基于叠加训练序列光OFDM系统帧同步算法FPGA实现

摘要：光纤通信系统中引进OFDM技术给O-OFDM系统带来对同步、高峰均比等敏感问题。叠加训练序列技术时IM／DDO-OFDM系统帧同步算法研究，设计了FPGA的算法实现结构，联合Matlab，Modelsim等仿真工具验证算法开发的有效性。实验结果表明，叠加的训练序列对数据影响较小，与传统方法相比，具有更高的同步正确率，易于实现，有较强的工程应用前景。
关键词：叠加训练序列技术；OFDM；帧同步；Modelsim

0 引言
正交频分复用技术OFDM是一种特殊的多载波传输方式，具有抗多径能力强、频谱利用率高、适合高速数据传输等优点，因此已被广泛地应用于最新的无线通信系统中。本文设计基于叠加训练序列的多模光纤IM／DDO-OFDM系统帧同步算法。QuartusⅡ软件仿真平台和Verilog HDL硬件描述语言进行训练序列的产生、训练序列与数据符号的叠加运算，以及进行帧同步算法实现。其Modelsim仿真实现帧同步结果与Matlab仿真实现的结果一致，为实际的工程设计提供了可靠的依据。

1 系统模型
为了满足系统传输实信号的要求，将二进制数据流经过星座图映射(如：M-QAM或QPSK)后进行厄米特共轭对称(Hermitian Symmetry，HS)变换，使得经过快速傅里叶逆变换(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)后得到双极性实信号。叠加训练序列IM／DDO-OFDM系统模型如图1所示。

”表示循环卷积；h(n)表示多模光纤信道脉冲响应；w(n)表示电域高斯白噪声；s(n)表示发送数据；t(n)为训练序列，且训练序列结构上满足上述EN镜像对称性，β表示功率能量分配因子，和分别表示训练序列和发射数据的功率。
在式(1)中，训练序列分配的能量非常弱，为了使同步时刻的能量能够足够大，而不受其他旁瓣干扰，先对接收信号r(n)进行处理。截取长度为N的接收信号，利用式(2)进行变换得到新的接收信号z(n)。
z(n)=r(n)+r(N-n+1) (2)
变换后得到的新序列z(n)具有原序列两倍的能量，与本地训练序列F进行互相关，来获取同步。帧同步函数可以表示为：

式中：d为整数，表示接收信号序列与本地序列之间的相对滑动位置，N／2为相关长度。采用的训练序列具有良好的自相关性和弱互相关性，当d滑动到同步位置时刻，帧同步函数Cor(n，d)达到最大值，其余时刻为幅度较小的随机信号。
为了降低接收机同步设计的复杂度，采用预设门槛值T，当检测器的输出Cor(n，d)满足式(4)，P(n)表示接收信号的功率，则此刻的d达到帧同步位置。
|Cor(n，d)|2>T·P(n) (4)

3 算法性能Matlab仿真分析
仿真参数主要包括：发送数据比特流为10 Gb／s，调制方式为16-QAM，系统子载波数为256，光纤链路部分采用1 310 nm的多模光纤，衰减常数α=0．2 dB／km，考虑色散效应，取值为17 ps／(nm·km)，PIN光电检测器的灵敏度设定为1 A／W，暗电流为10 nA。以下的仿真结果基于10 000次蒙特卡罗仿真。