Turbo-64QAM-OFDM光傳輸系統(tǒng)

劉 皎，孫 瑞，張 娜

（商洛學(xué)院商洛市人工智能研究中心，陜西商洛 726000）

1948年Shannon在發(fā)表的有關(guān)通信數(shù)學(xué)理論中最早提出信道容量的概念［1］。1993年，發(fā)明了近似Shannon信道容量極限的糾錯(cuò)編碼和解碼技術(shù)［2］，使得編碼理論得到重視并取得長足的發(fā)展。Turbo碼和LDPC碼的發(fā)展使得在高速傳輸情況下近似Shannon極限傳輸成為可能［3-4］。交織技術(shù)的提出，并采用網(wǎng)格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，使得在無線通信領(lǐng)域中Turbo碼性能又得到進(jìn)一步發(fā)展。直到2000年OFC會(huì)議上，Omar AIT SAB等人才第一次提出把Turbo碼用于光通信系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)較低的譯碼復(fù)雜度和較好的糾錯(cuò)性能［5-6］。Turbo編碼能夠有效地彌補(bǔ)光纖色散、長距離傳輸引起的信號(hào)衰減，提高可靠性，延長傳輸距離，同時(shí)降低了譯碼復(fù)雜度和高速光通信系統(tǒng)中硬件實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度［7］。本文重點(diǎn)將Turbo編碼技術(shù)與光通信中的OFDM技術(shù)［8-9］相結(jié)合，設(shè)計(jì)出一種高速率、高編碼增益、低誤碼率的編碼調(diào)制光傳輸方案。

1 基于Turbo碼的OFDM光傳輸系統(tǒng)方案及理論分析

基于Turbo碼的OFDM光傳輸系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)如圖1所示。在系統(tǒng)發(fā)送端，首先輸入比特流經(jīng)過Turbo編碼之后通過64QAM調(diào)制器進(jìn)行星座映射，再使用串并轉(zhuǎn)換器（S/P）轉(zhuǎn)換成便于進(jìn)行OFDM調(diào)制的并行序列。在OFDM調(diào)制過程中，主要采用快速傅里葉逆變換（IFFT）并增加循環(huán)前綴（CP）以減少碼間干擾。從頻域角度看，使用OFDM調(diào)制將使得在各子載波中心頻點(diǎn)處其他子載波頻率分量恰好為零，即滿足各子載波之間的相互正交特性。由于OFDM中每個(gè)子載波信道響應(yīng)都是頻域平坦的，因此可以消除OFDM調(diào)制信號(hào)因信道傳輸所造成的失真。OFDM調(diào)制后的信號(hào)再經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換（D/A）、低通濾波、頻譜搬移之后，將電域OFDM子載波加載到光載波上，并輸出至光纖鏈路進(jìn)行傳輸。在接收端將OFDM信號(hào)進(jìn)行探測后的電信號(hào)依次進(jìn)入低通濾波器（LPF）、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）后，再進(jìn)行去循環(huán)前綴處理、快速傅里葉變換（FFT）、符號(hào)判決、并串變換（P/S）、64QAM解調(diào)、Turbo譯碼后輸出數(shù)據(jù)流。

圖1 基于Turbo碼的OFDM光傳輸系統(tǒng)框圖Fig.1 System of OFDM optical transmission system based on Turbo code

2 Turbo編譯碼

2.1 Turbo編碼

將Turbo編碼與子載波靈活可調(diào)的光OFDM調(diào)制技術(shù)相結(jié)合，使得光纖通信的有效性及可靠性均得到相應(yīng)的提升。在Turbo編碼過程中將特定的冗余位添加到源信息，在其解碼過程中再使用此冗余位進(jìn)行檢錯(cuò)并估計(jì)最可能的發(fā)射位?；诰矸e編碼器和交織器的排列情況可以將Turbo碼設(shè)計(jì)為串行級(jí)聯(lián)卷積碼（SCCC）或者并行級(jí)聯(lián)卷積碼（PCCC）?；赥urbo碼的PCCC編碼器如圖2所示，其編碼過程為：使用一個(gè)N位交織器將二進(jìn)制信息序列uk交織成為一個(gè)重新排列的新信息序列u'k，再將兩個(gè)信息序列uk和u'k分別送入卷積編碼器1和卷積編碼器2中進(jìn)行編碼。Turbo編碼器的輸出碼字最終由三部分組成，分別是輸入信息序列uk、卷積編碼器1產(chǎn)生的校驗(yàn)序列x1p和卷積編碼器2產(chǎn)生的校驗(yàn)序列x2p。在Turbo編碼過程中，交織是其最為關(guān)鍵的一部分，可最大化輸出信號(hào)的隨機(jī)性。卷積編碼以移位寄存器和模2加法器為核心實(shí)現(xiàn)，是一種高效的位映射。

圖2 Turbo編碼器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Turbo encoder structure

2.2 Turbo譯碼

常用的Turbo譯碼結(jié)構(gòu)如圖3所示，由兩個(gè)軟輸入軟輸出（SISO）譯碼器串行級(jí)聯(lián)而成。在其譯碼過程中，其中一個(gè)分量譯碼器的外信息作為另一個(gè)分量譯碼器2的先驗(yàn)信息，同時(shí)為了使該分量譯碼器輸出的外信息與另一個(gè)分量譯碼器接收到的信道軟信息對(duì)應(yīng)，在兩個(gè)分量譯碼器間使用一個(gè)交織器和解交織器將其連成一個(gè)循環(huán)結(jié)構(gòu)。

圖3 Turbo譯碼器結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Turbo decoder structure

當(dāng)譯碼器對(duì)接收到的含噪信號(hào)進(jìn)行譯碼時(shí)，首先需要對(duì)接收到的序列做解復(fù)用處理，得到y(tǒng)sk，y1pk和y2pk，其中，y sk是編碼器輸出的消息序列uk經(jīng)噪聲信道傳輸后得到的序列，y1pk是編碼器輸出的校驗(yàn)序列x1p經(jīng)噪聲信道傳輸后得到的序列，y2pk是編碼器輸出的校驗(yàn)序列x2p經(jīng)過噪聲信道傳輸后的序列。分量譯碼器1的輸入序列是y sk和校驗(yàn)序列y1pk，分量譯碼器2的輸入序列是ysk和經(jīng)過交織得到的校驗(yàn)序列y2pk；L1(uk|r)和L2(uk|r)分別是兩個(gè)分量譯碼器1和2的輸出對(duì)數(shù)似然比值（LLR）。利用這兩個(gè)LLR值，通過公式（1）計(jì)算可得到兩個(gè)外信息，即Le1(uk)和Le2(uk)值，這兩個(gè)譯碼單元之間外部信息的傳輸構(gòu)成了一個(gè)循環(huán)迭代結(jié)構(gòu)。

在信噪比不變情況下，由于外部信息的作用，可以通過增加循環(huán)迭代次數(shù)而達(dá)到降低誤碼率的目的。但是，循環(huán)迭代次數(shù)增加的同時(shí)會(huì)使得外部信息與內(nèi)部信息的相關(guān)性逐漸增加，此時(shí)外部信息所能夠提供的糾錯(cuò)能力又會(huì)隨之減弱。因此，在進(jìn)行一定循環(huán)迭代次數(shù)之后，外部信息將趨于穩(wěn)定，此時(shí)的LLR值將逼近所有碼的最大似然譯碼，對(duì)該似然比值做硬判決，便可得到信息序列uk的最佳估值序列。

3 Turbo-OFDM光傳輸系統(tǒng)仿真與分析

OFDM信號(hào)對(duì)信道衰落和噪聲具有很好的容忍性。在OFMD信號(hào)中，由于各子載波間彼此正交，在克服符號(hào)間干擾（ISI）的同時(shí)，提高了頻帶利用率。將OFDM調(diào)制與Turbo編碼相結(jié)合可以進(jìn)一步提升系統(tǒng)的誤碼性能。在實(shí)際應(yīng)用中，為了便于接收端做信道估計(jì)，通常在OFDM每個(gè)符號(hào)中插入1/4長度的循環(huán)前綴。利用OptiSystem軟件并結(jié)合Maltab進(jìn)行TCM-64QAM-OFDM編碼調(diào)制信號(hào)的光傳輸系統(tǒng)仿真，研究基帶速率、編譯碼算法、級(jí)聯(lián)算法、調(diào)制格式、入纖光功率等的變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響。仿真系統(tǒng)發(fā)送端結(jié)構(gòu)如圖4（a）所示，首先將二進(jìn)制數(shù)據(jù)流輸入至Matlab Component中，通過Matlab程序?qū)π盘?hào)進(jìn)行Turbo編碼、64QAM映射、快速傅里葉逆變換（IFFT）、并串變換等一系列處理，完成信號(hào)的Turbo-64QAMOFDM編碼調(diào)制過程后輸出I/Q兩路信號(hào)，再采用光IQ調(diào)制方法將已調(diào)信號(hào)加載到光載波上，產(chǎn)生光Turbo-64QAM-OFDM信號(hào)，并將其送至光纖鏈路進(jìn)行傳輸。

系統(tǒng)的接收端如圖4（b）所示，當(dāng)光信號(hào)到達(dá)接收端時(shí)，將信號(hào)光與本振光源進(jìn)行相干耦合，再對(duì)干涉后的光場做平衡探測輸出I/Q兩路解調(diào)信號(hào)，最后將該信號(hào)送入至Matlab Component進(jìn)行串并變換、快速傅里葉變換（FFT）、并串變換、64QAM去映射、Turbo譯碼，并估算出信道傳遞函數(shù)，取平均值后用迫零法對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償。

圖4 Turbo-64QAM-OFDM編碼調(diào)制系統(tǒng)發(fā)送接收裝置Fig.4 Transmitting and receiving device of Turbo-64QAM-OFDM coded modulation system

Turbo譯碼過程中采用BCJBR算法，圖5給出了當(dāng)輸入信噪比為20 dB時(shí)，不同碼率情況系統(tǒng)誤碼率的對(duì)比曲線，從圖5可以看出，低碼率情況下系統(tǒng)性能更優(yōu)。

圖5 不同碼率情況下系統(tǒng)誤碼對(duì)比Fig.5 Comparison of different code rates

圖6給出了采用不同調(diào)制、編碼技術(shù)后，誤碼率隨輸入光信噪比的變化曲線。如圖6所示，在誤碼率為10-3時(shí)，采用了Turbo-64QAM-OFDM編碼調(diào)制系統(tǒng)的OSNR比64AQM-OFDM調(diào)制系統(tǒng)的OSNR降低了3 dB，比只采用64QAM調(diào)制系統(tǒng)的OSNR降低了5 dB。即在同樣的誤碼率情況下，Turbo-64QAM-OFDM編碼調(diào)制系統(tǒng)的入纖光功率要求更低，則該系統(tǒng)受到的非線性效應(yīng)影響也就越小。當(dāng)輸入OSNR為11 dB時(shí)，Turbo-64QAMOFDM編碼調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率可以降至10-6，能夠在不拓展系統(tǒng)帶寬的同時(shí)達(dá)到低誤碼性能要求。

圖6 不同調(diào)制編碼技術(shù)后誤碼率隨OSNR變化對(duì)比Fig.6 Comparison of BER vs OSNR for different modulation and coding

4 結(jié) 論

本文將Turbo編碼技術(shù)引入到OFDM調(diào)制光傳輸系統(tǒng)中，提出了一種適用于高速光通信的編碼調(diào)制方案，即Turbo-64QAM-OFDM光傳輸方案。該方案能夠在不拓展系統(tǒng)帶寬的條件下，提升了系統(tǒng)的可靠性，并具有較高的編碼增益。搭建的Turbo-64QAMOFDM光傳輸仿真系統(tǒng)，結(jié)果表明在輸入OSNR為11 dB時(shí)，系統(tǒng)誤碼率能夠很好地滿足通信質(zhì)量要求。