（光学工程专业论文）基于无线光通信的增强型fec研究.pdf

i s3 譬l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 ，签名：蛀墨茎圭 日期：土。i 口年厂月“日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：董辫导师签名： 日期：历，口年f 月“日 摘要 摘要 相对现有的微波通信技术，无线光通信技术有着自身的优势成本低廉、 无需频率申请、信息容量大、设备尺寸小、保密性好等。但是，以大气为传输媒 质的无线光通信也有其缺点，特别是大气衰减和大气湍流对激光信号的吸收与散 射、随机干扰等严重地阻碍了无线光通信的发展。从大气衰减和大气湍流对无线 光通信的激光信号影响研究结果表明，大气衰减对激光信号所带来的噪声主要引 发随机错误，其错误均匀的发生在激光信号的所有码字当中；而大气湍流对激光 信号所带来的噪声主要引发突发错误，其错误集中的发生在激光信号某一个位置 的一连串码字上。因此在针对无线光通信信道的特殊性，必须选择一个合适的纠 错能力强的前向纠错( f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n , f e c ) 技术方案。 本文从无线光通信信道的特殊性出发，设计了一种适合于无线光通信的e f e c ( e n h a n c e df e c ，增强型f e c ) 结构外码( r s ) + 交织器+ 内码( r s ) 年交织器。其中， 交织器的关键性作用就是对信息码字中的码元符号打乱重排，目的在于将突发错 误均匀的分配到不同的码字当中。在该e f e c 结构下，对不同的r s 级联码卅s + 卷积码、r s + b c h 级联码以及r s + r s 级联码做了详细的仿真研究和性能分析。仿 真结果表明，在相同码率下，r s + r s 级联码具有更高的编码增益。在此基础上针 对无线光通信的缺点提出了一种有效的具体解决方案一s ( 2 5 5 ，2 3 9 ) + r s ( 3 1 ，2 1 ) 级联码，并对该方案中的交织器在级联码中不同位置对纠错性能的影响进行了仿 真分析。从仿真结果可以看出，交织器的采用和选择交织器合适的位置大大提高 了r s + r s 级联码的编码增益。 另外，本文也设计了一套应用于无线光通信的e f e c 系统，包括f p g a 处理 模块、光收发模块等，其中f e c 部分采用r s ( 2 5 5 ，2 3 9 ) + c o n v ( 2 ，l ，9 ) 级联码方案。 对于一个无线光通信系统来说，如果要达到一个较好的性能，其接收模块是至关 重要的。因此本文也设计了一个改进的光接收模块，相比之下，其接收灵敏度改 善了近2 5 船。最后对整个e f e c 系统进行了性能测试，在接收光功率为3 7 7 4 d b m 时，经过f e c 后，可以实现无误码输出。 关键词：无线光通信，e f e c ，级联码，f p g a ，光收发模块 i r e l a t i v et ot h ee x i s t i n gm i c r o w a v ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，w i r e l e s s o p t i c a l c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yh a si t so w na d v a n t a g e s ，l o wc o s tn o 疔e q u e n c ya p p l i c a t i o n ， l a r g ei n f o r m a t i o nc a p a c i t y ，s m a l ls i z eo fe q u i p m e n t ，h i g hs e c r e c y ，e t e h o w e v e r ， w i r e l e s so p t i c a lc o m m u n i c a t i o nb yt r a n s m i s s i o nm e d i u mi nt h ea t m o s p h e r ea l s oh a si t s i n h e r e n td i s a d v a n t a g e s ，e s p e c i a l l ya t m o s p h e r i ca t t e n u a t i o na n da t m o s p h e r i ct u r b u l e n c e o nt h ea b s o r p t i o n , s c a r e f i n ga n dr a n d o mt u r b u l e n c eo fl a s e r s i g n a l s ，a n ds e r i o u s o b s t a c l et ot h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s so p t i c a lc o m m u n i c a t i o n f r o mt h ea t m o s p h e r i c a t t e n u a t i o na n da t m o s p h e r i ct u r b u l e n c ea f f e c t i n gt h eo p t i c a l s i g n a l si nt h ew i r e l e s s o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n , t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a tt h ea t m o s p h e r i ca t t e n u a t i o n c a u s e dl i g h ts i g n a ln o i s eb yt h er a n d o me r r o r sm a i n l y ，b u tt h ea t m o s p h e r i ct u r b u l e n c e c a u s e db yt h eb u r s te r r o rm a i n l y ，w h i c hw a sc o n c e n t r a t e di na p o s i t i o no ft h eo p t i c a l s i g n a li nac o d e w o r d t h e r e f o r e ，a i m i n ga tt h ec h a n n e lp a r t i c u l a r i t yf o rw i r e l e s so p t i c a l c o m m u n i c a t i o n , w em u s tc h o o s ea n a p p r o p r i a t ef e c ( f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ) t e c h n o l o g ys o l u t i o nw h i c hh a sl a r g ec o r r e c t i o nc a p a b i l i t y f r o mt h ec h a n n e lp a r t i c u l a r i t yo fw i r e l e s so p t i c a lc o m m u n i c a t i o n , t h ee f e c ( e n h a n c e df e c ) s t r u c t u r e ( o u t e rc o d e ( r s ) + i n t e r l e a v e r + i n t e r n a lc o d e ( r s ) + i n t e r l e a v e r ) s u i t a b l ef o rw i r e l e s so p t i c a lc o m m u n i c a t i o nw a sd e s i g n e d t h ek e yr o l eo f i n t e r l e a v e ri nt h i ss t r u c t u r ew a st od i s r u p ta n dr e a r r a n g et h e s y m b o l si nd i f f e r e n t c o d e w o r d s ，a i m i n ga ta s s i g n i n gt h eb u r s te r r o r se v e n l yi n t ot h e d i f f e r e n tc o d e w o r d s u n d e rt h ei m p r o v e d s t r u c t u r e ，d i f f e r e n tk i n do fc o n c a t e n a t e dc o d e s r s 卜 c o n v o l u t i o n a lc o d e ，r s + b c hc o n c a t e n a t e dc o d e sa n dr s + r sc o n c a t e n a t e dc o d e w e r es i m u l a t e d ，a n di t sp e r f o r m a n c ew a sa n a l y s i s e di nd e t a i l ；a l le f f e c t i v es o l u t i o n p r o g r a m r s ( 2 5 5 ，2 3 9 ) + r s ( 31 ，2 1 ) c o n c a t e n a t e dc o d e sw a sp r o p o s e da c c o r d i n gt o t h ei n h e r e n ts h o r t c o m i n gi nw i r e l e s so p t i c a lc o m m u n i c a t i o n , a n di n t e r l e a v e ro ft h e p r o g r a mi nd i f f e r e n tp o s i t i o n s i nt h ec o n c a t e n a t e dc o d ep e r f o r m a n c eo ft h ee r r o r c o r r e c t i o nw e r es i m u l a t e da n d a n a l y z e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o d i n g g a i no fr s + r sc o n c a t e n a t e dw a si m p r o v e dg r e a t l yb e c a u s eo fi n t e r l e a v e ra d o p t e da n d t h ea p p r o p r i a t el o c a t i o no fi n t e r l e a v e rs e l e c t e di nt h ei r e p r o v e ds t r u c t u r e n i na d d i t i o n ，ae f e cs y s t e ma l s ow a sd e s i g n e df o rw i r e l e s so p t i c a lc o m m u n i c a t i o n , i n c i u d i n gt h ef p g ap r o c e s s i n gm o d u l e ，o p t i c a lt r a n s c e i v e rm o d u l e ，s o m e o fw h i c hf e c a d o p t e dr s ( 2 5 5 ，2 3 9 ) + c o n v ( 2 ，1 ，9 ) c o n c a t e n a t e d c o d e ss c h e m e i f y o uw a n t t oa c h i e v e ab e t t e rp e r f o r m a n c ef o raw i r e l e s so p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ：s y s t e m ，t h eo p t i c a lr e c e i v e r m o d u l ei sv e r yi m p o r t a n t t h i sa r t i c l eh a sa l s od e s i g n e da ni m p r o v e do p t i c a lr e c e i v e r m o d u l e ，i m p r o v i n gt h er e c e i v e rs e n s i t i v i t yn e a r l y2 5d bb yc o n t r a s tw i t hac o m m o n o n e f i n a l l y ，t h ep e r f o r m a n c eo f t h ee n h a n c e df e cs y s t e mw a st e s t e d ，a n dw h e nt h e r e c e i v e do p t i c a lp o w e ri sa t 3 7 7 4d b m ，e r r o r - f r e eo u t p u tc a na c h i e v ea f t e rf e c 、 k e y w o r d s ：w i r e l e s so p t i c a lc o m m u n i c a t i o n , e f e c ( e n h a n c e df e c ) ，c o n c a t e n a t e d c o d e s ，f p g a ，o p t i c a lt r a n s c e i v e rm o d u l e i i i 目录 目录 第一章绪论1 1 1 无线光通信基本原理及系统结构1 1 2 无线光通信的优点与缺点3 1 2 1 无线光通信的优点3 1 2 2 无线光通信的缺点4 1 3 无线光通信中f e c 的应用现状5 1 4 增强型f e c 的发展和现状6 1 5 本文的研究目的和内容8 第二章无线光通信中e f e c 的结构1 0 2 1 大气对无线光通信的影响1 0 2 2 1 大气衰减效应1 0 2 1 2 大气湍流效应1 2 2 2 差错控制方式1 2 2 2 1a r t 1 2 2 2 2f e c ，1 3 2 3 增强型f e c 的基本结构1 4 2 4 应用于无线光通信中e f e c 的改进型结构1 5 2 5 交织器1 6 2 5 1 周期交织1 6 2 5 2 随机交织1 8 2 6 本章小结1 9 第三章r s 码基本原理及其编译码算法仿真2 0 3 1 有限域理论2 0 3 1 1 有限域的本原多项式2 l 3 1 ：2 有限域的加法和乘法2 2 3 1 3r s 码的生产多项式2 2 3 2r s 编码原理2 3 3 3r s 译码原理2 3 3 3 1 计算伴随多项式2 4 3 3 2 求解关键方程一- 。：2 5 3 3 3 钱( c h i e n ) 搜索2 8 3 3 4 福尼( f o r n e y ) 算法2 9 3 4r s ( 2 5 5 ，2 3 9 ) 的m a t l a b 算法仿真3 0 3 4 1r s ( 2 5 5 ，2 3 9 ) 编码算法仿真3 0 i v 目录 3 4 2r s ( 2 5 5 ，2 3 9 ) 译码算法仿真3 1 3 5 本章小结3 3 第四章r s 级联码的系统仿真和性能分析3 4 4 1m a t l a b 中的s i m u l i n k 简介：3 4 4 2r s + r s 级联码的编译码原理3 6 4 2 1r s + r s 级联码的编码原理3 6 4 2 2r s + r s 级联码的译码原理j 3 7 4 3r s 级联码的系统仿真一3 8 4 3 1r s + 卷积码的性能分析：3 8 4 3 2r s + b c h 的性能分析4 1 4 3 3r s + r s 的性能分析4 2 4 3 4r s 级联码在相近码率下的性能分析4 3 4 4r s + r s 级联码在改进型结构下的性能分析4 4 4 5 本章小结4 5 第五章无线光通信中e f e c 系统设计、4 7 5 1e f e c 系统的总体设计4 7 5 1 1 硬件结构设计：4 7 5 1 2 软件结构设计：5 0 5 2 卷积码的功能仿真：5 3 5 2 1 卷积码的编码5 3 5 2 2 卷积码的并行译码：，5 4 5 3 无线光通信系统接收模块的设计：j 5 9 5 3 1 无线光通信系统接收模块的结构设计5 9 5 3 2 光接收模块中的器件选择6 0 5 3 3 原理图设计和p c b 制作6 1 5 3 4 接收模块硬件调试6 3 5 4 本章小结6 4 第六章无线光通信中e f e c 系统的性能测试与结果分析6 5 6 1 测试平台介绍6 5 6 2 无线光通信中e f e c 系统测试6 7 6 2 1 不带e d f a 测试结果6 8 6 2 2 带即f a 测试结果；j ：6 9 6 2 3 改进后光接收模块的测试结果7 2 6 3 本章小结7 5 第七章全文总结与展望7 6 7 1 全文总结7 6 7 2 课题展望7 7 v 致谢 参考文献 在校期间的研究成果 v i 第一章绪论 第一章绪论 在当今的信息时代，用户对通信的需求越来越广泛和频繁，对通信服务的带 宽和可移动性的要求不断增加，大带宽的无线通信技术是必然的选择。目前主要 的通信传输媒介为光纤加微波的模式，在过去的十年中，光纤以大带宽、抗干扰、 低衰减等优点逐渐取代了铜线成为了有线通信的主要传输媒质；而在无线通信中， 发射的频率逐渐向微波等更高的频率发展：通信的载体逐渐由电信号向光信号发 展。近年来，随着e d f a ( e r b i u m - d o p e x io p t i c a lf i b e ra m p l i f i e r , 掺铒光纤放大器) 和 d w d m ( d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，密集波分复用) 等技术的相继成 熟，激光通信的应用范围逐渐渗透到各个领域。激光通信相对于光纤通信的另一 个应用就是无线光通信，相对微波通信，无线光通信成本低廉、无需频率申请、 信息容量大、设备尺寸小、保密性好，基于上述诸多优点无线激光通信有较广泛 的应用前景，并且已经成为了解决“最后一公里”瓶颈问题的最有效途径之一。但是， 以大气为传输媒质的无线光通信也有其缺点，如：大气对激光信号的吸收与散射、 大气湍流的不稳定性对激光信号的干扰、发射功率以及通信距离受限。 1 1 无线光通信基本原理及系统结构 无线光通信主要分为三种：大气光通信、空间光通信和水下无线光通信技术。 本文研究的范围为大气无线光通信【lo 。 大气无线光通信是以激光作为信息载体、以大气为传输媒质的无线通信方式， 也就是利用激光束作为信道在空间直接进行语音、数据、图像等信息双向传输的 一种技术，又称为“自由空间光通信”( f r e es p a c eo p t i c a le o m m t m i c a t i o n , f s o ) 或者 “无线光网络”( w i r e l e s so p t i c a ln e t w o r k ，w o n s ) u 。 无线光通信系统的结构与光纤通信系统的结构基本类似，区别在于信道由光 纤变为大气介质，其系统结构包括发送部分和接收部分，如图l - l 所示。发送部分 主要包括发送端数字信号处理模块和光发射模块，发送端数字信号处理模块包括 对发送前的有效信息进行信道编码、封装成帧、扰码、并串转换等一系列的预处 理：而光发射模块包括激光器( l a s e rd i o d e ，l d ) 、驱动电路、a p c ( a u t o m a t i cp o w e r c o n t r o l ，自动功率控制) 、a t c ( a u t o m a t i ct e m p e r a t u r ec o n t r o l ，自动温度控制) 、光放 电子科技大学硕士学位论文 大器( e d f a ) 和光学发射天线1 1 1 ，其中l d 驱动电路如图1 2 所示。其中a p e 控制 l d 输出功率，a t c 控制l d 的温度，保证其正常有效的工作。e d f a 是将l d 发 出的光信号进行放大，增大发射光功率，发射的光功率越大，系统传输的距离就 越长或者说是系统所允许的损耗就越大。 曲；1 万 图1 - 1 无线光通信系统结构 7 输出光信号 图1 - 2 l d 驱动电路 接收部分主要包括光接收模块和接收端数字信号处理模块，如图1 3 所示，光 接收模块包括光学接收天线、光电探测器、无光警告、前端放大器和主放大器； 接收端数字信号处理模块包括对解调后的数字信号进行同步、解扰、解帧、速率 调整、译码等。其中本文的无线光接收模块的设计不包括光学天线。 整形后的数据 恢复后的时钟 图1 - 3 接收模块的结构 光电探测器功能就是将光学接收天线接收到的光信号转换为电信号，衡量一 个光电探测器的主要性能也就是信号响应带宽和接收灵敏度。在无线光通信中， 由于传输距离远，天气条件恶劣等因素对光信号损耗很大，为了对质量较差的光 信号进行检测，必须采用高灵敏度的光电检测器。p i n 光电二极管和a p d ( a v a l a n c h e p h o t od i o d e ) 雪崩光电二极管都是目前通用的光电探测器。a p d 雪崩二极管相对于 p i n 光电二极管来说有更高的接收灵敏度。 2 栩 第一章绪论 经过光电探测器的电信号是相当微弱的，必须对其放大，对电信号放大主要 有前端放大器和主放大器。作为光接收机的关键部分，前置放大器的性能在很大 程度上决定了整个光接收机的性能。前端放大器主要有低阻抗、高阻抗和跨阻抗 ( t r a m i m p e d a n c ea m p l i f i e r , t i a ) 三种形式。如果前端放大器的放大增益为g ， 对于跨阻抗放大器的负反馈可以使有效输入阻抗降低了g 倍，同时，使其带宽比 高阻抗增加了g 倍，动态范围也同时提高，所以跨阻抗放大器具有频带宽、噪声 低、灵敏度高、动态范围大等优点，因此在无线光接收系统中主要采用t i a 形式 的前端放大器。 主放大器有两种实现方式：自动增益控制放大器和限幅放大器。自动增益控制 放大器利用输出信号的电压幅度，通过反馈环路来自动地控制放大器的放大增益。 由于自身的构造原理，其达到稳定工作状态的时间较长，且硬件电路实现复杂， 占用的芯片面积较大。相对于限幅放大器具有设计简单、功耗低、芯片面积小和 外接元件少的优点，并且在市面上看来，大多的限幅放大器已经集成数据整形和 时钟再生等功能，如：m a x 3 8 7 2 。目前选择采用限幅放大器的形式来实现光接收 机的主放大器已经相当广泛。 1 2 无线光通信的优点与缺点 1 2 1 无线光通信的优点 无线光通信作为一种新型的通信方式，其潜在的应用优势巨大，越来越引起 人们的重视。相对于微波通信方式来说，无线光通信的具体优势主要体现在以下 几个方面1 1 0 j ： 1 ) 、频率资源丰富，无须授权使用 无线光通信是以激光作为载体传输信息，激光频率比微波频率高3 5 个数量 级，频率资源相当丰富，并且设备之间不存在干扰，因此不像射频的频率资源由 国家或国际机构管理，光波频率资源的使用目前没有受到限制，既不需要申请任 何频率执照，也不需要交纳任何频率占用费。 2 ) 、频带宽，速率高，通信容量大 由香浓公式可知，通信容量c 与带宽w 成正比。由于无线光通信多使用红外 激光作为光源，其波长为o n 量级，比起无线电波及微波的波长要小得多，因此， 相应的光波的频率也就要高得多、带宽要大很多。一般而言其通信容量也就要比 电子科技大学硕士学位论文 无线电波和微波要大得多。 3 ) 、方向性强，保密性高 由于激光光束的发散角通常都在亚毫弧度数量级，甚至微弧度数量级，因此 光波具有良好的方向性。在无线光通信中，使其传输的信息很难被截获，因此具 有高度的保密性，这一点对军事应用尤其重要。 ：4 ) 、设备尺寸小，架设灵活便捷 由于光波波长极短，只有零点几微米到几十微米，在相同条件下天线尺寸要 比微波、毫米波通信天线尺寸小得多，随着近年来集成光学器件的不断发展，光 通信设备的体积也将变得越来越小，因而在组网和架设更加方便快捷。另外，可 以在极短的时间内把宽带信道接到任何地方，无需铺设光纤，因此大大缩短了施 工周期。 5 ) 透明传输，适用任何协议 无线光通信以光波为载体，将数据、语音、视频和图像等各种信息直接加载 到光波上透明传输，适用于s d h 、s o n e t 、a t m 、f d d i 和以太网等一系列的通 信协议。 此外，无线光通信还有功耗低、价格低廉等众多的优点。 1 2 2 无线光通信的缺点 同时，无线光通信也存在着一系列的问题，一段时间以来，无线光通信技术 难以得到应有的发展和推广应用。这主要原因还是由于激光信号在大气中传输时 大气对激光信号的吸收和散射等使得激光信号的能量在传输过程中逐渐衰减，而 不能远距离传输。特别是在浓雾的情况下，激光信号的能量衰减会大大增加，甚 至会通信中断。因此，在无线光通信传输中，传输的距离长短几乎完全取决于光 源功率的大小，与其他通信方式相比无线光通信传输距离相对较小。在近地大气 无线光通信中影响通信性能的主要因素包括：大气衰减和大气湍流。 无论是大气衰减还是大气湍流，对光信号所带来的最终结果就是引入了噪声， 实际上相当于在接收 这将使得数字激光通 噪比，也可以采用前 信噪比可以采用大功 激光波长。但是由于 r p 点 l 第一章绪论 率，另外接收机的灵敏度也受到器件工艺限制，因此单一的提高接收机的灵敏度 还是不能完全解决恶劣天气的无线光通信问题。因此在这种情况下，f e c 技术应 用于无线光通信的研究逐步得到了重视。尽管如此，国内外在基于无线光通信信 道的f e c 技术方面的研究还少之又少。 在通信系统中，采用f e c 技术，可以将误码控制在一定范围之内，极大的提 高系统的可靠性。f e c 技术通过在传输信息码字中加入冗余校验位，在一定条 件下，通过译码可以自动纠正传输过程中出现的错误码元，降低接收信号的 误码率( b i te r r o rr a t e ，b e r ) ，提高系统可靠性。衡量f e c 纠错能力的指标 称为“f e c 编码增益”，该增益越高表示纠错性能越强。 1 3 无线光通信中f e c 的应用现状 在1 9 4 8 年，信息论及数字通信时代奠基人克劳德香农( c l a u d ee l w o o d s h a n n o n ) 提出了著名的香农定理，在定理中描述了有限带宽和有随机热噪声的信 道最大传输速率与信道带宽、信噪比之间的关系。香农定理的中心论题是：如 果系统的信息传输速率小于信道容量，则通过选择适当的纠错码技术就能够实 现可靠通信。 上世纪5 0 年代至6 0 年代，这是纠错码从无到有的迅速发展年代。在香农 定理提出后两年，汉明( r i c h a r dw h a m m i n g ) 于1 9 5 0 年发现了第一类用于纠错 的线性分组码汉明码。除了汉明码外，于1 9 4 9 年格雷构造了唯一一个非平 凡的二进制完备码格雷码( 2 3 ，1 2 ) 。1 9 5 4 年，穆勒( d a v i de m u l l e r ) 构造了 第二类线性分组码里德穆勒码，并设计出了该码的第一个译码算法。此后， 相继出现了硬判决和软判决译码算法，里德穆勒码的r e e d 译码算法为一种大 数逻辑算法，这些译码算法均成为后继出现的卷积码和循环码的核心译码算法。 在1 9 6 0 年，二进制b c h 码和多进制b c h 码- r s ( r e e d s o l o m o n ) 码相继被 发现，此后，b m ( b e r l e k a m p m a s s e y ) 迭代译码算法和e u c l i d e a n 译码算法及其其改 进形式成为了b c h 码和r s 码的主流译码算法。 1 9 5 5 年，e l i a s 等人提出了不同于分组码的另外一种纠错码卷积码u j ， 是一种非常有前途的编码算法。随后，相继提出了该码的次优译码算法序 列译码和门限译码。v i t e r b i 于1 9 6 7 年提出的最大似然译码算法【1 1 1 ，该译码算法 易于实现软判决译码。于2 0 世纪7 0 年代，卷积码的v i t e r b i 译码算法和软判决 的序列译码首次应用于深空和卫星通信。另外一个系统反馈卷积码- t 1 l r b o 码 5 电子科技大学硕士学位论文 由b e r r o u 等人于1 9 9 3 被引入，t u r b o 码编码技术的两个基本思想【l l j ：一是能够 产生类随机特性码的编码方案，二是软输入软输出结合迭代译码算法的译码方 案。在a w g n 信道下，这两个基本思想使得t u r b o 码在码率为1 2 时达到误比 特率b e r 1 0 - 5 时，信噪比毛6 仅为约o 7 船，这种情况下达到信道容量的理 想信噪比磊m 值为o d b ，远远超过了其他的编码方式。除t u r b o 码之外，低密 度奇偶校验( l d p c ) 码是另外一类逼近香农限( 信道容量) 的纠错码。但是， t u r b o 码和l d p c 码的高编码增益都是以译码复杂度为代价的。 虽然纠错码在不断的发展，相应的好码及其最优译码算法不断的提出，但 是应用于无线光通信的纠错码领域研究还少之又少。f r e d e r i cm d a v i d s o n 等人 于1 9 8 8 年做了基于无线光通信系卷积码的性能分析【2 引。1 9 9 3 年，t o m o a k i o h t s u k i 等人对r s 码在直接检测光信道中的性能分析。1 9 9 8 年，k a m r a nk i a s a l e h 等人研究了t u r b o 码在卫星光通信中的特性。2 0 0 3 年，s a s w a tp a n i g r a h i 等提出 一种软输入的r s 级联码译码算法。同时，i t u t 针对光通信系统开展了一系列 的前向纠错( f e c ) 码研究，相继提出了若干与此相关的建议( 如g 9 7 5 、g 7 0 9 和 q 9 7 5 1 等) 。在q 9 7 5 1 建议中1 4 6 。，重点提出了e f e c 在光通信系统中的应用。 该e f e c 包括r s + 卷积码级联码、r s + b c h 级联码、b c h + b c h 级联码、r s + r s 级联码、l d p c 码等。可见，就目前e f e c 在无线光通信中应用等研究更是微不 足道。因此，本文重点研究了e f e c 在无线光通信中的应用。 1 4 增强型f e c 的发展和现状 作为差错控制编码最为有效的技术f e c 技术，是一种数据编码技术，在 发送端对数据信息进行编码并附加上校验位信息，在接收端按照相同的协议检测 来至发送端的数据信息。在f e c 技术中，接收端不但能发现差错，而且能估计码 元发生错误的位置，从而加以估值纠正，降低接收信号的误码率。标准f e c 一般 可以为光链路增加5 6 d b 的编码增益，如r e e d s o l o m o n ( r s ) ( 2 5 5 ，2 3 9 ) 码，一般称 为第一代f e c ，现在正在进行第二、三代f e c ( e f e c ) 的研究，第二代f e c 主要采 用级联( r s + 卷积码、r s + r s 、b c h + r s 、b c h + b c h 等) ，可提供8 d b 的编码增益， 第三代f e c 的研究主要集中在t u r b o 码和l d p c 码上，它可提供接近香农限的编 码性能( 近1 0 扭) 。 实际上，f e c 按照校验位所占得频带资源可以分为带外f e c 和带内f e c 。带 外f e c 是指在s d h 层下面另外增加一个f e c 层，在该层专门用于f e c 的处理。 6 t l - 第一章绪论 这种方式需要进行码速调整，增加了线路码率，从而提高了系统的成本和复杂度。 i t u tg 9 7 5 g 7 0 9 标准支持的即为带外f e c 。g 9 7 5 标准规定利用r s ( 2 5 5 ，2 3 9 ) 格 式编码，在每一帧的后面插入检验位，编码冗余度为7 。g 7 0 9 标准规定使用 r s ( 2 5 5 ，2 3 8 ) 格式编码，编码冗余度更大。带外f e c 编码不受带宽资源限制，冗余 度更大，纠错能力更强，编码增益也就更高，一般可达到5 6d b ，并且可方便的 插入f e c 检验位而不受s d h 帧格式的限制，具有较强的灵活性。 带内f e c 是指将检验位映射到s d h 帧结构中，即利用未使用的开销字节传送 f e c 的校验位，相对于带外f e c ，这种方法避免了码速调整，降低了系统的成本 和复杂度。但这种方法的译码延时比带外f e c 的稍大，并占用了部分开销，同时 由于校验位可获得的带宽受限，从而使其纠错性能受到一定影响。i t u t ( 2 7 0 7 标 准支持的带内f e c 利用s d h 帧中的一部分开销字节装载f e c 码的检验位。其优 点是不改变数据传输速率，但由于帧开销中可利用的字节数和帧长度有限，所以 编码增益较小，一般只有3 4d b 。常采用b c h 格式编码。 应用在4 0 g b i t s w d m 系统中的f e c 技术主要是e f e c 技术，其特点是引 入级联信道编码等大增益编码技术，适用于时延要求不高、编码增益要求特别 高的系统，涉及的码型包括r s 级联码、b c h 级联码、分组t u r b o 码等。在同 等编码冗余度下，e f e c 可以较标准带外f e c ( g 9 7 5 g 7 0 9 ，5 6 d b 编码增益) 提供额外的1 3d b 编码增益。e f e c 技术还没有统一的标准，甚至没有统一的 名称，各个厂商的编码技术都不尽相同，编码冗余度差别很大，主要有7 、1 1 、 1 2 5 等几种，最大可以提供1 0 d b 的编码增益( b e r 1 0 。1 5 ) 。目前在4 0 g b i t s 速率上直接进行编解码的f e c e f e c 芯片已经出现，f e c 的应用已经没有技术 障碍，需要进一步推动的是标准化进程、性能的提高和成本的降低。 随着i t u t ( 2 9 7 5 和( 3 9 7 5 1 等协议规范相继提出后，e f e c 逐渐的被重视， 并且应用范围不断扩大。早在1 9 8 7 年，p a u lc h e r s h e y 等人对r s + b c h 级 联码在卫星信道中的纠错性能做一定的仿真分析h 羽。1 9 9 4 年，y a s u oh a r a d a 等 人对r s + 卷积码的纠错性能做了简要的分析h 。2 0 0 3 年，陈德华等人采用超强 f e c 技术在1 6 0 o n 无中继传输后的纠错性能做了分析1 。2 0 0 4 年，张强等人将 超强f e c 技术应用到在超长距离光传输系统中，取得了很好纠错性能h 钔。2 0 0 6 年，s a t o s h ig o u n a i 等人构造了一种新的l d p c + r s c 级联码h 羽。2 0 0 7 年，袁建 国等人研究了光通信系统中一种新颖的级联码型陋1 。2 0 0 8 年，c h r i s t i a nk o l l e r 等人提出了一种应用于t u r b o 码中的新型混合级联结构m 1 。 据报道，目前已成功地把第三代f e c 用于海底光线通信系统中，获得了很好 7 ，廖 电子科技大学硕士学位论文 的纠错能力。有些学者正在研究将第三代f e c 和拉曼放大器及高质量大功率光发 射器件相结合以实现长距离乃至超长距离无中继高速光纤通信，并已经取得了不 错的性能。 随着软硬件技术的发展，光通信系统逐步引入了级联信道编码等大增益编码 技术，进行e f e c 的研制，主要应用于时延要求不严、编码增益要求特别高的光 通信系统。涉及的码型包括r s 级联码、分组t u r b o 码和g o p p a 码等。级联码不仅 具有较强的纠正突发错误、随机错误的能力，提供更大的编码增益，而且更重要 的是可以利用其构造方法，达到信道编码定理所给出的码限。虽然e f e c 的编译 码过程比较复杂，目前还较少应用，但由于其性能优势，必将发展成为一项实用 技术，并成为下一代带外f e c 的主流。 1 5 本文的研究目的和内容 本文重点讨论了e f e c 技术在无线光通信中的应用。首先针对无线光通信的 缺点加以分析和研究，对不同的r s 级联码_ r s + 卷积码、r s + b c h 级联码以及 r s + r s 级联码做了详细的仿真研究和性能分析，提出了一种适合于无线光通信的 e f e c 解决方案圳s ( 2 5 5 ，2 3 9 ) + r s ( 3 1 ，2 1 ) 级联码，并对该方案中的交织器在级联 码中不同位置对纠错性能的影响进行了仿真分析。另外，本文还介绍了e f e c 技 术应用于无线光通信系统中的设计，包括f p g a 处理模块、光收发模块等，其中 f e c 部分采用r s ( 2 5 5 ，2 3 9 ) + c o n v ( 2 ，1 ，9 ) 级联码方案。对于一个无线光通信系统来 说，如果要达到一个较好的性能，其接收模块是至关重要的。因此也设计了一个 改进的光接收模块，其接收灵敏度改善了近2 5 棚。最后对无线光通信e f e c 系统 进行了详细的性能测试。 本文大致结构如下： 第一章主要介绍了无线光通信的结构原理以及发展现状