高速光纖OFDM通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研究

顧志華

【摘要】 本文以高速光纖通信系統(tǒng)的OFDM通信系統(tǒng)（光正交頻分復(fù)用通信系統(tǒng)）為研究對(duì)象，通過(guò)總結(jié)OEDM系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，并對(duì)該通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案、仿真模型和設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)的分析，力圖探索出相對(duì)完善的高速光正交頻分復(fù)用通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，推動(dòng)我高速通信系統(tǒng)的研究和發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】 光纖通信 通信系統(tǒng) 光正交頻分復(fù)用

一、光正交頻分復(fù)用通信系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

（1）光復(fù)用技術(shù)的運(yùn)用。普通光纖通信系統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)很難滿(mǎn)足，光復(fù)用技術(shù)在建設(shè)高速光纖通信系統(tǒng)中研究發(fā)展起來(lái)，例如WDM技術(shù)、OFDM技術(shù)和OTDM技術(shù)等，其中OFDM調(diào)制技術(shù)因?yàn)槠湓陬l譜效率、運(yùn)算效率、設(shè)計(jì)的靈活程度上以及信道和相位估計(jì)的容易度上特有的優(yōu)勢(shì)，而迅速被科研人員開(kāi)發(fā)出來(lái)。

（2）OFDM技術(shù)的潛力巨大。光正交頻分復(fù)用光纖通信系統(tǒng)采用了高效的FFT（傅里葉變化）算法、利用子載波和子帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制、利用訓(xùn)練子載波或訓(xùn)練符號(hào)來(lái)進(jìn)行相位和信道估計(jì)，因此技術(shù)有系列的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，目前OFDM技術(shù)雖然是熱點(diǎn)領(lǐng)域但是還沒(méi)有完全體現(xiàn)出其巨大優(yōu)勢(shì)，需要科研人員進(jìn)一步研發(fā)努力。

二、OFDM光纖通信系統(tǒng)基本原理

（1）光纖通信系統(tǒng)基本原理。光纖通信系統(tǒng)一般指的是以光纖為傳播途徑，光信號(hào)作為數(shù)據(jù)載體的信息通信系統(tǒng)。與一般的通信系統(tǒng)一樣主要由信號(hào)發(fā)射端、數(shù)據(jù)傳輸信道以及信號(hào)接收端三部分組成。光纖通信系統(tǒng)一般有傳輸數(shù)據(jù)量大、傳輸距離遠(yuǎn)、信號(hào)損耗小且才建設(shè)成本相對(duì)低等優(yōu)點(diǎn)。但也有拉抗強(qiáng)度低、光纖連接技術(shù)和設(shè)備要求高、怕水并且分路和耦合不太方便等缺點(diǎn)。但是仍然比以前的電信號(hào)通信系統(tǒng)亞有質(zhì)的優(yōu)勢(shì)。一般的判斷光纖通信系統(tǒng)性能主要有三個(gè)指標(biāo)“誤碼性能、抖動(dòng)性能和漂移性能，只有平衡考慮三大主要指標(biāo)才能設(shè)計(jì)出性能完備的光纖通信系統(tǒng)。

（2）OFDM通信系統(tǒng)原理。基本原理和通信系統(tǒng)原理基本相同，但是OFDM系統(tǒng)提升了數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。OFDM技術(shù)在這一過(guò)程中利用了數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，通過(guò)將需要發(fā)送的單信道高速信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成多徑傳輸?shù)牡退傩盘?hào)，并調(diào)制為一組正交子載波，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，該調(diào)制技術(shù)可以有效降低無(wú)線(xiàn)信道數(shù)據(jù)傳輸?shù)膿p耗，且提高了全網(wǎng)通信系統(tǒng)的頻譜利用率。例如，數(shù)據(jù)信號(hào)d經(jīng)過(guò)串行并換以后化為不同的d1到dn多徑傳輸?shù)退傩盘?hào)流，隨后低速信號(hào)流經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)處理的子載波信道進(jìn)行傳輸，信號(hào)再次逆多徑并串轉(zhuǎn)換重新恢復(fù)為D數(shù)據(jù)信號(hào)流。信號(hào)數(shù)據(jù)在處理過(guò)程中會(huì)用到類(lèi)似數(shù)字信號(hào)的IDFT變換的FFT變換（快速離散傅里葉變換）。S（t）=dn·exp（j·2π·fn·t）， S（t）為模擬信號(hào)，N為抽樣的分路信號(hào)，t為時(shí)間間隔。

在經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)數(shù)據(jù)D只與原來(lái)的d信號(hào)數(shù)據(jù)相差一個(gè)常數(shù)因子倍數(shù)，因此在OFDM系統(tǒng)可以向?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行編碼，利用數(shù)字調(diào)制將數(shù)據(jù)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換為多徑信號(hào)，經(jīng)過(guò)IFFT轉(zhuǎn)換后加CP完成數(shù)模轉(zhuǎn)換，信號(hào)在模數(shù)轉(zhuǎn)換后去CP和FFT轉(zhuǎn)換，通過(guò)逆多徑信號(hào)傳輸，經(jīng)過(guò)數(shù)字解調(diào)完成解碼，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

（3）制約OFDM光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展因素。第一，電信號(hào)處理器元件的制約，在電信號(hào)處理上因?yàn)殡娮舆w移有遷移速率限制，因此電信號(hào)處理元器件理論上達(dá)不到光信號(hào)傳輸要求的處理速率。因此涉及到數(shù)模轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)時(shí)，電信號(hào)處理的限制會(huì)制約OFDM系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。第二，數(shù)字信號(hào)處理的制約。在IFFT—FFT并串相互轉(zhuǎn)換運(yùn)算相對(duì)復(fù)雜，要求有相應(yīng)的FPGA硬件資源的配置，尤其是D/A轉(zhuǎn)換器和接口處理器的配置要求較高。如果要達(dá)到數(shù)字信號(hào)的高速處理需求，必須采用流水線(xiàn)的并行處理方案，因此整個(gè)轉(zhuǎn)換運(yùn)算必須集中在同一塊FPGA芯片上，然而目前的FPGA配置智能實(shí)現(xiàn)256點(diǎn)以?xún)?nèi)的IFFT運(yùn)算。除此之外，F(xiàn)PGA的運(yùn)算接口也有限制因素，例如完成每秒傳輸10G比特的運(yùn)算，利用64子載波數(shù)據(jù)傳輸和16-QAM數(shù)據(jù)調(diào)制，需要64點(diǎn)的IFFT到FFT的運(yùn)算，如果進(jìn)一步將64路信號(hào)重復(fù)上述IFFT運(yùn)算則會(huì)成倍擴(kuò)大運(yùn)算負(fù)擔(dān)，因此要想實(shí)現(xiàn)更高速的傳輸速率，F(xiàn)PGA信號(hào)輸出輸入環(huán)節(jié)需要打破存在的運(yùn)算限制。

三、結(jié)語(yǔ)

高速光纖OFDM通信系統(tǒng)因其頻譜效率、運(yùn)算效率、設(shè)計(jì)的靈活程度上以及信道和相位估計(jì)的容易度的優(yōu)勢(shì)而成為了未來(lái)的系統(tǒng)的希望，也面臨著更高的信號(hào)處理器元件和更完善的硬件資源的配置的限制，筆者希望OFDM引領(lǐng)的光纖通信系統(tǒng)在科研人員的努力之中最終建構(gòu)起來(lái)。