專利名稱：控制輸出信號和輸入信號之比的方法和設(shè)備的制作方法
本申請要求1998年12月21日提交的美國臨時專利申請60/113,083的優(yōu)先權(quán)。
一般，傳統(tǒng)的信號比控制技術(shù)包括相對于外界參考信號監(jiān)測器件的輸出信號或輸入信號，其中按照一預(yù)定的目標(biāo)比設(shè)置所述參考信號。根據(jù)表示被測信號與參考信號之差的誤差信號，控制該器件，使其以目標(biāo)比工作。
另一種傳統(tǒng)技術(shù)是監(jiān)測器件的輸出信號和輸入信號兩者，以便確定兩個信號的比。將如此確定的比與對應(yīng)于目標(biāo)比的外界參考信號相比較，產(chǎn)生一個表示確定比和目標(biāo)比之差的誤差信號。根據(jù)該誤差信號控制器件，使其以目標(biāo)比工作。
圖1示出了剛才描述的傳統(tǒng)技術(shù)。在圖1中，除法器12接收分別與受控器件10之輸入和輸出信號電平成正比的信號電平x和y。即，x＝C1X，y＝C2Y，其中X和Y分別是輸入和輸出信號電平，C1和C2是依據(jù)特定系統(tǒng)設(shè)計的比例常數(shù)(通常，C1＝C2)。例如，信號電平x和y可以表示輸入和輸出信號的電壓、電流或功率電平。
輸出信號電平與輸入信號電平之比G可以用下式表示G＝(Y/X)＝K(y/x) …(1)其中K＝C2/C1。因此，信號電平x和y的關(guān)系是y＝Gx/K …(2)除法器12根據(jù)輸入x和y進(jìn)行除法操作，并輸出與比值G成正比的比值信號y/x＝G/K …(3)將比值信號提供給減法器14。還將一規(guī)定的參考信號電平GSP＝GT/K提供給減法器，其中GT是目標(biāo)比值。減法器14將規(guī)定比值GSP減去測量得到的比值y/x，產(chǎn)生一誤差信號電平EE＝GSP－y/x＝(GT/K)－(G/K)＝(GT－G)/K…(4)將誤差E提供給控制器16，控制器調(diào)節(jié)器件工作，以便使誤差E為零。由等式(4)可知，在該狀態(tài)下，G變得等于GT。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種新穎的、獨特的比值控制過程，該過程不需要象傳統(tǒng)技術(shù)那樣使用外界參考信號或進(jìn)行除法運(yùn)算。概括地說，本發(fā)明使用第一和第二信號，這兩個信號的電平分別對應(yīng)于器件的輸入信號電平和輸出信號電平。如后文可以看到的，通過將兩信號中的一個減去另一個可以產(chǎn)生一誤差信號，然后將其提供給控制器，控制器再控制器件操作，使誤差信號電平為零。在該狀態(tài)下，器件輸入和輸出信號電平的比值將達(dá)到一預(yù)定目標(biāo)比值。
如后文說明性實施例中所示出的，第一和第二信號分別可以用具有已知增益的第一和第二放大器單元來產(chǎn)生。當(dāng)誤差信號電平是零時，輸入和輸出信號電平的比根據(jù)第一和第二放大器單元的已知增益等于一預(yù)定目標(biāo)比值。
圖2示出了如剛才所述用第一和第二放大器單元實施的基本原理。在圖2中，輸入側(cè)放大器單元23具有已知增益Gi，輸出側(cè)放大器單元25具有已知增益Go，這兩個放大器單元分別與受控器件20的輸入端和輸出端相連(為簡明起見，圖中省略了連接)。輸入側(cè)放大器單元23產(chǎn)生一信號，該信號的電平為Si＝Gix，其中x正比于器件20的輸入信號電平。輸出側(cè)放大器單元25產(chǎn)生一信號，該信號的電平為So＝Goy，其中y正比于器件20的輸出信號電平。將輸入側(cè)和輸出側(cè)放大器單元的信號提供給減法器24，減法器產(chǎn)生一誤差信號，其電平Serr為Serr＝So－Si…(5)將誤差Serr提供給控制器26，控制器26調(diào)節(jié)器件20的操作，使誤差Serr為零，并保持此狀態(tài)。
替代So和Si，等式(5)可重寫成Serr＝Goy－Gix …(6)在等式(6)中，用Gx/K代替y(參見等式(2))，那么
Serr＝(GoGx/K)－Gix＝x{(GoG/K)－Gi}…(7)用Gi/Gi乘以等式(7)的右邊，獲得Serr＝Gix{(Go/KGi)G－1} …(8)如等式(8)可知，當(dāng)G＝KGi/Go時，Serr將為零。換句話說，選擇輸入側(cè)和輸出側(cè)放大器單元，或者更精確地說選擇其增益，可以建立目標(biāo)比值GT＝KGi/Go。并且，控制器件10以使Serr保持為零將因此產(chǎn)生一恒定的比值G＝GT＝KGi/Go。
如果交換等式(5)中的被減數(shù)和減數(shù)，那么可以獲得相同的結(jié)果Serr＝Si－So…(5′)因此，可以更一般地將Serr表示為Serr＝±(So－Si) …(9)由上述討論應(yīng)該懂得，本發(fā)明不需要表示輸入-輸出信號之目標(biāo)比值的外界參考信號，也不需要用除法來確定實際工作比值G。作為替代，控制操作是基于對信號的簡單減法運(yùn)算，其中所述信號的電平對應(yīng)于輸入和輸出信號電平。由于避免了傳統(tǒng)技術(shù)所用的外界參考信號和除法運(yùn)算，所以本發(fā)明具有下述優(yōu)點，即簡化了控制電子設(shè)備，并以低成本實現(xiàn)高速控制。
另外，本發(fā)明的原理不限于任何特殊器件或器件類的應(yīng)用，也不限于用特殊的部件來產(chǎn)生作減法的信號。因此應(yīng)該理解，本文所述的各種應(yīng)用以及說明性實施例僅是例示性的。
如說明性實施例中所使用的，最好用放大器單元來產(chǎn)生作減法的信號，因為這可以適用于具有低輸入(也可以具有低輸出)信號電平的器件以及使用非電信號的器件。例如，跨阻抗放大器單元可以用于包含使用光信號的器件的應(yīng)用中。
發(fā)明概述如上所述，本發(fā)明可以對器件的輸入信號和輸出信號進(jìn)行比值控制，不需要外界參考信號或除法運(yùn)算。
依照其一個主要方面，本發(fā)明提供了一種用于控制一器件輸出信號電平與該器件輸入信號電平之比的方法，該方法包括以下步驟提供第一部件，第一部件與器件輸入端相連，用于產(chǎn)生第一信號，第一信號的電平對應(yīng)于輸入信號電平；提供第二部件，第二部件與器件輸出端相連，用于產(chǎn)生第二信號，第二信號的電平對應(yīng)于輸出信號電平；和根據(jù)第一和第二信號電平之間的差調(diào)節(jié)所述比值。
依照一個較佳模式，器件本身是一個放大器單元，第一和第二部件是第一和第二放大器單元，并且被控制的比值是放大器單元的增益。
在一個具體實施中，器件是一個泵激光纖放大器單元，并且被控制的比值是光纖放大器單元的光增益。通過調(diào)節(jié)光纖放大器單元之泵激激光器的泵激功率來調(diào)節(jié)光增益。第一和第二放大器單元是跨阻抗放大器單元，它們通過相應(yīng)的光電探測器與光纖放大器單元的輸入端和輸出端相連。(跨阻抗放大器提供與輸入電流信號成比例的輸出電壓信號。)輸入信號和輸出信號都可以是一個由多個信號構(gòu)成的混合信號。在該情況下，上述第一和第二信號的信號電平可以分別對應(yīng)于混合輸入和輸出信號的RMS信號電平，并且被控制的比值可以是RMS光增益。
依照其另一個主要方面，本發(fā)明提供了一種用于實施上述方法的設(shè)備。
本發(fā)明的再一個方面提供了一種用于控制一器件輸出信號電平與該器件輸入信號電平之比的方法，該方法包括以下步驟產(chǎn)生第一信號，第一信號的電平對應(yīng)于輸入信號電平；產(chǎn)生第二信號，第二信號的電平對應(yīng)于輸出信號電平；并且根據(jù)第一和第二信號的電平差調(diào)節(jié)所述比值。
在結(jié)合


下述詳細(xì)描述后，將更全面地理解本發(fā)明的上述和其它方面及其各種特征和優(yōu)點。
附圖概述圖1是用于說明傳統(tǒng)比值控制技術(shù)的圖；圖2是用于說明本發(fā)明控制技術(shù)的圖；圖3示出了本發(fā)明第一設(shè)備；圖4示出了本發(fā)明第二設(shè)備；圖5示出了本發(fā)明第三設(shè)備；圖6示出了本發(fā)明第四設(shè)備；圖7示出了在依照圖4構(gòu)成的測試設(shè)備中使用的控制電子設(shè)備；圖8是一流程圖，示出了測試設(shè)備中的控制工作情況；
圖9是一示波器，示出了工作中不使用比值控制電路時測試設(shè)備中光放大器單元的暫態(tài)特性；圖10和11是示波器，示出了工作中使用比值控制電路時光放大器的暫態(tài)特性。
本發(fā)明的詳細(xì)描述圖3示出了依照本發(fā)明的第一設(shè)備1。圖中標(biāo)號30表示可以用輸入信號和輸出信號之可控制比值G操作的電器件。在圖示的形式中，器件30是增益可調(diào)的放大器單元，它包括單個放大器。但是，在實踐中，器件30可以是具有輸入和輸出信號之可控比值的任何電器件(例如，具有級聯(lián)放大器的多級放大器，單級或多級衰減器，等等)。例如，輸入和輸出信號可以是電壓或電流信號。
具有已知增益Gi并且最好包括單個放大器的第一放大器單元33與受控放大器單元30的輸入側(cè)相連。具有已知增益Go且也最好包括單個放大器的第二放大器單元35與受控放大器單元30的輸出側(cè)相連。根據(jù)給定的實施要求，放大器單元33和35與放大器單元30之輸入和輸出側(cè)的連接可以是直接的(如圖所示)，或者間接的(例如，通過電流傳感器)。將放大器單元33和35的輸出信號提供給控制器36，如以下將更詳細(xì)討論的，控制器36調(diào)節(jié)受控放大器單元30的工作，以便控制比值G。在說明性的實施例中，G自然是放大器單元30的增益。
輸入側(cè)放大器單元33輸出信號電平Si＝Gix，其中x是輸入側(cè)放大器單元的輸入信號電平，并且正比于受控放大器單元30的輸入信號電平X。輸出側(cè)放大器單元35輸出信號電平So＝Goy，其中y是輸出側(cè)放大器單元的輸入信號電平，并且正比于受控放大器單元30的輸出信號電平Y(jié)。
如上所述，控制器36作減法，以確定誤差值Serr＝±(So－Si)，并且它將控制信號Sct1輸出到受控放大器單元30，以調(diào)節(jié)其增益，從而使Serr基本保持為零。因此，放大器單元30保持在大體為常數(shù)的增益G＝GTKGi/Go上，即目標(biāo)增益，其中目標(biāo)增益正比于輸入側(cè)和輸出側(cè)放大器單元33和35的已知增益之比。
為了提供更具體的例子，假設(shè)受控放大器單元的輸入和輸出信號是電壓信號，其電平分別為Vi和Vo(＝GVi)。假設(shè)放大器33和35具有足夠高的輸入阻抗，其各自的輸入電壓電平將是Vi和Vo(對應(yīng)于C1＝C2，K＝1的情況)。輸入側(cè)和輸出側(cè)放大器單元的輸出電壓可以如下表達(dá)Si＝GiViSo＝GoVo＝GoGVi在本例中，Gi和Go分別表示輸入側(cè)和輸出側(cè)放大器單元33和35的電壓增益，而G表示受控放大器單元30的電壓增益。
控制器36將電壓So減去電壓Si，確定誤差SerrSerr＝So－Si＝GoGVi－GiVi＝Vi(GoG－Gi)＝GiVi{(Go/Gi)G－1} …(10)根據(jù)如此確定的誤差，控制器36調(diào)節(jié)放大器單元30的增益，使誤差Serr為零，并保持該狀態(tài)。由方程(10)可以看出，在該狀態(tài)下，增益G將等于目標(biāo)增益GT＝Gi/Go。
控制器36可以用任何合適的控制算法根據(jù)誤差Serr控制比值G。比例積分(PI)或比例積分微分(PID)控制算法是獲得最佳性能的首選算法。可以使用數(shù)字和模擬控制器兩種。用于特殊應(yīng)用的合適算法可以通過傳統(tǒng)技術(shù)來確定--例如憑經(jīng)驗和/或通過計算機(jī)模擬。
對PI、PID和其它控制技術(shù)更全面的討論，請參見Pretice Hall于1991年出版的由Koenig，D.著作的《噪聲處理控制和分析》(其內(nèi)容通過引用包括在此)。
圖4示出了依照本發(fā)明的第二設(shè)備2，用于控制光放大器單元40的光增益(光功率增益)。在該實施例中，光放大器單元40是單級(單線圈)泵激的光纖放大器。這種放大器是本領(lǐng)域熟知的，所以本文對此不作詳細(xì)討論。
概括地說，放大器單元包括摻稀土元素(例如，鉺或鐠)離子的光纖線圈41和波分復(fù)用(WDM)光耦合器42，其中光耦合器42將輸入光信號與來自控制器激光源44的“泵激”光耦合。注意，圖4中的細(xì)線連接部分表示光纖連接，而粗線連接部分表示電氣連接。激光源或泵激激光器單元44的工作光波長在放大器光輸入信號的波長帶之外，但可以有效地激勵光纖線圈41中的摻雜離子。光輸入信號可以預(yù)定波長處的單個光信號組成，或者是由多個具有不同預(yù)定波長的光信號組成的混合信號，這種信號在WDM光纖通信網(wǎng)中是典型的。輸入信號的光激勵光纖線圈41中的受激離子，發(fā)射具有相同波長的附加光，從而有效地放大輸入光信號。
放大器單元40的光功率增益G依賴于泵激激光器單元44的輸出功率，并且因此可以通過調(diào)節(jié)泵激激光器單元的輸出功率來控制該增益。當(dāng)輸入信號是一混合信號時，光放大器單元40可以包含一個增益平坦化濾光器，使得混合信號中的每個波長分量都經(jīng)歷相等的增益。不然的話，光功率增益將是集體波長分量的RMS增益。光放大器單元40還可以在其輸入側(cè)和輸出側(cè)包括光隔離器(未圖示)。
在圖4的結(jié)構(gòu)中，第一跨阻抗放大器(TIA)單元43最好包括單個放大級，其輸入端通過光電探測器47(例如，光電二極管)和光抽頭48與光放大器的輸入側(cè)相連。光抽頭將來自設(shè)備輸入光纖I的一小部分輸入光信號耦合到與光電探測器47相連的監(jiān)測器輸出端48b。剩余的輸入光信號通過抽頭的主輸出端48a傳播到光放大器單元40的輸入端。
第二TIA單元45的輸入端通過相應(yīng)的光電探測器47′和相關(guān)的光抽頭48′與光放大器的輸入側(cè)相連。此光抽頭將來自光放大器單元的一小部分輸出光耦合到與光電探測器47′相連的監(jiān)測輸出端48b′。剩余的輸出光通過抽頭48′的主輸出端48a′傳播到設(shè)備的輸出光纖0。
光抽頭48和48′的耦合比可以相同或不同。另外，它們不受任何特殊的限制。但是，一般來說最好使用基本上能夠保持設(shè)備輸入和輸出信號功率的耦合比--例如，耦合比至少為90/10(即，10％的光耦合到監(jiān)測輸出端，而90％的光傳播到主輸出端)。
返回圖4，光電探測器47和47′將從抽頭48和48′接收到的光轉(zhuǎn)換成電流信號，電流信號的電平正比于通過監(jiān)測輸出端48b和48b′接收到的光量。因此，電流信號正比于光放大器40之輸入和輸出光信號的光功率電平。TIA單元43和45再產(chǎn)生與其輸入電流信號成比例的輸出電壓信號，并且將這些輸出信號提供給控制器46。TIA單元43和45的輸出電壓信號Si和So分別表示如下Si＝GiC1PiSo＝GoC2Pi＝GoC2GPi在前面，Gi和Go分別表示輸入側(cè)TIA單元43和輸出側(cè)TIA單元45的跨阻抗增益，Pi和Po分別表示輸入光信號功率電平和輸出光信號功率電平，G表示光放大器單元的光功率增益，而C1和C2表示取決于抽頭48和48′之耦合比和光電探測器47和47′之響應(yīng)率的比例常數(shù)。
控制器將兩個電壓信號電平中的一個減去另一個，獲得誤差電壓電平SerrSerr＝±(So－Si)＝±(GoG2Po－GiC1Pi＝±(GoC2GPi－GiC1Pi)＝±Pi(GoC2G－GiC1)＝±PiGiC1{(GoC2/GiC1)G－1}…(11)根據(jù)誤差電壓，控制器46產(chǎn)生一控制信號，用于調(diào)節(jié)泵激激光器單元44的工作，并由此調(diào)節(jié)放大器單元40的光增益，使Serr為零并保持該狀態(tài)。例如，泵激激光器單元可以包含一個傳統(tǒng)的受電壓控制的泵激電流控制器，并且控制器46的控制信號可以是根據(jù)使用誤差信號電平Serr的PI或PID控制算法建立的電壓。同樣，可以按特殊應(yīng)用的需要，用數(shù)字或模擬電路實現(xiàn)控制算法。
從方程(11)可以理解到，當(dāng)誤差Serr為零時，放大器單元40的光增益將是G＝GT＝(Gi/Go)(C1/C2)。當(dāng)所選定的光抽頭48和48′具有相同的耦合比時，選定的光電探測器47和47′具有相同的響應(yīng)率，C1和C2將相等，從而目標(biāo)增益為簡單的GT＝Gi/Go。
通過控制泵激激光器單元使Serr保持為零，放大器單元40以恒量增益G＝GT工作。并且，目標(biāo)增益是一個簡單的預(yù)定值，它基于輸入側(cè)和輸出側(cè)放大器單元43和45的已知增益。不需要外界的、表示目標(biāo)增益的參考信號。也不需要進(jìn)行除法運(yùn)算以確定實際工作增益G。
圖5示出了本發(fā)明的另一個實施例3，該實施例用于控制多級泵激的光纖放大器單元40′。圖5的結(jié)構(gòu)總體上類似于圖4的結(jié)構(gòu)，除了放大器單元包括多個放大級，每個放大級都包括如前面結(jié)合圖4所述的，一個摻雜光纖線圈41、WDM耦合器42和泵激激光器單元44。這里放大級的數(shù)目是2，但可以使用級數(shù)更多的放大級。如圖所示，不同級的放大器線圈串聯(lián)連接，其中不同放大級可以在相同條件下受激，但根據(jù)特殊應(yīng)用提供相同或不同的增益。每個放大級還可以包括一個增益平坦化濾光器(未圖示)。
與圖4實施例一樣，圖5的控制器將TIA輸出電壓Si和So中的一個減去另一個，獲得一誤差信號電平Serr。根據(jù)如此獲得的誤差，控制器產(chǎn)生控制信號，用以調(diào)節(jié)泵激激光器單元的輸出，并由此調(diào)節(jié)光放大器單元40′的光增益，使誤差Serr為零，并保持該狀態(tài)。在該狀態(tài)下，放大器單元40′的光增益將等于目標(biāo)增益，如前所述，目標(biāo)增益基于輸入側(cè)和輸出側(cè)TIA單元的已知增益。即使兩個放大級相同或不同，泵激激光器單元都可以接收相同的控制信號。當(dāng)然，當(dāng)放大級不同且對總增益所起的作用不相等時，可以根據(jù)其各自的增益作用對它們進(jìn)行不同的控制。
圖6示出了另一個實施例4，在該實施例中，兩個單獨控制的光放大器單元40串聯(lián)連接，形成一個多級放大器單元。與圖5中的結(jié)構(gòu)相比，此結(jié)構(gòu)能夠更精確地控制總的光增益，因為每個放大級是單獨監(jiān)測和控制的。
如圖6所示，將第一(左)放大級的輸出側(cè)TIA單元45和第二(右)放大級的輸入側(cè)TIA單元43的輸入端公同連接到光電探測器47′(47)。按結(jié)合圖4描述的方式單獨控制每個放大級。當(dāng)然，盡管在圖6中兩個放大級是相同的，正如它們各自的控制系統(tǒng)是相同的，但實踐中不需要這樣。在實踐中，兩個放大級可以不同，正如它們的控制系統(tǒng)可以不同(例如，選擇TIA單元對可以提供不同的目標(biāo)增益)。
構(gòu)造并測試了結(jié)合圖4所述的設(shè)備，檢查了其暫態(tài)特性。單個線圈放大器單元包括13.7米長的傳統(tǒng)摻鉺光纖、位于輸入和輸出端的兩個光隔離器、1550/980nm WDM光耦合器和標(biāo)準(zhǔn)的976nm光柵穩(wěn)定化泵激激光器單元，其中所述激光器單元包括一個具有亞微秒(μs)響應(yīng)時間的電壓控制泵激電流源。受控放大器單元的輸入信號包括兩個信號10dBm、1555nm連續(xù)波(CW)信號；和0dBm、1553nm、500Hz通/斷調(diào)制方波信號。
TIA單元分別由各自的運(yùn)算放大器(頻率響應(yīng)至少為10MHz)、電阻器和電容器構(gòu)成，為輸入側(cè)TIA單元提供10000跨阻抗增益，為輸出側(cè)TIA單元提供681跨阻抗增益。根據(jù)系統(tǒng)的特定物理參數(shù)，諸如接頭損耗、泵激激光器的特性和光電探測器的特性等，斷定這些值是合適的。
TIA單元通過90/10光耦合器和大體上相同的光電探測器(InGaAs PIN光電二極管，其頻率響應(yīng)至少為10MHz)與光放大器單元的輸入側(cè)和輸出側(cè)相連。因此，比例常數(shù)C1和C2的關(guān)系為C2＝(9/10)C1。這很容易從以下事實推導(dǎo)出，即由于耦合比為90/10，所以耦合到輸入側(cè)光電探測器中的光量是輸入光放大器單元的光的1/9，并且耦合到輸出側(cè)光電探測器中的光量是光放大器單元輸出的光的1/10。
設(shè)備的輸入和輸出光纖是標(biāo)準(zhǔn)的SMF-28光纖。設(shè)備中各部件之間的光連接也可以用SMF-28光纖來實現(xiàn)。輸出光纖上的信號用125MHz光接收機(jī)和500MHz數(shù)字示波器來測量。
為了提供較寬范圍的控制靈活性，我們使用基于數(shù)字化微處理器的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括-兩個8位的模-數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器(以2.5Mhz速率采樣)-一個Mach XL可編程陣列邏輯電路(PAL)-一個以16MHz運(yùn)行的IBM Power PC微處理器-一個8位數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換器圖7是一方框圖，示出了控制系統(tǒng)100的結(jié)構(gòu)及其與TIA單元和激光器泵激電流控制器(泵激驅(qū)動電路)的連接關(guān)系。
用兩個A/D轉(zhuǎn)換器101和102分別將輸入側(cè)和輸出側(cè)TIA單元43和45的輸出電壓數(shù)字化。PAL 103對來自A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字化放大器輸出進(jìn)行快速硬件減法運(yùn)算。減法運(yùn)算結(jié)果表示誤差Serr，微處理器104用該結(jié)果執(zhí)行PI控制算法，然后通過D/A轉(zhuǎn)換器105將計算得到的控制信號輸出給激光器單元44的泵激驅(qū)動電路。
圖8是控制過程的流程圖。在步驟S1，PAL讀出來自A/D轉(zhuǎn)換器101和102的數(shù)字化TIA輸出(Si，So)。接著在步驟S2，PAL 103計算誤差Serr(n)＝Si－So，其中n表示當(dāng)前(第n個)控制迭代。在步驟S3，微處理器104計算控制移動M(n)，用于調(diào)節(jié)泵激激光器的輸出，使誤差Serr為零。
根據(jù)以下PI控制算法進(jìn)行計算M(n)＝M(n－1)＋I(xiàn)Serr(n)＋P(Serr(n)－Serr(n－1))其中系數(shù)I和P分別是積分和比例控制增益，并且可以憑經(jīng)驗選擇和優(yōu)化。為了更全面地討論P(yáng)I控制，請參見上述Koenig的文章。憑經(jīng)驗確定測試設(shè)備的I和P最佳值分別為1和500。
接下來，在步驟S4，將下一次迭代用的值Serr(n－1)設(shè)置為當(dāng)前誤差Serr(n)。
最后，將控制移動M(n)輸出給泵激驅(qū)動電路，并且流程返回步驟S1，執(zhí)行下一次控制迭代。
圖9示出了上述單線圈放大器的暫態(tài)特性，但在操作中不使用本發(fā)明的自動增益控制系統(tǒng)。具體地說，圖9示出了方波輸入信號和結(jié)果輸出信號的軌跡。如此設(shè)置兩個信號軌跡的相對比例，以便如圖所示疊加兩個軌跡，便于比較。比較信號軌跡發(fā)現(xiàn)放大器輸出發(fā)生嚴(yán)重畸變，這是由與玻璃中鉺離子相關(guān)的慢增益動態(tài)特性引起的。
圖10示出了增益控制系統(tǒng)接通時的暫態(tài)特性。由圖10可見，光輸出信號的方波形狀具有較小的畸變。圖10中位于輸入和輸出信號之上的第三條軌跡表示泵激控制信號，它正比于泵激功率。
圖11詳細(xì)示出了接通瞬變的情況。初始反轉(zhuǎn)(反轉(zhuǎn)指受激狀態(tài)下鉺離子的粒子數(shù))使輸出信號產(chǎn)生初始的快速上升。但是，泵激速率不足以適應(yīng)升高的信號功率。因此，在大約5μs的處理延遲后，增益控制電路將泵激功率提高到最大允許值。放大器響應(yīng)隨時間升高的增益，直到獲得所需的增益。然后，使泵激功率降低到穩(wěn)態(tài)操作所需的值。用于校正增益所需的總時間大約為25μs。當(dāng)然，如果在接通瞬變期間可以獲得更大的泵激功率，那么可以提高增益控制系統(tǒng)的響應(yīng)速率。另外，用更快的電子設(shè)備可以縮短響應(yīng)時間，例如用模擬控制電路代替基于微處理器的電路。
重申本文述及的本發(fā)明特殊應(yīng)用以及說明性的實施例僅是例示性的。各種其它的實施方案可以與本發(fā)明的基本原理保持一致。本發(fā)明的范圍在后附權(quán)利要求書中敘述。
權(quán)利要求
1.一種用于控制一器件輸出信號電平與該器件輸入信號電平之比的方法，其特征在于，包括以下步驟提供第一部件，第一部件與器件輸入端相連，用于產(chǎn)生第一信號，第一信號的電平對應(yīng)于所述輸入信號電平；提供第二部件，第二部件與器件輸出端相連，用于產(chǎn)生第二信號，第二信號的電平對應(yīng)于所述輸出信號電平；和根據(jù)所述第一和第二信號電平之間的差調(diào)節(jié)所述比值。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述器件是一個放大器單元，所述比值是該放大器單元的增益。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，每個所述輸出信號和所述輸入信號都是一混合信號。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述器件是一光學(xué)器件，所述輸入和輸出信號是光學(xué)信號，并且所述第一和第二放大器單元是跨阻抗放大器單元。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，每個所述輸出信號和所述輸入信號都是一個混合信號。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述輸出和輸入信號電平是混合信號的RMS電平。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述調(diào)節(jié)步驟包括產(chǎn)生一誤差信號電平Serr，其中Serr＝±(So－Si)，So是所述第二信號的信號電平，Si是所述第一信號的信號電平，并且將所述誤差信號電平用作調(diào)節(jié)所述比值的基礎(chǔ)。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一信號和所述第二信號是混合信號，并且Si和So是RMS信號電平。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述誤差信號電平以及所述第一和第二信號電平是電壓電平。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述調(diào)節(jié)步驟包括調(diào)節(jié)所述器件中影響所述比值的一個部件。
11.一種用于控制光放大器單元的光增益的方法，其特征在于，包括以下步驟提供第一跨阻抗放大器單元，該單元與所述光放大器單元的輸入端相連；提供第二跨阻抗放大器單元，該單元與所述光放大器單元的輸出端相連；和根據(jù)所述第一跨阻抗放大器單元之輸出信號與所述第二跨阻抗放大器單元之輸出信號的差，調(diào)節(jié)光增益。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述光放大器單元是一個泵激的光纖放大器單元，所述調(diào)節(jié)步驟包括調(diào)節(jié)所述光纖放大器單元之泵激激光器的泵激功率。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，光增益是用于輸入所述光纖放大器單元的多個混合波長的RMS光增益。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，通過調(diào)節(jié)所述泵激激光器的驅(qū)動控制信號調(diào)節(jié)泵激功率。
15.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述調(diào)節(jié)步驟包括產(chǎn)生一誤差電壓Serr，其中Serr＝±(So－Si)，So是所述第二跨阻抗放大器單元的輸出電壓，Si是所述第一跨阻抗放大器單元的輸出電壓，并且將所述誤差電壓用作調(diào)節(jié)所述泵激激光器之泵激功率的基礎(chǔ)。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述第一和第二跨阻抗放大器單元通過相應(yīng)的光電探測器，分別與所述輸入端和所述輸出端相連，并且So和Si滿足以下關(guān)系So＝GoC2GPiSi＝GiC1Pi其中Go和Gi分別是所述第二跨阻抗放大器單元和所述第一跨阻抗放大器單元的跨阻抗增益，Pi是輸入光信號功率，G是光增益，并且C2和C1是常數(shù)。
17.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述光纖放大器單元具有單個光纖放大級。
18.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述光纖放大器單元具有多個串聯(lián)的光纖放大級。
19.一種用于控制一器件輸出信號電平與該器件輸入信號電平之比的設(shè)備，其特征在于，包括第一部件，它與器件輸入端相連，用于產(chǎn)生第一信號，第一信號的電平對應(yīng)于所述輸入信號電平；第二部件，它與器件輸出端相連，用于產(chǎn)生第二信號，第二信號的電平對應(yīng)于所述輸出信號電平；和控制器，它與所述第一和第二放大器單元以及所述器件相連，用于根據(jù)所述第一和第二信號之電平差，調(diào)節(jié)所述比值。
20.如權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其特征在于，所述器件是一個放大器單元，所述比值是該放大器單元的增益。
21.如權(quán)利要求20所述的設(shè)備，其特征在于，每個所述輸出信號和所述輸入信號都是一混合信號。
22.如權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其特征在于，所述器件是一光學(xué)器件，并且所述第一和第二放大器單元是跨阻抗放大器單元。
23.如權(quán)利要求22所述的設(shè)備，其特征在于，每個所述輸出信號和所述輸入信號都是一個混合信號。
24.如權(quán)利要求23所述的設(shè)備，其特征在于，所述輸出和輸入信號電平是混合信號的RMS電平。
25.如權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其特征在于，所述控制器產(chǎn)生一誤差信號電平Serr，其中Serr＝±(So－Si)，So是所述第二信號的信號電平，Si是所述第一信號的信號電平，并且所述控制器將所述誤差信號電平用作調(diào)節(jié)所述比值的基礎(chǔ)。
26.如權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其特征在于，所述控制器調(diào)節(jié)所述器件中影響所述比值的一個部件。
27.一種增益受控的光放大器設(shè)備，其特征在于，包括光放大器單元；第一跨阻抗放大器單元，它與所述光放大器單元的輸入端相連；第二跨阻抗放大器單元，它與所述光放大器單元的輸出端相連；和控制器，它與所述第一第二跨阻抗放大器單元以及所述光放大器單元相連，所述控制器根據(jù)所述第一跨阻抗放大器單元之輸出信號與所述第二跨阻抗放大器單元之輸出信號的差調(diào)節(jié)所述光放大器單元的光增益。
28.如權(quán)利要求27所述的設(shè)備，其特征在于，所述光放大器單元是一個包括泵激激光器的泵激光纖放大器單元，并且所述控制器調(diào)節(jié)所述泵激激光器的泵激功率。
29.如權(quán)利要求27所述的設(shè)備，其特征在于，光增益是用于輸入所述光纖放大器單元的多個混合波長的RMS光增益。
30.如權(quán)利要求27所述的設(shè)備，其特征在于，所述第一和第二跨阻抗放大器單元通過相應(yīng)的光電探測器，分別與所述輸入端和所述輸出端相連。
31.如權(quán)利要求27所述的設(shè)備，其特征在于，所述控制器產(chǎn)生一誤差電壓Serr，其中Serr＝±(So－Si)，So是所述第二跨阻抗放大器單元的輸出電壓，Si是所述第一跨阻抗放大器單元的輸出電壓，并且所述控制器將所述誤差電壓用作調(diào)節(jié)光增益的基礎(chǔ)。
32.如權(quán)利要求31所述的設(shè)備，其特征在于，所述第一和第二跨阻抗放大器單元通過相應(yīng)的光電探測器，分別與所述輸入端和所述輸出端相連，并且So和Si滿足以下關(guān)系So＝GoC2GPiSi＝GiC1Pi其中Go和Gi分別是所述第二跨阻抗放大器單元和所述第一跨阻抗放大器單元的跨阻抗增益，Pi是輸入光信號功率，G是光增益，并且C2和C1是常數(shù)。
33.如權(quán)利要求32所述的設(shè)備，其特征在于，所述光放大器單元是一個包括泵激激光器的泵激光纖放大器單元，并且所述控制器調(diào)節(jié)所述泵激激光器的泵激功率。
34.如權(quán)利要求33所述的設(shè)備，其特征在于，所述光纖放大器單元具有單個光纖放大級。
35.如權(quán)利要求33所述的設(shè)備，其特征在于，所述光纖放大器單元具有多個串聯(lián)的光纖放大級。
36.一種用于控制一器件輸出信號電平與該器件輸入信號電平之比的方法，其特征在于，包括以下步驟提供第一部件，第一部件與器件輸入端相連，用于產(chǎn)生第一信號，第一信號的電平對應(yīng)于所述輸入信號電平；提供第二部件，第二部件與器件輸出端相連，用于產(chǎn)生第二信號，第二信號的電平對應(yīng)于所述輸出信號電平；和根據(jù)所述第一和第二信號電平之間的差調(diào)節(jié)所述比值。
37.如權(quán)利要求36所述的方法，其特征在于，所述器件是一個放大器單元，所述比值是該放大器單元的增益。
38.如權(quán)利要36所述的方法，其特征在于，所述器件是一光學(xué)器件，所述輸入和輸出信號是光學(xué)信號，并且所述第一和第二放大器單元是跨阻抗放大器單元。
39.如權(quán)利要求36所述的方法，其特征在于，所述調(diào)節(jié)步驟包括產(chǎn)生一誤差信號電平Serr，其中Serr＝±(So－Si)，So是所述第二信號的信號電平，Si是所述第一信號的信號電平，并且將所述誤差信號電平用作調(diào)節(jié)所述比值的基礎(chǔ)。
40.一種用于控制一器件輸出信號電平與該器件輸入信號電平之比的設(shè)備，其特征在于，包括第一部件，它與器件輸入端相連，用于產(chǎn)生第一信號，第一信號的電平對應(yīng)于所述輸入信號電平；第二部件，它與器件輸出端相連，用于產(chǎn)生第二信號，第二信號的電平對應(yīng)于所述輸出信號電平；和控制器，它與所述第一和第二放大器單元以及所述器件相連，用于根據(jù)所述第一和第二信號之電平差，調(diào)節(jié)所述比值。
41.如權(quán)利要求40所述的設(shè)備，其特征在于，所述器件是一個放大器單元，所述比值是該放大器單元的增益。
42.如權(quán)利要求40所述的設(shè)備，其特征在于，所述控制器產(chǎn)生一誤差信號電平Serr，其中Serr＝±(So－Si)，So是所述第二信號的信號電平，Si是所述第一信號的信號電平，并且所述控制器將所述誤差信號電平用作調(diào)節(jié)所述比值的基礎(chǔ)。
43.一種用于控制一器件輸出信號電平與該器件輸入信號電平之比的方法，其特征在于，包括以下步驟產(chǎn)生第一信號，第一信號的電平對應(yīng)于所述輸入信號電平；產(chǎn)生第二信號，第二信號的電平對應(yīng)于所述輸出信號電平；和根據(jù)所述第一和第二信號的電平差調(diào)節(jié)所述比值。
44.如權(quán)利要求43所述的設(shè)備，其特征在于，調(diào)節(jié)所述比值，以便大體保持所述輸入和輸出信號電平的目標(biāo)比值，所述目標(biāo)比值基于分別使所述第一和第二信號電平與所述輸入和輸出信號電平相關(guān)的比例因子。
45.如權(quán)利要求44所述的設(shè)備，其特征在于，所述第一信號和所述第二信號分別由第一放大器單元和第二放大器單元產(chǎn)生，所述第一和第二放大器單元具有預(yù)定增益，并且所述比例因子是所述預(yù)定增益。
全文摘要
用兩個信號控制器件輸入信號與輸出信號的運(yùn)行比值(例如,放大器的增益),其中所述兩個信號的電平分別對應(yīng)于輸入和輸出信號電平。根據(jù)兩個信號之差,將比值控制為目標(biāo)值,這里不需要表示目標(biāo)值的參考信號或用于計算運(yùn)行比值的除法運(yùn)算。在一較佳模式中,用相應(yīng)的放大器單元產(chǎn)生兩個信號,其中放大器單元具有已知的增益并且分別與器件的輸入端和輸出端相連。
文檔編號H03G3/30GK1334988SQ99814683
公開日2002年2月6日 申請日期1999年12月14日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月21日
發(fā)明者M·F·科魯爾, J·C·馬克基曼, D·A·韋伯 申請人:康寧股份有限公司