基于DDS技術(shù)的動態(tài)偏振控制器驅(qū)動電路研究

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(gè)擠壓器改變到任意一個(gè)偏振態(tài)。

2 DPC的驅(qū)動電路設(shè)計(jì)
DPC驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)基于DDS技術(shù)，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，其框圖如圖3所示。它主要由參考時(shí)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(shí)，它將在時(shí)鐘脈沖的控制下，對頻率控制字F用累加器進(jìn)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(jìn)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。
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(qiáng)信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字量送人FPGA，FPGA對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后再對DPC的驅(qū)動電壓做出調(diào)整并輸出，以達(dá)到完全擾偏的目的。

要實(shí)現(xiàn)完全擾偏，也即是讓輸入偏振態(tài)在一定時(shí)間內(nèi)遍歷各個(gè)偏振態(tài)。根據(jù)DPC的工作原理及實(shí)驗(yàn)嘗試，測試系統(tǒng)使用4路正弦信號同時(shí)驅(qū)動4個(gè)光纖擠壓器。根據(jù)DPC自身性質(zhì)，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(jì)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(yùn)放LT1812將電流轉(zhuǎn)換為電壓。

LTC1668工作在士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完成電流一電壓轉(zhuǎn)換，最終輸出符合要求的正弦信號。
2．3 軟件設(shè)計(jì)
FPGA是驅(qū)動電路的控制核心。FPGA接收ADC轉(zhuǎn)換的光強(qiáng)信息數(shù)據(jù)，并傳送給DSP；再根據(jù)DSP計(jì)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(jìn)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。

式中：fo是輸出頻率；fref為DDS參考時(shí)鐘頻率，由FPGA將晶振輸入時(shí)鐘經(jīng)內(nèi)部鎖相環(huán)分頻后產(chǎn)生。
由相位步進(jìn)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。
2．4 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果
實(shí)驗(yàn)時(shí)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(diǎn)數(shù)，可以得到精度更高的輸出波形。

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(jì)了基于DDS技術(shù)和FPGA的調(diào)制電路，該設(shè)計(jì)以偏振度測試系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)平臺。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)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(jì)并調(diào)用FPGA內(nèi)部模塊，設(shè)計(jì)靈活透明，且外圍電路較為簡易，具有良好的實(shí)用性和性價(jià)比。