CN101873171B - Dpsk/dqpsk模块延迟干涉仪控制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种DPSK/DQPSK模块延迟干涉仪控制装置及方法，该控制装置主要包括微控制器单元、驱动电路单元、光功率取样单元；所述微控制器单元按照设定的时间间隔和步进间隔输出电信号，接收光功率取样单元的输出值，并计算其比值，由驱动电路单元处理微控制器的输出信号，确保延迟干涉仪的控制电压与微控制器的输出信号一一对应。如果微控制器的输出信号改变，则延迟干涉仪的控制电压产生相应的改变，其值不超过控制电压范围，光功率取样单元将延迟干涉仪输出的两路光功率转化成相应的电信号，并输出到微控制器。本发明控制装置减化了***硬件电路，并且采用硬件和软件相结合的方式，易于实现，并且稳定可靠。
Description
技术领域
本发明涉及光通信的调制技术，尤其涉及一种差分相移键控（DPSK）/差分四相相移键控（DQPSK）模块延迟干涉仪控制装置及方法。
背景技术
DPSK调制技术利用相邻光载波的相位信息传递信号，相比于传统的开关键控码方式，DPSK有3dB的灵敏度优势，并具有较高的非线性容限，目前广泛应用于长距离光纤通信。
图1为现有40G DPSK/DQPSK模块接收链路示意图，如图1所示，40G的DPSK/DQPSK模块采用直接检测的方式，接收通道包括延迟干涉仪（Delay-lineinterferometer）、平衡接收机以及解复用单元。延迟干涉仪将接收的光DPSK调制信号转化成光强信号，平衡接收机将光信号转化成串行电信号。解复用单元将串行电信号转化成SFI5标准的接口信号。延迟干涉仪必须进行控制，使入射信号的中心频率定位在延迟干涉仪干涉相长传输曲线的峰值频率，这样，延迟干涉仪两输出口（干涉相长口和干涉相消口）输出光功率相差最大，利于平衡接收机的判决。如果入射信号的中心频率与延迟干涉仪干涉相长传输曲线的峰值频率存在频率偏移Δf，将导致光信噪比（OSNR）降低的代价。参考A.H.Gnauck的“Optical Phase-Shift-Keyed Transmission”（JOURNAL OFLIGHTWAVE TECHNOLOGY,VOL.23,NO.1,JANUARY 2005），该文章指出，当频率偏移为数据速率的4%时，OSNR代价为1dB。延迟干涉仪传输曲线见图2，如图2中所示，实线表示延迟干涉仪干涉相长传输曲线，虚线表示干涉相消传输曲线。干涉相长曲线两相邻峰值的频率差为延迟干涉仪的自谐振频率（FSR）。
延迟干涉仪包括加热装置（Heater），该加热装置用于调节延迟干涉仪干涉相长传输曲线的峰值频率，使得入射信号的中心频率定位于延迟干涉仪干涉相长传输曲线的峰值频率。改变加热装置的控制电压，从而改变延迟干涉仪内部延迟路径的折射率，进而改变延迟干涉仪内部两光路的光程差，改变相位差，最终消除延迟干涉仪干涉相长传输曲线的峰值频率与入射信号中心频率的偏移Δf。相位误差δ=2πΔfTd，Td为延迟干涉仪内部两光路的延迟时间。当相位差为0或者π时，相位误差δ为0，消除了频率偏移Δf的影响。所以延迟干涉仪的控制，就是改变延迟干涉仪的控制电压，使延迟干涉仪内部发生干涉的两路光信号的相位差为0或者π。此时干涉相长（消）口输出光功率最大，另一个端口，干涉相消（长）口输出光功率最小。
在公开号为CN1798121A、名称为“差分相移键控解调器和解调方法”的中国发明专利申请中，揭示了一种传统的延迟干涉仪的控制方法，如图3所示，通过将加热器控制装置的输出和本地振荡器的输出施加到加热器上，由此产生的热量使被加热的臂的温度发生改变，使得两臂之间的相位失配产生轻微的震荡。该振荡由位于干涉仪的干涉l相长口输出的功率谱波动来反映。包络检波电路输出信号和本地振荡器之间的相位关系指示了延迟干涉仪的失配是正还是负。如果相位关系是同相，则增加加热器控制电路的输出电平；如果是反相，则减小加热控制电路的输出电平。如果包络检波电路的输出电平不以本地振荡器频率进行振荡，则表明延迟干涉仪已经调整到最佳工作状态，此时加热器控制电路的输出电平是常量。这里，本地振荡器的频率选择，一般设置为几赫兹或小于1赫兹。控制电压产生的热量，经过零点几秒的延迟，才能影响到延迟干涉仪相位的变化。为了使振荡信号有效，其周期应该长于延迟干涉仪由于加热而导致相位改变的延时。
但该方法需要本地震荡信号发生器、带通滤波器、包络检波器、相位比较器，其***电路比较复杂，并且其中的低频本地振荡器难以实现，并且易受外部噪声信号的干扰。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种DPSK/DQPSK模块延迟干涉仪控制装置及方法，通过设计一个简单的***控制电路，实现对模块干涉仪的稳定、可靠的延迟控制，使入射信号的中心频率定位于延迟干涉仪干涉相长传输曲线的峰值频率。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种DPSK/DQPSK模块延迟干涉仪控制装置，包括延迟干涉仪（4）和平衡接收机（5），该控制装置还包括微控制器单元（1）、驱动电路单元（2）和光功率取样单元（3）；其中，微控制器单元（1）输出电压信号至驱动电路单元（2），驱动电路单元（2）与所述延迟干涉仪（4）的加热电阻（41）相连，所述延迟干涉仪（4）依次通过平衡接收机（5）和光功率取样单元（3）与所述微控制器单元（1）相连；所述延迟干涉仪（4）的干涉相长口输出光信号和干涉相消口输出光信号输入平衡接收机（5），转换为电信号，再分别经过光功率取样单元（3）进行同倍放大，最后反馈至所述微控制器单元（1）；所述光功率取样单元（3）包括第一放大电路（31）和第二放大电路（32），所述第一放大电路（31）和第二放大电路（32）分别与所述微控制器单元（1）相连，第一放大电路（31）放大与干涉相长输出光功率成比例的电信号，第二放大电路（32）放大与干涉相消输出光功率成比例的电信号；微控制器单元（1）计算所接收的第一放大电路（31）输出值与第二放大电路（32）输出值的比值，对应一系列延迟干涉仪控制信号，通过微控制器单元（1）得到一系列的比值，找出最大比值，将延迟干涉仪的电压设置为最大比值对应的电压；
所述驱动电路单元（2）包括积分电路（21）、驱动电路（22）、取样电阻（23）和放大电路（24）；其中，所述微控制器单元（1）的微控制器（11）与所述积分电路（21）相连，然后依次经过所述驱动电路（22）与所述取样电阻（23）相连，所述取样电阻（23）与加热电阻（41）相串联；所述放大电路并联在所述取样电阻（23）之间，然后将输出信号反馈至所述积分电路（21）。
其中，所述微控制器单元（1）进一步包括微控制器（11）。
所述微控制器单元（1）进一步包括与所述微控制器（11）相连的适配电阻（12）。
所述光功率取样单元（3）进一步包括第一放大电路（31）和第二放大电路（32），所述第一放大电路（31）和第二放大电路（32）分别与所述微控制器单元（1）的微控制器（11）相连。
所述微控制器（11）的输出值与所述延迟干涉仪的输出电压值U一一对应，且其对应关系如下公式所示：
U=I×R×R1/（A×R2）；
其中，U为延迟干涉仪（4）的控制电压，I为微控制器（11）的输出电流，A为放大电路（24）的放大系数，R为加热电阻（41）的阻值，R1为适配电阻（12）的阻值，R2为取样电阻（23）的阻值。
一种DPSK/DQPSK模块延迟干涉仪控制装置的控制方法，该方法包括：
微控制器单元（1）输出电压信号至驱动电路单元（2），驱动电路单元（2）与所述延迟干涉仪（4）的加热电阻（41）相连，使所述微控制器单元（1）的输出电压值与所述延迟干涉仪加热电阻（41）两端的电压一一对应；当微控制器单元（1）按照一定的时间间隔和步进间隔输出电压信号，即可在所述加热电阻（41）得到相同时间间隔和步进间隔的电压信号；对每一个电压信号，延迟干涉仪（4）的干涉相长输出光功率Pc和干涉相消口输出光功率Pd也相应不同，所述平衡接收机（5）将Pc和Pd信号转换成电信号，再经过光功率取样单元（3）进行相同倍数的放大，使两路电信号与各自对应的光功率对应成比例；所述微控制器单元（1）接收所述光功率取样单元（3）的输出值，并计算经过光功率取样单元（3）的两路电信号的电压比值，对应一系列延迟干涉仪控制信号，通过微控制器单元（1）能够得到一系列的比值，找出最大值，将延迟干涉仪（4）的电压设置为所述最大比值对应的电压。
其中，所述一系列延迟干涉仪控制信号，为通过增加步进的控制电压得到，相应地，判断该控制信号电压是否超过预设阈值，如果不超过，则相应地对光功率取样单元输出的两路电信号进行采样、并计算比值和记录对应的控制电压；如果超过预设阈值，则结束该过程，并将延迟干涉仪的控制电压设置为对应最大比值的电压值。
本发明所提供的DPSK/DQPSK模块延迟干涉仪控制装置及方法，具有以下优点：
在延迟干涉仪的控制电压范围内进行电压扫描，对不同的控制电压，延迟干涉仪两输出口的光功率会发生变化，记录每一个控制电压对应的延迟干涉仪两路输出光功率的比值，将延迟干涉仪的控制电压设置为对应最大光功率比值的电压。当延迟干涉仪两路输出光功率比值最大时，表明入射信号的中心频率定位于延迟干涉仪干涉相长传输曲线的峰值频率。本发明的控制装置的***电路简单，适用于DPSK/DQPSK模块延迟干涉仪的控制，与现有技术相比，该控制装置减化了***硬件电路，并且采用硬件和软件相结合的方式，易于实现，并且稳定可靠。
附图说明
图1为现有40G DPSK/DQPSK模块接收链路示意图；
图2为延迟干涉仪传输曲线；
图3为现有延迟干涉仪的一种传统控制方案示意图；
图4为本发明延迟干涉仪控制装置的电路结构示意图；
图5为本发明延迟干涉仪控制装置的控制方法流程示意图；
图6为延迟干涉仪采用本发明的控制装置后两个输出口的眼图示意图。
具体实施方式
下面结合附图及本发明的实施例对本发明的方法作进一步详细的说明。
本发明的基本思想为：该发明控制装置的控制电路，包括微控制器单元、驱动电路单元、光功率取样单元等，所述微控制器按照一定的时间间隔（该时间间隔必须大于延迟干涉仪的相位调节时间）和步进间隔产生信号，经过驱动电路单元后，在延迟干涉仪的控制引脚上得到一系列的控制电压（该控制电压不超过延迟干涉仪的最大控制电压），控制电压也是按照一定的时间间隔和步进间隔，并且该时间间隔与微控制器输出信号的时间间隔相同。每一个控制电压对应一组延迟干涉仪的输出光功率，微控制器采样这两路光功率，并计算比值，找出最大比值，该最大比值对应的延迟干涉仪控制电压即为最佳控制电压。
图4为本发明延迟干涉仪控制装置的电路结构示意图，如图4所示，本发明所述的DPSK/DQPSK模块延迟干涉仪控制装置，主要包括微控制器单元1、驱动电路单元2、光功率取样单元3、延迟干涉仪4和平衡接收机5。其中，
微控制器单元1进一步包括微控制器11和适配电阻12。
驱动电路单元2进一步包括积分电路21、驱动电路22、取样电阻23和放大电路24。
光功率取样单元3进一步包括第一放大电路31、第二放大电路32，分别用于放大两路电信号，这两路电信号分别与延迟干涉仪干涉相长口输出光功率（Pc）和干涉相消口输出光功率（Pd）成正比。
延迟干涉仪4的自谐振频率（FSR）为66.7GHz，包括加热电阻（heater）41、干涉相长输出口42以及干涉相消输出口43。其中，heater41的阻值在摄氏0～75℃范围内基本保持不变。
由于本发明中，微控制器11的输出为电流信号，而积分电路21的输入为电压信号，所以需要适配电阻12。这里，也可以采用输出为电压信号的微控制器，从而省略适配电阻。
所述微控制器11按照一定的时间间隔和步进间隔输出电流信号，该电流信号经适配电阻12后进入到积分电路21；由积分电路21、驱动电路22、取样电阻23和放大电路24构成闭环电路，取样电阻与heater41串联，将微控制器11的输出值与延迟干涉仪的控制电压（heater41两端的电压）一一对应。其对应关系为：
U=I×R×R1/（A×R2）公式一
其中：U为延迟干涉仪4的控制电压，I为微控制器11的输出电流或电压，A为放大电路24的放大系数，R为heater41的阻值，R1为适配电阻12的阻值，R2为取样电阻23的阻值。
当公式一中参数I、A、R、R1和R2的值选定后，控制电压U和输出电流I成线性关系，即微控制器11的输出值与延迟干涉仪4的控制电压一一对应。
当微控制器11按照一定的时间间隔和步进间隔输出电流信号，通过适配电阻12和驱动电路单元2后就会在heater41上得到相同时间间隔和步进间隔为I×R×R1/（A×R2）的电压信号。对每一个电压信号，延迟干涉仪4的干涉相长输出光功率Pc和干涉相消输出光功率Pd都会不同。
平衡接收机5将干涉相长输出光功率Pc和干涉相消输出光功率Pd转换成电信号，由于该电信号很微弱，不利于微控制器11的采样，所以该电信号需要进一步放大。第一放大电路31放大与干涉相长输出光功率Pc成比例的电信号，第二放大电路32放大与干涉相消输出光功率Pd成比例的电信号，且第一放大电路31与第二放大电路32的放大倍数相同。这样，两路电信号与两路光功率对应成比例。
当入射信号的中心频率定位于延迟干涉仪干涉相长传输曲线的峰值频率时，第一放大电路31输出值最大，第二放大电路32输出值最小，其比值最大。由所述微控制器11接收第一放大电路31、第二放大电路31的输出值，并计算比值。
对一系列的延迟干涉仪控制信号，微控制器11就会得到一系列的比值，找出最大比值，将延迟干涉仪4的控制电压设置为最大比值对应的电压。
图5为本发明延迟干涉仪控制装置的控制方法流程示意图，如图5所示，该控制方法包括如下步骤：
步骤51、当DPSK/DQPSK模块检测到***条件均具备，可以开始延迟干涉仪的控制时，即可进行自动控制。
步骤52、设置初始电压值，作为预设阈值，微控制器11的输出经过驱动电路2后得到延迟干涉仪4的初始控制电压，延迟干涉仪的两路输出光功率经过平衡接收机5后，转化成电信号。该电信号经过光功率取样电路3放大后输出两路放大的电信号。
步骤53、微控制器11等待扫描时间，然后执行步骤54。
步骤54、微控制器11等待一个扫描时间间隔后，对光功率取样电路3输出的两路电信号执行光功率对应的电压采样，并取比值。
步骤55、对前后比值进行比较，记录较大的比值和对应的控制电压。
步骤56、增加步进控制电压。
步骤57、判断该控制电压是否大于预设阈值，若大于该阈值，则执行步骤58；否则，返回执行步骤53。
步骤58、当延迟干涉仪4的控制电压大于阈值，则执行结束扫描程序，将延迟干涉仪4的控制电压设置为对应最大比值的电压。
这里，微控制器11的时间间隔的选取必须注意，该时间间隔必须大于延迟干涉仪的调节时间。因为延迟干涉仪在控制电压的作用下，需要经过一定的调节时间才能体现两光路相位差的变化。
另外，微控制器11的步进间隔的选取也必须注意。如果步进间隔太大，则入射信号的中心频率就不能很准确的定位于延迟干涉仪干涉相长传输曲线的峰值频率。
DQPSK模块的接收链路也包括延迟干涉仪和平衡接收机。DQPSK模块延迟干涉仪的输出包括I、Q两个通道，这两个通道可以单独控制相位差，每个通道相当于一个DPSK延迟干涉仪。I通道两光路相位差为π/4，Q通道两光路相位差为-π/4。I、Q通道之间的相位差为π/2。所以对于DQPSK延迟干涉仪，仍然可以采用本发明的控制电路及控制方法单独控制I通道或Q通道。但是，微控制器11不是寻找光功率比值的最大值，而是寻找根据公式0.85B/(0.15B+1）计算的比值。其中，B为延迟干涉仪4输出的两路光功率的最大比值，将延迟干涉仪的控制电压设置为对应比值0.85B/（0.15B+1）的电压。
图6为延迟干涉仪采用本发明的控制装置后两个输出口的眼图示意图，其中，图6a为干涉相长输出口42的输出信号，图6b为干涉相消输出口43的输出信号。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种DPSK/DQPSK模块延迟干涉仪控制装置，包括延迟干涉仪（4）和平衡接收机（5），其特征在于，该控制装置还包括微控制器单元（1）、驱动电路单元（2）和光功率取样单元（3）；其中，微控制器单元（1）输出电压信号至驱动电路单元（2），驱动电路单元（2）与所述延迟干涉仪（4）的加热电阻（41）相连，所述延迟干涉仪（4）依次通过平衡接收机（5）和光功率取样单元（3）与所述微控制器单元（1）相连；所述延迟干涉仪（4）的干涉相长口输出光信号和干涉相消口输出光信号输入平衡接收机（5），转换为电信号，再分别经过光功率取样单元（3）进行同倍放大，最后反馈至所述微控制器单元（1）；所述光功率取样单元（3）包括第一放大电路（31）和第二放大电路（32），所述第一放大电路（31）和第二放大电路（32）分别与所述微控制器单元（1）相连，第一放大电路（31）放大与干涉相长输出光功率成比例的电信号，第二放大电路（32）放大与干涉相消输出光功率成比例的电信号；微控制器单元（1）计算所接收的第一放大电路（31）输出值与第二放大电路（32）输出值的比值，对应一系列延迟干涉仪控制信号，通过微控制器单元（1）得到一系列的比值，找出最大比值，将延迟干涉仪的电压设置为最大比值对应的电压；
所述驱动电路单元（2）包括积分电路（21）、驱动电路（22）、取样电阻（23）和放大电路（24）；其中，所述微控制器单元（1）的微控制器（11）与所述积分电路（21）相连，然后依次经过所述驱动电路（22）与所述取样电阻（23）相连，所述取样电阻（23）与加热电阻（41）相串联；所述放大电路并联在所述取样电阻（23）之间，然后将输出信号反馈至所述积分电路（21）。
2.根据权利要求1所述的DPSK/DQPSK模块延迟干涉仪控制装置，其特征在于，所述光功率取样单元（3）进一步包括第一放大电路（31）和第二放大电路（32），所述第一放大电路（31）和第二放大电路（32）分别与所述微控制器单元（1）的微控制器（11）相连。
3.根据权利要求2所述的DPSK/DQPSK模块延迟干涉仪控制装置，其特征在于，所述微控制器单元（1）进一步包括与所述微控制器（11）相连的适配电阻（12）。
4.根据权利要求2或3所述的DPSK/DQPSK模块延迟干涉仪控制装置，其特征在于，所述微控制器（11）的输出值与所述延迟干涉仪的输出电压值U一一对应，且其对应关系如下公式所示：
U=I×R×R1/（A×R2）；
其中，U为延迟干涉仪（4）的控制电压，I为微控制器（11）的输出电流，A为放大电路（24）的放大系数，R为加热电阻（41）的阻值，R1为适配电阻（12）的阻值，R2为取样电阻（23）的阻值。
5.一种DPSK/DQPSK模块延迟干涉仪控制装置的控制方法，其特征在于，该方法包括：
微控制器单元（1）输出电压信号至驱动电路单元（2），驱动电路单元（2）与所述延迟干涉仪（4）的加热电阻（41）相连，使所述微控制器单元（1）的输出电压值与所述延迟干涉仪加热电阻（41）两端的电压一一对应；当微控制器单元（1）按照一定的时间间隔和步进间隔输出电压信号，即可在所述加热电阻（41）得到相同时间间隔和步进间隔的电压信号；对每一个电压信号，延迟干涉仪（4）的干涉相长输出光功率Pc和干涉相消口输出光功率Pd也相应不同，所述平衡接收机（5）将Pc和Pd信号转换成电信号，再经过光功率取样单元（3）进行相同倍数的放大，使两路电信号与各自对应的光功率对应成比例；所述微控制器单元（1）接收所述光功率取样单元（3）的输出值，并计算经过光功率取样单元（3）的两路电信号的电压比值，对应一系列延迟干涉仪控制信号，通过微控制器单元（1）能够得到一系列的比值，找出最大值，将延迟干涉仪（4）的电压设置为所述最大比值对应的电压；所述一系列延迟干涉仪控制信号，为通过增加步进的控制电压得到，相应地，判断该控制信号电压是否超过预设阈值，如果不超过，则相应地对光功率取样单元输出的两路电信号进行采样、并计算比值和记录对应的控制电压；如果超过预设阈值，则结束该过程，并将延迟干涉仪的控制电压设置为对应最大比值的电压值。
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