淺談基于FPGA的高速實(shí)時(shí)光OFDM發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李騰楠 虞禮輝 岳曉惠 杜軼群 吳維林

摘 要 正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)，具有高靈活的調(diào)制格式、高頻譜利用率和更好的抗多徑干擾能力，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在無線通信領(lǐng)域。但是，隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)通信帶寬的需求不斷增加，而現(xiàn)有的技術(shù)難以解決光纖通信高速率、大容量和長距離的發(fā)展方向。因此，在這篇論文中將OFDM技術(shù)應(yīng)用在接入網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)單模光纖以3.5Gb/s速率實(shí)時(shí)傳輸光OFDM信號(hào)。

關(guān)鍵詞 OFDM;接入網(wǎng);單模光纖

引言

在無線通信中已廣泛應(yīng)用的正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)，由于其頻譜利用率高、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在光通信中也成為研究熱點(diǎn)。目前，對(duì)于實(shí)時(shí)光OFDM的研究已經(jīng)有很多文章，但是都是基于IQ兩路的方法和離線分析的方法。因此，本文提出了一種更加先進(jìn)的基于FPGA的高速實(shí)時(shí)光OFMD發(fā)射機(jī)系統(tǒng)，它有以下幾方面的優(yōu)勢(shì)：1）利用埃爾米特矩陣（Hermitian Matrix）技術(shù)，使IFFT輸出的時(shí)域信號(hào)為實(shí)數(shù)序列，從而取代I/Q調(diào)制，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的復(fù)雜性，降低了成本;2）采用FPGA實(shí)驗(yàn)板實(shí)現(xiàn)了高速OFDM信號(hào)的產(chǎn)生，并在標(biāo)準(zhǔn)單模光纖以3.5Gb/s速率實(shí)時(shí)傳輸光OFDM信號(hào)。

1OFDM發(fā)射機(jī)FPGA實(shí)現(xiàn)

1.1 OFDM發(fā)射機(jī)系統(tǒng)

基于FPGA的OFDM發(fā)射機(jī)系統(tǒng)，主要包括16QAM調(diào)制、64點(diǎn)IFFT、組幀等模塊。

發(fā)射機(jī)的通訊數(shù)據(jù)使用標(biāo)準(zhǔn)以太幀封裝，首先經(jīng)過“幀頭提取”將其分組成OFDM幀所需的長度。由于OFDM幀必須連續(xù)發(fā)送，即發(fā)送速率恒定，所以通訊數(shù)據(jù)要通過“流控”進(jìn)行速率匹配，速率匹配通過數(shù)據(jù)緩存和插0來實(shí)現(xiàn)。“數(shù)據(jù)分組”將數(shù)據(jù)按照符號(hào)映射時(shí)各子載波預(yù)設(shè)的調(diào)制方式進(jìn)行分組?！癕AP”、“共軛”、“插入導(dǎo)頻”三個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)了IFFT各子載波的調(diào)制?！把h(huán)前綴”和“組幀模塊”將數(shù)據(jù)封裝成OFDM幀，加入訓(xùn)練序列[1]。

2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

高速光OFDM發(fā)射機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，主要作用是使用FPGA板子將數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成OFDM符號(hào)，通過DAC轉(zhuǎn)換成基帶模擬信號(hào)，然后，使用電吸收調(diào)制器把電OFDM信號(hào)調(diào)制到1550nm的DFB產(chǎn)生的光波上，形成了光OFDM信號(hào)。最后，光OFDM信號(hào)通過25Km的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（SMF）傳輸?shù)浇邮諜C(jī)[2]。

在接收機(jī)中，使用10GHz帶寬的光電二極管（PIN），把光OFDM信號(hào)轉(zhuǎn)換為電OFDM信號(hào)并通過放大器進(jìn)行放大。電OFDM信號(hào)經(jīng)過低通濾波器后，由電衰減器調(diào)整信號(hào)值到ADC允許的最大電壓范圍值，經(jīng)過示波器進(jìn)行采樣，最后由Matlab進(jìn)行離線數(shù)字信號(hào)處理。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖1是Mentor Graphics公司的Modelsim SE6.5f仿真軟件實(shí)現(xiàn)的OFDM信號(hào)。圖中有時(shí)鐘信號(hào)，復(fù)位信號(hào)，幀信號(hào)，及數(shù)據(jù)輸出。該系統(tǒng)中，發(fā)送端原始數(shù)據(jù)由并行PRBS發(fā)生器產(chǎn)生，經(jīng)OFDM調(diào)制后輸出;接收端中，解調(diào)出發(fā)送數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)送入誤碼率測(cè)試模塊[3]。

4結(jié)束語

本文主要使用FPGA實(shí)現(xiàn)OFMD發(fā)射機(jī)，產(chǎn)生OFDM信號(hào)調(diào)到光波上，實(shí)現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)單模光纖上傳輸64QAM編碼3.5Gbit/s的速率光OFDM信號(hào)。通過實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的光OFDM發(fā)射機(jī)的具有實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，在未來具有很大的發(fā)展?jié)摿?。另外，為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的頻譜效率，可以利用4組空閑子載波，循環(huán)前綴和訓(xùn)練序列在光纖信道中也有較大壓縮空間。如果能通過帶外信令或上層協(xié)議更好地控制收、發(fā)機(jī)頻偏的話，調(diào)制格式也能進(jìn)一步提高至128QAM。

參考文獻(xiàn)

[1] 林如儉，宋英雄，張林. 論OFDM-PON和WDM-PON[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2011，（7）：1-10.

[2] 鄭曦，侯春寧，劉霄，等.一種副載波單邊帶分插復(fù)用的OFDM-PON 模型[J].光通信研究，2010，36（5）：7-9.

[3] 關(guān)昕.下一代網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)及OFDM-PON上行速率提升方法[J].光通信技術(shù)，2012，36（11）：1-4.