基于FPGA的少模光纤通信系统频域均衡器的研究与实现

摘要

随着对单模光纤各个自由度复用技术的深入研究，单模光纤信道容量高速增长，然而由于非线性香农极限的限制，单模光纤信道容量提升即将达到瓶颈。少模光纤模式复用技术是突破信道容量极限，实现更高速率光通信传输的有效手段之一。少模光纤模式复用技术的提出，对传统的信道均衡器和均衡算法提出了新的要求。模式复用系统均衡器从传统的单模式输入输出结构，逐渐转变为多输入输出形式。目前已有不少用于模式复用系统的均衡算法，但这些算法基本停留在理论仿真阶段，缺乏应用上的实践检验。
　　本文对少模光纤模式复用系统进行了详细研究，通过传输耦合矩阵建立了模式复用系统模型，进行了双模光纤传输系统的仿真实验。研究了自适应均衡算法，对模式复用系统的时域均衡算法和频域均衡算法进行了计算复杂度分析，证明了远距离传输系统中频域均衡算法的优越性。将频域LMS算法扩展到MIMO结构的均衡系统中，实现了用于少模光纤模式复用系统的频域LMS均衡算法。针对固定步长LMS算法的固有缺陷，对目前已有的几种变步长方法进行了分析比较，提出适用于少模光纤模式复用系统的变步长函数。
　　采用提出的基于变步长频域LMS算法的多输入多输出均衡器对2×2模分复用系统解复用。利用频域LMS自适应算法修正均衡器权系数，并通过变步长函数调整步长因子，从而兼顾算法收敛速度和收敛性能。在112Gbit/s的1000km少模光纤高速通信仿真系统中，保证相同收敛速度情况下，提高信号Q2因子3.7dB。研究结果表明，该算法能够实现模分复用系统的信号解复用，达到快速收敛、低稳态失调的目的。
　　在Altera公司的StratixⅣ器件上进行了256阶频域LMS均衡器的硬件实现，通过Verilog代码，编写了各个模块。整个系统在Modelsim和Matlab上通过联合仿真，验证了设计系统的正确性。并在250MHz的时钟频率下，在开发板上进行了板级验证，系统运行结果与Modelsim仿真结果一致，说明该方法在电路设计中切实可行，具有实际应用价值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 少模光纤通信系统的背景和意义

1．2 模式复用系统均衡技术

1．3 MIMO均衡技术研究现状

1．4 论文的主要工作及结构

第二章 光纤通信系统的信道均衡技术

2．1 电域均衡技术

2．2 信道均衡原理

2．3 均衡器分类

2．3．1 均衡器结构

2．3．2 时域均衡和频域均衡

2．3．3 固定式均衡和自适应均衡

2．4 自适应均衡器

2．4．1 自适应均衡器的意义

2．4．2 衡量自适应均衡算法的准则

2．4．3 LMS算法

2．4．4 RLS算法

2．5 本章小结

第三章 少模光纤传输系统建模

3．1 少模光纤中的模式

3．2 少模光纤建模方法

3．2．1 耦合模理论建模

3．2．2 非线性薛定谔方程建模

3．2．3 传输矩阵模型建模

3．3 少模光纤传输矩阵建模

3．4 少模光纤传输系统设计

3．4．1 系统整体设计

3．4．2 建模流程

3．5 仿真实验结果

3．6 本章小结

第四章 少模光纤通信频域均衡算法

4．1 色散均衡

4．2 频域LMS算法

4．3 少模光纤通信系统中的频域LMS算法

4．4 变步长算法

4．4．1 变步长算法的意义

4．4．2 常用变步长函数

4．4．3 频域变步长LMS算法

4．5 仿真实验结果及分析

4．6 本章小结

第五章 频域LMS均衡器FPGA设计与实现

5．1 频域LMS均衡系统设计

5．2 频域LMS均衡模块实现

5．3 实验测试与验证

5．3．1 Modelsim仿真

5．3．2 Modelsim与Matlab联合仿真

5．3．3 Signal tap Ⅱ板级测试

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢