定q路的偏置电压vbias,q和相位调制器的偏置电压vbias,p，在mcu中设置给定步长，使用梯度下降法迭代更新i路的偏置电压vbias,i，将偏置电压vbias,i通过数模转换器dac转换为模拟信号加载到iq调制器i路的直流偏置端口。同时将迭代过程中产生的每个vbias,i对应的光电流信号po(t)通过adc采样后送到mcu中处理，在mcu找到功率的最小值po(t)min对应的偏置电压目标值v′bias,i，将目标值v′bias,i通过数模转换器dac加载到iq调制器i路的直流偏置端口。

12、步骤2.2：固定i路的偏置电压vbias,i和相位调制器的偏置电压vbias,p，在mcu中设置给定步长，使用梯度下降法迭代更新q路的偏置电压vbias,q，将偏置电压通过数模转换器dac转换为模拟信号加载到iq调制器q路的直流偏置端口。同时将迭代过程中产生的每个vbias,q对应的光电流信号po(t)通过adc采样后送到mcu中处理，在mcu找到功率的最小值po(t)min对应的偏置电压目标值v′bias,q，将目标值v′bias,q通过数模转换器dac加载到iq调制器q路的直流偏置端口，进而找到使iq调制器输出功率最小对应的偏置电压v′bias,i和v′bias,q。

13、步骤2.3：按照给定步长均匀扫描相位调制器的偏置电压vbias,p，将相应的偏置电压vbias,p通过数模转换器dac转换为模拟信号加载到相位调制器的直流偏置端口。同时将每个vbias,p对应的光电流信号po(t)通过adc采样后送到mcu中处理，在mcu中找到功率的最小值po(t)min和最大值po(t)max，计算功率的中值po(t)m＝(po(t)min+po(t)max)/2。

14、由mcu找到功率最接近po(t)m对应的偏置电压目标值v′bias,p。

15、步骤2.4：在偏置电压目标值v′bias,p附近重新扫描，得到多个与功率中值po(t)m对应的偏置电压目标值v′bias,p。由mcu对多个偏置电压目标值v′bias,p进行平均操作得到平均值将平均值通过数模转换器dac转换为模拟信号加载到相位调制器的直流偏置端口。

16、步骤三、根据步骤一、步骤二完成iq调制器的vbias,i、vbias,q和vbias,p三路偏置电压的粗略调节后，在细调阶段，产生一对幅度相同，频率不同的导频信号，加载在i、q两路的直流偏置端口。通过将采样后的光电流信号与相应的导频信号进行相干探测运算，得到三种导频探测量。通过对导频探测量进行相应运算，计算iq调制器的反馈控制信号。

17、步骤三实现方法包括如下步骤：

18、步骤3.1：mcu控制导频信号源模块产生一对幅值相同，频率不同的导频信号：acos2πfdither,it和acos2πfdither,qt，分别通过数模转换模块dac转换为模拟信号持续加载到i、q路的直流偏置端口，相位调制器的直流端口不用加载任何导频信号。iq调制中的两个mzm的偏置电压的输入分别为vbias,i＝vdc,i+vdither,i，vbias,q＝vdc,q+vdither,q。其中，vdither,i为i路导频信号，vdither,q为q路导频信号，vdc,i为i路的直流信号，vdc,q为q路的直流信号。

19、步骤3.2：iq调制器输出的调制后光信号，经过耦合器耦合后由外置光电探测器接收，经过光电转换得到光电流信号：

20、

21、

22、

23、其中：rpd为pd的响应度，po为调制器的输出光功率，pi为调制器的输入光功率，β为监测pd前的功率分流比，φi(q)和偏置φbias,i(q)是i或q支路中的调制信号和直流偏置信号引起的相位变化。

24、步骤3.3：光电流信号通过adc采样后送到mcu中进行监测和处理：将光电流信号分别与i、q两路导频信号的一阶谐波cos2πfdither,it、cos2πfdither,qt和二阶谐波cos4πfdither,it、cos4πfdither,qt进行相干探测运算，计算一个检测周期内的信号，得到一阶导频探测量二阶导频探测量

25、步骤3.4：将光电流信号与i、q路导频信号的拍频信号cos2π(fdither,i+fdither,q)t进行相干探测运算，计算一个检测周期内的信号，得到导频拍频信号的探测量dp。

26、导频探测量表示如下：

27、

28、

29、

30、其中：φbias,p是相位调制直流偏置引起的相位变化，jn为第一类n阶贝塞尔函数，α是iq调制器的调制指数。

31、根据公式(5)、(6)知，由于cos(φbias,p)项的影响，i、q两路的偏置电压vdc,i(q)不为半波电压vπ时，一阶导频探测量有可能取到0值，二阶导频探测量也有可能取到最大值，影响后续的控制信号精度。因此在细调偏置电压的过程中，考虑先对相位调制器的偏置电压vbias,p调节，将其调到最佳值，再调节vbias,i和vbias,q达到半波电压vπ。此时，公式(5)至(7)简化为：

32、

33、

34、

35、步骤3.5：保持i、q两路的偏置电压不变，在步骤二中获得的偏置电压附近，mcu按照给定的步长，使用梯度下降法迭代更新相位调制器的偏置电压vbias,p，将迭代过程中的偏置电压vbias,p对应的光电流信号po(t)通过采样后送到mcu，重复步骤3.4得到导频拍频信号的探测量dp，再对dp求导得到d'p，dp与d'p相除得到相位调制器的控制信号rp。在mcu中找到rp接近0时对应的偏置电压作为细调过程中相位调制器的目标值v″bias,p，通过数模转换器adc转换为模拟信号加载到相位调制器的直流偏置端口。相位调制的控制信号rp表示为：

36、

37、根据控制信号rp完成对vbias,p精细调节后，固定该偏置电压值v″bias,p，判定已消除相位调制器对i路和q路的控制效果的影响。

38、步骤3.6：保持q路的偏置电压vbias,q不变，在初始值v″bias,i附近按照给定步长，使用梯度下降法迭代更新i路的偏置电压vbias,i，将每个迭代过程中的偏置电压vbias,i对应的光电流信号po(t)通过adc采样后送到mcu，重复步骤3.3得到i路的一阶导频探测量二阶导频探测量将相除得到i路控制信号ri。在mcu中找到i路控制信号的最小值ri,min对应的偏置电压作为细调过程中i路的目标值v″bias,i，通过数模转换器adc转换为模拟信号加载到i路的直流偏置端口。

39、步骤3.7：保持i路的偏置电压vbias,i不变，在初始值v′bias,q附近按照给定步长，使用梯度下降法迭代更新q路的偏置电压vbias,q，将迭代过程中的偏置电压vbias,q对应的光电流信号po(t)通过adc采样后送到mcu，重复步骤3.3得到q路的一阶导频探测量二阶导频探测量将相除得到q路控制信号rq。在mcu中找到q路控制信号的最小值rq,min对应的偏置电压作为细调过程中q路的目标值v″bias,q，通过数模转换器adc转换为模拟信号加载到q路的直流偏置端口。i路和q路的控制信号表示ri(q)为:

40、

41、步骤四、完成步骤三细调阶段后，同时调节iq调制器的i、q两路偏置电压，保证两路偏置电压偏移半波电压vπ的比例r一致。根据这两路偏置电压所处的不同偏置位置和公式(1)表述的iq调制器的输出光功率，构建一个用于评估iq调制器生成光单边带信号品质的指标。

42、所述指标为如式(13)所示cspr的闭式表达式：

43、

44、其中：pc为光载波信号，ps为调制信号，m为调制指数，r为偏置电压与半波电压vπ的偏移的比例。

45、通过单边带信号的cspr与iq调制器各偏置电压的闭式表达式，在给定的光信号调制指数m和正交频分复用ofdm信号的cspr值的条件下，计算iq调制器最终的目标偏置电压vtarget。

46、步骤五、在目标偏置电压vtarget下，重复步骤三中确定i、q两路控制信号ri(q)的操作，得到单边带传输系统中iq调制器的i、q两路最终稳定控制目标值rtarget。

47、步骤六、后续工作状态中，实时更新iq调制器的控制信号ri(q)、rp，分别与目标值rtarget和0做差，得到控制误差信号d，代表偏置电压的迭代方向。

48、步骤七、通过收敛条件||d||≤ε判断是否跳出循环；若不满足，则根据控制误差信号d确定新的迭代方向和步长，返回步骤六；若满足收敛条件，得到满足预设收敛条件的控制误差信号d，即实现对iq调制器产生光单边带信号发射机系统的偏置自适应控制，则跳出循环；所述||d||为d的模，ε为设置的允许误差。

49、步骤八、在mcu中监控任意导频信号的二阶谐波，将相位调制器不同的偏置电压vbias,p对应的光电流信号po(t)通过adc采样送入mcu，在mcu中与cos4πfdither,i(q)t进行相干探测运算，得到新的相位调制器的控制指标dp2，解决传统导频相干探测方案稳定点受限的情况，即i、q两路偏置电压在vbias,i＝vbias,q＝0或vbias,i＝vbias,q＝2vπ，相位调制器控制信号rp始终为0的情况。

50、dp2表达式如式(14)所示：

51、

52、在公式(14)的基础上，加上修正项2j2(α)，得到更精确的相位调制器控制信号dp2。

53、步骤九、根据iq调制器任意偏置位置和单边带信号cspr值之间的关系，公式(13)所示，由确定的cspr值计算偏置电压vbias,i(q)。若vbias,i(q)＝0，选取dp2作为相位调制器的控制信号；若vbias,i(q)≠0，选取rp作为相位调制器的控制信号。通过监测任意导频信号的二阶谐波分量大小并作为相位调制器的控制信号，扩展iq调制器偏置电压的稳定范围，实现基于iq调制器实现光单边带发射机偏置自适应控制。

54、本发明还公开基于iq调制器的光单边带发射机偏置自适应控制系统，用于实现所述基于iq调制器的光单边带发射机偏置自适应控制方法。所述基于iq调制器的光单边带发射机偏置自适应控制系统，包括激光器、耦合器、iq调制器、导频信号源、低带宽光电探测器pd、高精度示波器adc、处理器单元mcu。

55、iqm调制器用于实现信号的调制，数据信号由iq调制器的射频端口输入，导频信号和偏置电压加载到所述iq调制器的直流偏置端口。

56、导频信号源用于产生一对幅度相同，频率不同的导频信号，分别加载在iq调制器i、q两路的偏置直流端口。

57、低带宽pd用于对已调光信号接收探测。

58、高精度示波器adc用于对转换后的光电流信号进行采样。

59、微控制器单元mcu用于对采样后的数据进行处理。

60、经过iq调制器调制后的光信号，由所述低带宽光电探测器pd将光信号经过光电转化得到光电流信号，通过adc进行采样，再在所述的mcu模块进行数据处理，将采样后的光电流信号与导频信号进行相干探测处理后，将所得偏压目标值通过数模转换器dac反馈回iq调制器的直流偏置端口。

61、有益效果：

62、1、针对现有iq调制器偏置自适应控制方法无法适用于光单边带信号发射机的场景，本发明公开的基于iq调制器的光单边带发射机偏置自适应控制方法，对输入iq调制器的导频信号一阶谐波分量和二阶谐波分量相干探测，将探测结果相除得到i、q两路偏置电压稳定的控制信号。有效消除了输入光功率扰动对iq调制器偏置电压控制稳定性的负面影响，提升维持iq调制器偏置电压稳定的控制精度。

63、2、针对现有iq调制器偏置自适应控制方法中偏置电压稳定点受限的情况，本发明公开的一种基于iq调制器的光单边带发射机偏置自适应控制方法，监控任意导频信号的二阶谐波分量，根据导频信号的二阶谐波分量的大小，实现在i、q两路偏置电压vbias,i＝vbias,q＝0或vbias,i＝vbias,q＝2vπ的情况下，对相位调制器偏置电压的稳定控制。

64、3、本发明公开的基于iq调制器的光单边带发射机偏置自适应控制方法，构建了iq调制器任意偏置电压位置和单边带信号cspr值之间的关系，能根据给定的cspr值，确认iq调制器具体的偏置电压，简化测量单边带信号系统cspr值的繁琐过程和人工调节iq调制器偏置电压的操作。

65、4、细调阶段，考虑到i、q两路偏置电压处于半波电压vπ附近，相位调制器偏置电压处于vπ/2附近，各种导频的频率分量的变化不明显。本发明公开的基于iq调制器的光单边带发射机偏置自适应控制方法，将iq调制器输出的光功率信号与对应的导频信号进行相干探测运算，突显光功率信号中待测导频信号的功率，更易于检测到导频功率的变化。

66、5、考虑到相位调制器的偏置电压vbias,p会对控制信号ri和rq的计算带来误差，本发明公开的一种基于iq调制器的光单边带发射机偏置自适应控制方法，先将相位调制器调节到最佳偏置电压后v″bias,p，再对vbias,i和vbias,q进行控制调节，找到使ri(q)为最小值的电压值v″bias,i(q)，偏置电压控制效果更精确。