淺談基于FPGA的高速實時光OFDM發射機的設計與實現

李騰楠 虞禮輝 岳曉惠 杜軼群 吳維林

摘 要 正交頻分復用（OFDM）技術，具有高靈活的調制格式、高頻譜利用率和更好的抗多徑干擾能力，已經廣泛應用在無線通信領域。但是，隨著人們生活水平的提高，人們對通信帶寬的需求不斷增加，而現有的技術難以解決光纖通信高速率、大容量和長距離的發展方向。因此，在這篇論文中將OFDM技術應用在接入網中，實現在標準單模光纖以3.5Gb/s速率實時傳輸光OFDM信號。

關鍵詞 OFDM;接入網;單模光纖

引言

在無線通信中已廣泛應用的正交頻分復用（OFDM）技術，由于其頻譜利用率高、抗干擾性強等優點，在光通信中也成為研究熱點。目前，對于實時光OFDM的研究已經有很多文章，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的基于FPGA的高速實時光OFMD發射機系統，它有以下幾方面的優勢：1）利用埃爾米特矩陣（Hermitian Matrix）技術，使IFFT輸出的時域信號為實數序列，從而取代I/Q調制，簡化了系統的復雜性，降低了成本;2）采用FPGA實驗板實現了高速OFDM信號的產生，并在標準單模光纖以3.5Gb/s速率實時傳輸光OFDM信號。

1OFDM發射機FPGA實現

1.1 OFDM發射機系統

基于FPGA的OFDM發射機系統，主要包括16QAM調制、64點IFFT、組幀等模塊。

發射機的通訊數據使用標準以太幀封裝，首先經過“幀頭提取”將其分組成OFDM幀所需的長度。由于OFDM幀必須連續發送，即發送速率恒定，所以通訊數據要通過“流控”進行速率匹配，速率匹配通過數據緩存和插0來實現。“數據分組”將數據按照符號映射時各子載波預設的調制方式進行分組。“MAP”、“共軛”、“插入導頻”三個模塊實現了IFFT各子載波的調制。“循環前綴”和“組幀模塊”將數據封裝成OFDM幀，加入訓練序列[1]。

2實驗系統

高速光OFDM發射機實驗系統，主要作用是使用FPGA板子將數據流轉換成OFDM符號，通過DAC轉換成基帶模擬信號，然后，使用電吸收調制器把電OFDM信號調制到1550nm的DFB產生的光波上，形成了光OFDM信號。最后，光OFDM信號通過25Km的標準單模光纖（SMF）傳輸到接收機[2]。

在接收機中，使用10GHz帶寬的光電二極管（PIN），把光OFDM信號轉換為電OFDM信號并通過放大器進行放大。電OFDM信號經過低通濾波器后，由電衰減器調整信號值到ADC允許的最大電壓范圍值，經過示波器進行采樣，最后由Matlab進行離線數字信號處理。

3實驗結果與分析

圖1是Mentor Graphics公司的Modelsim SE6.5f仿真軟件實現的OFDM信號。圖中有時鐘信號，復位信號，幀信號，及數據輸出。該系統中，發送端原始數據由并行PRBS發生器產生，經OFDM調制后輸出;接收端中，解調出發送數據，將數據送入誤碼率測試模塊[3]。

4結束語

本文主要使用FPGA實現OFMD發射機，產生OFDM信號調到光波上，實現在標準單模光纖上傳輸64QAM編碼3.5Gbit/s的速率光OFDM信號。通過實驗證明，本文提出的光OFDM發射機的具有實時性、準確性和穩定性，在未來具有很大的發展潛力。另外，為了進一步提高系統的頻譜效率，可以利用4組空閑子載波，循環前綴和訓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議更好地控制收、發機頻偏的話，調制格式也能進一步提高至128QAM。

參考文獻

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

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

[3] 關昕.下一代網絡中實現及OFDM-PON上行速率提升方法[J].光通信技術，2012，36（11）：1-4.