基于PID的DE-MZM自动偏置控制装置及控制方法

摘要

本发明公开了基于PID的DE-MZM自动偏置控制装置及控制方法。装置的激光器与电光调制器连接，电光调制器一端分别与一相移器一端、光耦合器一端连接，电光调制器另一端与偏置单元、一相移器连接，偏置单元与控制单元连接，控制单元与低通滤波器连接，低通滤波器与混频器连接，混频器与光探测器PD、另一相移器连接，一相移器与另一相移器连接，光探测器PD与光耦合器连接，光耦合器输出激光。任意直流偏置点的双电极马赫-曾德尔调制器自动偏置控制方法通过引入可调相移器，使不同偏置点处误差信号形式相同并保持在余弦函数线性点附近，利用调制器偏置电压高精度自动调整，适用于双边、单边带调制、载波抑制调制以及低偏置工作方式的电光调制器。

说明书

技术领域

 本发明涉及激光通信，具体涉及基于PID的DE-MZM自动偏置控制装置及控制方法。

背景技术

利用光纤传输射频信号的光载无线（ROF）系统日益成为人们研究的热点。在ROF系统中，由于温度、电离辐射等外部环境因素的影响，电光调制器的半波电压会发生变化，同时直流偏置电源电压也会有一定程度的随机起伏，引起调制器的直流偏置点发生漂移，导致系统性能恶化。为提高ROF通信系统性能，需要对电光调制器的直流偏置点漂移现象进行有效抑制。

但现有的多种自动偏置控制方法主要针对直流偏置点为线性点或最小传输点的调制器，不能够实现对电光调制器所有直流偏置点的偏置控制，其主要方法和不足包括以下几个方面。方法1利用低频扰动进行直流漂移补偿，该方法只适用于线性点的偏置控制，无法进行非线性点的偏置控制；方法2将输入信号与反馈信号进行混频和滤波得到误差信号，利用误差信号对偏置单元进行控制，可实现相干FSK系统和光生微波本振系统的直流漂移补偿，但只适用于直流偏置点为最小传输点的调制器；方法3利用扰动信号基波分量和二次谐波分量信号幅度比值进行调制器自动偏置控制，由于其比值在相位nπ处发生正负无穷突变，所以该方法不适用于偏置点为0和π的调制器；方法4通过比较调制器前后光功率来实现偏置点自动控制，由于误差比较器中需要调整两个放大器增益使得调制前后光电流相等，而最小传输点处光功率近似为零，所以不适用于偏置点为最小传输点的调制器。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单，使用方便，自动化程度高，误差小，偏置控制能力强的基于PID的DE-MZM自动偏置控制装置。

本发明的另一目的是提供自动偏置控制装置的控制方法。

为了克服现有技术的不足，本发明的技方案是这样解决的：一种基于PID的DE-MZM自动偏置控制装置，该自动偏置控制装置由激光器、电光调制器3、一相移器1、另一相移器2、光耦合器、光探测器PD、混频器、低通滤波器、控制单元、偏置单元组成，其特征在于所述激光器与电光调制器3连接，所述电光调制器3一端分别与一相移器1一端、光耦合器的一端连接，所述电光调制器3另一端分别与偏置单元一端、一相移器1另一端连接，所述偏置单元另一端与控制单元连接，所述控制单元另一端与低通滤波器一端连接，所述低通滤波器另一端与混频器连接，所述混频器另一端分别与光探测器PD一端、另一相移器2另一端连接，所述一相移器1另一端与另一相移器2一端连接，所述光探测器PD另一端与光耦合器连接，光耦合器用来输出激光。

所述激光器为DFB-LD激光器。

所述控制单元为PID控制器。

所述低通滤波器为LPF滤波器。

一种基于PID的DE-MZM自动偏置控制装置的自动偏置控制方法，按下述步骤进行：

1）、输入射频信号经过两次分路，第一次分路后，一路信号经过另一相移器2与反馈信号进行混频，另一路信号经由电光调制器3进行电光调制；

2）、对电光调制的信号进行第二次分路，且分路后两路信号幅值相等；将第二次分路后的两路等幅信号分别加载到电光调制器3的上下两个电极上，其中加载到上电极的信号经过一相移器1产生相移；

3）、DFB-LD激光器输出光经过电光调制器（3）被调制，此时输出信号包络                                               ，式中E_in为输入光信号，α为插入损耗，γ=0.5为分束比，设射频输入信号相位差为β，ω为信号角频率，m=πV_RF/V_π为调制系数，V_RF为两路射频信号幅度，V_π为半波电压，θ=πV_DC/V_π为直流偏置相移，V_DC为直流偏置电压；

4）、调制器输出光信号经过99:1的分束比例经由光耦合器分束后，分束后的光通过反馈控制电路用来进行反馈控制，反馈控制电路包括光探测器PD、混频器、低通滤波器LPF、PID控制器和偏置单元；

5）、光探测器PD输出信号电流i_pd（t）为

式中，K=αηεP_in/2，η为探测器效率，ε为耦合器分光率，P_in为输入光功率，J_n(·)表示n阶第一类贝塞尔函数，，n为整数,

i_pd（t）为光探测器PD在t时刻的输出信号电流，t表示时间；

6）、经过另一相移器2输入混频器的射频信号为，为该路信号振幅，σ为信号经过另一相移器2产生的相移，则混频器输出信号经低通滤波器后得到的直流分量，式中，R为LPF等效输出阻抗。θ=θ₀－Δθ，θ₀为调制器正常工作情况下直流偏置相位，Δθ为偏置点漂移引起的偏置相位变化，δ=θ₀+β/2－σ为相移常数，通过调整σ使δ=π/2，此时LPF滤波器输出即为偏置点漂移产生的误差信号，当电源电压和电光调制器3半波电压共同变化时，引起的偏置相位变化，式中V_D0、V_π0分别为电光调制器3初始时刻直流偏置电压和半波电压，ΔV_DC、ΔV_π分别为工作过程中偏置电压和半波电压的变化；

7）、调节偏置单元直流偏置电压和一相移器1相移，改变电光调制器3的直流偏置点，实现不同电光调制方式，包括双边带（DSB）、单边带（SSB）、载波抑制（OCS）调制及低偏置方式，调节另一相移器2相移，改变LPF输出误差信号的相位，使误差信号保持在余弦函数的线性点容许波动范围内，便于控制单元进行控制，通过调整θ₀和β获得不同偏置点和不同电光调制方式，包括双边带（DSB）、单边带（SSB）、载波抑制（OCS）调制以及其它偏置点处的调制；通过调整σ可使得不同偏置点调制时，LP滤波器F输出误差信号保持为。

8）、此时直流偏置相位θ₀、相移器1相移β与相移器2相移σ就能达到：

      本发明与现有技术相比，具有结构简单，使用方便，自动化程度高，误差小，偏置控制能力强的特点，通过引入一个可调相移器，实现对DE-MZM任意直流偏置点的自动偏置控制。若调制器的静态直流偏置点需要改变，只需要调整偏置单元直流电压和可调移相器的相移，即可实现对新直流偏置点的偏置控制。该方法适用于DSB、SSB、OCS调制以及低偏置等工作方式的系统，且反馈控制系统结构简单，器件易于实现，在未来ROF系统中可以获得广泛应用。

附图说明

图1为本发明装置的原理结构示意框图；

图2a为图1的电源电压曲线图;

图2b为半波电压曲线图;

图2c为无偏置控制时相位漂移曲线图;

图2d为PID输出曲线图;

图2e为偏置控制时偏置单元输出曲线图;

图2f为偏置控制时相位漂移曲线图；

图3a为无偏置控制相位漂移曲线图；

图3b为偏置控制后相位漂移曲线图；

图4为偏置相位为0, π/2, 5π/6和π时偏置控制后的相位漂移曲线图。

具体实施方式

附图为本发明的实施例。

下面结合附图和实施例对发明内容作进一步详细说明：

参照图1所示，一种基于PID的DE-MZM自动偏置控制装置，该自动偏置控制装置由激光器、电光调制器3、一相移器1、另一相移器2、光耦合器、光探测器PD、混频器、低通滤波器、控制单元、偏置单元组成，其特征在于所述激光器与电光调制器3连接，所述电光调制器3一端分别与一相移器1一端、光耦合器的一端连接，所述电光调制器3另一端分别与偏置单元一端、一相移器1另一端连接，所述偏置单元另一端与控制单元连接，所述控制单元另一端与低通滤波器一端连接，所述低通滤波器另一端与混频器连接，所述混频器另一端分别与光探测器PD一端、另一相移器2另一端连接，所述一相移器1另一端与另一相移器2一端连接，所述光探测器PD另一端与光耦合器连接，光耦合器用来输出激光。

所述激光器为DFB-LD激光器。

所述控制单元为PID控制器。

所述低通滤波器为LPF滤波器。

一种基于PID的DE-MZM自动偏置控制装置的自动偏置控制方法，按下述步骤进行：

1）、输入射频信号经过两次分路，第一次分路后，一路信号经过另一相移器2与反馈信号进行混频，另一路信号经由电光调制器3进行电光调制；

2）、对电光调制的信号进行第二次分路，且分路后两路信号幅值相等；将第二次分路后的两路等幅信号分别加载到电光调制器3的上下两个电极上，其中加载到上电极的信号经过一相移器1产生相移；

3）、DFB-LD激光器输出光经过电光调制器3被调制，此时输出信号包络，式中E_in为输入光信号，α为插入损耗，γ=0.5为分束比，设射频输入信号相位差为β，ω为信号角频率，m=πV_RF/V_π为调制系数，V_RF为两路射频信号幅度，V_π为半波电压，θ=πV_DC/V_π为直流偏置相移，V_DC为直流偏置电压；

4）、调制器输出光信号经过99:1的分束比例经由光耦合器分束后，分束后的光通过反馈控制电路用来进行反馈控制，反馈控制电路包括光探测器PD、混频器、低通滤波器LPF、PID控制器和偏置单元；

5）、光探测器PD输出信号电流i_pd（t）为

式中，K=αηεP_in/2，η为探测器效率，ε为耦合器分光率，P_in为输入光功率，J_n(·)表示n阶第一类贝塞尔函数，，n为整数,

i_pd（t）为光探测器PD在t时刻的输出信号电流，t表示时间；

6）、经过另一相移器2输入混频器的射频信号为，为该路信号振幅，σ为信号经过另一相移器2产生的相移，则混频器输出信号经低通滤波器后得到的直流分量，式中，R为LPF等效输出阻抗。θ=θ₀－Δθ，θ₀为调制器正常工作情况下直流偏置相位，Δθ为偏置点漂移引起的偏置相位变化，δ=θ₀+β/2－σ为相移常数，通过调整σ使δ=π/2，此时LPF滤波器输出即为偏置点漂移产生的误差信号，当电源电压和电光调制器3半波电压共同变化时，引起的偏置相位变化，式中V_D0、V_π0分别为电光调制器3初始时刻直流偏置电压和半波电压，ΔV_DC、ΔV_π分别为工作过程中偏置电压和半波电压的变化；

7）、调节偏置单元直流偏置电压和一相移器1相移，改变电光调制器3的直流偏置点，实现不同电光调制方式，包括双边带（DSB）、单边带（SSB）、载波抑制（OCS）调制及低偏置方式，调节另一相移器2相移，改变LPF输出误差信号的相位，使误差信号保持在余弦函数的线性点容许波动范围内，便于控制单元进行控制，通过调整θ₀和β获得不同偏置点和不同电光调制方式，包括双边带（DSB）、单边带（SSB）、载波抑制（OCS）调制以及其它偏置点处的调制；通过调整σ可使得不同偏置点调制时，LP滤波器F输出误差信号保持为。

8）、此时直流偏置相位θ₀、相移器1相移β与相移器2相移σ就能达到：

实施例1

偏置单元电源电压的随机起伏及电光调制器半波电压的变化都会引起直流偏置点的漂移。常数叠加啁啾信号用来模拟偏置单元电源电压的随机起伏，其波形由第一示波器测得。常数叠加信号发生器产生的单调递减信号来模拟调制器半波电压的变化，其波形由第二示波器测得。两部分波形常数分别选取2、4，表示直流偏置相位为π/2。无偏置控制时系统的直流偏置相位漂移Δθ由第三示波器测得。PID控制器的参数选取为K_p=600，K_i=10，K_d=50，其输出控制信号由第四示波器测得。经反馈控制后偏置单元输出电压由第五示波器测得。经反馈控制后电光调制器的直流偏置相位变化Δθ由第六示波器测得。运行后，各示波器波形如图2所示。

图2a中偏置单元电源电压在2V附近随机起伏；

图2b中半波电压由4V逐渐减小。无偏置控制时，由于电源电压随机起伏和半波电压共同影响，直流偏置相位漂移范围为-0.12~0.07rad，

图2c所示，进行偏置控制时，PID控制器输出电压随着c中Δθ变化而变化，波形见2d。

图2e中偏置单元电源电压随机起伏对其输出电压几乎没有影响，输出电压随着电光调制器半波电压的变化而相应变化，由2V逐渐减小。

图2f中初始时刻倒脉冲尖峰是由于系统加压造成的，之后直流偏置相位漂移Δθ很小，保持在-2.4×10^-4~1.2×10^-4rad范围内，直流偏置相位漂移得到有效抑制。

将对应的第一常数Constant1值改为4，第三常数Constant3和第四常数Constant4值改为π，其余值不变，可测得直流偏置相位为π时的偏置控制情况。因为两偏置点处电源电压和半波电压引起的相位变化不同；

图3a所示，所以经偏置控制后两偏置点处相位漂移有一定的变化，但二者漂移都被抑制在-3×10^-4~1.2×10^-4rad范围内，

图3b偏置相位π处直流偏置漂移也得到有效抑制。

由于反馈控制系统的误差函数形式固定，因此偏置控制后相位的漂移范围由无偏置控制时的相位变化决定，与偏置点的选取无关。

图4给出了偏置相位分别为0、π/2、5π/6和π时自动偏置控制后系统相位漂移的变化情况。在不同偏置点处，电源电压的波动和半波电压的变化引起的电光调制器直流漂移相位不同，在经过自动偏置控制后，相位漂移情况也不完全相同。对于所有偏置点，电压变化引起的相位变化范围为-0.15~0.08rad，经过反馈控制系统后，相位漂移被抑制在-3×10^-4~2×10^-4rad以内，该实施例的参数选取如表1所示：

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