一種基于斜率檢測算法的馬赫-曾德爾調(diào)制器偏壓控制研究

周其超，陶存炳，黃 偉

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所， 江蘇 揚州 225101)

0 引 言

電光調(diào)制器是光控相控陣系統(tǒng)中的一個重要組成模塊，將射頻信號經(jīng)過調(diào)制器加載到光信號上進行傳輸和信號處理。實際應用中，電光調(diào)制器多采用鈮酸鋰材料的馬赫-曾德爾調(diào)制器。但是，由于外界環(huán)境溫度變化或者高頻連續(xù)信號的影響，馬赫-曾德爾調(diào)制器的工作點會發(fā)生漂移，從而影響到調(diào)制器的調(diào)制精度，也會影響到整個光控相控陣系統(tǒng)的工作穩(wěn)定[1-5]。因此，本文研究了馬赫-曾德爾調(diào)制器的偏壓控制技術(shù)，分析了基于傳輸曲線斜率檢測算法的馬赫-曾德爾調(diào)制器工作點偏壓控制原理，并且進行了馬赫-曾德爾調(diào)制器工作點偏壓控制系統(tǒng)的硬件和軟件設計。通過實驗驗證，表明該偏壓控制系統(tǒng)能夠?qū)︸R赫-曾德爾調(diào)制器的工作點進行有效的偏壓控制。

1 基于斜率檢測算法的馬赫-曾德爾調(diào)制器工作點偏壓控制原理

在理想條件下，馬赫-曾德爾調(diào)制器的傳輸特性曲線公式可表示為

(1)

式中，Pout為馬赫-曾德爾調(diào)制器輸出的光功率；Pin為馬赫-曾德爾調(diào)制器輸入光功率；Vπ為調(diào)制器的半波電壓；V為偏置電壓，即外界偏壓控制系統(tǒng)對調(diào)制器所加載的偏置電壓。圖1為馬赫-曾德爾調(diào)制器輸出光功率與所加載的偏置電壓的響應曲線。

圖1 馬赫-曾德爾調(diào)制器相應曲線

從圖1所知，馬赫-曾德爾調(diào)制器的輸出光功率隨著偏置電壓的不同而改變。調(diào)制器根據(jù)調(diào)制方式的不同可以加載在不同的工作點。由圖可知，馬赫-曾德爾調(diào)制器工作點設置為-Q和+Q點時其輸出信號沒有失真。本文以-Q點作為工作點。

為了使調(diào)制器不受到溫度等環(huán)境因素的影響而始終工作在-Q點，本文采用通過檢測馬赫-曾德爾調(diào)制器傳輸特性曲線的斜率的變化來判斷此時調(diào)制器工作點的位置，利用偏壓控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)調(diào)制器的偏置電壓，最終將工作點移到-Q點。具體做法如下：

(1) 向馬赫-曾德爾調(diào)制器的偏置電壓加載端加載一個微弱的擾動信號(幅值大約為調(diào)制信號的1%，且為低頻信號)，擾動信號經(jīng)過調(diào)制器后對其進行放大和濾波；

(2) 將經(jīng)過放大和濾波后的信號與原始的擾動信號進行相乘和積分處理，得到一個與馬赫-曾德爾調(diào)制器傳輸特性曲線斜率呈線性關(guān)系的誤差信號；

(3) 通過檢測誤差信號的大小，判斷此時工作點有無漂移以及漂移的方向，最后通過調(diào)節(jié)偏壓將工作點移至-Q點。

上述利用擾動信號實現(xiàn)對調(diào)制器的偏壓控制原理如下：

設擾動信號為

VRAO=Asinωt

(2)

擾動信號經(jīng)過調(diào)制器后的輸出信號為

(3)

將此信號與擾動信號進行相乘和積分得到一個直流誤差信號為W，即

(4)

當τ?2π/ω時，濾除直流分量，對公式(4)展開計算得到

(5)

從馬赫-曾德爾調(diào)制器的傳輸特性曲線來看，對公式(1)求導，從而得到斜率K為

(6)

對比公式(5)與公式(6)，誤差信號W與調(diào)制器傳輸曲線的斜率呈線性關(guān)系。從圖1可知，當馬赫-曾德爾調(diào)制器工作在-Q時，其斜率為最小值，故直流誤差信號W也為最小值；當調(diào)制器傳輸曲線發(fā)生漂移時，可以通過鎖定直流誤差信號W的最小值從而設置新的偏置電壓，最終實現(xiàn)對馬赫-曾德爾調(diào)制器有效偏壓控制。

2 系統(tǒng)設計

2.1 硬件設計

偏壓控制系統(tǒng)主要包括PIN光電檢測及其放大模塊、低通濾波模塊、相位補償模塊、乘法器模塊、微處理器模塊、信號產(chǎn)生模塊、積分模塊和加法器模塊等。具體框圖如圖2所示。

圖2 偏壓控制系統(tǒng)框圖

通過馬赫-曾德爾調(diào)制器輸出的光信號經(jīng)過耦合器分出5%，通過PIN光電二極管及其放大電路將微弱的光信號轉(zhuǎn)換成電信號并進行放大。經(jīng)過放大后的電信號通過低通濾波和相位補償模塊濾除掉被調(diào)制的信號及噪聲。在乘法器模塊中，該信號與信號發(fā)生器產(chǎn)生的擾動信號相乘，并將相乘的結(jié)果發(fā)送至積分模塊。完成積分后得到一個誤差信號，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后發(fā)送至微處理器模塊。微處理器模塊通過該誤差信號去判斷此時調(diào)制器是否工作在-Q點，并設置調(diào)節(jié)偏置電壓。將調(diào)節(jié)后的偏置電壓與擾動信號通過在加法器模塊一同加載在調(diào)制器的偏壓輸入端，從而完成一個閉環(huán)的反饋偏壓控制。

PIN光電二極管采用北京世維通科技公司的PDS473-a光電二極管。該光電二極管具有高靈敏度、低暗電流等特點，利用TI公司的OPA657運算放大器搭建反向放大電路，從而獲得較大的電壓信號。

為了濾除被調(diào)制信號通過調(diào)制器產(chǎn)生的光調(diào)制信號和噪聲信號，偏壓控制系統(tǒng)采用無限增益多路反饋型濾波電路進行濾波?？紤]偏壓控制系統(tǒng)尺寸的問題，根據(jù)減少器件簡化電路的原則，偏壓控制系統(tǒng)采用二級無限增益反饋型濾波電路，濾波的帶寬為2～4 kHz。濾波電路如圖3所示。

圖3 低通濾波電路

乘法器模塊的主要功能是實現(xiàn)擾動信號與擾動信號經(jīng)過調(diào)制器輸出的光信號進行相乘。由于擾動信號和擾動信號調(diào)制后的光信號的幅度都有正負值，所以偏壓控制系統(tǒng)采用ADI公司的AD633四象限乘法器芯片。

偏壓控制系統(tǒng)采用STM32F103RCT6芯片作為微處理器模塊，其接收AD輸出的數(shù)字信號，判斷此時調(diào)制器的工作點是否發(fā)生漂移，通過相關(guān)的步進算法調(diào)節(jié)偏壓輸出，使得調(diào)制器輸出的信號沒有失真。

偏壓控制系統(tǒng)采用ADI公司的AD9837芯片作為信號發(fā)生器。它的輸出頻率、波形和幅度可以通過微處理器模塊進行控制。系統(tǒng)通過AD9837產(chǎn)生20 mV、3 kHz的正弦波信號。

加法器模塊的功能是將擾動信號與偏置電壓相加，并將同時輸出的電壓信號加載到馬赫-曾德爾調(diào)制器的偏壓輸入端。系統(tǒng)選用TI公司的OPA2188運放搭建加法器電路。該芯片具有低噪聲、高共模抑制比和高增益帶寬等特點。

2.2 軟件設計

偏壓控制系統(tǒng)的軟件流程圖如圖4所示。

圖4 偏壓控制系統(tǒng)軟件流程圖

從圖4可知，馬赫-曾德爾調(diào)制器偏壓控制系統(tǒng)軟件主要包括系統(tǒng)初始化、AD和信號發(fā)生器等模塊的初始化。加載偏置電壓，按照一定步進逐步增加偏置電壓從而得到調(diào)制器輸出的光功率傳輸曲線。通過該傳輸曲線設置好初始工作點(-Q點)，并采集此時的誤差信號W1，設置閾值。當采集的誤差信號W2>W1時，調(diào)整偏置電壓使得采集的誤差信號差值在閾值范圍之內(nèi)，從而達到鎖定工作點的目的。

3 實驗測試

偏壓控制系統(tǒng)采用Oclaro公司的PowerBit SD-20型號的調(diào)制器。利用激光器作為光源，其輸出功率為10 dBm，波長為1 550 nm，信號源選用頻率為12 GHz、功率為-5 dBm的連續(xù)波作為調(diào)制器的射頻調(diào)制信號。偏壓控制系統(tǒng)實驗流程如下：

(1) 初始化系統(tǒng)，激光器輸出功率為10 dBm對調(diào)制器設置0～6 V、步進為0.1 V的偏置電壓，得到調(diào)制器的初始傳輸曲線。記錄此時-Q點對應的輸出光功率和對應的偏置電壓。初始傳輸曲線如圖5所示。

(2) 系統(tǒng)為了測試偏壓控制系統(tǒng)的有效性，將偏置電壓設置為-Q點對應的偏置電壓，通過對比有無偏壓控制下的光功率去驗證偏壓控制系統(tǒng)的有效性。

(3) 系統(tǒng)選擇-Q點位置的偏置電壓為4.7 V。在室溫條件下，間隔5 min加載偏壓控制系統(tǒng)，測試隨時間變化而輸出的光功率。另外，通過穩(wěn)壓源輸出4.7 V的固定電壓加載于調(diào)制器上，測試輸出的光功率。最后得到有無偏壓控制下的-Q點對應的光功率曲線，如圖6所示。

圖5 初始傳輸曲線

圖6 加載與未加載偏壓控制系統(tǒng)-Q點的輸出功率

由圖6可知，若未加載偏壓控制系統(tǒng)，通過穩(wěn)壓源直接加載調(diào)制器固定電壓時其固定電壓對應的光功率發(fā)生了明顯變化，傳輸曲線發(fā)生了飄逸；當加載偏壓控制系統(tǒng)后，偏壓控制系統(tǒng)鎖定了工作點，-Q點的光功率較為穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

本文分析了基于馬赫-曾德爾調(diào)制器傳輸曲線斜率檢測算法的偏壓控制的原理，設計了偏置電壓自動控制電路，并對偏壓控制系統(tǒng)的硬件組成和軟件流程進行了分析，最后通過實驗測試驗證了偏壓控制系統(tǒng)工作的有效性，解決了馬赫-曾德爾調(diào)制器工作點漂移的問題。