基于FPGA的光OFDM 信號(hào)處理方案

雷 冬 鳴，紀(jì) 靜，鄒 念 育，李 萍

（1.大連工業(yè)大學(xué) 光子學(xué)研究所，遼寧 大連 116034；2.遼寧廣播電視臺(tái)大連分臺(tái)，遼寧 大連 116011）

0 引 言

通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的支柱產(chǎn)業(yè)，為全球的信息產(chǎn)業(yè)帶來快速的變化。在過去的幾年里，帶寬緊缺導(dǎo)致了對(duì)更高帶寬的需求和更可靠的數(shù)據(jù)和聲音服務(wù)，這就要求下一代網(wǎng)絡(luò)具有更高性能，更低的成本，更可靠的性能來滿足未來的帶寬和更好的靈活性。光正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）正可以滿足這種需要。這種調(diào)制形式被廣泛應(yīng)用在無線通信領(lǐng)域，而其最近則在光纖通信方面，無論是應(yīng)用還是學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域都引起廣泛的興趣。OFDM 將頻道的帶寬分為各個(gè)互不干擾（正交）的子頻道，它集中在主頻道上進(jìn)行處理，所以不容易造成光纖失真。另外，由于其可應(yīng)用例如QAM 這樣高級(jí)的調(diào)制技術(shù)，因此具有較強(qiáng)的恢復(fù)力。OFDM 可達(dá)到高頻譜利用率，而且這種可以將多OFDM 頻帶聚集在一個(gè)光纖信道中傳輸?shù)亩囝l帶技術(shù)可以提供出色的轉(zhuǎn)換間隔和更好的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)適應(yīng)靈活性，可以解放信號(hào)轉(zhuǎn)換的帶寬，滿足速度的需求。

近年來，千兆每秒的DACs和ADCs已經(jīng)商業(yè)化，使得光OFDM 的實(shí)現(xiàn)成為可能。高速的數(shù)字信號(hào)處理的低成本的實(shí)現(xiàn)可以靠應(yīng)用可編程邏輯門陣列器件（Field－Programmable Gate Arrays，F(xiàn)PGAs）［1］。高速信號(hào)轉(zhuǎn)換器和FPGA使得實(shí)時(shí)的光OFDM 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成為可能［2］。由此提出了基于FPGA 對(duì)光OFDM 發(fā)送端的信號(hào)處理的整體設(shè)計(jì)，分別從理論和實(shí)驗(yàn)上分析M序列，QAM，IFFT 對(duì)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)的可行性，并提出一種實(shí)現(xiàn)方案。

1 設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)

光OFDM 信號(hào)的發(fā)送端整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 光OFDM 信號(hào)發(fā)射系統(tǒng)Fig.1 Optical OFDM signal sending system

發(fā)射機(jī)包括DSP模塊，模擬部分和一個(gè)光學(xué)前端設(shè)計(jì)的部分。數(shù)字信號(hào)由FPGA 產(chǎn)生，在此設(shè)計(jì)中使用Xilinx Virtex－5（XC5VLX50T），產(chǎn)生的M 序列接入到數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊FPGA 與數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）上的接口可使用FPGA 上的吉比特收發(fā)器（MGTs），速度最高可達(dá)10.3Gb／s。模擬部分包括一個(gè)放大器，一個(gè)低通濾波器。經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換后，加上偏置電流將信號(hào)放大加載到馬赫曾德爾調(diào)制器（Mach－Zehnder Modulator，MZM）上。放大器輸出的偏置電流增值使得加載到MZM 上的信號(hào)傳輸性能達(dá)到最佳效果。為了產(chǎn)生單邊帶的光信號(hào)，在MZM 之后還需要一個(gè)光學(xué)濾波器，再傳送到光纖上進(jìn)行傳輸。在接收端，可通過PD 把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，既可以用直接接收（DD）方式又可以用相干接收（CO）方式，然后使用FPGA 對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理。

發(fā)送端信號(hào)處理過程如圖2所示。

圖2 發(fā)送端OFDM 信號(hào)處理Fig.2 OFDM signal processing

輸入的偽隨機(jī)序列M 序列作為調(diào)制信號(hào)，其經(jīng)過16QAM 產(chǎn)生兩路正交的信號(hào)，然后將其輸入IFFT 模塊從而將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)進(jìn)行傳輸，從而完成了OFDM 信號(hào)的調(diào)制。

2 模塊設(shè)計(jì)

2.1 M 序列發(fā)生器

M 序列是最長(zhǎng)線性移位寄存器序列的簡(jiǎn)稱，是一種偽隨機(jī)序列、偽噪聲碼。它是由反饋移位寄存器產(chǎn)生的周期最長(zhǎng)的一種序列。n級(jí)移位寄存器產(chǎn)生的M 序列可產(chǎn)生的最長(zhǎng)周期為2n－1。M 序列發(fā)生器的結(jié)構(gòu)主要分為兩類，一類為簡(jiǎn)單型碼序列發(fā)生器（SSRG，Simple Shift Register Generator），另一類為模型塊型M 序列發(fā)生器（MSRG，Modular Shift Register Generator）［3］。設(shè)計(jì)給出的是SSRG 型M 序列發(fā)生器。

移位寄存器由若干個(gè)串接的存儲(chǔ)器所組成，并由時(shí)鐘控制，當(dāng)有時(shí)鐘脈沖觸發(fā)時(shí)，寄存器的存儲(chǔ)信號(hào)由上一級(jí)向下一級(jí)進(jìn)行傳遞，其結(jié)果作為第一級(jí)寄存器的輸入，這樣就得到了一個(gè)移位寄存器序列［4］。n階線性移位寄存器的特征方程（或特征多項(xiàng)式）為

共有n個(gè)寄存器，它們的狀態(tài)為Xi（i＝1，2，…，n），（C0，C1，…，Cn）為反饋系數(shù)，也是特征多項(xiàng)式系數(shù)。這些系數(shù)取值為“1”或“0”。當(dāng)Ci為“1”時(shí)表示狀態(tài)與加法器相連，反饋支路相連，“0”表示該支路斷開。所以，反饋支路的連接方式不同可改變移位寄存器的輸出序列。

圖3 線性移位寄存器Fig.3 Linear shift register

以4階的M 序列為例。發(fā)生器如圖2所示。設(shè)初始狀態(tài)為（0，0，0，1），在時(shí)鐘作用下，發(fā)生移位。每進(jìn)行一次移位，由X3和X4模2相加產(chǎn)生的X0作為新的輸入，從而產(chǎn)生新的狀態(tài)。移位15次之后又回到初始狀態(tài)（0，0，0，1）。

產(chǎn)生的M 序列的狀態(tài)表如表1所示。周期P＝24－1，響應(yīng)輸出序列為100010011010111。

經(jīng)過ISE 軟件編譯后得出的仿真波形圖如圖4所示，與設(shè)計(jì)預(yù)期相符。

表1 M 序列產(chǎn)生狀態(tài)表Tab.1 M sequence status table

圖4 4階M 序列的仿真波形圖Fig.4 Waveform of M sequence simulation

2.2 QAM 模塊

正交幅度調(diào)制（QAM）是由兩個(gè)正交載波在多電平振幅鍵控信號(hào)進(jìn)行疊加而成的，在帶寬和功率占用方面都有優(yōu)勢(shì)，即在同步信號(hào)速率下能夠提供更高的比特傳輸速率，比特信噪比低，并不影響傳輸?shù)目煽啃阅?，它只是傳輸系統(tǒng)的一種基本調(diào)制方式［5］。它抑制光纖非線性和光信噪比的特性，將它用于100Gb／s光纖傳輸系統(tǒng)中可以實(shí)現(xiàn)高速傳輸并可高頻譜效率。

2.2.1 MQAM 原理

信號(hào)的一個(gè)碼元可以表示為

式中：k為整數(shù)，Ak和θk分別為幅度和相位。

式（2）可展開為

Xk、Yk是兩個(gè)振幅相控的信號(hào)。

式（3）可變?yōu)?/p>

sk（t）就可看成是兩個(gè)正交的振幅相控的信號(hào)之和，可通過控制幅度和相位從而產(chǎn)生不同振幅相位的矢量信號(hào)。這種信號(hào)調(diào)制方式總稱為MQAM。QPSK 是最簡(jiǎn)單的MQAM 信號(hào)的一種。由于其矢量圖看像是星座，故又稱星座（Constellation）調(diào)制。

16進(jìn)制的信號(hào)是最有代表性的QAM 信號(hào)，WiMAX 系統(tǒng)就采用了16QAM 調(diào)制技術(shù)。

如圖5所示，輸入的二進(jìn)制需要先經(jīng)過串／并轉(zhuǎn)換，將每一路的每2bit轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字，輸入成型濾波器得到正交的兩路I、Q 信號(hào)的幅度，然后對(duì)兩路正交信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)制。最后將兩路信號(hào)疊加便成了矩形的16QAM。圖6 所示為Modelsim 的16QAM 仿真輸出圖。實(shí)部、虛部分別采用±20和±61來表示其坐標(biāo)。

圖5 產(chǎn)生矩形16QAM 信號(hào)的原理框圖Fig.5 16QAM signal producing diagram

2.3 IFFT設(shè)計(jì)和邏輯

IFFT 核的硬件實(shí)現(xiàn)是OFDM 發(fā)射機(jī)的核心部分，為了使系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，IFFT 核必須能夠在每一周期都有持續(xù)的高速輸出。這項(xiàng)挑戰(zhàn)使得IFFT 邏輯算法的典型硬件實(shí)現(xiàn)引起了廣泛的興趣。使用Xilinx Virtex－5FPGA，使得設(shè)計(jì)可以簡(jiǎn)便實(shí)現(xiàn)。

圖6 16QAM 仿真波形圖Fig.6 Waveform of 16QAM simulation

2.3.1 IDFT 算法

n點(diǎn)IDFT（Inverse Discrete Fourier Transform，IDFT）可定義為矩陣向量。

式中：x和y分別是長(zhǎng)度為n復(fù)數(shù)的輸入和輸出向量。

其中

2.3.2 IFFT 實(shí)現(xiàn)

逆快速傅里葉變換（IFFT）是逆離散傅里葉變換的一種快速算法。

FFT 算法的核心思想就是將n點(diǎn)的序列逐次分解為（N－1）／2，直至2 點(diǎn)的DFT。FFT／IFFT核提供了4種結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)實(shí)部、虛部信號(hào)的FFT／IFFT 運(yùn)算。為達(dá)到更高的速度采用流水線型Streaming I／O 結(jié)構(gòu)，它允許連續(xù)的數(shù)據(jù)處理，如圖7所示。

圖7 FFT／IFFT 算法的流水線型圖Fig.7 Pipelined figure of FFT／IFFT algorithm

流水線型方式應(yīng)用流水線型的幾個(gè)基－2 蝶形處理模塊提供連續(xù)的數(shù)據(jù)處理。每個(gè)處理模塊有它自己的存儲(chǔ)器存儲(chǔ)輸入和中間數(shù)據(jù)。這個(gè)模塊可以在當(dāng)前的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)下同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換計(jì)算，為下一數(shù)據(jù)模塊載入輸入數(shù)據(jù)，卸載遷移數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的結(jié)果。用戶可以持續(xù)地進(jìn)行數(shù)據(jù)流處理，在運(yùn)算周期結(jié)束后，可持續(xù)地卸載結(jié)果。

每一種結(jié)構(gòu)都是提供一種輸出數(shù)據(jù)與原數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)順序。IFFT 的運(yùn)算是在處理過程中將數(shù)據(jù)進(jìn)行重排，例如輸入數(shù)據(jù)按原順序而輸出則按照反轉(zhuǎn)的順序。由于卸載數(shù)據(jù)的過程不能在為下一組加載輸入數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)生，這樣就會(huì)對(duì)Burst I／O 結(jié)構(gòu)強(qiáng)加一個(gè)時(shí)延，所以就需要分別進(jìn)行加載和卸載數(shù)據(jù)的過程。在流水線結(jié)構(gòu)中就需要額外的RAM 來實(shí)現(xiàn)重排。

圖8為IFFT 的Modelsim 仿真結(jié)果圖，為流水線型的1 024點(diǎn)的IFFT 核的輸出結(jié)果。

圖8 IFFT 仿真波形圖Fig.8 Waveform of IFFT simulation

3 結(jié) 論

經(jīng)過調(diào)制的信號(hào)結(jié)果如圖9所示。將M 序列發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)，通過16QAM 的調(diào)制方式產(chǎn)生實(shí)部、虛部?jī)陕沸盘?hào)，提高了信號(hào)的比特傳輸速率，降低信噪比，提高傳輸?shù)目煽啃?，然后將?shí)部和虛部輸入設(shè)計(jì)的IFFT核，將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻域信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。

圖9 OFDM 信號(hào)調(diào)制結(jié)果Fig.9 Waveform of OFDM signal modulate

所有控制邏輯全部采用硬件電路實(shí)現(xiàn)，邏輯資源密度高，集成在一片F(xiàn)PGA 中，減少了外部電路的復(fù)雜度，大大提高了電路的工作速度。調(diào)制信號(hào)硬件測(cè)試結(jié)果良好，具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，適用于高速的光纖傳輸系統(tǒng)中。

［1］BENLACHTAR Y，WATTS P M，BOUZIANE R，et al.Generation of optical OFDM signals using 21.4 GS／s realtime digital signal processing［J］.Optics Express，2009，17（20）：17658－17668，

［2］陳杰，肖江南.基于FPGA 的高速O－OFDM 實(shí)時(shí)系統(tǒng)發(fā)送端信號(hào)處理［J］.光通信技術(shù)，2012（8）：47－49.

［3］樊昌信，曹麗娜.通信原理［M］.6版.北京：國防工業(yè)出版社，2006：379.

［4］范秋華，季鴻雁.基于VHDL 的m 序列［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2003（7）：32－33.

［5］希瑞克斯（北京）通信設(shè)備有限公司.無線通信的MATLAB和FPGA 實(shí)現(xiàn)［M］.北京：人民郵電出版社，2009：162－168.