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Eye diagram crossing-point control technology in
optical DPSK modulation system
ZHANG Huiying
(College of Information and Control Engineering,Jilin Institute of Chemical Technology,Jilin Jilin132022,China) Abstract:For the optical phase modulation process,the phenomenon of eye diagram cross-point floating occurs because of the optical modulator affected by external influences and the instability of the input signal.The real-time control of the eye cross-ing-point voltage through the zero-crossing level has realized by an adaptive control scheme.And with the digital control DC lev-el of the zero level circuit changed,the correction of the crossing point of the modulated signals and fluctuation of the eye cross-ing point has solved.It is verified by experiments that the output percentage of the crossing-point of the eye diagram is obviously improved and the offset error was reduced,the opening
effect of eye diagram is better and the output signal is effectively stabi-lized.Finally,the feasibility of the scheme design is verified.
Key words:optical phase modulation;eye diagram intersection;digitally controlled DC Level;adaptive control
张慧颖
(吉林化工学院信息与控制工程学院，吉林吉林132022)
摘要：针对光相位调制过程中光调制器受外界影响及输入信号不稳定等因素引起的眼图交叉点上下浮动现象，采用自适应控制方案实现眼图交叉点电压实时控制，通过过零点电平中数控直流电平的改变实现调制信号交叉点的校正，解决眼图交叉点漂移。实验结果表明：输出眼图交叉百分比有明显改善，偏移误差减小，眼图张开效果较好，能有效稳定输出信号。最后验证了方案设计的可行性。 关键词：光相位调制；眼图交叉点；数控直流电平；自适应控制
中图分类号:TN929.11文献标识码:A文章编号:1002-5561(2019)02-0030-04
D OI:10.13921/jki.issn1002-5561.2019.02.007开放科学(资源服务)标识码(OSID):
引用本文：张慧颖：光DPSK调制系统眼图交叉点控制技术[J].光通信技术,2019,43(2):30-33.
0引言
近年来，随着军事、民用对大容量、高速率空间光
通信发展需求的不断增加，基于差分相移键控(DPSK)
调制的相干光通信由于具有较高的接收灵敏度成为
翻转气缸
研究热点[1,2]。电光相位调制器具有调制效果好、调制
结构简单和无需外加偏置电压等优点被广泛应用于
光相位调制系统中。但是，差分编码后的输出电压只
有毫伏级，输出幅度较低而且存在波动，经过射频放
大后的信号不能满足相位调制器所需的半波电压，因
此，调制后的信号相位点发生波动；电光调制器的调
制特性因温度变化[3]及连续高频信号影响，导致调制
后的信号占空比发生改变，在眼图上表现为眼图交叉
点上下浮动。目前，围绕调制信号相位点漂移现象研
究比较少,2013年，北京邮电大学对射频放大器的增
益控制电压和交叉点控制电压进行实验测试，但未做
控制方法研究[4]。鉴于以上原因，本文对DPSK光调制
系统中眼图交叉点控制方法进行研究，通过自适应
PID(比例-积分-微分)调节生成控制信号，控制过零
点电平直流分量的大小，改善眼图交叉点的上下浮
动，解决相位调制器的相位漂移现象。蒲公英化妆品
1眼图交叉点波动
众所周知，眼图既反映数字信号整体特征，也可
从中观察码间串扰影响，直观分析眼图可对系统优劣收稿日期:2018-09-26。
基金项目：吉林省教育厅项目(JJKH20180561KJ)资
助。
作者简介：张慧颖(1982-)，女，吉林四平人，博士，副
教授。主要研究方向是光通信技术、光调制技术和光
电检测技术等；主持参与吉林省教育厅项目3项，吉
林市科技局项目1项
。
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程度进行估算，从而判断系统性能的好坏。眼图结构如图1所示。
图1中，表示过零点电平，称为眼图交叉点。
眼图中的“1”电平(1)和“0”电平(0)为逻辑1或0的电压位准值。一般情况下，选取眼图中间的20%范围内的逻辑1和0的平均电平值[5]。眼高用于衡量信噪比，表示眼图在垂直轴所张开的大小。眼高定义式如
下:
=(1-31)-(0+30)(1)其中,0和1表示“0”和“1”处电平值的标准值。眼图
交叉百分比是用来测量交叉点的振幅和信号“1”与“0”之间位准的关系，如图2所示。
不同的信号位准其交叉比例关系不同。眼图中,
过零百分比最佳值为50%，它表示“1”和“0”各占一半的位准；当接收到的信号“1”的占空比大于“0”的占空比时，交叉点将向上移动；相反，交叉点将向下移动。
眼图交叉百分比可表示为:
=-0([]×100%(2)
当交叉点上下浮动，表示信号的上升时间与下降
时间不匹配、采样时钟的占空比不同和信号的直流电平波动导致偏离判决门限标准值。DPSK 光通信调制系统中，由于光调制器受外界环境因素等影响造成光信号的眼图交叉点发生上下浮动，导致调制
后的信号存在相位误差，严重影响通信质量。
2交叉点电压控制方案设计
根据一般分析可知，眼图交叉百分比应稳定在
50%处，通常采用测量信号占空比的方法实现眼图交叉点测量。但是对于高速通信系统，测量信号占空比
难以实现。理论上，系统输出的平均功率为眼图振幅的一半。因此，通过测量平均功率并与期望功率进行比较得到控制信号，经过数/模转换处理后控制过零点
电平电路，改变过零点电平实现调制信号的交叉点校正[6]。自适应交叉点控制框图如图3所示。
交叉点自适应控制工作原理如下：采用95∶5的分
光器分出5%的已调光信号，经延迟干涉仪转换为强度信号，再经自适应控制器完成对过零点电平中数控直流电平的控制，从而实现在射频放大电路中加入直流分量，改变交叉点的位置。设激光器输出信号
i
为:
i
=
in
exp (0)
(3)
其中,in 表示输出信号强度,0表示信号角频率，表
示时间。
设射频输入信号为:
()=cos ()
(4)
其中，表示射频信号的幅值，表示输入射频信号
角频率。
经过过零点电平控制电路及相位调制器后，输出信号为:
=
in
exp 0
++πcos ()
[
]+
(5)
其中,
表示相位调制器产生的固定相移；表示放大增益;
π
表示相位调制器所需的半波电压;
表示过
零点电平控制电路中直流信号强度。当过零点电平控制电路中的直流电压改变时，输出信号幅度得以改变。经过延迟干涉仪后，输出信号总光强为:=2
0+20cos (6)其中,0表示输入到(MZDI )的光强，表示相位差。当
图1眼图结构示意图
图2眼图交叉百
分比图示
图3交叉点自适应控制框图
张慧颖：光DPSK 调制系统眼图交叉点控制技术
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=0或时，输出光强为40或0，完成相位信号到强
度信号的转换。采用光电检测器(PD)将光信号转换为
电信号，经过电流/电压转换后得到输出电压:
out=0f(7)
其中,0表示探测的光功率;f为反馈电阻；为探测
器的响
应度。对探测信号进行次采集，得到平均功
率:
=
=1
∑out2(8)
设期望功率为r、输出功率为0()，则误差信号
为:
k=r-0()(9)
当检测到误差信号为正时，说明交叉点下移，通
过控制电压(c)加入正值直流电平；相反，误差信号为
负时，改变c加入负值直流电平，从而实现交叉点位
置的改变。因此,c与直流电平之间存在一定的函数关
系=(c)且具有单调性。在控制方法上，采用自适
应PID算法[7-9]根据偏差信号与系统输入信号之间的
变化，采用自适应规律对控制器参数进行实时修改,
直至误差趋向于零。
3实验测试验证
3.1过零点电路仿真测试
过零点电平控制电路实现从射频端输入的RF信
号与从直流端输入的DC信号叠加。将射频放大器的
输出信号接入过零点电平控制电路实现加入直流分
量，使电光调制器产生相应的电平特征信号。采用仿
真软件Multisim验证电路功能。当输入信号幅值为
0.5V、频率为10GHz的脉冲波，直流电平控制范围在
裤衩裙-1.5~+1.5V之间时，仿真结果如图4所示。
图4中红线表示的是输入脉冲波，绿线表示
RF+DC后的输出结果。当加入+1.5V电平后输出波形
向上移动，曲线得到抬高；当加入-1.5V电平后，输出
波形的过零点电平被拉低，达到设计要求。
3.2交叉点环路实验测试
本文搭建传输速率为10Gb/s的DPSK发射单元。
主要器件有：电光相位调制器MPZ-LN-20、射频驱动
放大器DR-DG-12-MO、10位DAC模块AD5333、
ZX85-12G-S+型电平转换电路、用于解调的延迟干涉
仪(MZDI)和波长为1550nm、线宽为5kHz的窄线宽激
光器等。实验环路测试搭建如图5所示。
系统中，信号源输出的信号经过差分编码后输入
到射频放大器中。由于本部分是进行自适应控制电路
的调节能力测试，为便于分析，本文采用信号源发出
的信号替代差分编码输出信号。
3.2.1开路测试
首先，对无反馈回路的交叉点环路进行测试。设
置射频放大增益控制电压amp=0.5V，输入信号幅度为
300mV，当射频放大器的眼图交叉点电压co变化时,
不同co下的眼图对比图如图6所示，观测到的眼图
结果有:
①co=0.8V时，眼图交叉点在垂直方向向上移动,
相对于标准点(50%)略有增大趋势;
②co=0.9V时，眼图交叉百分比约为标准值，此时
交叉点趋近于中间位置;
③co=1.0V时，眼图交叉点在垂直方向向下移动,
此时眼图交叉点百分比具有减小趋势。
从图6看出，在开环情况下，交叉点电压co=0.9V
(a)
直流电平+1.5V时
(b)直流电平-1.5V时
图4零点电平电路仿真结果
图5交叉点自适应
控制测试框图
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时眼图交叉点处于较理想状态。改变交叉点电压可实现眼图交叉点位置的调整。由于光相位调制器在工作时，受到外界环境因素影响及调制器长时间工作后温度升高等影响，即使不改变控制电压，交叉点也会出现上下波动。若交叉点电压设置不合理，则会影响通信质量。因此，为保证调制系统长期稳定工作，实现眼图交叉点的实时控制是完全必要的。
3.2.2自适应环路测试
保持射频输入信号300mV 和增益控制电压0.5V 不变，引入交叉点自适应控制回路，通过采集调制后
的信号值得到控制信号，改变直流电平从而改变交叉点的位置。当交叉点控制电压在0.78V 时，控制前后输出眼图如图7所示。
从图7可看出，当起始输入控制值使得输出眼图交叉点上移时，通过零点电平控制电路中加反向直流电压改变交叉点位置。经过交叉点自动调整后，眼图交叉点得到改善，交叉点向下移动，逐渐趋于理想值
50%，眼图质量得到提高，达到了对眼图交叉点控制的目的。
4结束语
本文在简要分析眼图交叉点波动的基础上，重点设计了交叉点自适应控制方案并完成其理论分析。在Multisim 仿真软件中完成过零点电路仿真，验证其控制的正确性。在实验室环境下，我们搭建了通信速率为10Gb/s 的光DPSK 调制系统，完成交叉点开路和自适应环路测试。由测试结果看出，在实现交叉点控制后，输出眼图交叉点得到改善，解决了眼图交叉点波动现象，能有效稳定输出信号。本文研究内容为光DPSK 调制技术提供了理论依据。参考文献:
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(a )
co
=0.8V
(b )
co =0.9V (c )
co
=1.0V
图6不同
co
下眼图对比图
(a )眼图交叉点控制前
(b )眼图交叉点控制后图7控制前后眼图变化
张慧颖：光DPSK 调制系统眼图交叉点控制
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