VPI与MATLAB联合仿真的直接检测OFDM系统实现

资 源 简 介

该项目旨在利用VPItransmissionMaker与MATLAB的协同仿真环境，构建一个完整的直接检测光正交频分复用（DDO-OFDM）传输系统。在发射机端，由MATLAB脚本实现复杂的数字信号处理流程，主要包括原始比特流的生成、多进制正交幅度调制（M-QAM）、为了满足直接检测对实值信号的要求而进行的厄米特对称处理、快速反傅里叶变换（IFFT）以及循环前缀的添加和训练序列的插入。处理后的电信号通过VPI接口导入光仿真环境，驱动外调制器将信号调制到光载波上。在光纤链路模块中，模拟信号在不同长度和损耗条

详 情 说 明

基于MATLAB仿真的直接检测OFDM（DDO-OFDM）传输系统研究与实现

项目介绍

本项目实现了一个完整的直接检测光正交频分复用（DDO-OFDM）传输系统模型。该系统模拟了从发射机数字信号处理（DSP）、光信道传输到接收机检测与数据恢复的全过程。项目重点在于解决光强度调制/直接检测（IM-DD）系统中的关键问题，即如何通过数字信号处理产生适合光电探测器接收的实值信号，并在存在色散、损耗和噪声的复杂光纤环境下实现可靠的数据传输。该系统适用于城域网及短距离光互连中对于低成本、高效率传输方案的研究。

功能特性

• 完整的DSP全过程描述：涵盖了从原始比特流生成到最终误码率分析的闭环仿真流。
• 针对IM-DD系统的实值化处理：通过厄米特对称（Hermitian Symmetry）技术，确保OFDM符号在进入光调制器前转换为实数序列。
• 物理层光链路模拟：精确建立了单模光纤的频率响应模型，包括色散（CD）和光功率衰减（Alpha）。
• 动态性能评估：支持在不同光信噪比（OSNR）条件下的自动化误码率（BER）测试。
• 稳健的信道估计方案：利用训练序列（Training Sequence）和最小二乘法（LS）进行频域信道补偿。
• 多维度数据可视化：提供星座图、光/电频谱、信道增益曲线以及系统性能规律图。

实现逻辑与功能详细说明

系统的实现逻辑严格遵循光通信系统的物理架构，分为以下四个阶段：

1. 发射机数字信号处理 (Transmitter DSP)

• 数据映射：生成随机位流并进行16-QAM高阶调制，提升系统的频带利用率。
• 符号构建：将调制后的数据分配至指定的子载波，并留出直流分量（零频）位置。
• 实值化处理：应用厄米特对称性，将有效载荷及其共轭对称排列，使得IFFT变换后的时域信号为纯实数，满足强度调制的物理要求。
• 时域成帧：为了抵御光纤色散引起的符号间干扰（ISI），在符号前端添加循环前缀（CP）。
• 偏置处理：通过归一化并添加1.2倍的直流偏置，将双极性电信号转换为单极性信号，以驱动强度调制器（MZM）。

2. 光链路与传输模拟 (Optical Fiber Link)

• 电光转换：模拟马赫-曾德尔调制器（MZM）的强度调制过程，将电信号幅度映射到光场强度。
• 光纤特性建模：在频域内应用光纤传输函数。根据设定的中心波长（1550nm）和色散系数计算二阶色散参数（Beta2），模拟信号在长距离（80km）传输中的相位畸变和功率损耗。
• 噪声引入：根据设定的OSNR范围，向光信号中添加等效的加性高斯白噪声（AWGN），模拟掺铒光纤放大器（EDFA）引入的ASE噪声。

3. 直接检测与接收端处理 (Direct Detection & Rx DSP)

• 平方律探测：模拟光电探测器（PD）的直接检测过程，光场经过平方运算完成光电转换。
• 同步与去离散化：去除信号中的直流成分，恢复交流成分，并将串行比特流重新格式化为OFDM符号矩阵。
• 频域转换：去除CP后进行FFT变换，将信号从时域转换回频域。
• 信道平衡：提取预置的训练序列，通过对比接收到的序列与已知原始序列，计算每个子载波的信道增益。利用迫零（Zero Forcing）均衡技术消除色散和衰减对载荷数据的影响。

4. 结果分析与可视化 (Analysis)

• 解调与计算：对均衡后的复数符号进行QAM解映射，并计算恢复比特与原始比特之间的误码率。
• 性能绘图：自动生成包含星座图（观察噪声与非线性）、光频谱（观察载波与带状信号）、电频谱（确认检测后成分）、信道响应（分析色散影响）以及BER-OSNR曲线的多功能图表。

关键函数与算法分析

• 厄米特对称算法：通过执行 OFDM_Frame(Nfft-Nsc+1:Nfft, :) = conj(flipud(All_OFDM_Data))，算法将N个复数符号映射为2N个具有镜像关系的符号，这是DDO-OFDM系统区别于相干系统最核心的步骤。
• 二阶色散模型：算法利用 beta2 = -D * (Lambda^2) / (2 * pi * C) 计算色散参量，并在频域乘上 exp(-1i * 0.5 * beta2 * omega^2 * L) 的算子。这种频率选择性相位的模拟准确反映了高速信号在SFM光纤中的脉冲展宽效应。
• 最小二乘（LS）信道估计：通过 mean(TS_rx ./ ts_data, 2) 实现。该算法通过多个训练序列求均值来抑制噪声对信道估计精度的影响，为后续的一阶均衡提供准确的权值。
• 误码率计算逻辑：使用 biterr 函数对比原始和恢复序列，结合循环结构实现了对系统鲁棒性的定量评估。

系统要求

• 软件环境：MATLAB R2018b 或更高版本。
• 所需工具箱：Communication Toolbox, Signal Processing Toolbox。
• 硬件建议：具备 8GB 以上内存的计算设备，以支持高采样率下的FFT运算。

使用方法

1. 打开MATLAB软件。
2. 将系统提供的 main.m 脚本加载至编辑器中。
3. 根据研究需求修改参数部分（如光纤长度 L_fiber 或调制阶数 M）。
4. 运行脚本。
5. 在生成的 Figure 窗口中观察系统的星座图分布及各阶段频谱特性，并根据 BER 曲线分析系统的通信质量。