基于RS编码的光通信系统的设计与实现

论文摘要

无线光通信是指利用激光束作为载体通过无线信道进行数据传输的一种技术,这种通信方式由于具有信息容量大、抗干扰性强、保密性高等诸多优势有着良好的应用前景。同时由于光信号在大气信道的传输过程中会遇到吸收、散射、衰减等因素的影响,该通信方式同样面临着巨大的挑战,所以在无线光通信中引入FEC（前向纠错编码）对于降低误码率、提高通信的可靠性具有非常重要的意义。同时采用FEC也可以节省光功率开销,从而节约系统成本。RS（Reed-Solomon）码是前向纠错编码领域中一种性能优越的线性分组循环码,由于其具有很强的随机差错和突发差错的纠错能力在光通信中应用广泛。本文通过研究RS编译码算法,在关键方程的计算方法中选取了一种运算延时和硬件复杂度上较为折中的算法——RiBM算法,并利用VLSI的设计方法,将算法映射到硬件结构,实现了RiBM算法的译码器。该译码器采用全流水连续译码的工作方式,与Altera公司设计的RS译码器IP Core相比,在占用逻辑资源和系统工作频率两方面有一定优势。通过理论分析RS码特性,选定码长为255bytes,信息长度为239bytes的RS码,并且对该码长的编译码器进行了硬件实现。在此基础上选用Altera公司的FPGA芯片完成了由发射电路（包括数据源、编码模块、扰码模块）和接收电路（包括帧同步模块、解扰模块、译码模块、误码统计模块）两部分组成的光通信系统的设计和制作。该系统支持两种通信速率:155Mbps和2.5Gbps。最后在设计的系统平台上,通过统计采用RS（255,239）编码和未采用RS（255,239）编码接收数据的误码率来测试在光通信中采用该编码方式对于系统性能的提升。测试结果表明,采用本课题设计的编译码器,在155Mbps的通信速率下,接收光功率为-38dBm,可以将接收数据的误码率从1.08×10?4提高到2.29×10?10,编码增益近6dB;在2.5Gbps的通信速率下,接收光功率为-31.74dBm,可以将接收数据的误码率从3.16×10?7提高到4.49×10?10,编码增益近3dB。所以RS（255,239）的实际测试性能和理论性能基本一致,有26dB的编码增益。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 光通信中前向纠错编码的应用现状
• 1.3 RS 码的发展和现状
• 1.4 无线光通信基本原理
• 1.4.1 无线光通信系统结构
• 1.4.2 无线光通信的优势和面临的挑战
• 1.5 本文研究的内容
• 第二章RS 码基本原理及其编译码算法研究
• 2.1 差错控制编码理论
• 2.1.1 差错控制方式
• 2.1.2 纠错编码理论和码型选择
• 2.2 RS 编码算法
• 2.3 RS 译码算法
• 2.3.1 伴随式计算
• 2.3.2 关键方程的求解
• 2.3.3 钱搜索和Forney 算法
• 2.4 RS（255,239）的纠错性能分析
• 2.5 RS（255,239）的C 语言仿真
• 2.6 小结
• 第三章 RS（255，239）编译码器的硬件实现
• 3.1 有限域乘法器和求逆器的硬件实现
• 3.1.1 有限域乘法器实现
• 3.1.2 有限域求逆器实现
• 3.2 RS 编码器的硬件实现
• 3.3 RS 译码器的硬件实现
• 3.3.1 译码器的流水线结构
• 3.3.2 伴随式计算的硬件实现
• 3.3.3 关键方程的硬件实现
• 3.3.4 Forney 算法和Chien 搜索算法的硬件实现
• 3.4 硬件编译码器的仿真验证
• 3.4.1 FPGA 设计流程
• 3.4.2 编译码器的接口设计
• 3.4.3 编译码器的功能仿真
• 3.4.4 编译和时序分析
• 3.5 小结
• 第四章 基于RS（255，239）编码的光通信系统设计
• 4.1 基于RS（255，239）编码的光通信系统总体设计
• 4.2 155MBPS 光通信系统模块设计
• 4.2.1 155Mbps 数据流的帧结构
• 4.2.2 数据帧的同步模块设计
• 4.2.3 数据源设计
• 4.2.4 并行扰码/解扰模块设计
• 4.2.5 其它模块设计
• 4.3 2.5GBPS 的光通信系统模块设计
• 4.3.1 2.5Gbps 数据流的帧结构
• 4.3.2 32 位并行编码模块设计
• 4.3.3 32 位并行译码模块设计
• 4.3.4 Transiever 使用方法介绍
• 4.3.5 其它模块设计
• 4.4 光通信系统电路板的设计和制作
• 4.4.1 FPGA 芯片介绍
• 4.4.2 多速率光发射和接收模块
• 4.4.3 PCB 板的制作与调试
• 4.5 小结
• 第五章 系统的测试与分析
• 5.1 QUARTUS II 的SINGNALTAP II 介绍
• 5.2 系统测试平台介绍
• 5.3 155MBPS 光通信系统测试
• 5.3.1 编译结果
• 5.3.2 功能仿真
• 5.3.3 单板测试
• 5.4 2.5GBPS 光通信系统测试
• 5.4.1 编译结果
• 5.4.2 功能仿真
• 5.4.3 单板测试
• 5.5 小结
• 第六章 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 在校期间的研究成果