基于FPGA技术的偏振模色散自适应补偿技术设计与仿真

龙俊铭，王小华

（1.湘南学院 湖南 郴州 423000；2.广西师范大学 广西 桂林 541004）

基于FPGA技术的偏振模色散自适应补偿技术设计与仿真

龙俊铭1，王小华2

（1.湘南学院 湖南 郴州 423000；2.广西师范大学 广西 桂林 541004）

我国的骨干通信网上的传输速率已经向40 GB/s甚至是160 GB/s发展，传输线路以光纤作为主要的传输通道。与光纤相关的损耗和单模光纤的主要色散，即偏振模色散，不仅仅限制了光信号在通信过程中的传输距离，还很大程度上影响其通信容量。其中，偏振模色散对单模光纤高速和长距离通信的影响尤为突出。因此应现代光纤通信技术网的高速发展的需要，把当前流行的FPGA技术应用到单模光纤的偏振模色散的自适应补偿技术中，用硬件描述语言来实现，可以大大提高光纤的偏振模色散自适应补偿对实时性和稳定性的要求。

通信容量；光纤；偏振模色散；硬件描述语言；FPGA；DOP；有限状态机

1 PMD效应及其自适应补偿算法的研究与设计

为了现一阶偏振模色散的完全补偿，其控制算法总的设计思想是：通过调节偏振控制元件和偏振模时延元件，使得补偿器件和被补偿光纤的PMD矢量和为零；并且对输出光信号的DOP进行监测，将其与得到的最大偏振度值进行比较，并动态的跟踪此最大值。

一个优秀的偏振模色散自适应补偿算法必须具备以下几个特点：

1）收敛速度快，控制算法的响应速度能动态跟踪线路信号的偏振模色散特性的变化。

2）避免陷入局部极值点。

3）搜索过程中，应当减少并避免线路信号出现瞬间恶化的情况。

4）抗噪声干扰性强。

为满足以上的几个要求，在这里设计了一种控制算法，他能够根据反馈信号的大小，自动调节偏振控制器调节步长。该控制算法由全局搜索算法和可变的索步长控制算法组成。其中，全局搜索算法用来确定闭值偏振度以及避免线路信号出现瞬间恶化的情况；而可变步长搜索控制算法则用来实现快速收敛，并且能够避免陷入局部极值点。全局搜索控制算法在这里，有两个方面的主要作用：1）系统开始工作后，第一次搜索DOP最大值点。2）在出现极差的情况下，即可变步长搜索控制算法对系统的调节失败后，可用于避免线路信号出现的瞬间恶化。因此，全局搜索控制算法必须做到这点，也就是在整个可调范围内，搜索到DOP的最大值点，则收敛速度就会下降，对整个传输系统的PMD补偿时间产生较大的影响。若搜索时间太长，鉴于PMD补偿对时间的要求之高，它的实现精度再高也是没有意义的。为此，我们采用了折中的方法:按照PMD补偿精度的要求，将各个波片的调节范围均匀地分成若干段，然后按照设定的调节步长对各区间进行一次抽样检测，并将波片定位于DOP值最大的区间；利用相对前面较小的调节步长，根据DOP值的大小变化情况，控制搜索方向（增加、减小或者不变），最后找到各波片最佳的位置。

2 PMD自适应补偿硬件控制系统

整个PMD补偿系统涉及2大主要的部分和5大主要的技术。这2大主要的部分指的是：偏振模色散模拟器和偏振模色散补偿器。其中，偏振模色散模拟器又包含两个模块，这两个模块分别是偏振控制模块和保偏光纤，偏振模色散补偿器包括着3个模块，这3个模块分别是：补偿单元模块、反馈信号提取模块、控制算法模块；对应以上涉及的模块，这5大主要的技术是指：偏振控制技术、保偏光纤模拟技术、偏振模色散补偿技术、反馈信号提取技术以及控制算法。整个自适应PMD补偿系统如图1所示。

图1 自适应PMD补偿系统Fig.1 PMD adaptive compensation system

在这里，我们主要研究PMD自适应补偿硬件控制系统的设计。PMD自适应补偿硬件控制系统的实现由4个模块组成。从整体上可以分为4个关键部分：1）自适应补偿单元，主要是由光纤线路结构部分组成，其中包括偏振模控制器和光可变延迟器等；2）信息反馈控制系统，其主要功能是监控光纤线路PMD的变化趋势，并将实时提取的信号与信息，把相关信号提供给中央处理器单元部分；3）信号与信息提取装置，其主要是提取核心控制算法处理电路及实时反馈信号部分；4）PMD自适应补偿控制算法部分。硬件结构实现框图如图2所示。

图2 PMD补偿硬件控制系统实现框图Fig.2 PMD compensation hardware control system

3 自适应补偿技术的FPGA实现方案

基于FPGA技术实现偏振模色散自适应补偿的具体措施如下：首先，在均衡器工作前，接收到的同步序列被检测和训练，其次，在整个训练期间，反馈均衡器将内部所产生的理想信号作为反馈信号，最小均方算法也被应用到信道中并进行评估，同时实时的调整前项与反馈滤波器的抽头系数，使得滤波器的抽头系数可以收敛到最小的均方误差。然后，再把均衡器切换到直接判决模式，并重新调制判决信号，把调制所生成的参考信号作为反馈信号进行输入，最终确保均衡器的均方误差达到最小的状态。相关的文献中，某些线性均衡器已经达到自适应补偿目的，本研究设计中所采用的反馈均衡器与他们的线性均衡器相比，本研究的反馈均衡器拥有更好的性能，纵然，该均衡器具有错误传播特性，即当判决发生错误时，这种错误可能会导致后续符号的畸变，从而出现错误的累积；如果当反馈均衡器进入正常的工作状态后，这种累计的错误就会被有效的消除，在接收误码率较高的时候，这种错误传播，经过本研究和实验测试证明，错误信号的传播并不严重，是能够严格控制在有效范围之内的，而且当反馈均衡器工作在训练模式下，该均衡器可完全依靠自主学习来自适应的调节自身的状态，从而有效的对PMD起到自适应补偿，并且收到了较为显著的效果。

在进行FPGA编程时，本编程的硬件描述语言采用的是Verilog HDL语言，按系统的需要，结合处理在同一时钟发生的数据用途和种类都不同，为防止信号总线在传输过程中发生冲突，因此采用在硬件描述语言时，采用状态机来描述，规定每一种状态下只能完成某一种动作，当数据总线上只有一种功能的信号占用时，就可保证不会跳转到其它的功能中，使得送出的数据有的发送。这样让FPGA偏振模色散自适应补偿技术的整体结构清晰明了，并且减少了逻辑出错的概率。部分设计代码如下（状态机模式）：

4 MATLAB分析偏振模色散自适应补偿技术

在该MATLAB仿真中，主要是通过在接收端检测Q因子，从而可以实现对移动通信系统的传输线路实现PMD自适应动态补偿。自适应PMD补偿主要由3部分所组成：1）PMD动态补偿单元；2）信号检测单元，该模块的作用是应用最广泛的，两种反馈信号分别是：电功率和偏振度（DOP，Degree of Polarization），本研究是将Q因子作为反馈信号用来控制偏振控制器中的角度，从而找到一个最佳角度，让Q因子在最短的时间内到达最大值；3）自适应补偿系统控制算法。能够适用于PMD动态补偿的反馈控制信号应该具备以下的主要特点：

1）灵敏度要高，能实时反映微小的PMD变化趋势。反馈信号的灵敏度主要的决定了PMD补偿精度；

2）系统误码率相关特性。相关特性越强，其反馈信号就越好；

3）动态响应时间要小。反馈信号对PMD动态响应时间要远远落后于控制算法处理信息的时间，同样也远低于系统速率要求的时间，否则PMD动态补偿器将不能有效地自适应的工作。

在本研究中，分别从PMD静态补偿和PMD动态补偿两个角度来分析PMD自适应补偿，首先在VPI系统中，把PMD模拟器模拟成一个静态的PMD，方便系统对PMD作静态补偿，然后把补偿前后的眼图进行比较。该系统仿真结构框图如图3所示。

首先由VPI产生40G的NRZ信号，再经过PMD模拟器进行实时传输，假设其中的通信光纤长度设为10，把衰减、色散、色散斜率、非线性指数都设定为0，PMD系数设定为为1ps=pkm，先进行PMD一阶补偿，自适应补偿器包括偏振控制器（PC）、分束器（PBS）、偏振时延器件和合束器（PBC），最后检测Q因子和眼图。

MATLAB仿真结果如图4所示。

在图4的左图表示的是Q因子比较结果，其中纵轴是Q因子，横轴是偏振控制器（PC）中角度（control1）的改变，分析图中的数据，可得到，当control1为40度时，补偿效果达到最佳值。在图4的右图中是PC中的control1取40度时的眼图比较，从MATLAB仿真结果可以看出，补偿后眼张开度明显变大。因此，通过比较补偿前后的眼图及Q因子的大小，实验结果表明PMD自适应动态补偿技术明显优于静态补偿。

图4 PMD补偿系统仿真框图Fig.4 PMD compensation system simulation eye pattern

5 结 论

文中具体研究了一种基于FPGA技术的PMD自适应动态补偿系统的设计方法和仿真方案，完成了在40 Gbit/s单模光纤PMD自适应补偿系统的一阶PMD动态补偿。文中首先分析了自适应动态补偿系统的组成结构，并对具体的补偿过程进行了重点的介绍，并利用FPGA技术来实现偏振模色散自适应动态补偿，同时在Matlab环境下搭建了一个偏振模色散自适应动态补偿的仿真框图，并进行了仿真结果分析。实验结果证明，改偏振模色散的自适应动态补偿方案的补偿效果显著。

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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稿件编号201211269

龙俊铭（1981—），男，广西贺州人，硕士研究生。研究方向：光通信网络与光信息处理。