基于LDPC信道編碼的FPGA的高速光OFDM實時系統(tǒng)發(fā)射機設(shè)計

1、基于LDPC信道編碼的FPGA的高速光OFDM實時系統(tǒng)發(fā)射機設(shè)計摘要：本文主要實現(xiàn)基于LDPC信道編碼的FPGA的高速光OFDM實時系統(tǒng)發(fā)射機。LDPC 碼是一種具有超強糾錯性能和接近香農(nóng)極限性能的碼型，被廣泛運用于寬帶無線移動通信系統(tǒng)中。在光OFDM系統(tǒng)中，存在部分子載波頻率選擇性衰落，光纖色散造成的ISI和高峰均功率比等缺點。所以有必要結(jié)合高效的編碼技術(shù)提高系統(tǒng)的傳輸性能。而在現(xiàn)有的碼型中LDPC碼已經(jīng)被證明是一種更接近香農(nóng)極限的好碼，成為最佳的編碼技術(shù)之一。當(dāng)其與調(diào)制技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于光OFDM系統(tǒng)發(fā)射機中時，不僅可以獲得較高的編碼增益，還可以提高系統(tǒng)的色散容忍度。但是在光OFDM系統(tǒng)中采

2、用傳統(tǒng)下線處理的方法沒有考慮到實際應(yīng)用中設(shè)備的成本，邏輯資源的需求以及信號處理的延時，不利于商業(yè)化。所以需要實時光OFDM系統(tǒng)。為了更深入，更全面地分析光OFDM系統(tǒng)性能，硬件實時產(chǎn)生及處理信號是非常有必要的。怎樣找到適合實時光OFDM系統(tǒng)發(fā)射機的LDPC編碼算法（提高編碼速率，達到上Gb的吞吐量），怎樣改善實時光OFDM系統(tǒng)發(fā)射機的速率和誤碼率，正是本文所研究的意義。關(guān)鍵字：實時OFDM系統(tǒng)；LDPC編碼；吞吐量；正交頻分復(fù)用(orthogonal frequeney division mutiplexing，OFDM)是一種先進的多載波調(diào)制技術(shù)，具有高度靈活的調(diào)制格式，更高的頻譜利用率和更

3、好的抗多徑干擾能力，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于無線通信領(lǐng)域和廣播網(wǎng)絡(luò)。但是，隨著生活水平的提高，人們對通信帶寬的需求不斷增加，而現(xiàn)有的技術(shù)難以適應(yīng)光纖通信高速率，大容量和長距離的發(fā)展方向。因此，2005年唐建明等把OFDM技術(shù)引入光通信中，第一次提出了光OFDM的概念。2009年，Brendon等利用單頻帶直接檢測光OFDM技術(shù)，實現(xiàn)了在標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(single-modefiber,SMF)中光OFDM信號以100Gbit/s速率傳輸500km的仿真結(jié)果。Giddings等利用強度調(diào)制和直接檢測光OFDM技術(shù)，實現(xiàn)了在多模光纖上實時傳輸3Gbit/s光OFDM信號。光OFDM技術(shù)以其高色散補償，低成本和

4、先進的數(shù)字信號處理技術(shù)己經(jīng)廣泛應(yīng)用于干線光通信系統(tǒng)和光接入網(wǎng)領(lǐng)域。然而，在2010年之前對光OFDM收發(fā)系統(tǒng)進行性能分析都是使用離線的數(shù)字信號處理方法，即OFDM信號由任意信號發(fā)生器產(chǎn)生，經(jīng)過光路最后通過數(shù)字示波器接收信號進行離線分析，這種方法并沒有考慮實際的數(shù)字信號處理的速度和DAC/ADC等硬件對系統(tǒng)的影響。一、實時光OFDM系統(tǒng)發(fā)射機研究為了更深入更全面地分析系統(tǒng)性能，硬件實時產(chǎn)生及處理信號是非常有必要的。近年來一些文獻實現(xiàn)了基于FPGA的收發(fā)系統(tǒng)，但其收發(fā)系統(tǒng)的DAC/ADC電路的參考時鐘均來自同一個時鐘源，而沒有考慮采樣頻率偏差給系統(tǒng)帶來的影響。本文參考的OFDM發(fā)射機是基于Xili

5、nx Virtex-6開發(fā)板實現(xiàn)的。OFDM信號幀結(jié)構(gòu)由一個OFDM符號長度（IFFT長度+循環(huán)前綴）的訓(xùn)練序列用來幀檢測、符號同步以及信道估計與200個OFDM數(shù)據(jù)符號組成。由于DAL模擬輸出帶寬的限制，對子載波進行了規(guī)劃，以減少DAL滾降效應(yīng)對子載波的影響。其中，每個OFDM符號包括數(shù)據(jù)傳輸?shù)?0個子載波、4個導(dǎo)頻實現(xiàn)采樣頻率同步，10個零子載波做為信道保護問隔，1/8循環(huán)前綴，信號映射力一式為16QAM。首先由偽隨機二進制序列（PRBS）模塊產(chǎn)生2的15次方到1PRBS做為原始二進制數(shù)據(jù)比特流，在控制信號及時鐘驅(qū)動下實現(xiàn)導(dǎo)頻插入、符號映射，為滿足IFFT輸出實數(shù)，64個載波上的數(shù)據(jù)進行H

6、ermitian對稱處理。然后采用Spiral工具自動產(chǎn)生適合高速運算的IFFT核，完全地并行處理技術(shù)，可以在經(jīng)過26個時鐘周期的運算延時后，并行輸出64個位寬為16的數(shù)據(jù)。在符號映射時，歸一化后的參考符號數(shù)據(jù)定點表示為16位整數(shù)數(shù)據(jù)，其中包括1位符號位、1位整數(shù)位和14位小數(shù)位。與此同時，為了滿足DAC的轉(zhuǎn)換精度要求，必須對限幅后的數(shù)據(jù)做縮放處理?？s放處理后的數(shù)據(jù)暫存在數(shù)據(jù)RAM中，在控制信號的作用下增加循環(huán)前綴，并先后分18組（包括8點循環(huán)前綴），每組4個16比特數(shù)據(jù)，發(fā)送訓(xùn)練序列與數(shù)據(jù)符號。為滿足Xilinx并串轉(zhuǎn)換OSERDES核對輸入數(shù)據(jù)的要求，需要對數(shù)據(jù)進行重組。OFDM數(shù)據(jù)并串轉(zhuǎn)

7、換由OSERDES核來實現(xiàn)，其工作模式為8：1雙倍數(shù)據(jù)速率（DDR），輸入同步時鐘頻率為125 MHz,輸出同步時鐘頻率為500 MHz，產(chǎn)生1GSaps數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)速率為I路的500MSaps,Q路全為邏輯低電平)及500 MHz的數(shù)據(jù)采樣時鐘輸出至DAC接口電路。FPGA工作所需的時鐘信號是由DAL接口電路提供的250 MHz時鐘信號經(jīng)Xilinx時鐘管理IP核MMCM產(chǎn)生。DAC控制器通過串行端口按其規(guī)定通信協(xié)議實現(xiàn)FPGA與DAC之問的通信。可以靈活監(jiān)控DAC工作狀態(tài)，設(shè)置DAC輸出最大電流等。上電后，F(xiàn)PGA自動配置好DAC的工作模式，在時鐘信號的驅(qū)動下對FPGA通過高速連接器傳輸過來

8、的數(shù)字化OFDM信號進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，輸出的差分信號經(jīng)運算放大器電路放大輸出電壓峰-峰為3V的OFDM信號。二、LDPC編碼研究 大多數(shù)信道編碼復(fù)雜度與碼長是線性關(guān)系的，而LDPC碼的編碼復(fù)雜度正比于碼長的平方，編碼器的復(fù)雜度遠(yuǎn)大于卷積碼和Turbo碼。為了滿足O-OFDM實時系統(tǒng)的需要，基本上選擇對高速可配置的QC-LDPC編碼器進行研究。QC-LDPC碼由mn的校驗矩陣H定義，其中m是校驗位的位數(shù)，n是碼長的位數(shù)。各種碼率和碼長的校驗矩陣H都是由mbnb的基本矩陣Hb膨脹得到的。膨脹因子定義為整數(shù)z，mb= m/z，nb= n/z。膨脹的過程是將基本矩陣中的-1替換為全0矩陣，0替換為單位矩陣

9、，大于0的元素替換為zz的循環(huán)置換矩陣，循環(huán)置換矩陣由單位矩陣循環(huán)右移該元素的值得到。根據(jù)RU編碼算法，校驗矩陣H可以劃分成如下6個部分，其中g(shù)是遠(yuǎn)小于n的整數(shù)，表示校驗矩陣和下三角矩陣的差距。設(shè)碼字為s，p1，p2，其中s長度為n-m，是信息位；p1長度為g，p2長度為m-g，p1，p2組合起來是校驗位。校驗位可以根據(jù)公式計算: (1)其中：，可以事先計算好作為已知參數(shù)，可以證明由(g/z)(g/z)個zz的循環(huán)矩陣組成，每個循環(huán)矩陣等于多個循環(huán)置換矩陣的和。從式(1)可以看出，該算法有4種基本運算，分別為矩陣和向量的乘法，下三角矩陣逆和向量的乘法(相當(dāng)于求解下三角形式的線性方程組)，非稀疏

10、矩陣和向量的乘法，向量的模2和。不妨將這些運算稱之為粗粒度的基本運算隨著具有高頻譜效率和高抗多徑能力的OFDM技術(shù)在有線和無線通信領(lǐng)域的應(yīng)用日趨成熟，通信速率不斷提升，以及光纖通信中的色散致使高速數(shù)據(jù)傳輸距離問題日益嚴(yán)重，于是，OFDM光纖傳輸成為研究熱點。然而，傳統(tǒng)O-OFDM光纖傳輸實驗系統(tǒng)的數(shù)字信號處理基本上是離線處理的，這不利于傳輸信號的實時處理和商業(yè)化。近年來，O-OFDM信號實時系統(tǒng)的開發(fā)逐漸開展。阿爾卡特-朗訊的貝爾實驗室的Xiang Liu等與澳大利亞墨爾本大學(xué)的Qi Yang、Kaneda N、Shieh W等人合作進行相干解調(diào)系統(tǒng)的開發(fā)。英國倫敦大學(xué)學(xué)院的Benlachta

11、r Yannis,Watts Philip M等人和英國Banger大學(xué)的Giddings R P、Jin X Q等人分別進行直接解調(diào)(DD)系統(tǒng)的開發(fā)研究。目前，O-OFDM實時系統(tǒng)中發(fā)送、接收以及收發(fā)端的數(shù)字信號處理一般采用FPGA來進行。由于FPGA其具有體系結(jié)構(gòu)和邏輯單元靈活、集成度高、價格低以及適用范圍寬等優(yōu)點，可實現(xiàn)較大規(guī)模的電路，編程較靈活;同時它還具有極強的實時性和并行處理能力，可以降低信號處理的時延，可擴展性強。因此，在通信領(lǐng)域中被廣泛地應(yīng)用。三、總結(jié)與展望20世紀(jì)90年代及以后，這對于糾錯編碼來說是一個具有里程碑意義的年代，學(xué)者們相繼發(fā)現(xiàn)了幾種逼近Shannon容量限的好碼

12、，開始了對現(xiàn)代編碼理論的廣泛研究，其中最具代表性的是Turbo碼的提出和LDPC碼的重新發(fā)現(xiàn)。1993年，兩位法國教授C.Berrou, A.Glavieux和他們的緬甸籍博士生P. Thitimaj s hiwa在ICC國際會議上提出了一種具有里程碑意義的編碼一Turb o碼。他們巧妙地將兩個卷積分量碼通過偽隨機交織器并行級聯(lián)構(gòu)造出具有偽隨機特性的長碼，通過在兩個軟輸入/軟輸出譯碼器之間進行多次迭代來逼近最大似然譯碼。數(shù)值仿真實驗結(jié)果表明交織長度為65535的1/2碼率Turbo碼，經(jīng)過18次的迭代譯碼，在AWGN信道上的性能直逼Shannon容量限。這一結(jié)果雖然缺乏深入的理論依據(jù)，但其性能

13、引起了人們的廣泛關(guān)注。為了解釋Turbo碼的作用機制，人們進行了不斷的探索與研究，經(jīng)過多年的研究，人們普遍認(rèn)為Turbo碼是因為使用了基于長碼的隨機編碼思想和基于狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖的迭代譯碼才得到了逼近香農(nóng)限的性能。隨著Turbo碼的深入研究，劍橋大學(xué)的MacKay和MIT的Spielman發(fā)現(xiàn)Gallager早在1962年提出的低密度奇偶校驗(Low-Density Parity-Check, LDPC)碼也是一類具有漸進特性的好碼，它的譯碼性能同樣可以逼近Shannon的信道容量限。進一步的研究結(jié)果表明LDPC碼和Turbo碼都是基于圖構(gòu)造的低密度碼，譯碼算法具有等價性。2001年，S.Chum等

14、人的研究結(jié)果表明，碼率為1/2、碼長為107的非規(guī)則LDPC碼在AWGN信道下采用置信傳播算法進行迭代譯碼，當(dāng)錯誤概率為10-6時，其性能與Shannon限僅相差0.0045dB。與Turb。碼相比，LDPC碼具有譯碼復(fù)雜度低，更強大的糾錯能力和更低的錯誤平層等優(yōu)點，同時由于LDPC碼迭代譯碼算法為并行算法，譯碼時延遠(yuǎn)小于Turbo碼。這使得LDPC碼繼Turbo碼以后又一次引起了信道編碼界的極大關(guān)注，并迅速引發(fā)了新一輪的迭代譯碼研究熱潮。隨著迭代譯碼研究的深入，信道編碼學(xué)者們還發(fā)現(xiàn)了其它逼近Shannon容量限的漸進好碼，包括:M. Luby和A.Shokro llahi提出的基于刪除信道的

15、LT碼和Raptor碼，以及E. Arikan于2009年提出的Polar碼等。近年來，人們逐漸認(rèn)識到LDPC碼所具有的優(yōu)越性能和巨大的實用價值，LDPC碼是迄今為止發(fā)現(xiàn)的離Shannon容量限最近的一類碼，國際上對LDPC碼的理論分析、工程應(yīng)用以及超大規(guī)模集成電路（VLSI）實現(xiàn)等方面的研究都取得了重要進展，LDPC碼己經(jīng)廣泛應(yīng)用于光通信、衛(wèi)星通信、深空通信、第四代移動通信、高速與甚高速率數(shù)字用戶線和磁記錄等系統(tǒng)中。相對于Turbo碼而言，LDPC碼具有以下優(yōu)點:1)分組誤碼性能更好，錯誤平層（error floor）更低；2)不需要深度交織，系統(tǒng)時延比Turbo碼短；3)其譯碼算法屬于全并

16、行算法，能夠設(shè)計并行度更高的譯碼器；4)與Turbo碼的打孔（puncture）方法相比，在高碼率碼的構(gòu)造上更具靈活性。但是，在國內(nèi)外，很少有關(guān)于O-OFDM實時系統(tǒng)的研究。而且在現(xiàn)有的文獻中，也沒有人具體研究在這個系統(tǒng)中加入信道編碼的功能?？紤]到LDPC碼所具有的的優(yōu)越性能和巨大使用價值，本文擬在FPGA上搭建O-OFDM實時系統(tǒng)，并在硬件上實現(xiàn)高速的且占用資源少的LDPC編碼器，使之適合高吞吐量的O-OFDM實時系統(tǒng)，并且有效簡單。參考文獻1 Berrou C, Glaive A. Shannon limit error correcting coding and decoding: Tu

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