基于DDS+PLL的光源調制與功率穩定控制方法

馬錦貴，孫曉光，龐喜浪，萬雙愛

(北京自動化控制設備研究所， 北京 100074)

0 引言

隨著量子技術的發展，量子傳感器的出現進一步拓寬了傳感器領域和范圍。量子傳感器是基于量子操控技術的研究成果，一般的量子傳感器具有體積小、精度高或者發展潛力較大等特性[1-5]。激光器是小型量子傳感器的主要器件，根據使用方法分為驅動激光器和檢測激光器兩種，其輸出穩定性影響著量子傳感器的性能。激光器調制可以將待測的低頻區光學信號調制到高頻區，從而隔離低頻區1/f等噪聲影響，有利于提高量子傳感器的靈敏度[6]。受限于量子傳感器的體積要求，傳統的法拉第調制、光彈調制法[7-8]等硬件系統較為復雜，難以在小體積量子傳感器中實現。此外，激光器調制過程引入調制信號時，一方面調制頻率受到AD模塊采樣頻率的限制；另一方面，調制信號將引入額外噪聲[9-10]，從而影響激光器輸出光強。并且隨著產生的調制信號頻率的增大，調制信號產生過程中引入的噪聲會越大，對激光器光強影響更大，嚴重影響激光器輸出光強的穩定性。因此，需要選擇合適的參考源，并抑制參考源產生信號的噪聲，以實現光源的穩定調制，并減小調制對激光器光強造成的影響。

為實現對小型內部光源的有效調制，并且抑制光源調制引入的噪聲，獲得具有干凈頻譜的調制信號，參考目前光源調制方法中使用最廣泛的方法，即采用直接數字合成法(Direct Digital Synthesis，DDS)[11-12]生成正弦序列信號作為頻率參考源，結合調制電路進行調制的方法，并根據信號合成理論和小體積量子傳感器的工作要求，提出了基于DDS結合鎖相環(Phase Locked Loop，PLL)的光源調制方法，適用于小型量子傳感器。基于現有的小型量子傳感器工作裝置，實現了光源穩定調制的驗證，并且降低了調制對激光器輸出光強的影響。

1 系統組成

光源調制功能實現一般如圖1所示，在整個設計方案中，交流調制參考信號通過FPGA控制DDS IP核產生，并通過PLL[13]進行調理；FPGA通過數字信號控制集成芯片產生電壓輸出信號，并根據實際電路進行換算產生電流輸出信號，相加之后輸出具有偏置的調制電流信號，實現對激光器電流的調制。采用FPGA控制芯片輸出電壓時，需要結合電路控制和實際工作要求進行實際的換算，并通過線圈完成電流的轉換，實現對光源的驅動電流調制。

圖1 總設計方案功能框圖Fig.1 Block diagram of overall design

2 具體實施方案

2.1 調制信號產生

設fDDS為DDS的輸出頻率，fc是參考時鐘頻率，它們與相位累加器長度(N)以及頻率控制字(Frequency Control Word，FSW)之間的關系為：fDDS=fc·FSW/2N。而DDS的頻率分辨率ΔfDDS=fc/2N。

DDS生成的信號近似為正弦信號，假設采樣頻率為f0，f0=fDDS，則實際得到的采樣信號為

s(t)=s(n)·h(t)

(1)

其中，Tc=1/fc

(2)

對階梯波S(t)做傅里葉變換，得到

(3)

通過方程式(3)可以看出，理想的DDS輸出頻譜是包絡為Sa函數的離散譜線。由奈奎斯特采樣定理可知，在實際采樣時，要保證采樣信號的完整度，輸出頻率不能超過0.5fc。在實際應用中，DDS輸出頻率為采樣頻率的40%以下。但在實際應用過程中，調制信號不僅受到實際電路的限制，并且頻率噪聲和幅度噪聲也在現有硬件條件下隨著頻率的增大而不斷變大。為了滿足實際調制信號的要求，可以采用在DDS輸出后加入PLL調理電路，實現提高輸出頻率并抑制整體噪聲的目的。具體的DDS+PLL調制參考信號生成功能框圖如圖2所示，通過狀態字FSW控制DDS芯片產生的參考頻率，并經R分頻后進入相位檢波器。PLL通過鎖定VCO(壓控振蕩器)輸出N(一般為定值)倍于輸入信號頻率的頻率信號。在參考頻率產生過程中，DDS作為參考源使用。DDS技術具有頻率轉化速率快、分辨率極高、低相位噪聲和低漂移，以及獨有的連續相位變化等優點[14]，并且電路集成度較高，易于調試。PLL技術具有高響應頻率、寬帶寬、相位噪聲小、雜散低、電路簡單等優點，DDS的輸出頻率由R分頻后，經PLL鎖定放大N倍并由VCO輸出，總的輸出頻率得到提升。

圖2 調制信號生成框圖Fig.2 Block diagram of generating modulation signal

采用此種方法，DDS作為本振參考源，通過PLL模塊鎖定VCO鎖定輸出頻率，一方面可提高傳統DDS作為參考源的調制頻率上限；另一方面，DDS+PLL的頻率合成技術可以有效抑制DDS及采集電路產生的雜散和噪聲電平，從而獲得具有干凈頻譜的調制信號。

2.2 調制電路

為實現激光器的穩定輸出，并且保證激光器的穩定工作，外部調制電路由以下幾部分組成：

1)保護電路，半導體激光器需要將輸入激光器電流控制在可控范圍內，因此需要過流保護電路；

2)具有慢啟動功能的直流偏置電路，用于避免電源開啟瞬間電流浪涌和電壓浪涌的沖擊；

3)信號放大電路；

4)調制電路。

具體的系統框圖如圖3所示，調制信號和直流偏置信號經過放大器后進行相加，過流保護電路實現慢啟動，以避免快開快斷造成的瞬間大電流并起到限流作用。在實際使用中，直流偏置和交流的疊加通過集成芯片完成，并輸出具有偏置的調制電壓或電流信號。

圖3 調制電路組成框圖Fig.3 Block diagram of modulation circuit system

3 仿真測試

由調制信號生成框圖可知，DDS產生信號序列后，經由R分頻進入相位檢波器，由PLL模塊進行控制。DDS產生的信號序列近似于正弦信號，由于DDS的雜散邊緣誤差主要來源于截位誤差，并結合在傳感器內部應用的限制，在仿真時，以摻雜具有展寬高斯白噪聲的正弦信號模擬受外界限制干擾和雜散影響的DDS信號。PLL采樣頻率設為20kHz，模擬實際工作模式下受到其他因素限制的AD采集模塊的實際采樣頻率。壓控振蕩器自由振蕩頻率fVCO為進入相位檢波器的信號頻率fDDS的N=2倍，在未有參考基準頻率輸入時，壓控振蕩器按照自由振蕩頻率輸出信號，實現增大DDS輸出頻率上限的功能。仿真產生的時域圖如圖4和圖5所示。在仿真過程中，采樣頻率保持為20kHz，DDS與VCO自由振蕩的信號幅度均為0.025。圖4為DDS直接輸出8kHz數字調制信號，圖5為DDS直接輸出4kHz數字調制信號并由PLL調理后升至8kHz。從時域圖來看，受到實際采樣率的限制，DDS產生的數字信號已經出現了失真現象，頻率不能保持穩定；經過PLL調理后的波形仍然維持頻率本身的特性，從時域上來看幅度受到限制，但數字信號本身特性依舊保持，并且調制信號的頻率輸出穩定。由于DDS本身的噪聲電平會隨著頻率的增大而增大，在實際調制時可以根據分頻比減小DDS的生成頻率，從而抑制DDS本身的噪聲電平，并通過PLL環節增大調制頻率。

圖4 采樣頻率20kHz，DDS輸出8kHz信號時域圖Fig.4 Time-domain image of the 8kHz output signal of DDS with 20kHz sampling frequency

圖5 采樣頻率20kHz，DDS輸出4kHz,PLL鎖定后VCO輸出8kHz信號時域圖Fig.5 Time-domain image of 8kHz signal generated by VCO, with 4kHz signal created by DDS, PPL locked and 20kHz samplingf requency

在整個系統中，環路濾波器對頻率噪聲有一定的抑制作用，對DDS生成的數字展寬有限制作用，但作用較小。具體仿真結果如圖6所示，藍色線為DDS輸出8kHz信號，紅色線為PLL鎖定VCO輸出10kHz信號，采樣頻率為30kHz，從-110dB信號強度到-60dB紅色線均比藍色線的頻率寬度窄，在-110dB信號強度下，VCO輸出比DDS輸出信號窄約200Hz帶寬。

圖6 采樣30kHz，fdds8kHz，fvco10kHz時的數字信號FFTFig.6 Frequency domain image of 8kHz digital signal created by DDS and 10kHz digital signal created by VCO with 30kHz sampling frequency

4 實驗測試

目前,大部分FPGA集成芯片都有不同的IP核作為內嵌模塊，本次實際操控采用Xilinx公司的處理器芯片，通過其內部的IP核生成DDS參考信號，參考信號由狀態字進行控制，輸出具有偏置的調制電流信號供給激光器。通過電壓輸出芯片采集FPGA輸出數字控制字并進行PLL調理后輸出具有偏置的調制電壓，經由電流輸出芯片完成電流轉換，實現對激光器的供電和電流調制。在實際供電時，通過16位數字信號控制輸出的偏置調制電壓信號，通過狀態字控制調制電壓信號，完全滿足現在大多數小型量子傳感器的工作狀態需求。在實際實驗驗證過程中，傳感器正常工作，DDS輸出8kHz調制信號和DDS輸出4kHz調制信號，經由PLL調理后輸出為8kHz信號，分別對激光器直流偏置相加完成光源的內部調制，并用光電探測器吸收后轉化為電流進行采集，具體實驗結果如圖7～圖10所示。

圖7 DDS輸出4kHz與8kHz信號的FFTFig.7 Frequency domain image of 4kHz digital signal and 8kHz digital signal created by DDS

圖8 DDS輸出8kHz與DDS輸出4kHz并經由PLL模塊拉升至8kHz信號FFTFig.8 Frequency domain image of 8kHz digital signal created by DDS and 8kHz digital signal created by VCO with 4kHz signal created by DDS and PPL locked

圖9 光電探測器轉化光功率信號FFTFig.9 Frequency domain image of light intensity signal transformed by photoelectric pickoff

(a) DDS調制電流輸出光功率

圖7、圖8為控制電路空載時直接采集生成的調制信號，圖7為DDS生成4kHz信號和生成8kHz信號時的頻譜，藍色線為8kHz信號，紅色線為4kHz信號，8kHz信號底噪電平比4kHz信號高3～4dB，信號強度大2dB，DDS的噪聲電平隨著生成信號的頻率增大而增大；圖8為DDS生成8kHz和DDS生成4kHz后經PLL模塊鎖定VCO

輸出8kHz的信號，DDS生成4kHz并經PLL鎖定至8kHz，噪聲電平受到一定的抑制，底噪電平降低約8dB，信號強度保持不變。一方面，DDS生成低頻信號時噪聲電平低；另一方面，PLL模塊對信號噪聲產生抑制作用，使實際生成的信號頻率展寬受到一定的限制，功率譜密度變小，反映到頻譜上為底部噪聲電平變低。

圖9、圖10為應用于小型量子傳感器內部時的測試結果，分別由DDS生成8kHz調制信號、DDS生成4kHz后經PLL模塊鎖定VCO輸出8kHz產生的調制信號去調制激光器電流，并用光電探測器采集激光器輸出的光強信號。圖9為光電探測器采集光功率轉化電流信號并經AD采集的頻譜圖，兩種不同調制方式對光強噪聲的影響約3dB；圖10為光電探測器采集到的光強轉化為電流信號的時域圖，均為激光器在室溫條件下上電啟動1h后采集輸出光功率，其中(a)為DDS輸出8kHz信號調制激光器電流后，PD采集激光器光強，(b)為VCO輸出8kHz調制信號調制激光器電流后PD采集激光器光強。在將近1h采集光強時間內，DDS輸出調制光強仍在波動，VCO調制激光器在1h內已經達到穩定狀態，并且噪聲是DDS噪聲范圍的一半，與圖9測試得到的輸出光強信號的FFT噪聲電平結果相同，且多次實驗具有重復效果。

5 結論

本文從提高光源調制頻率和穩定激光器輸出光強出發，提出了DDS+PLL的調制方法，對激光器進行調制以實現穩定激光器輸出。并根據現有的小型量子傳感器的激光器工作狀態搭建裝置，實現了光源的電流調制，在DDS產生4kHz頻率的情況下完成了8kHz的激光器電流調制，并且經PLL調理后抑制了調制信號噪聲電平，噪聲降低約8dB，穩定了激光器輸出光強波動，激光器輸出噪聲降低3dB。本文提出的DDS+PLL頻率合成技術的調制方法，可以有效提高小型量子傳感器內部光源調制頻率上限，并優化激光器調制電流的噪聲，為提高小型量子傳感器本身靈敏度提供了一種切實有效的方法。