浅谈基于FPGA的高速实时光OFDM发射机的设计与实现

李腾楠 虞礼辉 岳晓惠 杜轶群 吴维林

摘 要 正交频分复用（OFDM）技术，具有高灵活的调制格式、高频谱利用率和更好的抗多径干扰能力，已经广泛应用在无线通信领域。但是，随着人们生活水平的提高，人们对通信带宽的需求不断增加，而现有的技术难以解决光纤通信高速率、大容量和长距离的发展方向。因此，在这篇论文中将OFDM技术应用在接入网中，实现在标准单模光纤以3.5Gb/s速率实时传输光OFDM信号。

关键词 OFDM;接入网;单模光纤

引言

在无线通信中已广泛应用的正交频分复用（OFDM）技术，由于其频谱利用率高、抗干扰性强等优点，在光通信中也成为研究热点。目前，对于实时光OFDM的研究已经有很多文章，但是都是基于IQ两路的方法和离线分析的方法。因此，本文提出了一种更加先进的基于FPGA的高速实时光OFMD发射机系统，它有以下几方面的优势：1）利用埃尔米特矩阵（Hermitian Matrix）技术，使IFFT输出的时域信号为实数序列，从而取代I/Q调制，简化了系统的复杂性，降低了成本;2）采用FPGA实验板实现了高速OFDM信号的产生，并在标准单模光纤以3.5Gb/s速率实时传输光OFDM信号。

1OFDM发射机FPGA实现

1.1 OFDM发射机系统

基于FPGA的OFDM发射机系统，主要包括16QAM调制、64点IFFT、组帧等模块。

发射机的通讯数据使用标准以太帧封装，首先经过“帧头提取”将其分组成OFDM帧所需的长度。由于OFDM帧必须连续发送，即发送速率恒定，所以通讯数据要通过“流控”进行速率匹配，速率匹配通过数据缓存和插0来实现。“数据分组”将数据按照符号映射时各子载波预设的调制方式进行分组。“MAP”、“共轭”、“插入导频”三个模块实现了IFFT各子载波的调制。“循环前缀”和“組帧模块”将数据封装成OFDM帧，加入训练序列[1]。

2实验系统

高速光OFDM发射机实验系统，主要作用是使用FPGA板子将数据流转换成OFDM符号，通过DAC转换成基带模拟信号，然后，使用电吸收调制器把电OFDM信号调制到1550nm的DFB产生的光波上，形成了光OFDM信号。最后，光OFDM信号通过25Km的标准单模光纤（SMF）传输到接收机[2]。

在接收机中，使用10GHz带宽的光电二极管（PIN），把光OFDM信号转换为电OFDM信号并通过放大器进行放大。电OFDM信号经过低通滤波器后，由电衰减器调整信号值到ADC允许的最大电压范围值，经过示波器进行采样，最后由Matlab进行离线数字信号处理。

3实验结果与分析

图1是Mentor Graphics公司的Modelsim SE6.5f仿真软件实现的OFDM信号。图中有时钟信号，复位信号，帧信号，及数据输出。该系统中，发送端原始数据由并行PRBS发生器产生，经OFDM调制后输出;接收端中，解调出发送数据，将数据送入误码率测试模块[3]。

4结束语

本文主要使用FPGA实现OFMD发射机，产生OFDM信号调到光波上，实现在标准单模光纤上传输64QAM编码3.5Gbit/s的速率光OFDM信号。通过实验证明，本文提出的光OFDM发射机的具有实时性、准确性和稳定性，在未来具有很大的发展潜力。另外，为了进一步提高系统的频谱效率，可以利用4组空闲子载波，循环前缀和训练序列在光纤信道中也有较大压缩空间。如果能通过带外信令或上层协议更好地控制收、发机频偏的话，调制格式也能进一步提高至128QAM。

参考文献

[1] 林如俭，宋英雄，张林. 论OFDM-PON和WDM-PON[J]. 激光与光电子学进展，2011，（7）：1-10.

[2] 郑曦，侯春宁，刘霄，等.一种副载波单边带分插复用的OFDM-PON 模型[J].光通信研究，2010，36（5）：7-9.

[3] 关昕.下一代网络中实现及OFDM-PON上行速率提升方法[J].光通信技术，2012，36（11）：1-4.