基于疊加訓(xùn)練序列光OFDM系統(tǒng)幀同步算法FPGA實(shí)現(xiàn)

摘要：光纖通信系統(tǒng)中引進(jìn)OFDM技術(shù)給O-OFDM系統(tǒng)帶來對同步、高峰均比等敏感問題。疊加訓(xùn)練序列技術(shù)時(shí)IM／DDO-OFDM系統(tǒng)幀同步算法研究，設(shè)計(jì)了FPGA的算法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，聯(lián)合Matlab，Modelsim等仿真工具驗(yàn)證算法開發(fā)的有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，疊加的訓(xùn)練序列對數(shù)據(jù)影響較小，與傳統(tǒng)方法相比，具有更高的同步正確率，易于實(shí)現(xiàn)，有較強(qiáng)的工程應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：疊加訓(xùn)練序列技術(shù)；OFDM；幀同步；Modelsim

0 引言
正交頻分復(fù)用技術(shù)OFDM是一種特殊的多載波傳輸方式，具有抗多徑能力強(qiáng)、頻譜利用率高、適合高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，因此已被廣泛地應(yīng)用于最新的無線通信系統(tǒng)中。本文設(shè)計(jì)基于疊加訓(xùn)練序列的多模光纖IM／DDO-OFDM系統(tǒng)幀同步算法。QuartusⅡ軟件仿真平臺和Verilog HDL硬件描述語言進(jìn)行訓(xùn)練序列的產(chǎn)生、訓(xùn)練序列與數(shù)據(jù)符號的疊加運(yùn)算，以及進(jìn)行幀同步算法實(shí)現(xiàn)。其Modelsim仿真實(shí)現(xiàn)幀同步結(jié)果與Matlab仿真實(shí)現(xiàn)的結(jié)果一致，為實(shí)際的工程設(shè)計(jì)提供了可靠的依據(jù)。

1 系統(tǒng)模型
為了滿足系統(tǒng)傳輸實(shí)信號的要求，將二進(jìn)制數(shù)據(jù)流經(jīng)過星座圖映射(如：M-QAM或QPSK)后進(jìn)行厄米特共軛對稱(Hermitian Symmetry，HS)變換，使得經(jīng)過快速傅里葉逆變換(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)后得到雙極性實(shí)信號。疊加訓(xùn)練序列IM／DDO-OFDM系統(tǒng)模型如圖1所示。

”表示循環(huán)卷積；h(n)表示多模光纖信道脈沖響應(yīng)；w(n)表示電域高斯白噪聲；s(n)表示發(fā)送數(shù)據(jù)；t(n)為訓(xùn)練序列，且訓(xùn)練序列結(jié)構(gòu)上滿足上述EN鏡像對稱性，β表示功率能量分配因子，和分別表示訓(xùn)練序列和發(fā)射數(shù)據(jù)的功率。
在式(1)中，訓(xùn)練序列分配的能量非常弱，為了使同步時(shí)刻的能量能夠足夠大，而不受其他旁瓣干擾，先對接收信號r(n)進(jìn)行處理。截取長度為N的接收信號，利用式(2)進(jìn)行變換得到新的接收信號z(n)。
z(n)=r(n)+r(N-n+1) (2)
變換后得到的新序列z(n)具有原序列兩倍的能量，與本地訓(xùn)練序列F進(jìn)行互相關(guān)，來獲取同步。幀同步函數(shù)可以表示為：

式中：d為整數(shù)，表示接收信號序列與本地序列之間的相對滑動位置，N／2為相關(guān)長度。采用的訓(xùn)練序列具有良好的自相關(guān)性和弱互相關(guān)性，當(dāng)d滑動到同步位置時(shí)刻，幀同步函數(shù)Cor(n，d)達(dá)到最大值，其余時(shí)刻為幅度較小的隨機(jī)信號。
為了降低接收機(jī)同步設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，采用預(yù)設(shè)門檻值T，當(dāng)檢測器的輸出Cor(n，d)滿足式(4)，P(n)表示接收信號的功率，則此刻的d達(dá)到幀同步位置。
|Cor(n，d)|2>T·P(n) (4)

3 算法性能Matlab仿真分析
仿真參數(shù)主要包括：發(fā)送數(shù)據(jù)比特流為10 Gb／s，調(diào)制方式為16-QAM，系統(tǒng)子載波數(shù)為256，光纖鏈路部分采用1 310 nm的多模光纖，衰減常數(shù)α=0．2 dB／km，考慮色散效應(yīng)，取值為17 ps／(nm·km)，PIN光電檢測器的靈敏度設(shè)定為1 A／W，暗電流為10 nA。以下的仿真結(jié)果基于10 000次蒙特卡羅仿真。