Turbo-64QAM-OFDM光传输系统

刘 皎，孙 瑞，张 娜

（商洛学院商洛市人工智能研究中心，陕西商洛 726000）

1948年Shannon在发表的有关通信数学理论中最早提出信道容量的概念［1］。1993年，发明了近似Shannon信道容量极限的纠错编码和解码技术［2］，使得编码理论得到重视并取得长足的发展。Turbo码和LDPC码的发展使得在高速传输情况下近似Shannon极限传输成为可能［3-4］。交织技术的提出，并采用网格结构设计后，使得在无线通信领域中Turbo码性能又得到进一步发展。直到2000年OFC会议上，Omar AIT SAB等人才第一次提出把Turbo码用于光通信系统中，以实现较低的译码复杂度和较好的纠错性能［5-6］。Turbo编码能够有效地弥补光纤色散、长距离传输引起的信号衰减，提高可靠性，延长传输距离，同时降低了译码复杂度和高速光通信系统中硬件实现的复杂度［7］。本文重点将Turbo编码技术与光通信中的OFDM技术［8-9］相结合，设计出一种高速率、高编码增益、低误码率的编码调制光传输方案。

1 基于Turbo码的OFDM光传输系统方案及理论分析

基于Turbo码的OFDM光传输系统方案设计如图1所示。在系统发送端，首先输入比特流经过Turbo编码之后通过64QAM调制器进行星座映射，再使用串并转换器（S/P）转换成便于进行OFDM调制的并行序列。在OFDM调制过程中，主要采用快速傅里叶逆变换（IFFT）并增加循环前缀（CP）以减少码间干扰。从频域角度看，使用OFDM调制将使得在各子载波中心频点处其他子载波频率分量恰好为零，即满足各子载波之间的相互正交特性。由于OFDM中每个子载波信道响应都是频域平坦的，因此可以消除OFDM调制信号因信道传输所造成的失真。OFDM调制后的信号再经过数模转换（D/A）、低通滤波、频谱搬移之后，将电域OFDM子载波加载到光载波上，并输出至光纤链路进行传输。在接收端将OFDM信号进行探测后的电信号依次进入低通滤波器（LPF）、模数转换器（A/D）后，再进行去循环前缀处理、快速傅里叶变换（FFT）、符号判决、并串变换（P/S）、64QAM解调、Turbo译码后输出数据流。

图1 基于Turbo码的OFDM光传输系统框图Fig.1 System of OFDM optical transmission system based on Turbo code

2 Turbo编译码

2.1 Turbo编码

将Turbo编码与子载波灵活可调的光OFDM调制技术相结合，使得光纤通信的有效性及可靠性均得到相应的提升。在Turbo编码过程中将特定的冗余位添加到源信息，在其解码过程中再使用此冗余位进行检错并估计最可能的发射位。基于卷积编码器和交织器的排列情况可以将Turbo码设计为串行级联卷积码（SCCC）或者并行级联卷积码（PCCC）。基于Turbo码的PCCC编码器如图2所示，其编码过程为：使用一个N位交织器将二进制信息序列uk交织成为一个重新排列的新信息序列u'k，再将两个信息序列uk和u'k分别送入卷积编码器1和卷积编码器2中进行编码。Turbo编码器的输出码字最终由三部分组成，分别是输入信息序列uk、卷积编码器1产生的校验序列x1p和卷积编码器2产生的校验序列x2p。在Turbo编码过程中，交织是其最为关键的一部分，可最大化输出信号的随机性。卷积编码以移位寄存器和模2加法器为核心实现，是一种高效的位映射。

图2 Turbo编码器结构图Fig.2 Turbo encoder structure

2.2 Turbo译码

常用的Turbo译码结构如图3所示，由两个软输入软输出（SISO）译码器串行级联而成。在其译码过程中，其中一个分量译码器的外信息作为另一个分量译码器2的先验信息，同时为了使该分量译码器输出的外信息与另一个分量译码器接收到的信道软信息对应，在两个分量译码器间使用一个交织器和解交织器将其连成一个循环结构。

图3 Turbo译码器结构图Fig.3 Turbo decoder structure

当译码器对接收到的含噪信号进行译码时，首先需要对接收到的序列做解复用处理，得到ysk，y1pk和y2pk，其中，y sk是编码器输出的消息序列uk经噪声信道传输后得到的序列，y1pk是编码器输出的校验序列x1p经噪声信道传输后得到的序列，y2pk是编码器输出的校验序列x2p经过噪声信道传输后的序列。分量译码器1的输入序列是y sk和校验序列y1pk，分量译码器2的输入序列是ysk和经过交织得到的校验序列y2pk；L1(uk|r)和L2(uk|r)分别是两个分量译码器1和2的输出对数似然比值（LLR）。利用这两个LLR值，通过公式（1）计算可得到两个外信息，即Le1(uk)和Le2(uk)值，这两个译码单元之间外部信息的传输构成了一个循环迭代结构。

在信噪比不变情况下，由于外部信息的作用，可以通过增加循环迭代次数而达到降低误码率的目的。但是，循环迭代次数增加的同时会使得外部信息与内部信息的相关性逐渐增加，此时外部信息所能够提供的纠错能力又会随之减弱。因此，在进行一定循环迭代次数之后，外部信息将趋于稳定，此时的LLR值将逼近所有码的最大似然译码，对该似然比值做硬判决，便可得到信息序列uk的最佳估值序列。

3 Turbo-OFDM光传输系统仿真与分析

OFDM信号对信道衰落和噪声具有很好的容忍性。在OFMD信号中，由于各子载波间彼此正交，在克服符号间干扰（ISI）的同时，提高了频带利用率。将OFDM调制与Turbo编码相结合可以进一步提升系统的误码性能。在实际应用中，为了便于接收端做信道估计，通常在OFDM每个符号中插入1/4长度的循环前缀。利用OptiSystem软件并结合Maltab进行TCM-64QAM-OFDM编码调制信号的光传输系统仿真，研究基带速率、编译码算法、级联算法、调制格式、入纤光功率等的变化对系统性能的影响。仿真系统发送端结构如图4（a）所示，首先将二进制数据流输入至Matlab Component中，通过Matlab程序对信号进行Turbo编码、64QAM映射、快速傅里叶逆变换（IFFT）、并串变换等一系列处理，完成信号的Turbo-64QAMOFDM编码调制过程后输出I/Q两路信号，再采用光IQ调制方法将已调信号加载到光载波上，产生光Turbo-64QAM-OFDM信号，并将其送至光纤链路进行传输。

系统的接收端如图4（b）所示，当光信号到达接收端时，将信号光与本振光源进行相干耦合，再对干涉后的光场做平衡探测输出I/Q两路解调信号，最后将该信号送入至Matlab Component进行串并变换、快速傅里叶变换（FFT）、并串变换、64QAM去映射、Turbo译码，并估算出信道传递函数，取平均值后用迫零法对接收信号进行补偿。

图4 Turbo-64QAM-OFDM编码调制系统发送接收装置Fig.4 Transmitting and receiving device of Turbo-64QAM-OFDM coded modulation system

Turbo译码过程中采用BCJBR算法，图5给出了当输入信噪比为20 dB时，不同码率情况系统误码率的对比曲线，从图5可以看出，低码率情况下系统性能更优。

图5 不同码率情况下系统误码对比Fig.5 Comparison of different code rates

图6给出了采用不同调制、编码技术后，误码率随输入光信噪比的变化曲线。如图6所示，在误码率为10-3时，采用了Turbo-64QAM-OFDM编码调制系统的OSNR比64AQM-OFDM调制系统的OSNR降低了3 dB，比只采用64QAM调制系统的OSNR降低了5 dB。即在同样的误码率情况下，Turbo-64QAM-OFDM编码调制系统的入纤光功率要求更低，则该系统受到的非线性效应影响也就越小。当输入OSNR为11 dB时，Turbo-64QAMOFDM编码调制系统的误码率可以降至10-6，能够在不拓展系统带宽的同时达到低误码性能要求。

图6 不同调制编码技术后误码率随OSNR变化对比Fig.6 Comparison of BER vs OSNR for different modulation and coding

4 结 论

本文将Turbo编码技术引入到OFDM调制光传输系统中，提出了一种适用于高速光通信的编码调制方案，即Turbo-64QAM-OFDM光传输方案。该方案能够在不拓展系统带宽的条件下，提升了系统的可靠性，并具有较高的编码增益。搭建的Turbo-64QAMOFDM光传输仿真系统，结果表明在输入OSNR为11 dB时，系统误码率能够很好地满足通信质量要求。