CN111077820A - 基于SoC FPGA的电光调制器偏置电压控制***及校准方法 - Google Patents

基于SoC FPGA的电光调制器偏置电压控制***及校准方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于光学控制领域，提出了一种基于SoC FPGA的电光调制器偏置电压控制***及校准方法，该***包括：SoC FPGA片上硬核协同处理芯片、DDS正弦信号发生器模块、三路线性加法器、高精度低纹波的可调恒压源、电光调制器、光电探测器、锁相放大器和DA转换模块。本发明一种基于SoC FPGA的电光调制器偏置电压控制器，***整体效率较高，提供了一种结构灵活的基于片上硬核协同处理控制器，有效的提高了电光调制器的运行稳定性与输出功率精度，可广泛应用于光学控制研究领域。

Description

基于SoC FPGA的电光调制器偏置电压控制***及校准方法
技术领域
本发明涉及光电控制技术领域，更具体地说，涉及一种基于SoC FPGA的电光调制器偏置电压控制***及校准方法。
背景技术
近30年，光电检测技术在医疗健康、食品安全检测、自然环境监测和相干光纤通信等关系国计民生的领域应用愈发广泛，其技术应用的核心即为电光调制器。然而，由于电光调制器(Electro-Optic Modulator)的材料构成为铌酸锂晶体(LiNbO3)、砷化镓晶体(GaAs)和钽酸锂晶体(LiTaO3)，其构成材料易于受到环境温度的影响，且在使用的过程中，电光调制器内部晶体的折射率随着电场强度而变化，以及供电电压的误差，致使电光调制器的偏置电压存在一定的偏移，由此降低了电光调制器的调制精度和整个***的工作稳定性。基于SoC FPGA的电光调制器偏置电压控制***在偏置电压的漂移检测和平衡调整方面具有显著的优越性，并相对于传统的ARM或者FPGA监测控制***，异构架构的SoC FPGA具有更为强劲的计算和控制能力，既具有ARM处理器的灵活高效的数据计算和事件处理能力，同时又集成了FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列)的高速并行处理优势，相对于推广多年的SoPC(System on Programmable Chip，片上可编程***)，SoCFPGA架构通过硬核处理器***和片上可编辑逻辑单元搭配可以节约更多的逻辑资源，并且可以进行更高速高效的运算，具有更佳的灵活性。
现已知的电光调制器偏置电压控制***中，尚没有基于异构架构的SoC FPGA的偏置电压控制***，而主流控制***是基于Stm32系列，其控制部分运行速度为8MHz左右，其余的控制***最高运行在50MHz***中，本***基于异构架构的SoC FPGA的电光调制器偏置电压控制的片上可编程逻辑模块运行在100MHz的***中，片上硬核协同处理器运行在100Mhz的高速***中，极大的降低了可编程逻辑模块的资源占用率，可有效提高光电通信的稳定性和准确性。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于SoCFPGA的电光调制器偏置电压控制***及校准方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于SoC FPGA的电光调制器偏置电压控制***，包括：SoC FPGA片上硬核协同处理芯片、DDS正弦信号发生器模块、三路线性加法器、高精度低纹波的可调恒压源、电光调制器、光电探测器、锁相放大器和DA转换模块；
其中，SoC FPGA片上硬核协同处理芯片的DDS正弦信号发生器模块连接DA转换模块，将产生的DDS正弦信号进行数模转换，转换为模拟信号，输入三路线性加法器的第一输入端；通过可调恒压源产生基准电压，并输入三路线性加法器的第二输入端；三路线性加法器的输出接入到电光调制器偏置电压输入端，将电光调制器的输出光信号输入到光电探测器，光电探测器的输出结果输入锁相放大器的检测输入端，锁相放大器的同步输入端连接DA转换模块，锁相放大器的输出端连接三路线性加法器的第三输入端。
其中，DA转换模块和三路线性加法器的第一输入端之间设置一滤波电路，以对DA转换模块输入到三路线性加法器的第一输入端的模拟信号进行低频滤波。
其中，DA转换模块为16bit高精度双极性DA转换模块DAC8562。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：建立一种基于SoC FPGA的电光调制器偏置电压控制及校准方法，基于如前述技术方案所述的电光调制器偏置电压控制***进行控制和校准，包括以下步骤：
S1、在SoC FPGA的PS侧设计DDS正弦信号发生器模块，并将DDS信号的数字量作为16bit高精度双极性DA转换模块的待转换量；由于相敏检测的最佳频率点为1KHz，故需要将DDS信号的频率控制字进行设置，使得数模转换结果为1Khz的正弦信号，该正弦信号作为偏置电压的扰动信号，为尽量避免对***稳定性的影响，控制DDS的数值，使其幅度为100mV，最终输出的正弦信号电压表达式为：
Figure BDA0002315046810000031
其中，φ0为输出正弦信号的初始相位；
S2、调整可调恒压源滑动变阻器生成4.5V恒压Vs，将恒压源提供的电压作为基准电压；
S3、将步骤S1、S2中的电压作为三路线性加法器的输入，将三路线性加法器的输出连接到电光调制器的偏置电压端口，三路线性加法器的输出电压Vo为：
Figure BDA0002315046810000032
S4、将三路线性加法器的输出电压连接到电光调制器的偏置电压输入端，电光调制器的输出光功率受到基准电压和调制电压的双重作用，根据电光调制特性输出功率公式
Figure BDA0002315046810000033
其中Pin代表输入光功率，α为电光调制器的固定参数，Vπ为半波电压，
Figure BDA0002315046810000034
为本征相位，P0为电光调制器在最低点时的输出功率，V表示电光调制器偏置电压端所加电压，即为S3中的Vo，包含基准电压和调制电压两部分，则电光调制器的输出功率：
Figure BDA0002315046810000041
S5、为使电光调制器工作点固定在输出所需的功率，采取固定功率点的方法，令输出功率相对于偏置端口电压的微分
Figure BDA0002315046810000042
为0，即
Figure BDA0002315046810000043
此时可以根据输出功率的增大与减小实时的判断出工作点的左右偏移。
S6、将电光调制器的输出光经过光耦合器耦合之后接入光电探测器，设光电探测器的转换效率为T，光电探测器的输出电压为：
Figure BDA0002315046810000044
由于锁相放大器的检测模块仅会与参考电压频率相同的信号发生作用，从待测信号中检测出与参考信号同频同相的信号，并将其转换为直流，将其它信号转换为交流信号，通过低通滤波器将输出信号中的交流分量滤除，最终输出电压Um为：
Figure BDA0002315046810000045
由式(6)可见，锁相放大器的检测模块的输出电压与光电探测器的输出电压以及相位差成正比，
Figure BDA0002315046810000046
为锁相放大器内部积分器的直流增益；Um的大小表示偏移的范围，Um的正负表示偏移的方向，且偏移方向与修正量大小相反，即当三路线性加法器的输出电压小于最佳工作点的所需电压时，Um的电压极性为正，当三路线性加法器的输出电压大于最佳工作点的所需电压时，Um的电压极性为负；将Um的接入到三路线性加法器的第三输入端，最终可实现偏置电压的修正与校准。
区别于现有技术，本发明提供的一种基于SoC FPGA的电光调制器偏置电压控制***及校准方法，通过FPGA与片上硬核处理器的有效结合，极大地节约了可编程模块的逻辑资源。此外，本发明还提供了一种基于AD630的锁相放大模块的相敏检测方法，即调制信号经过电光调制器调制后，光信号的扰动部分频率并没有发生改变，仍然可以经过放大之后与同步信号进行锁相放大，实现调制信号的精准识别与提取。本***可以在温度变化范围较大的环境下实现电光调制器偏置电压漂移的有效控制，为温变环境下电光调制的研究与应用作出了重要贡献。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明提供的一种基于SoC FPGA的电光调制器偏置电压控制***的结构示意图。
图2是本发明提供的一种基于SoC FPGA的电光调制器偏置电压控制***中DDS正弦信号发生器模块输出正弦信号的波形示意图。
图3是本发明提供的一种基于SoC FPGA的电光调制器偏置电压控制***中可调恒压源的电路结构图。
图4是本发明提供的一种基于SoC FPGA的电光调制器偏置电压控制***中三路线性加法器的电路结构示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
本发明的一种基于SoC FPGA的电光调制器偏置电压控制***，包括：SoC FPGA片上硬核协同处理芯片、DDS正弦信号发生器模块、三路线性加法器、高精度低纹波的可调恒压源、电光调制器、光电探测器、锁相放大器和DA转换模块；
其中，SoC FPGA片上硬核协同处理芯片的DDS正弦信号发生器模块连接DA转换模块，将产生的DDS正弦信号进行数模转换，转换为模拟信号，输入三路线性加法器的第一输入端；通过调控可调恒压源，产生基准电压，并输入三路线性加法器的第二输入端；三路线性加法器的输出接入到电光调制器偏置电压输入端，将电光调制器的输出光信号输入到光电探测器，光电探测器的输出结果输入锁相放大器的检测输入端，锁相放大器的同步输入端连接DA转换模块，锁相放大器的输出端连接三路线性加法器的第三输入端。
DDS正弦信号发生器模块输出的正弦信号如图2所示。
可调恒压源的电路结构图如图3所示，12V直流电源V1、电容C1、C2、滑动变阻器及调压芯片U1；其中，12V直流电源V1与电容C1并联，12V直流电源V1正极连接调压芯片U1的Vin输入端，滑动变阻器一端连接直流电源V1，另一端连接调压芯片U1的电压调节端ADJ，电容C2一端连接12V直流电源V1的负极，另一端连接调压芯片U1的输出端Vout。通过调节滑动变阻器的滑片，从而控制改变可调恒压源产生的基准电压，在本发明中，基准电压设定为4.5V。
三路线性加法器的电路结构示意图如图4所示。包括电阻R1-R5和加法器U2；电阻R1-R5的阻值均为200KΩ，电阻R2-R4的一端分别作为三路线性加法器的第一输入端、第二输入端和第三输入端，三者的另一端均连接至加法器U2的输入端口3，加法器U2的输入端口2分别连接电阻R1和R5的一端，电阻R1的另一端接地，电阻R5的另一端连接至加法器U2的输出端。加法器U2型号为OP1177AR，包括正电压供电端和负电压供电端，分别提供+12V和-12V的电压。
其中，DA转换模块和三路线性加法器的第一输入端之间设置一低通滤波电路，以对DA转换模块输入到三路线性加法器的第一输入端的模拟信号进行滤波。
其中，DA转换模块为16bit高精度双极性DA转换模块DAC8562。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于SoC FPGA的电光调制器偏置电压控制及校准方法，基于如前述技术方案所述的电光调制器偏置电压控制***进行控制和校准，包括以下步骤：
S1、在SoC FPGA的PS侧设计DDS正弦信号发生器模块，并将DDS信号的数字量作为16bit高精度双极性DA转换模块的待转换量；由于相敏检测的最佳频率点为1KHz，故需要将DDS信号的频率控制字进行设置，使得数模转换结果为1Khz的正弦信号，该正弦信号作为偏置电压的扰动信号，为尽量避免对***稳定性的影响，控制DDS的数值，使其幅度为100mV，最终输出的正弦信号电压表达式为：
Figure BDA0002315046810000071
其中，φ0为输出正弦信号的初始相位；
S2、调整可调恒压源滑动变阻器生成4.5V恒压Vs，将恒压源提供的电压作为基准电压；
S3、将步骤S1、S2中的电压作为三路线性加法器的输入，将三路线性加法器的输出连接到电光调制器的偏置电压端口，三路线性加法器的输出电压Vo为：
Figure BDA0002315046810000072
S4、将三路线性加法器的输出电压连接到电光调制器的偏置电压输入端，电光调制器的输出光受到基准电压和调制电压的双重作用，根据电光调制特性输出功率公式
Figure BDA0002315046810000081
其中Pin代表输入光功率，α为电光调制器的固定参数，Vπ为半波电压，
Figure BDA0002315046810000082
为本征相位，P0为电光调制器在最低点时的输出功率，V表示电光调制器偏置电压端所加电压，即为S3中的Vo，包含基准电压和调制电压两部分，则电光调制器的输出功率：
Figure BDA0002315046810000083
S5、为使电光调制器工作点固定在输出所需的功率，采取固定功率点的方法，令输出功率相对于偏置端口电压的微分
Figure BDA0002315046810000084
为0，即
Figure BDA0002315046810000085
此时可以根据输出功率的增大与减小实时的判断出工作点的左右偏移。
S6、将电光调制器的输出光经过光耦合器耦合之后接入光电探测器，设光电探测器的转换效率为T，光电探测器的输出电压为：
Figure BDA0002315046810000086
由于锁相放大器的检测模块仅会与参考电压频率相同的部分发生作用，从待测信号中检测出与参考信号同频同相的信号，并将其转换为直流，将其它信号转换为交流信号，通过低通滤波器将输出信号中的交流分量滤除，最终输出电压Um为：
Figure BDA0002315046810000091
由式(6)可见，锁相放大器的检测模块的输出电压与光电探测器的输出电压以及相位差成正比，
Figure BDA0002315046810000092
为锁相放大器内部积分器的直流增益；Um的大小表示偏移的范围，Um的正负表示偏移的方向，且偏移方向与修正量大小相反，即当三路线性加法器的输出电压小于最佳工作点的所需电压时，Um的电压极性为正，当三路线性加法器的输出电压大于最佳工作点的所需电压时，Um的电压极性为负；将Um接入到三路线性加法器的第三输入端，最终可实现偏置电压的修正与校准。
区别于现有技术，本发明提供的一种基于SoC FPGA的电光调制器偏置电压控制***及校准方法，通过FPGA与片上硬核协同处理器的有效结合，极大地节约了可编程模块的逻辑资源。此外，本发明还提供了一种基于AD630的锁相放大模块的相敏检测方法，即调制信号经过电光调制器调制后，光信号的扰动部分频率并没有发生改变，仍然可以经过放大之后与同步信号进行锁相放大，实现调制信号的精准识别与提取。本***可以在温度变化范围较大的环境下实现电光调制器偏置电压漂移的有效控制，为温变环境下电光调制的研究与应用作出了重要贡献。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种基于SoC FPGA的电光调制器偏置电压控制***，其特征在于，包括：SoC FPGA片上硬核协同处理芯片、DDS正弦信号发生器模块、三路线性加法器、高精度低纹波的可调恒压源、电光调制器、光电探测器、锁相放大器和DA转换模块；
其中，SoC FPGA片上硬核协同处理芯片的DDS正弦信号发生器模块连接DA转换模块，将产生的DDS正弦信号进行数模转换，转换为模拟信号，输入三路线性加法器的第一输入端；通过调控可调恒压源，产生基准电压，并输入三路线性加法器的第二输入端；三路线性加法器的输出接入到电光调制器偏置电压输入端，将电光调制器的输出的光信号输入到光电探测器，光电探测器的输出结果输入锁相放大器的检测输入端，锁相放大器的同步输入端连接DA转换模块，锁相放大器的输出端连接三路线性加法器的第三输入端。
2.根据权利要求1所述的基于SoC FPGA的电光调制器偏置电压控制***，其特征在于，所述DA转换模块和三路线性加法器的第一输入端之间设置一滤波电路，以对DA转换模块输入到三路线性加法器的第一输入端的模拟信号进行低频滤波。
3.根据权利要求1所述的基于SoC FPGA的电光调制器偏置电压控制***，其特征在于，所述DA转换模块为16bit高精度双极性DA转换模块DAC8562。
4.一种基于SoC FPGA的电光调制器偏置电压控制及校准方法，基于如权利要求1-3任意一项所述的电光调制器偏置电压控制***进行控制和校准，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在SoC FPGA的PS侧设计DDS正弦信号发生器模块，并将DDS信号的数值作为16bit高精度双极性DA转换模块的待转换量；由于相敏检测的最佳频率点为1KHz，故需要将DDS信号的频率控制字进行设置，使得数模转换结果为1Khz的正弦信号，该正弦信号作为偏置电压的扰动信号，为尽量避免对***稳定性的影响，控制DDS的数值，使其幅度为100mV，最终输出的正弦信号电压表达式为：
Figure FDA0002315046800000021
其中，φ0为输出正弦信号的初始相位；
S2、调整可调恒压源滑动变阻器生成4.5V恒压Vs，将恒压源提供的电压作为基准电压；
S3、将步骤S1、S2中的电压作为三路线性加法器的输入，将三路线性加法器的输出连接到电光调制器的偏置电压端口，三路线性加法器的输出电压Vo为：
Figure FDA0002315046800000022
S4、将三路线性加法器的输出电压连接到电光调制器的偏置电压输入端，电光调制器的输出光功率受到基准电压和调制电压的双重作用，根据电光调制特性输出功率公式
Figure FDA0002315046800000023
其中Pin代表输入光功率，α为电光调制器的固定参数，Vπ为半波电压，
Figure FDA0002315046800000024
为本征相位，P0为电光调制器在最低工作点时的输出功率，V表示电光调制器偏置电压端口所加电压，即为S3中的Vo，包含基准电压和调制电压两部分，则电光调制器的输出功率：
Figure FDA0002315046800000025
S5、为使电光调制器工作点固定在输出所需的功率，采取固定功率点的方法，令输出功率相对于偏置端口电压的微分
Figure FDA0002315046800000031
为0，即
Figure FDA0002315046800000032
此时可以根据输出功率的增大与减小实时的判断出工作点的左右偏移。
S6、将电光调制器的输出光经过光耦合器耦合之后接入光电探测器，设光电探测器的转换效率为T，光电探测器的输出电压为：
Figure FDA0002315046800000033
由于锁相放大器的检测模块仅会与参考电压频率相同的部分发生作用，从待测信号中检测出与参考信号同频同相的信号，并将其转换为直流，将其它信号转换为交流信号，通过低通滤波器将输出信号中的交流分量滤除，最终的输出电压Um为：
Figure FDA0002315046800000034
由式(6)可见，锁相放大器的检测模块的输出电压与光电探测器的输出电压以及相位差成正比，
Figure FDA0002315046800000035
为锁相放大器内部积分器的直流增益；Um的大小表示偏移的范围，Um的正负表示偏移的方向，且偏移方向与修正量大小相反，即当三路线性加法器的输出电压小于最佳工作点的所需电压时，Um的电压极性为正，当三路线性加法器的输出电压大于最佳工作点时，Um的电压极性为负；将Um接入到三路线性加法器的第三输入端，最终可实现偏置电压的修正与校准。
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