基于FPGA技術的偏振模色散自適應補償技術設計與仿真

龍俊銘，王小華

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

基于FPGA技術的偏振模色散自適應補償技術設計與仿真

龍俊銘1，王小華2

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

我國的骨干通信網上的傳輸速率已經向40 GB/s甚至是160 GB/s發展，傳輸線路以光纖作為主要的傳輸通道。與光纖相關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，偏振模色散對單模光纖高速和長距離通信的影響尤為突出。因此應現代光纖通信技術網的高速發展的需要，把當前流行的FPGA技術應用到單模光纖的偏振模色散的自適應補償技術中，用硬件描述語言來實現，可以大大提高光纖的偏振模色散自適應補償對實時性和穩定性的要求。

通信容量；光纖；偏振模色散；硬件描述語言；FPGA；DOP；有限狀態機

1 PMD效應及其自適應補償算法的研究與設計

為了現一階偏振模色散的完全補償，其控制算法總的設計思想是：通過調節偏振控制元件和偏振模時延元件，使得補償器件和被補償光纖的PMD矢量和為零；并且對輸出光信號的DOP進行監測，將其與得到的最大偏振度值進行比較，并動態的跟蹤此最大值。

一個優秀的偏振模色散自適應補償算法必須具備以下幾個特點：

1）收斂速度快，控制算法的響應速度能動態跟蹤線路信號的偏振模色散特性的變化。

2）避免陷入局部極值點。

3）搜索過程中，應當減少并避免線路信號出現瞬間惡化的情況。

4）抗噪聲干擾性強。

為滿足以上的幾個要求，在這里設計了一種控制算法，他能夠根據反饋信號的大小，自動調節偏振控制器調節步長。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出現瞬間惡化的情況；而可變步長搜索控制算法則用來實現快速收斂，并且能夠避免陷入局部極值點。全局搜索控制算法在這里，有兩個方面的主要作用：1）系統開始工作后，第一次搜索DOP最大值點。2）在出現極差的情況下，即可變步長搜索控制算法對系統的調節失敗后，可用于避免線路信號出現的瞬間惡化。因此，全局搜索控制算法必須做到這點，也就是在整個可調范圍內，搜索到DOP的最大值點，則收斂速度就會下降，對整個傳輸系統的PMD補償時間產生較大的影響。若搜索時間太長，鑒于PMD補償對時間的要求之高，它的實現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補償精度的要求，將各個波片的調節范圍均勻地分成若干段，然后按照設定的調節步長對各區間進行一次抽樣檢測，并將波片定位于DOP值最大的區間；利用相對前面較小的調節步長，根據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自適應補償硬件控制系統

整個PMD補償系統涉及2大主要的部分和5大主要的技術。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償器。其中，偏振模色散模擬器又包含兩個模塊，這兩個模塊分別是偏振控制模塊和保偏光纖，偏振模色散補償器包括著3個模塊，這3個模塊分別是：補償單元模塊、反饋信號提取模塊、控制算法模塊；對應以上涉及的模塊，這5大主要的技術是指：偏振控制技術、保偏光纖模擬技術、偏振模色散補償技術、反饋信號提取技術以及控制算法。整個自適應PMD補償系統如圖1所示。

圖1 自適應PMD補償系統Fig.1 PMD adaptive compensation system

在這里，我們主要研究PMD自適應補償硬件控制系統的設計。PMD自適應補償硬件控制系統的實現由4個模塊組成。從整體上可以分為4個關鍵部分：1）自適應補償單元，主要是由光纖線路結構部分組成，其中包括偏振?？刂破骱凸饪勺冄舆t器等；2）信息反饋控制系統，其主要功能是監控光纖線路PMD的變化趨勢，并將實時提取的信號與信息，把相關信號提供給中央處理器單元部分；3）信號與信息提取裝置，其主要是提取核心控制算法處理電路及實時反饋信號部分；4）PMD自適應補償控制算法部分。硬件結構實現框圖如圖2所示。

圖2 PMD補償硬件控制系統實現框圖Fig.2 PMD compensation hardware control system

3 自適應補償技術的FPGA實現方案

基于FPGA技術實現偏振模色散自適應補償的具體措施如下：首先，在均衡器工作前，接收到的同步序列被檢測和訓練，其次，在整個訓練期間，反饋均衡器將內部所產生的理想信號作為反饋信號，最小均方算法也被應用到信道中并進行評估，同時實時的調整前項與反饋濾波器的抽頭系數，使得濾波器的抽頭系數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，并重新調制判決信號，把調制所生成的參考信號作為反饋信號進行輸入，最終確保均衡器的均方誤差達到最小的狀態。相關的文獻中，某些線性均衡器已經達到自適應補償目的，本研究設計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，該均衡器具有錯誤傳播特性，即當判決發生錯誤時，這種錯誤可能會導致后續符號的畸變，從而出現錯誤的累積；如果當反饋均衡器進入正常的工作狀態后，這種累計的錯誤就會被有效的消除，在接收誤碼率較高的時候，這種錯誤傳播，經過本研究和實驗測試證明，錯誤信號的傳播并不嚴重，是能夠嚴格控制在有效范圍之內的，而且當反饋均衡器工作在訓練模式下，該均衡器可完全依靠自主學習來自適應的調節自身的狀態，從而有效的對PMD起到自適應補償，并且收到了較為顯著的效果。

在進行FPGA編程時，本編程的硬件描述語言采用的是Verilog HDL語言，按系統的需要，結合處理在同一時鐘發生的數據用途和種類都不同，為防止信號總線在傳輸過程中發生沖突，因此采用在硬件描述語言時，采用狀態機來描述，規定每一種狀態下只能完成某一種動作，當數據總線上只有一種功能的信號占用時，就可保證不會跳轉到其它的功能中，使得送出的數據有的發送。這樣讓FPGA偏振模色散自適應補償技術的整體結構清晰明了，并且減少了邏輯出錯的概率。部分設計代碼如下（狀態機模式）：

4 MATLAB分析偏振模色散自適應補償技術

在該MATLAB仿真中，主要是通過在接收端檢測Q因子，從而可以實現對移動通信系統的傳輸線路實現PMD自適應動態補償。自適應PMD補償主要由3部分所組成：1）PMD動態補償單元；2）信號檢測單元，該模塊的作用是應用最廣泛的，兩種反饋信號分別是：電功率和偏振度（DOP，Degree of Polarization），本研究是將Q因子作為反饋信號用來控制偏振控制器中的角度，從而找到一個最佳角度，讓Q因子在最短的時間內到達最大值；3）自適應補償系統控制算法。能夠適用于PMD動態補償的反饋控制信號應該具備以下的主要特點：

1）靈敏度要高，能實時反映微小的PMD變化趨勢。反饋信號的靈敏度主要的決定了PMD補償精度；

2）系統誤碼率相關特性。相關特性越強，其反饋信號就越好；

3）動態響應時間要小。反饋信號對PMD動態響應時間要遠遠落后于控制算法處理信息的時間，同樣也遠低于系統速率要求的時間，否則PMD動態補償器將不能有效地自適應的工作。

在本研究中，分別從PMD靜態補償和PMD動態補償兩個角度來分析PMD自適應補償，首先在VPI系統中，把PMD模擬器模擬成一個靜態的PMD，方便系統對PMD作靜態補償，然后把補償前后的眼圖進行比較。該系統仿真結構框圖如圖3所示。

首先由VPI產生40G的NRZ信號，再經過PMD模擬器進行實時傳輸，假設其中的通信光纖長度設為10，把衰減、色散、色散斜率、非線性指數都設定為0，PMD系數設定為為1ps=pkm，先進行PMD一階補償，自適應補償器包括偏振控制器（PC）、分束器（PBS）、偏振時延器件和合束器（PBC），最后檢測Q因子和眼圖。

MATLAB仿真結果如圖4所示。

在圖4的左圖表示的是Q因子比較結果，其中縱軸是Q因子，橫軸是偏振控制器（PC）中角度（control1）的改變，分析圖中的數據，可得到，當control1為40度時，補償效果達到最佳值。在圖4的右圖中是PC中的control1取40度時的眼圖比較，從MATLAB仿真結果可以看出，補償后眼張開度明顯變大。因此，通過比較補償前后的眼圖及Q因子的大小，實驗結果表明PMD自適應動態補償技術明顯優于靜態補償。

圖4 PMD補償系統仿真框圖Fig.4 PMD compensation system simulation eye pattern

5 結 論

文中具體研究了一種基于FPGA技術的PMD自適應動態補償系統的設計方法和仿真方案，完成了在40 Gbit/s單模光纖PMD自適應補償系統的一階PMD動態補償。文中首先分析了自適應動態補償系統的組成結構，并對具體的補償過程進行了重點的介紹，并利用FPGA技術來實現偏振模色散自適應動態補償，同時在Matlab環境下搭建了一個偏振模色散自適應動態補償的仿真框圖，并進行了仿真結果分析。實驗結果證明，改偏振模色散的自適應動態補償方案的補償效果顯著。

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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201211269

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