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华中科技大学硕士学位论文

摘要

正交频分复用（Orthogonal frequency division multiplexing,OFDM）近年来被广泛应

用在宽带有线和无线通信系统，借助其较高的频谱利用效率，有效对抗符号间干扰(Inter

Symbol Interference,ISI)，且易于硬件实现等特点，同样在光通信领域具有重要意义，

被视为下一代超高速超大容量超长距离光通信十分具有前景的一项技术。

本论文根据无线通信协议 802.11a，利用 FPGA 实现 OFDM 的基带收发功能正常工

作，线路速率达到 100Mbps，并提出将协议中相关技术移植到光通信的设想，即利用

FPGA 强大的处理能力，以及 MZM 高速光学 IQ 调制将信号处理和传输分别在电域和

光域进行。最后通过 MATLAB 联合仿真，结果表明系统在信噪比只有 1dB 情况下，误

码率小于 10

-2

；当信噪比达到 5 个 dB 及以上时，误码率接近零。其中利用 FPGA 实现

的功能包括以下几个方面：

(1) 加扰/解扰，防止数据流中出现长串的“0”或“1”。

(2) 卷积编码/Viterbi 解码，用于系统纠错。

(3) 交织/解交织，用于将突发错误转化为随机错误，有利于译码纠错。

(4) QAM 映射/解映射，将数据进行矢量调制，便于进行 IFFT/FFT。

(5) IFFT/FFT, 利用 FFT 算法实现数据的 OFDM 调制。

(6) 时域和频域的各种同步模块, 参照 802.11a 协议，实现了 OFDM 接收机同步，

包括分组同步，载波同步，符号同步，信道估计与均衡，采样频率同步，剩余相位跟

踪。

关键词：相干光正交频分复用 802.11a OFDM 同步基带信道估计

华中科技大学硕士学位论文

III

摘要 .................................................................................................................. I

Abstract ................................................................................................................ II

1 绪论

1.1 前言 .......................................................................................................... (1)

1.2 国内外概况 .............................................................................................. (1)

1.3 论文工作 .................................................................................................. (4)

2 CO-OFDM 理论分析

2.1 OFDM 调制原理 ...................................................................................... (5)

2.2 相干光正交频分复用(CO-OFDM)介绍 ............................................... (10)

2.3 本章小结 ................................................................................................ (11)

3 CO-OFDM 系统结构设计

3.1 电域处理部分结构设计 ........................................................................ (12)

3.2 电/光转换以及光纤传输部分结构设计 ............................................... (13)

3.3 CO-OFDM 系统优缺点 ......................................................................... (13)

3.4 本章小结 ................................................................................................ (14)

4 基本收发功能的 FPGA 设计仿真

4.1 基带收发系统总体架构 ........................................................................ (15)

4.2 工作时钟生成模块 ................................................................................ (16)

4.3 长(短)训练序列生成模块 ..................................................................... (17)

4.4 Signal 和 Data 符号生成 ....................................................................... (18)

4.5 扰码（解扰）模块 ................................................................................ (20)

华中科技大学硕士学位论文

4.6 信道编码和 Viterbi 解码 ....................................................................... (22)

4.7 交织和解交织 ........................................................................................ (27)

4.8 16QAM 调制和解调 .............................................................................. (29)

4.9 插入导频 ................................................................................................ (32)

4.10 IFFT 和 FFT ......................................................................................... (35)

4.11 循环前缀和加窗处理 .......................................................................... (39)

4.12 本章小结 .............................................................................................. (41)

5 接收机同步模块的 FPGA 设计仿真

5.1 分组同步 ................................................................................................ (42)

5.2 载波同步 ................................................................................................ (45)

5.3 符号同步 ................................................................................................ (49)

5.4 采样频率同步 ........................................................................................ (50)

5.5 剩余相位跟踪 ........................................................................................ (53)

5.6 信道均衡 ................................................................................................ (55)

5.7 本章小结 ................................................................................................ (58)

6 MATLAB 联合仿真

6.1 CO-OFDM 系统的 MATLAB 仿真设计 .............................................. (59)

6.2 仿真结果分析 ........................................................................................ (61)

6.3 本章小结 ................................................................................................ (61)

7 总结与展望 ............................................................................................... (62)

致谢 ............................................................................................................. (64)

参考文献 ......................................................................................................... (65)

华中科技大学硕士学位论文

1 绪论

1.1 前言

OFDM 技术是近年来随着 3G 技术的普及，越来越受到关注的一种调制技术，这

种调制技术最早出现在 1970 年的美国，并且被应用于军工无线通信

[1]

。后来随着数字

信号处理技术的发展，OFDM 技术才渐渐被各国技术人员所重视。2005 年，OFDM 正

式被定位 3G 技术的下行调制标准，标志着这项技术将在未来无线通信领域占有重要地

位。

另一方面，随着全球电信市场对带宽需求的急剧增长（电信数据量每年增加一倍），

光通信骨干网需要承担核心通信的业务，需要更高速更大容量更长距离的实现方案。

现有光传输网大部分采用 WDM(Wavelength Division Multiplex)或者 DWDM(Dense

Wavelength Division Multiplex)。其中 DWDM 波长间隔更短(常见 DWDM 波长间隔为

50G 即 0.4nm)，频谱利用率较高。本论文正是从充分利用频谱这一点出发，借助 OFDM

技术，将其应用到光通信领域，实现比 DWDM 更高的频谱利用效率

[2]

。

相干光-正交频分复用(CO-OFDM,Coherent Optical- Orthogonal Frequency Division

Multiplexing)利用 OFDM 的复用方式，类似 OFDM,但是调制载波是光波，通信信道不

再是自由空间，而是光纤信道，由于 OFDM 调制方式的频谱效率高，并且能够有效对

抗色散信道中的符号间干扰(ISI)，另外，通过将原来的传统频分复用(FDM)所需的模拟

滤波器转化到数字域中，利用 FFT 实现，简化了发射机和接收机的复杂度。因此，

CO-OFDM 被认为是下一代超长距离超高速光通信的一个研究热点

[3]

。

1.2 国内外概况

针对 O-OFDM(Optical OFDM),国内外的相关学者和研究人员都展开了大量的研究

和实验。2009 年，澳大利亚超电力电子工程学院”宽带信息网络和国家信息通信技术

(ICT,Information and Communication Technology)系”成功利用 CO-OFDM 实现了 1-Tb/s

的单信道单模光纤传输，如图 1-1，全程无拉曼放大无色散补偿距离超过 600km;这对

于超高速，超长距离，超大容量的未来光通信系统将会是一个非常有竞争力的备选方

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