Turbo-64QAM-OFDM光傳輸系統

劉 皎，孫 瑞，張 娜

（商洛學院商洛市人工智能研究中心，陜西商洛 726000）

1948年Shannon在發表的有關通信數學理論中最早提出信道容量的概念［1］。1993年，發明了近似Shannon信道容量極限的糾錯編碼和解碼技術［2］，使得編碼理論得到重視并取得長足的發展。Turbo碼和LDPC碼的發展使得在高速傳輸情況下近似Shannon極限傳輸成為可能［3-4］。交織技術的提出，并采用網格結構設計后，使得在無線通信領域中Turbo碼性能又得到進一步發展。直到2000年OFC會議上，Omar AIT SAB等人才第一次提出把Turbo碼用于光通信系統中，以實現較低的譯碼復雜度和較好的糾錯性能［5-6］。Turbo編碼能夠有效地彌補光纖色散、長距離傳輸引起的信號衰減，提高可靠性，延長傳輸距離，同時降低了譯碼復雜度和高速光通信系統中硬件實現的復雜度［7］。本文重點將Turbo編碼技術與光通信中的OFDM技術［8-9］相結合，設計出一種高速率、高編碼增益、低誤碼率的編碼調制光傳輸方案。

1 基于Turbo碼的OFDM光傳輸系統方案及理論分析

基于Turbo碼的OFDM光傳輸系統方案設計如圖1所示。在系統發送端，首先輸入比特流經過Turbo編碼之后通過64QAM調制器進行星座映射，再使用串并轉換器（S/P）轉換成便于進行OFDM調制的并行序列。在OFDM調制過程中，主要采用快速傅里葉逆變換（IFFT）并增加循環前綴（CP）以減少碼間干擾。從頻域角度看，使用OFDM調制將使得在各子載波中心頻點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中每個子載波信道響應都是頻域平坦的，因此可以消除OFDM調制信號因信道傳輸所造成的失真。OFDM調制后的信號再經過數模轉換（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行傳輸。在接收端將OFDM信號進行探測后的電信號依次進入低通濾波器（LPF）、模數轉換器（A/D）后，再進行去循環前綴處理、快速傅里葉變換（FFT）、符號判決、并串變換（P/S）、64QAM解調、Turbo譯碼后輸出數據流。

圖1 基于Turbo碼的OFDM光傳輸系統框圖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的光OFDM調制技術相結合，使得光纖通信的有效性及可靠性均得到相應的提升。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行檢錯并估計最可能的發射位。基于卷積編碼器和交織器的排列情況可以將Turbo碼設計為串行級聯卷積碼（SCCC）或者并行級聯卷積碼（PCCC）。基于Turbo碼的PCCC編碼器如圖2所示，其編碼過程為：使用一個N位交織器將二進制信息序列uk交織成為一個重新排列的新信息序列u'k，再將兩個信息序列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產生的校驗序列x1p和卷積編碼器2產生的校驗序列x2p。在Turbo編碼過程中，交織是其最為關鍵的一部分，可最大化輸出信號的隨機性。卷積編碼以移位寄存器和模2加法器為核心實現，是一種高效的位映射。

圖2 Turbo編碼器結構圖Fig.2 Turbo encoder structure

2.2 Turbo譯碼

常用的Turbo譯碼結構如圖3所示，由兩個軟輸入軟輸出（SISO）譯碼器串行級聯而成。在其譯碼過程中，其中一個分量譯碼器的外信息作為另一個分量譯碼器2的先驗信息，同時為了使該分量譯碼器輸出的外信息與另一個分量譯碼器接收到的信道軟信息對應，在兩個分量譯碼器間使用一個交織器和解交織器將其連成一個循環結構。

圖3 Turbo譯碼器結構圖Fig.3 Turbo decoder structure

當譯碼器對接收到的含噪信號進行譯碼時，首先需要對接收到的序列做解復用處理，得到ysk，y1pk和y2pk，其中，y sk是編碼器輸出的消息序列uk經噪聲信道傳輸后得到的序列，y1pk是編碼器輸出的校驗序列x1p經噪聲信道傳輸后得到的序列，y2pk是編碼器輸出的校驗序列x2p經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和校驗序列y1pk，分量譯碼器2的輸入序列是ysk和經過交織得到的校驗序列y2pk；L1(uk|r)和L2(uk|r)分別是兩個分量譯碼器1和2的輸出對數似然比值（LLR）。利用這兩個LLR值，通過公式（1）計算可得到兩個外信息，即Le1(uk)和Le2(uk)值，這兩個譯碼單元之間外部信息的傳輸構成了一個循環迭代結構。

在信噪比不變情況下，由于外部信息的作用，可以通過增加循環迭代次數而達到降低誤碼率的目的。但是，循環迭代次數增加的同時會使得外部信息與內部信息的相關性逐漸增加，此時外部信息所能夠提供的糾錯能力又會隨之減弱。因此，在進行一定循環迭代次數之后，外部信息將趨于穩定，此時的LLR值將逼近所有碼的最大似然譯碼，對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光傳輸系統仿真與分析

OFDM信號對信道衰落和噪聲具有很好的容忍性。在OFMD信號中，由于各子載波間彼此正交，在克服符號間干擾（ISI）的同時，提高了頻帶利用率。將OFDM調制與Turbo編碼相結合可以進一步提升系統的誤碼性能。在實際應用中，為了便于接收端做信道估計，通常在OFDM每個符號中插入1/4長度的循環前綴。利用OptiSystem軟件并結合Maltab進行TCM-64QAM-OFDM編碼調制信號的光傳輸系統仿真，研究基帶速率、編譯碼算法、級聯算法、調制格式、入纖光功率等的變化對系統性能的影響。仿真系統發送端結構如圖4（a）所示，首先將二進制數據流輸入至Matlab Component中，通過Matlab程序對信號進行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，完成信號的Turbo-64QAMOFDM編碼調制過程后輸出I/Q兩路信號，再采用光IQ調制方法將已調信號加載到光載波上，產生光Turbo-64QAM-OFDM信號，并將其送至光纖鏈路進行傳輸。

系統的接收端如圖4（b）所示，當光信號到達接收端時，將信號光與本振光源進行相干耦合，再對干涉后的光場做平衡探測輸出I/Q兩路解調信號，最后將該信號送入至Matlab Component進行串并變換、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，取平均值后用迫零法對接收信號進行補償。

圖4 Turbo-64QAM-OFDM編碼調制系統發送接收裝置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給出了當輸入信噪比為20 dB時，不同碼率情況系統誤碼率的對比曲線，從圖5可以看出，低碼率情況下系統性能更優。

圖5 不同碼率情況下系統誤碼對比Fig.5 Comparison of different code rates

圖6給出了采用不同調制、編碼技術后，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，采用了Turbo-64QAM-OFDM編碼調制系統的OSNR比64AQM-OFDM調制系統的OSNR降低了3 dB，比只采用64QAM調制系統的OSNR降低了5 dB。即在同樣的誤碼率情況下，Turbo-64QAM-OFDM編碼調制系統的入纖光功率要求更低，則該系統受到的非線性效應影響也就越小。當輸入OSNR為11 dB時，Turbo-64QAMOFDM編碼調制系統的誤碼率可以降至10-6，能夠在不拓展系統帶寬的同時達到低誤碼性能要求。

圖6 不同調制編碼技術后誤碼率隨OSNR變化對比Fig.6 Comparison of BER vs OSNR for different modulation and coding

4 結 論

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