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光器件中稳定闭环控制的重要性

中采网-电子资讯及技术频道      

    

  在电信业陷于低迷的今天,那些主要的大厂商都采取了观望态度,而一些非常年轻的公司却在努力奋斗以走出困境,使他们在从事大多数前沿光器件的开发活动。器件物理学和材料学领域内新的研究成果成为开发这些器件的关键。真正的挑战在光学领域:如何弯曲光线,如何交换光线,如何在特定波长产生相干光,如何在光纤中复用信道并以最低的损耗进行长距离的传输。

  然而,如果没有辅助电子器件,光学器件将毫无用处。下一代的光器件如动态大范围可调激光器就需要复杂的电子器件。电子器件主要用来控制器件的性能,例如:噪声、电流回路的带宽、电压激励的线性度、温度控制的精度以及总的死循环控制规则等。设计这类电子器件需要掌握与光学领域完全不同的技巧。光器件厂商要想在光技术领域内提供完整的解决方案,就必须将前沿光学与嵌入式电子控制技术结合起来。

  先进的光器件一般很难实现“即插即用”,而且在技术和接口上也缺少相应的工业标准来降低复杂度。这意味着光学领域内每一次新的发现都需要设计新的、独特的电子控制系统。

  高级控制的需求

  光器件需要多级控制。最简单的形式就是一个反馈组件驱动一个控制组件。然而,在大多数应用中,为了补偿老化效应和非线性效应,这种简单控制方案不能满足稳定性要求。

  例如,在光交叉连接器中,要求光器件能够管理任意输入端到输出端的光交换。器件必须确保光强不超过规定的界限,从而保证必要的稳定性和可靠性。在这个简单的例子中,同时存在着4种控制环路(图1),分别是:可以测量整个波长反馈并提供器件管理的外部环路、光强控制环路、保证稳定性的内部电流环路以及温度控制环路。由此可见,一个光器件中就存在着4种控制信号。那么如何决定反馈的优先权呢,或者哪一种性能更重要呢?此外,还需要考虑许多动态因素:

  短期稳定性:在产生小的变化或环境干扰时,系统需要多长时间来稳定输出。

  长期稳定性:由于光器件或电器件的老化,系统性能如何随时间改变。

  可靠性:在可接受的性能范围内,系统可以运转多长时间。

  大信号动态响应:在出现阶跃变化或大的环境干扰时,系统可以做出多快的响应。

  

  图1

  为了正常工作,有些器件可能需要4个控制环。工程师如何管理这个系统

  一般说来,成熟的单入单出(SISO)控制技术,例如比例、积分、微分(PID)或比例、积分(PI)技术可以作为“控制构件”,再结合新的结构如级联环路就可以得到所需的死循环响应系统。在典型的级联系统中,内部的控制环路响应最快,可以用来“线性化”某些低电平状态变量,例如Bragg光栅所需的电流。外部的控制环路通常较慢,可以用来控制状态变量。如果设计正确,这种级联死循环控制结构可以带给系统优良的小信号和大信号响应、高度的可靠性以及优良的长期稳定性,并且易于检测。在某些情况下,系统的状态变量很难分解开,这时采取级联SISO环就不可行。这种情况就需要采取多入多出(MIMO)或多入单出(MISO)控制结构。这种结构用经典的方法很难进行设计和分析,需要采用复杂状态空间设计方法来获得所需的死循环性能。大多数的光器件需要采用MIMO或MISO控制结构。

  控制的实现

  一旦确定了控制结构,在硬件上可以用几种方式来实现(图2)。

  

  图2

  图中假设光器件的物理接口是模拟的,嵌入式单片系统假设预置模块和处理器内核的再利用是与应用软件结合在一起的。

  仿真PCB。在印刷电路板(PCB)上要实现仿真控制,采用现成的电路是开发原型及早期生产系统最容易、最简单的方法。由于光器件的物理接口是模拟的,最自然的想法就是开发全套模拟系统。对单个控制环路以及多个独立的环路而言,采用仿真控制最直接,并且可以立即实现。优点包括:简单的PID设计、成本低、操作迅捷、开发周期短,尤其适合小规模应用。缺点则是对模拟漂移和温度波动敏感。全模拟系统很难实现高级控制及软件可编程。

  数字PCB。数字系统最吸引人的地方就是可编程性。对光器件而言,采用数字PCB非常适宜,因为它可以为功能器件提供先进的控制方案。此外,对一些孤立的全光系统而言,它还可以将控制功能与信息功能结合在一起。

  为了支持城域网(MAN)中的高速业务配给,光分插复用器(OADM)要能够实现动态重配置。通过网络远程控制重配置命令,而OADM的状态与实时信息则由嵌入式网络服务器提供给中心机房。在这种情况下,数字电子器件具有多重功能,它有效结合了器件控制和网络管理等功能。这些额外的软件特性可以使系统的安装、服务以及技术支持更容易管理。

  当然采用数字方式也有缺点:数字系统的开发通常比全模拟系统的开发昂贵得多,并且需要好的固件工程师。而且预设的数字采样率对性能好坏的影响很大,并且数字方案需要更大的印刷板尺寸。

  带有外部电流环路的定制FPGA。当光器件厂商从开发器件原型过渡到用早期生产系统进行全面生产时,目标就变成了降低生产费用、减小器件尺寸。这种中等规模的应用非常适合用FPGA来进行设计。

  FPGA系统可以实现非常多的功能。并且具有由软件控制的电子系统所固有的优点——在高速运行时能够对系统进行适当的调节——与纯模拟系统很类似。

  FPGA的并行处理特性非常适合某些应用,而且以FPGA为基础进行开发的另一优点就是软件和硬件都为真正的嵌入式单片系统(SoC)做好了准备。根据厂商的情况以及所采用的方案,将FPGA和外部电流环路结合在一起可以实现低成本开发。

  因此,基于FPGA的系统具有支持控制定制、提供单芯片解决方案、可集成进第三方知识产权、保护专用控制方法等优点,此外,还能很方便地添加各种所需的功能。但是缺点则是开发过程十分昂贵,需要寄存器传输级(RTL)程序设计工程师,而且数字采样率的预设也十分重要,此外,还需要数据库并能访问RTL模块。

  基于SoC的定制IC解决方案。一旦供货商的产量达到每年50,000块,要降低成本和提高性能就必须把电子器件做成单片系统。核心问题在于重新利用已有的设计——利用多个厂商的知识产权,以一种高效的、低成本的方法来解决问题。

  像RISC和DSP这类内核知识产权比较清晰,有较多的优点。这种内核通常不用修改就可以重新利用,有时还配套了高效的仿真模型。重要的是,要同时得到这些内核的足够的定时、仿真和物理布局工具。一般说来,在接受了固件原型后才进行软件开发和集成是非常昂贵的。这种方法会延长产品进入市场的时间。而且软件/硬件集成时出现任何问题都会延长设计的周期,有时这种延迟会非常长。因此需要进行硬件和软件的联合开发,这样在缩减工程开发时间的同时还可以验证系统结构和实时软件性能。

  可以看出,SoC方案能够支持先进的控制和软件可编程性。特别在大规模应用时,SoC可以实现尺寸最小、产品成本最低、速度快,同时还能保护所用的控制方法。不过另一方面,SoC的开发是最昂贵的。它们需要非常稳定的光学设计,而且预设的数字采样率也是十分关键的。

  需要更强大的控制

  光交叉连接器(OXC)可以为长距离传输提供全部光纤的交换,但十分复杂。在这种方案中,OXC每次只交换一路而且不能识别光信号所采用的格式。随着系统的发展,交换时间变得越来越重要,对交换稳定性及动态响应的要求也越来越苛刻,而且需要稳定的死循环控制。

  随着光学子系统和光器件先进性和复杂性的提高,开发成本低且能实现高效控制的电子器件将会越来越重要。

  作者:JohnD.Brennan,Cadence Design Systems

来源:通信世界网
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