基于FPGA技術(shù)的偏振模色散自適應(yīng)補(bǔ)償技術(shù)設(shè)計(jì)與仿真

龍俊銘，王小華

（1.湘南學(xué)院 湖南 郴州 423000；2.廣西師范大學(xué) 廣西 桂林 541004）

基于FPGA技術(shù)的偏振模色散自適應(yīng)補(bǔ)償技術(shù)設(shè)計(jì)與仿真

龍俊銘1，王小華2

（1.湘南學(xué)院 湖南 郴州 423000；2.廣西師范大學(xué) 廣西 桂林 541004）

我國的骨干通信網(wǎng)上的傳輸速率已經(jīng)向40 GB/s甚至是160 GB/s發(fā)展，傳輸線路以光纖作為主要的傳輸通道。與光纖相關(guān)的損耗和單模光纖的主要色散，即偏振模色散，不僅僅限制了光信號(hào)在通信過程中的傳輸距離，還很大程度上影響其通信容量。其中，偏振模色散對(duì)單模光纖高速和長距離通信的影響尤為突出。因此應(yīng)現(xiàn)代光纖通信技術(shù)網(wǎng)的高速發(fā)展的需要，把當(dāng)前流行的FPGA技術(shù)應(yīng)用到單模光纖的偏振模色散的自適應(yīng)補(bǔ)償技術(shù)中，用硬件描述語言來實(shí)現(xiàn)，可以大大提高光纖的偏振模色散自適應(yīng)補(bǔ)償對(duì)實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性的要求。

通信容量；光纖；偏振模色散；硬件描述語言；FPGA；DOP；有限狀態(tài)機(jī)

1 PMD效應(yīng)及其自適應(yīng)補(bǔ)償算法的研究與設(shè)計(jì)

為了現(xiàn)一階偏振模色散的完全補(bǔ)償，其控制算法總的設(shè)計(jì)思想是：通過調(diào)節(jié)偏振控制元件和偏振模時(shí)延元件，使得補(bǔ)償器件和被補(bǔ)償光纖的PMD矢量和為零；并且對(duì)輸出光信號(hào)的DOP進(jìn)行監(jiān)測，將其與得到的最大偏振度值進(jìn)行比較，并動(dòng)態(tài)的跟蹤此最大值。

一個(gè)優(yōu)秀的偏振模色散自適應(yīng)補(bǔ)償算法必須具備以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1）收斂速度快，控制算法的響應(yīng)速度能動(dòng)態(tài)跟蹤線路信號(hào)的偏振模色散特性的變化。

2）避免陷入局部極值點(diǎn)。

3）搜索過程中，應(yīng)當(dāng)減少并避免線路信號(hào)出現(xiàn)瞬間惡化的情況。

4）抗噪聲干擾性強(qiáng)。

為滿足以上的幾個(gè)要求，在這里設(shè)計(jì)了一種控制算法，他能夠根據(jù)反饋信號(hào)的大小，自動(dòng)調(diào)節(jié)偏振控制器調(diào)節(jié)步長。該控制算法由全局搜索算法和可變的索步長控制算法組成。其中，全局搜索算法用來確定閉值偏振度以及避免線路信號(hào)出現(xiàn)瞬間惡化的情況；而可變步長搜索控制算法則用來實(shí)現(xiàn)快速收斂，并且能夠避免陷入局部極值點(diǎn)。全局搜索控制算法在這里，有兩個(gè)方面的主要作用：1）系統(tǒng)開始工作后，第一次搜索DOP最大值點(diǎn)。2）在出現(xiàn)極差的情況下，即可變步長搜索控制算法對(duì)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)失敗后，可用于避免線路信號(hào)出現(xiàn)的瞬間惡化。因此，全局搜索控制算法必須做到這點(diǎn)，也就是在整個(gè)可調(diào)范圍內(nèi)，搜索到DOP的最大值點(diǎn)，則收斂速度就會(huì)下降，對(duì)整個(gè)傳輸系統(tǒng)的PMD補(bǔ)償時(shí)間產(chǎn)生較大的影響。若搜索時(shí)間太長，鑒于PMD補(bǔ)償對(duì)時(shí)間的要求之高，它的實(shí)現(xiàn)精度再高也是沒有意義的。為此，我們采用了折中的方法:按照PMD補(bǔ)償精度的要求，將各個(gè)波片的調(diào)節(jié)范圍均勻地分成若干段，然后按照設(shè)定的調(diào)節(jié)步長對(duì)各區(qū)間進(jìn)行一次抽樣檢測，并將波片定位于DOP值最大的區(qū)間；利用相對(duì)前面較小的調(diào)節(jié)步長，根據(jù)DOP值的大小變化情況，控制搜索方向（增加、減小或者不變），最后找到各波片最佳的位置。

2 PMD自適應(yīng)補(bǔ)償硬件控制系統(tǒng)

整個(gè)PMD補(bǔ)償系統(tǒng)涉及2大主要的部分和5大主要的技術(shù)。這2大主要的部分指的是：偏振模色散模擬器和偏振模色散補(bǔ)償器。其中，偏振模色散模擬器又包含兩個(gè)模塊，這兩個(gè)模塊分別是偏振控制模塊和保偏光纖，偏振模色散補(bǔ)償器包括著3個(gè)模塊，這3個(gè)模塊分別是：補(bǔ)償單元模塊、反饋信號(hào)提取模塊、控制算法模塊；對(duì)應(yīng)以上涉及的模塊，這5大主要的技術(shù)是指：偏振控制技術(shù)、保偏光纖模擬技術(shù)、偏振模色散補(bǔ)償技術(shù)、反饋信號(hào)提取技術(shù)以及控制算法。整個(gè)自適應(yīng)PMD補(bǔ)償系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 自適應(yīng)PMD補(bǔ)償系統(tǒng)Fig.1 PMD adaptive compensation system

在這里，我們主要研究PMD自適應(yīng)補(bǔ)償硬件控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。PMD自適應(yīng)補(bǔ)償硬件控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)由4個(gè)模塊組成。從整體上可以分為4個(gè)關(guān)鍵部分：1）自適應(yīng)補(bǔ)償單元，主要是由光纖線路結(jié)構(gòu)部分組成，其中包括偏振模控制器和光可變延遲器等；2）信息反饋控制系統(tǒng)，其主要功能是監(jiān)控光纖線路PMD的變化趨勢，并將實(shí)時(shí)提取的信號(hào)與信息，把相關(guān)信號(hào)提供給中央處理器單元部分；3）信號(hào)與信息提取裝置，其主要是提取核心控制算法處理電路及實(shí)時(shí)反饋信號(hào)部分；4）PMD自適應(yīng)補(bǔ)償控制算法部分。硬件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示。

圖2 PMD補(bǔ)償硬件控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖Fig.2 PMD compensation hardware control system

3 自適應(yīng)補(bǔ)償技術(shù)的FPGA實(shí)現(xiàn)方案

基于FPGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)偏振模色散自適應(yīng)補(bǔ)償?shù)木唧w措施如下：首先，在均衡器工作前，接收到的同步序列被檢測和訓(xùn)練，其次，在整個(gè)訓(xùn)練期間，反饋均衡器將內(nèi)部所產(chǎn)生的理想信號(hào)作為反饋信號(hào)，最小均方算法也被應(yīng)用到信道中并進(jìn)行評(píng)估，同時(shí)實(shí)時(shí)的調(diào)整前項(xiàng)與反饋濾波器的抽頭系數(shù)，使得濾波器的抽頭系數(shù)可以收斂到最小的均方誤差。然后，再把均衡器切換到直接判決模式，并重新調(diào)制判決信號(hào)，把調(diào)制所生成的參考信號(hào)作為反饋信號(hào)進(jìn)行輸入，最終確保均衡器的均方誤差達(dá)到最小的狀態(tài)。相關(guān)的文獻(xiàn)中，某些線性均衡器已經(jīng)達(dá)到自適應(yīng)補(bǔ)償目的，本研究設(shè)計(jì)中所采用的反饋均衡器與他們的線性均衡器相比，本研究的反饋均衡器擁有更好的性能，縱然，該均衡器具有錯(cuò)誤傳播特性，即當(dāng)判決發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，這種錯(cuò)誤可能會(huì)導(dǎo)致后續(xù)符號(hào)的畸變，從而出現(xiàn)錯(cuò)誤的累積；如果當(dāng)反饋均衡器進(jìn)入正常的工作狀態(tài)后，這種累計(jì)的錯(cuò)誤就會(huì)被有效的消除，在接收誤碼率較高的時(shí)候，這種錯(cuò)誤傳播，經(jīng)過本研究和實(shí)驗(yàn)測試證明，錯(cuò)誤信號(hào)的傳播并不嚴(yán)重，是能夠嚴(yán)格控制在有效范圍之內(nèi)的，而且當(dāng)反饋均衡器工作在訓(xùn)練模式下，該均衡器可完全依靠自主學(xué)習(xí)來自適應(yīng)的調(diào)節(jié)自身的狀態(tài)，從而有效的對(duì)PMD起到自適應(yīng)補(bǔ)償，并且收到了較為顯著的效果。

在進(jìn)行FPGA編程時(shí)，本編程的硬件描述語言采用的是Verilog HDL語言，按系統(tǒng)的需要，結(jié)合處理在同一時(shí)鐘發(fā)生的數(shù)據(jù)用途和種類都不同，為防止信號(hào)總線在傳輸過程中發(fā)生沖突，因此采用在硬件描述語言時(shí)，采用狀態(tài)機(jī)來描述，規(guī)定每一種狀態(tài)下只能完成某一種動(dòng)作，當(dāng)數(shù)據(jù)總線上只有一種功能的信號(hào)占用時(shí)，就可保證不會(huì)跳轉(zhuǎn)到其它的功能中，使得送出的數(shù)據(jù)有的發(fā)送。這樣讓FPGA偏振模色散自適應(yīng)補(bǔ)償技術(shù)的整體結(jié)構(gòu)清晰明了，并且減少了邏輯出錯(cuò)的概率。部分設(shè)計(jì)代碼如下（狀態(tài)機(jī)模式）：

4 MATLAB分析偏振模色散自適應(yīng)補(bǔ)償技術(shù)

在該MATLAB仿真中，主要是通過在接收端檢測Q因子，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)的傳輸線路實(shí)現(xiàn)PMD自適應(yīng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。自適應(yīng)PMD補(bǔ)償主要由3部分所組成：1）PMD動(dòng)態(tài)補(bǔ)償單元；2）信號(hào)檢測單元，該模塊的作用是應(yīng)用最廣泛的，兩種反饋信號(hào)分別是：電功率和偏振度（DOP，Degree of Polarization），本研究是將Q因子作為反饋信號(hào)用來控制偏振控制器中的角度，從而找到一個(gè)最佳角度，讓Q因子在最短的時(shí)間內(nèi)到達(dá)最大值；3）自適應(yīng)補(bǔ)償系統(tǒng)控制算法。能夠適用于PMD動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)姆答伩刂菩盘?hào)應(yīng)該具備以下的主要特點(diǎn)：

1）靈敏度要高，能實(shí)時(shí)反映微小的PMD變化趨勢。反饋信號(hào)的靈敏度主要的決定了PMD補(bǔ)償精度；

2）系統(tǒng)誤碼率相關(guān)特性。相關(guān)特性越強(qiáng)，其反饋信號(hào)就越好；

3）動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間要小。反饋信號(hào)對(duì)PMD動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于控制算法處理信息的時(shí)間，同樣也遠(yuǎn)低于系統(tǒng)速率要求的時(shí)間，否則PMD動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器將不能有效地自適應(yīng)的工作。

在本研究中，分別從PMD靜態(tài)補(bǔ)償和PMD動(dòng)態(tài)補(bǔ)償兩個(gè)角度來分析PMD自適應(yīng)補(bǔ)償，首先在VPI系統(tǒng)中，把PMD模擬器模擬成一個(gè)靜態(tài)的PMD，方便系統(tǒng)對(duì)PMD作靜態(tài)補(bǔ)償，然后把補(bǔ)償前后的眼圖進(jìn)行比較。該系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

首先由VPI產(chǎn)生40G的NRZ信號(hào)，再經(jīng)過PMD模擬器進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，假設(shè)其中的通信光纖長度設(shè)為10，把衰減、色散、色散斜率、非線性指數(shù)都設(shè)定為0，PMD系數(shù)設(shè)定為為1ps=pkm，先進(jìn)行PMD一階補(bǔ)償，自適應(yīng)補(bǔ)償器包括偏振控制器（PC）、分束器（PBS）、偏振時(shí)延器件和合束器（PBC），最后檢測Q因子和眼圖。

MATLAB仿真結(jié)果如圖4所示。

在圖4的左圖表示的是Q因子比較結(jié)果，其中縱軸是Q因子，橫軸是偏振控制器（PC）中角度（control1）的改變，分析圖中的數(shù)據(jù)，可得到，當(dāng)control1為40度時(shí)，補(bǔ)償效果達(dá)到最佳值。在圖4的右圖中是PC中的control1取40度時(shí)的眼圖比較，從MATLAB仿真結(jié)果可以看出，補(bǔ)償后眼張開度明顯變大。因此，通過比較補(bǔ)償前后的眼圖及Q因子的大小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明PMD自適應(yīng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償技術(shù)明顯優(yōu)于靜態(tài)補(bǔ)償。

圖4 PMD補(bǔ)償系統(tǒng)仿真框圖Fig.4 PMD compensation system simulation eye pattern

5 結(jié) 論

文中具體研究了一種基于FPGA技術(shù)的PMD自適應(yīng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和仿真方案，完成了在40 Gbit/s單模光纖PMD自適應(yīng)補(bǔ)償系統(tǒng)的一階PMD動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。文中首先分析了自適應(yīng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，并對(duì)具體的補(bǔ)償過程進(jìn)行了重點(diǎn)的介紹，并利用FPGA技術(shù)來實(shí)現(xiàn)偏振模色散自適應(yīng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，同時(shí)在Matlab環(huán)境下搭建了一個(gè)偏振模色散自適應(yīng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)姆抡婵驁D，并進(jìn)行了仿真結(jié)果分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，改偏振模色散的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方案的補(bǔ)償效果顯著。

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Design and simulation based on FPGA technology for the adaptive compensation of polarization mode compensation

LONG Jun-ming，WANG Xiao-hua
（1.University of Xiang Nan，Chenzhou 423000， China； 2.Guilin University of Electronic Technology， Guilin 541004， China）

The rate in the main telecommunication network has already arrived at 40Gb/s，and even 160Gb/s， the transimitting object is mainly optical fiber.In singal mode optical fiber the loss and dispersion，not only impede the optical signal in the process of communication transmission distance，but also affect the communication capacity.For this，The polarization mode dispersion is the most awful on the high speed and long distance communication through the single mode fiber.Therefore，in order to better appeal to the needs of modern telecommunication network technology high speed development，using the current popular FPGA technology to the optical fiber polarization mode dispersion adaptive compensation technology by hardware description language，which can greatly improve the optical fiber in adaptive polarization mode dispersion compensation technology in the real-time and stability.

communication capacity； optical fiber； polarization mode dispersion； hardware description language； FPGA；DOP；finite state machine

TN911.4

A

1674－6236（2013）08-0164-04

2012-11-30稿件編號(hào)201211269

龍俊銘（1981—），男，廣西賀州人，碩士研究生。研究方向：光通信網(wǎng)絡(luò)與光信息處理。