馬蕾

摘 要：基于實際的CO-OFDM光鏈路系統(tǒng)，結(jié)合Matlab工具進行數(shù)字信號處理。從單個子載波的誤碼率和所有子載波的平均誤碼率角度出發(fā)，實驗分析LDPC碼在系統(tǒng)中性能，實驗結(jié)果顯示采用LDPC碼的系統(tǒng)的接收機靈敏度在誤碼率為1×10-4時可以提升5.9 dB。

關(guān)鍵詞：LDPC碼 CO-OFDM 子載波

中圖分類號：TN911 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）07（a）-0014-03

近年來，正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)被視為下一代無源光網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)選擇之一。由于相干光OFDM（CO-OFDM）系統(tǒng)的高接收靈敏度，高頻譜利用率和其對偏振模色散的魯棒性[1]，已經(jīng)成為目前光通信領(lǐng)域研究的熱點。但是信號的質(zhì)量會受到光纖的非線性效應(yīng)和偏振模色散的嚴(yán)重影響，從而引起系統(tǒng)整體性能的下降。并且光線的非線性效應(yīng)和信號質(zhì)量的衰落會隨著傳輸速率的提高和傳輸距離的增大使光纖通信系統(tǒng)的傳輸受到嚴(yán)重的干擾。因此需要結(jié)合一種性能優(yōu)異的信道編碼技術(shù)來提高CO-OFDM系統(tǒng)整體性能，并且提升系統(tǒng)的可靠性[2]。因為不同子載波間的四波混頻效應(yīng)和光纖的色散會影響每個子載波的性能[3]，采用信道編碼的CO-OFDM系統(tǒng)可以避免因單個子載波的性能惡化引起系統(tǒng)的平均誤碼率的下降。

1962年，Gallager提出的低密度奇偶校驗碼（LDPC）是目前最逼近香農(nóng)限的線性好碼，由于其校驗矩陣的稀疏性，可并行、低復(fù)雜度的譯碼以及譯碼錯誤的可檢測性等優(yōu)點[4]，從而成為信道編碼理論新的研究熱點。由于LDPC碼采用的是迭代譯碼算法，便于硬件實現(xiàn)，而且具有高速的譯碼性能，吞吐量大，從而改善系統(tǒng)的傳輸效率，所以被廣泛用作前向糾錯碼（FEC）。近年來，LDPC碼被Djordjevic和Mizuochi應(yīng)用在CO-OFDM系統(tǒng)中[5]。該文將LDPC碼應(yīng)用于CO-OFDM系統(tǒng)中，進一步實驗研究和分析 LDPC碼對CO-OFDM系統(tǒng)性能的影響。

1 LDPC碼的選擇

LDPC碼的結(jié)構(gòu)有很多種，但是不同結(jié)構(gòu)的LDPC碼的編譯碼復(fù)雜度和編碼性能有較大的差異。LDPC碼主要分為隨機LDPC碼和結(jié)構(gòu)化LDPC碼（QC-LDPC）這兩大類[7]，其中隨機LDPC碼由于校驗矩陣的隨機性，無法實現(xiàn)簡單的編碼，譯碼的復(fù)雜度也較高；結(jié)構(gòu)化LDCP碼具有循環(huán)移位結(jié)構(gòu)的校驗矩陣，這種結(jié)構(gòu)特性可以實現(xiàn)線性時間編碼和較簡單的譯碼，也比隨機LDPC碼易于硬件實現(xiàn)。

目前，衛(wèi)星數(shù)字視頻廣播標(biāo)準(zhǔn)GB20600標(biāo)準(zhǔn)、CCSDS標(biāo)準(zhǔn)、DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)以及寬帶無線標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.16e都把QC-LDPC碼作為其信道編碼。文獻[8]指出：IEEE802.16e標(biāo)準(zhǔn)LDPC碼的編碼性能比DVB-S2 LDPC碼更優(yōu)越，所以該文選擇IEEE802.16e標(biāo)準(zhǔn)LDPC碼作為CO-OFDM系統(tǒng)的信道編碼。IEEE802.16e標(biāo)準(zhǔn)LDPC碼提供了6種碼率以及19種碼長[9]，為該文研究LDPC碼對CO-OFDM系統(tǒng)的誤碼性能提供了多種選擇。

2 LDPC-CO-OFDM系統(tǒng)的實驗原理和系統(tǒng)配置

為了研究LDPC碼在CO-OFDM系統(tǒng)中的性能，我們搭建了如圖1所示實際的CO-OFDM系統(tǒng)的實驗光鏈路。在發(fā)送端，我們用Matlab工具產(chǎn)生偽隨機二進制序列（PRBS）數(shù)據(jù)流，串并轉(zhuǎn)換后得到64路并行數(shù)據(jù)流，然后對每路數(shù)據(jù)流進行LDPC編碼添加冗余的糾錯信息，編碼后數(shù)據(jù)再經(jīng)過16-QAM調(diào)制轉(zhuǎn)變成復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)。對這64路數(shù)據(jù)取共軛得到另外64路復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過128點傅里葉逆變換（IFFT）計算后得到實數(shù)OFDM信號，加上循環(huán)前綴和訓(xùn)練序列后組成完整的OFDM符號幀，循環(huán)前綴用于克服信道中符號間串?dāng)_，訓(xùn)練序列用于符號同步。由于信道特性影響，丟棄前面兩個子載波和最后兩個子載波，用60個子載波組成OFDM基帶信號，1/4的符號周期用于循環(huán)前綴。OFDM數(shù)據(jù)的實部數(shù)據(jù)和虛部數(shù)據(jù)分別上傳到一個采樣率為10GS/s的任意波形發(fā)生器（AWG）產(chǎn)生IQ兩路模擬信號，然后兩路信號分別加載到含有IQ兩個端口的光學(xué)IQ調(diào)制器，輸出帶寬為2.5 GHz的電信號。外腔激光器（ECL）產(chǎn)生的光信號注入偏振分束器，分束器的一支連接延遲線用于延時；另一支連接IQ調(diào)制器。然后，兩路信號耦合到25 km的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，并連接一個摻鉺光纖放大器用于補償信道。

在接收端，另外一個外腔激光器產(chǎn)生的本振光信號注入到相干接收機，從接收機出來的信號經(jīng)過采樣率為10GS/s的示波器捕獲下來進行后續(xù)離線的數(shù)字信號處理，在接收端調(diào)節(jié)光衰減器以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的接收光功率。數(shù)字信號處理依次是符號同步，去除循環(huán)前綴，傅里葉變換，信道估計，相位噪聲補償和16QAM解調(diào)。解調(diào)出的信號經(jīng)過LDPC譯碼，譯碼出來的數(shù)據(jù)用于各個計算子載波的誤碼率。通過對比CO-OFDM系統(tǒng)譯碼前后的誤碼率，驗證LDPC碼的性能。

3 實驗結(jié)果與分析

為了研究基于LDPC碼的16QAM CO-OFDM系統(tǒng)，對每個子載波進行LDPC編碼，經(jīng)過25 km單模光纖之后，再對每個子載波進行譯碼，采用UMP BP_Based譯碼算法。計算每個子載波在有無LDPC編碼時的誤碼率。圖2給出了不同碼長和不同接收光功率條件下系統(tǒng)每個子載波的誤碼率性能分布。圖2（a）中LDPC碼長=2 304，碼率=1/2，接收光功率為-28 dBm；（b） LDPC碼長=960，碼率=1/2，接收光功率為-26 dBm。從圖2中可以看出，LDPC譯碼迭代次數(shù)為10時，加入LDPC碼可以把未加編碼時誤碼率低于1×10-3（FEC門限）的子載波的誤碼率降為0，由于解調(diào)信號的數(shù)據(jù)量有限，繪圖時用10-5量級代表最小量級，表示此子載波的誤碼率低于或遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于10-5。當(dāng)子載波的誤碼率高于FEC門限時，加入LDPC碼可以使子載波的誤碼率至少降低了一個數(shù)量級。當(dāng)譯碼迭代次數(shù)為5次時，各個子載波的性能要比迭代次數(shù)為10次時稍差。以上分析可以得出，由于LDPC碼加入冗余校驗比特對各個子載波進行冗余校驗比特的糾錯，可以很好的改善各個子載波的誤碼率性能。

為了進一步研究采用LDPC編碼的16QAM CO-OFDM系統(tǒng)的平均誤碼率性能，我們測試了LDPC碼采用不同的碼長和不同碼率條件下系統(tǒng)的平均誤碼率，如圖3所示。采用LDPC（960，480），LDPC（960，720），LDPC（2304，1152）三種碼型來研究系統(tǒng)的平均誤碼率，譯碼的迭代次數(shù)都為10次。此外，我們分析了碼長和碼率對相干光接收機靈敏度的影響?？梢钥闯?，在未采用LDPC編碼時，相干接收機的靈敏度在誤碼率為1×10-3時達到-27.5 dBm。圖3（a）、（b）、（c）所示的分別是系統(tǒng)采用LDPC（960，480）編碼時接收光功率為-20 dBm、-22 dBm、-26 dBm的星座圖，可以看到接收光功率越大，系統(tǒng)的星座圖越集中，系統(tǒng)性能越好。而且，在誤碼率為1×10-4時，LDPC（960，720）、LDPC（960，480）、LDPC（2304，1152）三種碼型的接收

光功率分別為-26.3 dBm、-27.8 dBm、-29.3 dBm。相比于未加LDPC碼的系統(tǒng)，三種碼型的接收光功率靈敏度分別提升了3.3 dBm，4.8 dBm，5.9 dBm?？梢缘贸?，當(dāng)碼率和譯碼迭代次數(shù)相同時，碼長越長的系統(tǒng)性能越好，當(dāng)碼長和迭代次數(shù)相同時，碼率越低的系統(tǒng)的性能越好，而且采用LDPC編碼，可以很好地改善系統(tǒng)的性能，并且提高了系統(tǒng)的傳輸可靠性。

4 結(jié)語

我們實驗研究了將不同碼率和碼長的LDPC碼應(yīng)用于16QAM CO-OFDM系統(tǒng)，搭建了實際的CO-OFDM系統(tǒng)的光鏈路，結(jié)合Matlab工具進行數(shù)字信號處理。從單個子載波的誤碼率和所有子載波的平均誤碼率分析了系統(tǒng)的性能。相比于未加LDPC編碼的系統(tǒng)，LDPC編碼的系統(tǒng)的各個子載波的誤碼率的性能都有較大的提升。當(dāng)子載波的平均誤碼率為1×10-4時，采用碼率為1/2的LDPC碼的CO-OFDM系統(tǒng)的接收靈敏度提升了5.9 dB。LDPC編碼通過加入冗余校驗比特對各個子載波比特數(shù)據(jù)進行糾錯，進而使CO-OFDM系統(tǒng)的性能得到較大的提升，并且提高了系統(tǒng)傳輸可靠性，證明了LDPC碼應(yīng)用在CO-OFDM系統(tǒng)中的優(yōu)越性。

參考文獻

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