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1、河北工业大学 硕士学位论文 用于光纤信道补偿的PSO算法的实现技术研究 姓名：王静宜 申请学位级别：硕士 专业：通信与信息系统 指导教师：高振斌 20100301 河北工业大学硕士学位论文 i 用于光纤信道补偿的 PSO 算法的实现技术研究 用于光纤信道补偿的 PSO 算法的实现技术研究 摘摘 要要 随着光纤传输速率和传输距离的不断提高，由偏振膜色散（PMD）等引起的码间干扰 （ISI）成为限制光纤通信技术发展的重要因素之一。因此，如何有效地减少 PMD 等效应 的影响成为现代光纤通信系统的研究热点。与光域补偿技术相比，电域色散补偿技术具有 结构简单、成本低廉和良好的自适应性等优点，并且能够补
2、偿其它效应引起的码间干扰， 具有广阔的应用前景。 文章介绍了电均衡技术和粒子群优化（PSO）算法的基本理论，并且在此基础上，重 点研究了将 PSO 算法作为均衡算法应用于判决反馈均衡器结构， 从而达到理想的信道补偿 效果。此外，将本设计进行硬件化实现，同样具有重要的意义。本文主要工作如下： （1）介绍了偏振膜色散补偿和均衡技术的基本理论，在此基础上分析了几种常用的 均衡结构和均衡算法，并对 FPGA 的设计方法和流程进行了简要的描述。 （2）深入研究了 PSO 算法的基本理论。将 PSO 算法、最小均方（LMS）算法和递归 最小二乘（RLS）算法应用于系统辨识模型进行仿真比较，结果表明 PSO
3、 算法具有较快的 收敛速度和较高的精度。 （3）设计将 PSO 算法作为均衡算法，并依据此自适应均衡器的要求和 FPGA 的硬件 实现特点进行模块划分与电路结构设计，其中将 PSO 算法模块按功能划分为计算适应度 值、ram 存储、更新和比较 4 个部分。本文选用 Active-HDL 6.1 软件作为仿真平台，VHDL 语言编写源代码进行描述，并对各个模块的功能仿真结果进行分析。 （4）在 Quartus II 8.1 环境下进行综合、布局布线、时序分析等步骤，并选用 Altera 公司 Cyclone 系列的 EP1C12F256C8 芯片实现。 测试结果表明本设计实现了基于 PSO 算法
4、 的自适应均衡器，且在资源占用和速度方面达到了较好的平衡，达到了预期的设计目的。 关键词：关键词：粒子群优化算法，电域色散补偿，偏振膜色散，现场可编程门阵列 用于光纤信道补偿的 PSO 算法的实现技术研究 ii RESEARCH ON REALIZATION TECHNOLOGY OF PSO ALGORITHMS BASED ON OPTICAL FIBER CHANNEL COMPENSATION ABSTRACT As the increase of the optical fiber transmission speed and distance, inter-symbol inter
5、ference (ISI) caused by Polarization Mode Dispersion (PMD) is one of the most important factors in restricting on the development of optical fiber communication technology. How to eliminate the effect of PMD effectively becomes a search hotspot in optical fiber communication system. Comparing with o
6、ptical domain compensation methods, Electronic Dispersion Compensation (EDC) has the advantages of simple structure, low cost and good adaptability. It also can reduce the ISI caused by other fiber effects, and has a wide prospect. On the basis of introducing the principle of electronic equalization
7、 technology and Particle Swarm Optimization (PSO) algorithm, this thesis focuses on a Decision Feedback Equalizer (DFE) as the equalization structure and PSO algorithm as the equalization algorithm, and finds an approximate optimal channel compensation effect. It also has a great meaning for hardwar
8、e implementation. The main accomplished tasks of this thesis including the following parts: (1) Describe the basic principle of PMD compensation and equalization technology, on this foundation, and introduce several of equalization structures and equalization algorithms. It also discusses FPGA desig
9、n methods and flowchart briefly. (2) The basic theory of PSO algorithm is studied deeply. Comparing with least-mean-square (LMS) algorithm and recursive least-square algorithm (RLS) using a simulation of system identification model，the result shows that PSO algorithm has a fast convergence speed and
10、 a high precision. (3) According to the request of adaptive equalizer based on PSO algorithm and characteristic of FPGA, the module was divided and the circuit structure was designed, the PSO algorithm part includes four function blocks: calculating fitness, ram storing, updating and comparing. Usin
11、g hardware description language -VHDL to program for function implementation based on Active-HDL 6.1 simulation platform, function simulation results of every module are analyzed. 河北工业大学硕士学位论文 iii (4) The procedures of synthesis、place and route、timing simulation, etc. are worked under Quartus II 8.1
12、 environment. The design is implemented in the Cyclone serial EP1C12F256C8 chips of Altera. The test result shows that the design has realized basic functions of adaptive equalizer based on PSO algorithm. The design achieved well balance between utilization of resources and speed of state. The expec
13、tant design aim is fulfilled. KEY WORDS:KEY WORDS: particle swarm optimization (PSO), electrical dispersion compensation, polarization mode dispersion (PMD), field programmable gate array (FPGA) 河北工业大学硕士学位论文 1 第一章第一章 绪论绪论 1-1 研究背景及意义研究背景及意义 光纤通信技术具有通信容量大、传输距离远、信号串扰小、抗电磁干扰等优点，近些年得到了迅速 的发展和广泛的应用，是世界新技
14、术革命的重要标志和未来信息社会中各种信息的主要传送工具。 由于因特网业务的迅速发展和音频、视频、数据、多媒体应用的不断增长，10Gbit/s 的光网络传输 速率已经渐渐无法满足大容量高速率网络的传输需求，40Gbit/s 系统技术也已经成熟并趋于应用。超长 距离光纤传输以及全球信息业务量的迅猛增长使光纤传输速率不断提升，导致偏振模色散（PMD， Polarization Mode Dispersion）成为限制高速光纤通信系统发展的重要因素1。PMD 可以在数字通信系 统中引起信号的失真变形，增加误码率、限制传输带宽。尤其是在过去铺设光纤时没有考虑到目前速率 对 PMD 的要求，因此可能会存在
15、光纤的 PMD 值较高，以至于不适合升级到高速率的现代光纤网络。 因此，如何有效减小或克服光纤中的色散与非线性等效应引起的码间干扰（ISI）受到广泛的重视。有 效地、 充分地利用在全球已铺设好的上亿公里光缆和纵深发展全球的光纤接入网建设迫切要求我们进行 色散补偿2。 电域补偿（又称为电均衡技术）由于其技术成熟、成本低、灵活方便等优点，较光域补偿得到了更 为广泛的应用。粒子群优化（Particle Swarm Optimization，PSO）算法具有原理简单、参数少、易于实 现、 收敛速度快等特点， 对不同类型的问题具有较广泛的适应性， 并有效地应用于众多领域3,4。 将 PSO 算法作为均衡
16、算法，应用到电均衡技术中，能够充分利用它的精度高、收敛快的优势迅速地对时变信道 进行补偿。相比较传统的自适应均衡算法，PSO 算法在某些方面具有一定的优越性，是一次有益的尝 试5,6。 人们对 PSO 算法程序的研究主要集中在用软件实现算法上，更多的是对 PSO 算法提出的相关改进 7,8,9。但当面临大规模复杂问题时，基于软件的 PSO 算法往往在速度上受到计算机系统的制约。因此， 为了提高处理速度和更加方便地应用这种技术，选用了一种提高系统运行速度的硬件化模块FPGA 芯片。针对此问题，本文提出一种在 FPGA 上实现基于 PSO 算法的光纤信道电均衡器的硬件化方案， 为光纤信道补偿技术高速化、硬件化提供了新的思路和解决方法。 1-2 光纤通信信道补偿技术的研究概况光纤通信信道补偿技术的研究概况 就
