基于DDS技術(shù)的動態(tài)偏振控制器驅(qū)動電路研究

唐 琦,徐宏杰,郭耀儀

摘 要:偏振控制器廣泛應(yīng)用于光纖通信和傳感領(lǐng)域,研制具有高性價比的偏振控制器配套驅(qū)動電路是必要的。運用邦加球圖示法,分析光纖擠壓型動態(tài)偏振控制器(DPC)的工作原理。以某種偏振度(DOP)測試系統(tǒng)的硬件為實驗平臺,介紹基于直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)和FPGA的動態(tài)偏振控制器驅(qū)動電路的工作原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及軟、硬件設(shè)計。實驗測試結(jié)果表明,該設(shè)計實現(xiàn)了驅(qū)動電路的預(yù)期目標(biāo),產(chǎn)生了4路具有頻率可調(diào),相位噪聲低等優(yōu)點的正弦驅(qū)動信號。該驅(qū)動電路與傳統(tǒng)實現(xiàn)方式相比,具有輸出信號穩(wěn)定,控制靈活,實用性和性價比高等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞:偏振控制器;DDS技術(shù);FPGA;驅(qū)動電路

中圖分類號:TN710文獻標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)12-010-03

Research on Drive Circuit of Dynamic Polarization Controller Based on DDS Technique

TANG Qi,XU Hongjie,GUO Yaoyi

(School of Instrument Science and Optical-Electronics Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing,100083,China)

Abstract:Polarization controller has been widely used in the fields of fiber transmission and transducer,and it is necessary to study on its assorted drive circuit with high price-to-performance ratio.The operating principle of fiber squeezer Dynamic Polarization Controller (DPC) is analyzed by using the Poincaré sphere.The basic principle is introduced,features and the performance of driving circuit of dynamic polarization controller based on Direct Digital frequency Synthesis (DDS)technology and FPGA by using the hardware of a measurement system Degree of Polarization (DOP) as the experimental platform.The results of testing show that the design of driving circuit can generate 4 Sine waves with some advantages such as convenience for changing frequency and reducing phase noise and the anticipative goal is achieved.Compared with general methods,the output waveform of the signal is stable,firm and flexibly controllable and the design has high practicability and excellent price-to-performance ratio.

Keywords:polarization controller;DDS technique;FPGA;drive circuit

0 引 言

偏振控制器是一種重要的光器件,在光纖通信和傳感領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。在光纖通信系統(tǒng)中,準(zhǔn)確地控制光纖中的偏振態(tài),關(guān)系著系統(tǒng)的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率[1]。然而在消偏型光纖陀螺中,準(zhǔn)確測量光的偏振度也是保證光纖陀螺精度的有效措施。因此,偏振控制器(PC)作為一種改變輸入光偏振態(tài)的光器件是不可缺少的一種偏振控制器件,在PMD動態(tài)補償、偏振度(DOP)測試等方面發(fā)揮著重要的作用。

但是在實際運用中,偏振控制器的半波電壓與廠家給出的標(biāo)稱值并不完全一致,導(dǎo)致了使用的不便。因此在使用時需要有與之配套的驅(qū)動電路[2]。但是,許多廠家并不提供配套的驅(qū)動電路,即使提供,價格也昂貴,在實際工程開發(fā)中不能達到最佳性價比。因此,自主研制DPC的驅(qū)動電路是很有必要的。

本文以光纖擠壓型偏振控制器為研究對象,運用邦加球圖示法分析了其工作原理,并介紹基于DDS技術(shù)和FPGA的動態(tài)偏振控制器驅(qū)動電路的工作原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及軟、硬件設(shè)計。測試結(jié)果表明,設(shè)計實現(xiàn)了驅(qū)動電路的預(yù)定功能,生成了4路頻率幅值均可調(diào)的正弦驅(qū)動信號。

1 DPC的工作原理

這里研究的光纖擠壓型偏振控制器,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由4個壓電陶瓷光纖擠壓器(稱為擠壓器F1,F2,F3,F4)組成,其方位角分別為0°,45°,0°,45°,各擠壓器對應(yīng)的驅(qū)動電壓為V1,V2,V3,V4。分別在4個擠壓器上加電壓信號驅(qū)動,產(chǎn)生相應(yīng)的壓力擠壓光纖,形成線性雙折射,改變?nèi)肷涔獠ǖ南辔徊?從而實現(xiàn)任意偏振態(tài)轉(zhuǎn)換[2]。

由文獻[3-5]和上述偏振控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu),可將擠壓器中的四段光纖(分別稱為d1,d2,d3,d4)看成不同方位角的相位延遲器。

(1) d1,d3可看成方位角為零的相位延遲器,只改變輸入光的相位延遲而不改變其偏振方向[5],在邦加球上表現(xiàn)為輸入偏振態(tài)繞S1軸的旋轉(zhuǎn)。

(2) d2,d4可看成方位角為45°的相位延遲器[5],也即旋光器和相位角為零的相位延遲器的合成,不僅改變輸入光的相位延遲,也改變其偏振方向,其偏振態(tài)變換在邦加球上表現(xiàn)為繞S2的旋轉(zhuǎn)。

圖1 光纖擠壓型偏振控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖2為d1,d2,d3,d4對偏振態(tài)變換在邦加球上的顯示。如圖2所示,在邦加球上,隨所加電壓的變化,d1或d3的輸出光起始偏振態(tài)S繞S1軸順時針旋轉(zhuǎn)。d2,d4的輸出光偏振態(tài)S′隨所加電壓變化在邦加球上繞S2軸逆時針旋轉(zhuǎn)。

圖2 光纖擠壓器偏振態(tài)隨電壓變化的邦加球示意圖

由此可知,只要輸入光的偏振態(tài)與F1和F2的方向都不垂直,則輸入光的偏振態(tài)都可以通過操作至少2個擠壓器改變到任意一個偏振態(tài)。

2 DPC的驅(qū)動電路設(shè)計

DPC驅(qū)動電路的設(shè)計基于DDS技術(shù)[6],系統(tǒng)主要由Xilinx Spartan-3系列FPGA、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器LTC1668及寬帶放大器LT1812組成。

2.1 DDS的基本原理

DDS的基本原理是基于采樣定理。將相位累加器輸出的相位碼通過查表法映射成波形幅度碼,經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換和低通濾波后產(chǎn)生波形[7],其框圖如圖3所示。它主要由參考時鐘fref、相位累加器、相位寄存器、波形存儲器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器及低通濾波器等部分構(gòu)成。

DDS工作時,它將在時鐘脈沖的控制下,對頻率控制字F用累加器進行處理,以得到相應(yīng)的相位碼;然后由相位碼尋址波形存儲器進行相位碼——幅度編碼變換后輸出不同的幅度編碼;再經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器和低通濾波器處理,即可得到由頻率控制字決定的連續(xù)變化的輸出波形[8]。

圖3 DDS基本原理框圖

2.2 硬件組成

DPC的驅(qū)動電路是基于偏振度測試系統(tǒng)平臺(見圖4)研制的。DPC用于將輸入光擾偏后輸出,再經(jīng)檢偏器和探測器將光強信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字量送入FPGA,FPGA對數(shù)據(jù)進行處理后再對DPC的驅(qū)動電壓做出調(diào)整并輸出,以達到完全擾偏的目的。

圖4 偏振度測試系統(tǒng)平臺

要實現(xiàn)完全擾偏,也即是讓輸入偏振態(tài)在一定時間內(nèi)遍歷各個偏振態(tài)[9]。根據(jù)DPC的工作原理及實驗嘗試,測試系統(tǒng)使用4路正弦信號同時驅(qū)動4個光纖擠壓器。根據(jù)DPC自身性質(zhì)[10],所需提供電壓最大值應(yīng)小于2 V,正弦波頻率應(yīng)小于2 000 Hz。因此,驅(qū)動電路需要提供4路大于零的正弦波驅(qū)動信號,其峰值應(yīng)小于2 V,且正弦波頻率各不相等,均小于2 000 Hz。

驅(qū)動電路的硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示,4路電壓驅(qū)動設(shè)計均相同。采用16位高精度數(shù)/模轉(zhuǎn)換器LTC1668,將FPGA輸出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬電流,再經(jīng)運放LT1812將電流轉(zhuǎn)換為電壓。

圖5 驅(qū)動電路的硬件結(jié)構(gòu)組成

LTC1668工作在±5 V雙極性電壓供電情況下,其參考電壓由內(nèi)部提供,輸出采用單端電流輸出模式。寬帶放大器LT1812完成電流-電壓轉(zhuǎn)換,最終輸出符合要求的正弦信號。

2.3 軟件設(shè)計

FPGA是驅(qū)動電路的控制核心。FPGA接收ADC轉(zhuǎn)換的光強信息數(shù)據(jù),并傳送給DSP;再根據(jù)DSP計算所得的數(shù)據(jù)(即正弦驅(qū)動信號的頻率f)判斷是否符合要求,若符合要求則進入DDS子模塊,得到幅度碼并發(fā)送給LTC1668,以輸出需要的正弦波。FPGA主模塊流程圖如圖6(a)所示。

進入DDS子模塊后,由DDS基本原理,可計算出相位步進n:

n=fo×216/fref

式中:fo是輸出頻率;fref為DDS參考時鐘頻率,由FPGA將晶振輸入時鐘經(jīng)內(nèi)部鎖相環(huán)分頻后產(chǎn)生。

由相位步進累加可得到相位碼,再尋址波形存儲器即可完成相位——幅度轉(zhuǎn)換,得到相應(yīng)的幅度碼,輸出給主模塊。由于驅(qū)動信號為正弦波,波形存儲器直接調(diào)用FPGA內(nèi)部模塊sin_cos_lookup_table,輸入與輸出數(shù)據(jù)位寬均為16位。DDS子模塊流程圖如圖6(b)所示。

圖6 軟件流程圖

2.4 實驗測試結(jié)果

實驗時設(shè)定4路正弦驅(qū)動信號V1,V2,V3,V4的頻率分別為f1=2 000 Hz,f2=1 000 Hz,f3=1 800 Hz,f4=1 500 Hz。

示波器上觀測的波形如圖7所示。

波形使用雙通道示波器觀測,2通道探頭設(shè)置為10檔。從圖7中可以看出,輸出波形較為穩(wěn)定。如果在FPGA程序內(nèi)增大sin_cos_lookup_table模塊的輸入數(shù)據(jù)位寬,也即增大采樣點數(shù),可以得到精度更高的輸出波形。

圖7 示波器上觀測到的波形圖

3 結(jié) 語

動態(tài)偏振控制器目前廣泛應(yīng)用于光纖通信和傳感領(lǐng)域,是一種重要的偏振控制器件。分析動態(tài)偏振控制器的工作原理,并以光纖擠壓型偏振控制器為研究對象,設(shè)計了基于DDS技術(shù)和FPGA的調(diào)制電路,該設(shè)計以偏振度測試系統(tǒng)為實驗平臺。實驗測試結(jié)果表明,所設(shè)計的調(diào)制電路能夠輸出4路頻率可調(diào)的正弦信號,輸出信號穩(wěn)定,控制靈活,工作性能可靠。該方法思路簡單,采用Verilog語言設(shè)計并調(diào)用FPGA內(nèi)部模塊,設(shè)計靈活透明,且外圍電路較為簡易,具有良好的實用性和性價比。

參考文獻

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