一種光子最佳變頻點控制系統及其運行方法與流程
2023-06-11 06:54:46
本發明涉及微波頻率變換技術領域，具體為一種光子最佳變頻點控制系統及其運行方法，以在光域內實現傳統的微波信號上下頻率變換。
背景技術：
微波頻率變換的應用非常廣泛，在通信、技術偵查、頻譜監測、電子對抗、遙感測控等領域中，信號接收時需要把接收到的信號下變頻到中頻進行處理，發射時需要將中頻信號上變頻為射頻信號才能發射。
在傳統變頻系統發射機和接收機的微波/射頻電路中，微波頻率的上變頻和下變頻一般是使用二極體混頻器和有源電晶體混頻器來實現的，其變頻動態範圍、寬帶範圍、隔離度、抗損毀能力和抗電磁幹擾能力等均受限於電子器件的性能。
微波光子器件具有良好非線性特性，且具有帶寬大、傳輸損耗小、電隔離度高、抗電磁幹擾等特性，將寬帶微波射頻信號和微波本振信號分別加載到光域，在光域內實現微波信號的頻率變換。該技術突破了微波信號頻率變換的「電子瓶頸」限制，同時還實現微波信號的低損耗長距離傳輸。
然而，光域變頻器件對外界的溫度、應力和溼度等環境變化十分敏感，其最佳變頻點受外界環境影響會呈現無規則的快速變化，從而影響變頻輸出信號的功率和相位穩定性。因此研製一種光子最佳變頻點高速回歸控制系統是光域變頻技術成敗的關鍵。
技術實現要素：
本發明的目的是設計一種光子最佳變頻點控制系統，包括光電轉換模塊、信號提取模塊、信號處理模塊、決策模塊和驅動電路模塊，針對光域變頻設備的最佳變頻點快速變化的特點，對光子最佳變頻點進行控制，以在光域內實現微波信號上下頻率的準確變換。
本發明的另一目的是設計上述光子最佳變頻點控制系統的運行方法。光子信號進行光電轉換並數模轉換，微處理器對信號進行數據採集存儲，曲線擬合，微分積分運算，確定控制信號的控制方向以及控制量的大小，進而得到對光調製器的控制電壓，精確控制光調製器於最佳變頻點工作，使其輸出的光信號頻率穩定。
本發明設計的一種光子最佳變頻點控制系統包括光電轉換模塊、信號提取模塊和驅動電路模塊各1個，還包括一個信號處理模塊及一個決策模塊。光信號經光調製器變頻後接入光耦合器，光耦合器將一部分光信號耦合進入輸出光纖作為光輸出，另一部分接入本光子最佳變頻點控制系統的光電轉換模塊。為了控制光調製器在最佳變頻點輸出信號，本光子最佳變頻控制系統不斷地循環提取光調製器的輸出信號並據此控制光調製器。控制系統的光電轉換模塊將接入光信號轉換為對應的電信號，其輸出的電信號接入信號提取模塊，信號提取模塊對信號進行預處理，即將接入的電信號進行放大、濾波、整形，並將模擬信號轉變為量化的數位訊號，信號提取模塊的輸出接入信號處理模塊；信號處理模塊包括存儲器子模塊和運算子模塊，存儲器子模塊先對信號提取模塊送入的數位訊號進行採集和存儲，之後運算子模塊對存儲的數據進行曲線擬合和微分積分計算，並且根據計算結果確定控制信號的方向和大小，輸出相應電控信號到決策模塊；緊接著決策模塊根據電控信號轉換得到模擬的電控信號，輸出到驅動電路模塊，最後驅動電路模塊的輸出為本系統的輸出，該輸出為有效高精度的控制電壓，以控制光調製器。
所述信號處理模塊是微控制器，讀取信號提取模塊送入的數位訊號，對其計算處理。
所述信號提取模塊包括放大子模塊、濾波子模塊和模數轉換子模塊，放大子模塊主體為放大器，把小信號放大，過大的信號進行削波。濾波子模塊提取其中加載的信號並濾除噪聲。模數轉換子模塊將模擬信號轉換為數位訊號。
所述決策模塊包括三個數模轉換子模塊，依次為8位，16位，24位的數模轉換子模塊，每個數模轉換子模塊連接一個放大從模塊，其增益依次為2～0dB，5～0dB，10～0dB,決策模塊接收信號處理模塊發出的電控信號，經其中一個數模轉換子模塊和一個放大從模塊輸出模擬信號。根據不同的電控信號選擇不同的數模轉換子模塊。
所述驅動電路模塊是一個三級串聯的放大器，第三級放大器的輸出作為驅動電路模塊的輸出，接入光調製器。第一級放大器的輸出經過第二、三級放大器後輸出，第二級放大器經過第三級放大器後輸出，第三級放大器直接輸出。其中第一級放大器的增10dB～0dB，第二級放大器的增益為5dB～0dB，第三級放大器的增益為2dB～0dB。決策模塊24位，16位，8位的三個精度不同的數模轉換子模塊經其所接放大從模塊的輸出分別依次接入驅動電路模塊的第一級、第二級和第三級放大器。
本發明的光子最佳變頻點控制系統的運行方法具體步驟如下：
Ⅰ、開始
初始化信息處理模塊、初始化信號提取模塊的模數轉換子模塊(ADC)和決策模塊的三個數模轉換子模塊(DAC)，初始化微處理器的控制變量Mn。
Ⅱ、信號數據讀取
光電轉換模塊將光耦合器送入的光信號轉換為相應的電信號，送入信號提取模塊對信號進行預處理，即對信號進行放大濾波並轉換為數位訊號；
信息處理模塊讀取信號提取模塊送入的數位訊號，信號處理模塊對每次讀取的信號以橫坐標x為自變量、縱坐標y為因變量依次存儲三個離散數據點(x1，y1)，(x2，y2)，(x3，y3)。此後每次讀取數據，數據點循環更新一次，新讀取的數據點存儲為(x1，y1)，原來的(x1，y1)改存為(x2，y2)、原來的(x2，y2)改存為(x3，y3)，丟棄原來的(x3，y3)數據點，如此循環更新存儲的數據。
Ⅲ、信號計算處理
Ⅲ-1、離散數據曲線擬合
每存儲三個點(x1，y1)，(x2，y2)，(x3，y3)，進行一次曲線擬合，得到此三個點的曲線的表達式為
f(x)＝ax2+bx+c (1)
每更新一次數據點，曲線擬合一次。
Ⅲ-2微分積分計算
對步驟Ⅲ-1所得擬合曲線方程進行一次微分計算，得到表達式
f'(x)＝2ax+b (2)
代入x1，x2，x3計算並存儲數據值f′(x1)，f′(x2)和f′(x3)。
對方程進行二次微分計算，得到表達式
f」(x)＝2a (3)
將2a代入步驟Ⅲ-1所得擬合曲線方程中，計算本次三個數據點擬合曲線的極值點(2a，2a3+2ab+c)，並存儲。擬合曲線的極值點逼近最佳變頻點。
對Ⅲ-1所得擬合曲線方程進行一元積分計算，得到表達式
比較x1，x2，x3與2a，把x1，x2，x3中與2a最靠近的點標記為最靠近最佳變頻點的擬合點，將此點值代入一次積分式(4)，並將計算得到的值存儲。
每更新一次數據點，擬合曲線改變一次，重新計算擬合曲線的一次微分，二次微分和一元積分，並更新一次存儲數據，更新方式與步驟Ⅱ信號數據讀取中的數據循環更新相同。
Ⅲ-3控制變量變化方向確定
對Ⅲ-2中計算所得的2a的正負進行判斷，再判斷x1，x2，x3所對應的一次微分值的正負並比較其值大小。
若2a為正，點(2a，2a3+2ab+c)為極大值點；假如x1，x2，x3所對應的一次微分值為正，即x1，x2，x3在極大值點左邊，控制變量需從極大值點左邊以正的增大量調節光信號向極大值點，即向最佳變頻點靠近；假如x1，x2，x3所對應的一次微分值為負，即x1，x2，x3在極大值點右邊，控制變量需從極大值點右邊以正的增加量調節光信號向最佳變頻點靠近。
若2a為負，點(2a，2a3+2ab+c)為極小值點；假如x1，x2，x3所對應的一次微分值為正，即x1，x2，x3在極小值點右邊，控制變量需從極小值點左邊以正的減小量調節光信號向最佳變頻點靠近；假如x1，x2，x3所對應的一次微分值為負，即x1，x2，x3在極小值點左邊，控制變量需從極小值點右邊以正的減小量調節光信號向最佳變頻點靠近。
Ⅲ-4控制變量Mn的確定
Mn＝k|A| (5)
式(5)中|A|是最接近極值點的擬合點的一次微分值，即步驟Ⅲ-2所得擬合點的一次微分值，其表示擬合點與極值點的靠近的程度；k為經驗值，與光調製器的控制電壓，決策模塊和驅動電路模塊的放大器相關，根據本控制系統循環實際測量設定，取值範圍在0～5。n表示第n次擬合曲線。步驟Ⅲ-3確定了控制變量方向後，由公式(5)即可確定控制變量Mn值。
Ⅲ-5確定電控信號
微處理器根據Ⅲ-4所求得微處理器的控制變量Mn，利用疊加運算確定電控信號An。其結果如下：
每一次循環，疊加一個控制變量，使得光調製器始終保持接近最佳變頻點工作。
為保證光調製器保持為最佳變頻點輸出，控制系統重複執行步驟Ⅱ和Ⅲ，連續地讀取光調製器輸出的信號，循環反覆對讀取信號進行曲線擬合，微分、積分和比例運算，得到實時電控信號控制光調製器。
Ⅳ、轉換為模擬信號
信號處理模塊的微控制器根據步驟Ⅲ-5所得電控信號的值，確定向決策模塊的數模轉換子模塊輸出的驅動信號值；決策模塊有8位，16位，24位的三個數模轉換的子模塊，並且三個子模塊的輸出對應接到驅動電路模塊的三級放大器上。
設定電控信號的下檔值H1和上檔值H2，H1＜H2，H1和H2的值根據實際需要調整；信號處理器根據步驟Ⅲ-5所得的電控信號值H向決策模塊的各數模轉換的子模塊輸入驅動信號，當H＜H1時，只向24位的數模轉換的子模塊送入驅動信號H；當電控信號的值為H1≤H≤H2時，向24位的數模轉換的子模塊送入驅動信號H1，向16位的數模轉換的子模塊送入驅動信號(H-H1)；當H＞H2時，向24位的數模轉換的子模塊送入驅動信號H1，向16位的數模轉換的子模塊送入驅動信號(H2-H1)，向8位的數模轉換的子模塊送入驅動信號(H-H2)。
Ⅴ、輸出控制電壓
決策模塊的輸出精確控制驅動電路模塊中相應的放大器工作，驅動電路模塊輸出精確的控制電壓到光調製器，控制光調製器工作於最佳變頻點。光調製器的輸出信號經過光耦合器把部分光耦合到輸出光纖，部分光耦合到本光子最佳變頻點控制系統的光電轉換模塊中，進入下一周期的調製控制。
與現有技術相比，本發明一種光子最佳變頻點控制系統及其運行方法的優點為：1、本系統硬體構成，實現了光子信號的光電轉換，數模轉換，微處理器進行曲線擬合、判斷信號超前或滯後以及確定趨近此頻率光子信號最佳變頻點的速度，得到對光調製器的控制電壓；2、本發明計算迅速，精確控制光調製器於最佳變頻點工作，輸出的光信號頻率穩定，以保在光域內實現微波信號上下頻率的準確變換；3、採用本發明的光調製器光子變頻上下變頻動態範圍顯著增大，傳輸損耗明顯減少，且具有抗電磁幹擾能力。
附圖說明
圖1為本光子最佳變頻點控制系統實施例結構框圖；
圖2為圖1中信號提取模塊結構示意圖；
圖3為圖1中決策模塊和驅動電路模塊結構示意圖；
圖4為本光子最佳變頻點控制系統的運行方法實施例中步驟Ⅲ-1的2a為正值的離散數據曲線擬合示意圖；
圖5為本光子最佳變頻點控制系統的運行方法實施例中步驟Ⅲ-1的2a為負值的離散數據曲線擬合示意圖；
圖6為本光子變頻控制系統運行方法的流程圖。
具體實施方式
光子最佳變頻點控制系統實施例
本光子最佳變頻點控制系統實施例的結構框圖如圖1所示，包括依次相連接的光電轉換模塊、信號提取模塊、信號處理模塊、決策模塊和驅動電路模塊。圖中虛線箭頭表示光信號，實線箭頭表示電信號。光信號Pi經光調製器變頻後接入光耦合器，光耦合器將一部分光信號耦合進入輸出光纖作為光輸出Po，另一部分作為返回信號Pb接入本光子最佳變頻點控制系統的光電轉換模塊。光電轉換模塊將接入光信號轉換為對應的電信號，其輸出的電信號接入信號提取模塊，信號提取模塊對信號進行預處理，即將接入的電信號進行放大、濾波、整形，並將模擬信號轉變為量化的數位訊號接入信號處理模塊；信號處理模塊包括存儲器子模塊和運算子模塊，存儲器子模塊先對信號提取模塊送入的數位訊號進行採集和存儲，之後運算子模塊對存儲的數據進行曲線擬合和微分積分計算，並且根據計算結果確定控制信號的方向和大小，輸出相應電控信號到決策模塊；決策模塊根據電控信號轉換得到模擬的電控信號輸出到驅動電路模塊，驅動電路模塊的輸出V為本系統的輸出。
本例信號處理模塊是微控制器，讀取信號提取模塊送入的數位訊號，對其計算處理。
本例信號提取模塊如圖2所示，包括放大子模塊、濾波子模塊和模數轉換子模塊，放大子模塊主體為放大器，把小信號放大，過大的信號進行削波。濾波子模塊提取其中加載的信號並濾除噪聲。模數轉換子模塊將模擬信號轉換為數位訊號。
本例決策模塊和驅動電路模塊如圖3所示，決策模塊包括三個數模轉換子模塊，依次為8位，16位，24位的數模轉換子模塊，每個數模轉換子模塊連接一個放大從模塊，其增益依次為2～0dB，5～0dB，10～0dB。本例驅動電路模塊是一個三級串聯的放大器，第三級放大器的輸出作為驅動電路模塊的輸出，接入光調製器。第一級放大器的輸出經過第二、三級放大器後輸出，第二級放大器經過第三級放大器後輸出，第三級放大器直接輸出。其中第一級放大器的增10dB～0dB，第二級放大器的增益為5dB～0dB，第三級放大器的增益為2dB～0dB。決策模塊24位，16位，8位的三個精度不同的數模轉換子模塊經其所接的放大從模塊的輸出分別依次接入驅動電路模塊的第一級、第二級和第三級放大器。
光子最佳變頻點控制系統的運行方法實施例
本光子最佳變頻點控制系統的運行方法實施例為在上述光子最佳變頻點控制系統實施例上進行運行，具體步驟如下：
Ⅰ、開始
初始化信息處理模塊、初始化信號提取模塊的模數轉換子模塊(ADC)和決策模塊的三個數模轉換子模塊(DAC)，初始化微處理器的控制變量Mn。
Ⅱ、信號數據讀取
光電轉換模塊將光耦合器送入的光信號轉換為相應的電信號，對信號進行預處理，即對信號進行放大濾波並轉換為數位訊號，送入信號提取模塊；
信息處理模塊讀取信號提取模塊送入的數位訊號，信號處理模塊對每次讀取的信號以橫坐標x為自變量、縱坐標y為因變量依次存儲三個離散數據點(x1，y1)，(x2，y2)，(x3，y3)。此後每次讀取數據，數據點循環更新一次，新讀取的數據點存儲為(x1，y1)，原來的(x1，y1)改存為(x2，y2)、原來的(x2，y2)改存為(x3，y3)，丟棄原來的(x3，y3)數據點，如此循環更新存儲的數據。
Ⅲ、信號計算處理
Ⅲ-1、離散數據曲線擬合
每存儲三個點(x1，y1)，(x2，y2)，(x3，y3)，進行一次曲線擬合，得到此三個點的曲線的表達式為
f(x)＝ax2+bx+c (1)
每更新一次數據點，曲線擬合一次。
Ⅲ-2微分積分計算
對步驟Ⅲ-1所得擬合曲線方程進行一次微分計算，得到表達式
f'(x)＝2ax+b (2)
代入x1，x2，x3,並存儲計算數據值f′(x1)，f′(x2)和f′(x3)。
對方程進行二次微分計算，得到表達式
f」(x)＝2a (3)
將2a代入步驟Ⅲ-1所得擬合曲線方程中，計算本次三個數據點擬合曲線的極值點(2a，2a3+2ab+c)，並存儲。擬合曲線的極值點逼近最佳變頻點。
對Ⅲ-1所得擬合曲線方程進行一元積分計算，得到表達式
比較x1，x2，x3與2a，把x1，x2，x3中與2a最靠近的點標記為最靠近最佳變頻點的擬合點，將此點值代入一次積分式(4)，並將計算得到的值存儲。
每更新一次數據點，擬合曲線改變一次，重新計算擬合曲線的一次微分，二次微分和一元積分，並更新一次存儲數據，更新方式與步驟Ⅱ信號數據讀取中的數據循環更新相同。
Ⅲ-3控制變量變化方向確定
對Ⅲ-2中計算所得的2a的正負進行判斷，再判斷x1，x2，x3所對應的一次微分值的正負並比較其值大小。
如圖4所示，當2a為正，點(2a，2a3+2ab+c)為極大值點；假如x1，x2，x3所對應的一次微分值為正，即x1，x2，x3在極大值點左邊，控制變量需從極大值點左邊以正的增大量調節光信號向極大值點，即向最佳變頻點靠近；假如x1，x2，x3所對應的一次微分值為負，即x1，x2，x3在極大值點右邊，控制變量需從極大值點右邊以正的增加量調節光信號向最佳變頻點靠近。
如圖5所示，當2a為負，點(2a，2a3+2ab+c)為極小值點；假如x1，x2，x3所對應的一次微分值為正，即x1，x2，x3在極小值點右邊，控制變量需從極小值點左邊以正的減小量調節光信號向最佳變頻點靠近；假如x1，x2，x3所對應的一次微分值為負，即x1，x2，x3在極小值點左邊，控制變量需從極小值點右邊以正的減小量調節光信號向最佳變頻點靠近。
Ⅲ-4控制變量Mn的確定
Mn＝k|A| (5)
式(5)中|A|是最接近極值點的擬合點的一次微分值，即步驟Ⅲ-2所得擬合點的一次微分值，其表示擬合點與極值點的靠近的程度；k為經驗值，與光調製器的控制電壓，決策模塊和驅動電路模塊的放大器相關，根據本控制系統循環實際測量設定，本例k取值範圍為3。n表示第n次擬合曲線；步驟Ⅲ-3確定了控制變量方向後，由公式(5)確定控制變量Mn值；
Ⅲ-5確定電控信號
微處理器根據Ⅲ-4所求得微處理器的控制變量Mn，利用疊加運算確定電控信號An。其結果如下：
每一次循環，疊加一個控制變量，使得光調製器始終保持接近最佳變頻點工作。
為保證光調製器保持為最佳變頻點輸出，控制系統重複執行步驟Ⅱ和Ⅲ，連續地讀取光調製器輸出的信號，循環反覆對讀取信號進行曲線擬合，微分、積分和比例運算，得到實時電控信號控制光調製器。
Ⅳ、轉換為模擬信號
信號處理模塊的微控制器根據步驟Ⅲ-5所得電控信號的值，確定向決策模塊的數模轉換子模塊輸出的驅動信號值；決策模塊有8位，16位，24位的三個數模轉換的子模塊，並且三個子模塊的輸出對應接到驅動電路模塊的三級放大器上。
設定電控信號的下檔值H1和上檔值H2，H1＜H2，且H1和H2的值根據實際需要調整；信號處理器根據步驟Ⅲ-5所得的電控信號值H向決策模塊的各數模轉換的子模塊輸入驅動信號，當H＜H1時，只向24位的數模轉換的子模塊送入驅動信號H；當電控信號的值為H1≤H≤H2時，向24位的數模轉換的子模塊送入驅動信號H1，向16位的數模轉換的子模塊送入驅動信號(H-H1)；當H＞H2時，向24位的數模轉換的子模塊送入驅動信號H1，向16位的數模轉換的子模塊送入驅動信號(H2-H1)，向8位的數模轉換的子模塊送入驅動信號(H-H2)。
Ⅴ、輸出控制電壓
決策模塊的輸出精確控制驅動電路模塊中相應的放大器工作，驅動電路模塊輸出精確的控制電壓到光調製器，控制光調製器工作於最佳變頻點。光調製器的輸出信號經過光耦合器把部分光耦合到輸出光纖，部分光耦合到本光子最佳變頻點控制系統的光電轉換模塊中，進入下一周期的調製控制。
採用本系統及運行方法控制光調製器的電壓，使之工作於最佳變頻點，進行光子變頻，與未採用本發明的光調製器光子變頻情況相比較，本系統控制的光調製器上下變頻動態範圍達45dB和75dB，中頻信號帶寬達4GHz，明顯大於常規光調製器，傳輸損耗明顯減少，且具有抗電磁幹擾能力，具體指標如表1所示。
表1本系統控制的光調製器與常規光調製器光子變頻的各項指標比較表
上述實施例，僅為對本發明的目的、技術方案和有益效果進一步詳細說明的具體個例，本發明並非限定於此。凡在本發明的公開的範圍之內所做的任何修改、等同替換、改進等，均包含在本發明的保護範圍之內。