通信工程毕业设计（论文）基于COOFDM单模光纤系统传输性能的仿真分析

1、 毕业设计毕业设计 基于 co-ofdm 单模光纤系统传输性能的仿真分析 姓 名： 学 号： 班 级： 06 通信 2 班 专 业： 通信工程 所在系 ： 电子信息工程系 指导老师： 天津理工大学中环信息学院天津理工大学中环信息学院 本科毕业设计选题审批表本科毕业设计选题审批表 届： 2010 系：电子信息工程 专业：通信工程 2009 年 12 月 28 日 学生姓名学号 06050063 指导教师职称教授 所选题目基于 co-ofdm 单模光纤系统传输性能的仿真分析 题目来源 科学技术 选题理由 随着技术的不断进步，人类有望进入全光通信时代，高速、超大流量的数据传输将不 再是梦想。目前，已

2、经有很多的学者对研究把 ofdm 应用到光通信上产生了浓厚的兴趣， 即相干光正交频分复用(co-ofdm)， 并且通过理论分析和实验证明取得重大进展，尤其 是在大容量、远距离方面有很大的突破。因为对光纤色散(cd)和偏振模式色散(pmd)有较 好的容忍度，正交频分复用(ofdm)已经在光学通信领域表现出了很大的潜力。在最近一些 研究中，高速 co-ofdm 信号可以在无补偿标准单模光纤(ssmf)中传输几百甚至上千公里。 在传输性能方面，单模光纤的芯直径很小，接近光的传播波长，这就将光的传输限制为单 模，消除了多模效应。因此，在长距离传输系统中比多模光纤有明显的优势。 本次毕业设计主要对 co

3、-ofdm 系统的基本原理进行了理论分析，采用 matlab 软件， 研究光纤信道中的光纤色散对通信系统误码率(ber)的影响，分析 osnr 与误码率(ber)之 间的关系以及不同 osnr 下的系统可传输的最大传输距离等问题，并得到相关结论。 通过完成该题目的研究，对本专业及其相关的知识是一个综合训练过程，培养学生的 综合分析问题，解决问题的能力。 签字： 年 月 日 指导教师意见系主任意见 签字： 年 月 日签字： 年 月 日 注：（1） “选题理由”由拟题人填写。 （2）本表一式二份，一份院系留存，一份发给学生，最后装订在毕业设计说明书中。 天津理工大学中环信息学院教务处制 天天 津津

4、 理理 工工 大大 学学 中环信息学院中环信息学院 本科毕业设计任务书本科毕业设计任务书 题目：题目：基于基于 co-ofdmco-ofdm 单模光纤系统传输性能的仿真分析单模光纤系统传输性能的仿真分析 学生姓名学生姓名 届届 2010 系系 电子信息工程电子信息工程 专业专业 通信工程通信工程 指导教师指导教师 职称职称 教授教授 下达任务日期下达任务日期 2009 年年 12 月月 28 日日 天津理工大学中环信息学院教务处制 一、毕业设计内容及要求 1、课题说明、课题说明 随着技术的不断进步，人类有望进入全光通信时代，高速、超大流量的数据传输将不再 是梦想。目前，已经有很多的学者对研究把

5、 ofdm 应用到光通信上产生了浓厚的兴趣，即 相干光正交频分复用(co-ofdm)， 并且通过理论分析和实验证明取得重大进展，尤其是在 大容量、远距离方面有很大的突破。因为对光纤色散(cd)和偏振模式色散(pmd)有较好的容 忍度，正交频分复用(ofdm)已经在光学通信领域表现出了很大的潜力。在最近一些研究中， 高速 co-ofdm 信号可以在无补偿标准单模光纤(ssmf)中传输几百甚至上千公里。在传输 性能方面，单模光纤的芯直径很小，接近光的传播波长，这就将光的传输限制为单模，消除 了多模效应。因此，在长距离传输系统中比多模光纤有明显的优势。 本次毕业设计主要对 co-ofdm 系统的基本

6、原理进行了理论分析，采用 matlab 软件， 研究光纤信道中的光纤色散对通信系统误码率(ber)的影响，分析 osnr 与误码率(ber)之 间的关系以及不同 osnr 下的系统可传输的最大传输距离等问题，并得到相关结论。 2、毕业设计的主要内容：、毕业设计的主要内容： (1)了解正交频分复用技术和光通信技术的发展和应用。 (2)掌握相干光正交频分复用技术的基本理论。 (3)熟悉并掌握 matlab 软件。 (4)分析光纤信道中的光纤色散对通信系统误码率(ber)的影响。 (5)分析 osnr 与误码率(ber)之间的关系以及不同 osnr 下的系统可传输的最大传输距 离之间的关系。 3、毕

7、业设计的基本要求：、毕业设计的基本要求： (1)了解课题的相关知识。 (2)调研，比较国内外相关方面的课题。 (3)设计方案要进行技术分析，以选择较为合理的方案。 (4)掌握 matlab 软件。 (5)提出设计方案的改进措施。 (6)设计说明书应包括与有关的叙述说明和计算，内容完整、计算正确。 (7)书写工整。计算公式和引用数据要正确，并说明其来源。 (8)设计说明书应包括中英文摘要、目录、前言、正文、小结、参考文献。 (9)设计说明书图纸应能较好地表达意图，图面布局合理，符合国家制图标准和有关规 范。 4、毕业设计工作量： (1)写开题报告，要求不少于 2000 字。 (2)设计说明书要求

8、不少于 20000 字，包括计算、说明、简图和表格等。 (3)按我校要求完成答辩，并将说明书按照我校要求装订成册。 5、参考文献、参考文献 1 i. b. djordjevic, b. vasic. orthogonal frequency division multiplexing for high-speed optical transmission opt. express, 2006, 14, 37673775. 2 w. shieh, x. yi and y. tang. transmission experiment of multi-gigabit coherent optica

9、l ofdm systems over 1000km ssmf fiber electron. lett, vol.43, pp. 183-185. 3 s. l. jansen, i. morita, etal.20gb/s ofdm transmission over 4,160-km ssmf enabled by rf- pilot tone phase noise compensation optical fiber comm. conf., 2007, paper pdp15. 4 w. shieh, h. bao, y. tang. coherent optical ofdm:

10、theory and design opt. express, 2008, 16, 841859. 5 龚倩, 徐荣,叶小华等. 高速超长距离光传输技术.北京：人民邮电出版社,2005. 6 w. shieh and c. athaudage, coherent optical orthogonal frequency division multiplexing. electron. lett, 2006，42, 587-589 7 w. shieh, pmd-supported coherent optical ofdm systems, ieee photon. technol. lett

11、. 2007，19, 134136 8 s.l.jansen, i.morita, n.takeda, h.tanaka, and t.c.w.schenk, coherent optical 25.8-gbs ofdm transmission over 4160-km ssmf, journal of lightwave technology, 2008, 26(1), 9 w. shieh, q. yang, and y. ma, 107 gb/s coherent optical ofdm transmission over 1000-km ssmf fiber using ortho

12、gonal band multiplexing. optics express 2008, 16(9), 86378 10 wang luqing, tellambura c. a simplified clipping and filtering technique for par reduction in ofdm systems ieee signal processing letters, 2005, 12(6): 453-456. 11 choiys，voltzpj， cassarafa. ml estimation of carrier frequency offset for m

13、ulticarrier signal in rayleigh fading channels. ieee trans on vehicular tech，2001，50(2):644-655 二、毕业设计进度计划及检查情况记录表 序号起止日期计划完成内容实际完成内容 检查日期 检查人签名 1 09.12.2810.1.1 8 熟悉课题内容 查阅相关资料 2 10.1.1910.3.10 确定系统设计 方案，完成开 题报告 3 10.3.1110.3.24 熟悉有关的基 本理论，熟悉 matlab 软件 4 10.3.2510.4.15 分析光纤信道 中的光纤色散 对通信系统误 码率的影响 5

14、10.4.1610.4.30 分析 osnr 与 误码率之间的 关系以及不同 osnr 下的系 统可传输的最 大传输距离之 间的关系 6 10.5.110.5.14 得出相关结论 7 10.5.1510.5.25 完成设计说明 书初稿 8 10.5.2610.6.5 修改、完善设 计说明书、装 订，准备答辩 注：（1）表中“实际完成内容” 、 “检查人签名”栏目要求用笔填写，其余各项均要求打印。 （2）毕业设计任务书一式二份，一份学院系留存，一份发给学生，任务完成后装订在毕业设计说明 书内。 天津理工理工大学中环信息学院 本科毕业设计开题报告 届：2010 系：电子信息工程系 专业：通信工程

15、2009 年 1 月 20 日 毕业设计 题目 基于 co-ofdm 单模光纤系统传输性能的仿真分析 学生姓名单英洁学号06050063 指导教师童峥嵘职称教授 一、课题报告一、课题报告 21 世纪是信息高速发展的世纪，人类社会进入了一个前所未有的信息量急剧增长的信 息时代。计算机、互联网、各种通信技术迅速兴起，给人类的物质和精神生活带来了翻天 覆地的变化。与之对应，人们对通信业务有了更高层次和更高质量的要求，这对通信业务 的容量产生了巨大的冲击，同时对通信网传递信息的能力提出了更高的要求。光纤通信技 术以其巨大的宽带潜力和无与伦比的传输性能在通信领域，在长距离大容量通信中占据着 不可替代的位

16、置。超大容量，超长距离和超快速度仍然是光通信技术发展的主要方向。而 相干光正交频分复用（co-ofdm）正是其中一种典型调制技术。 二二、国内外发展状况国内外发展状况 目前，已经有很多的学者对研究把 ofdm 应用到光通信上产生了浓厚的兴趣，即相干 光正交频分复用(co-ofdm)， 并且通过理论分析和实验证明取得重大进展，尤其是在大 容量、远距离方面有很大的突破。因为对光纤色散(cd)和偏振模式色散(pmd)有较好的容 忍度，正交频分复用(ofdm)已经在光学通信领域表现出了很大的潜力。在最近一些研究中， 高速 co-ofdm 信号可以在无补偿标准单模光纤(ssmf)中传输几百甚至上千公里。

17、在传输 性能方面，单模光纤的芯直径很小，接近光的传播波长，这就将光的传输限制为单模，消 除了多模效应。 自 2006 年 5 月澳大利亚墨尔本大学的 shieh 等人首次提出了可采用相干光 ofdm 技 术来补偿光纤信道色散的影响，并成功完成传输速率为 10 gb/s 的光 ofdm 信号在 1000km 的标准单模光纤的传输。 同年 8 月，w.shieh 等在 electronics letters 发表论文指出，在相干光 ofdm 系统中可以 减小单模光纤的偏振模色散（pmd）影响；在该课题组后续的研究中表明，在 co-ofdm 系统中，pmd 有利于实现系统的色散补偿。 天津理工大学中

18、环信息学院教务处制表 2007 年，该课题组又成功报道了利用 pmd 技术在 1000km 的 ssmf 中实现了传输 10.7gb/s 信号的无色散补偿。 不久，s.l. jansen 等人比较系统的讨论了长距离传输的 co-ofdm 系统。在此文章中 提出了一种新颖的相位噪声补偿方法，即 rf 辅助相位噪声补偿法。在此补偿方案下，在 没有色散补偿时，25.8gb/s 的 co-ofdm 信号成功实现在标准单模光纤中传输了 4160 公里。 在此之后，很多与 co-ofdm 的相关的理论研究和实验陆续发表，co-ofdm 得到了飞速 的发展。 2008 年 4 月，w.shieh 等人在 o

19、ptics express 发表论文，实现了 107gb/sco-ofdm 在 ssmf 上传输 1000km 以上，并且系统使用了mimo-ofdm 模型进行传输，提高了频2 2 谱利用率，其频谱利用率为 3.3b/s/hz。 2009 年 2 月，s.l.jansan 等人发表了采用 pdm 极化分集复用与 co-ofdm 相结合， 121.9gb/s 的信号在 1000km 的 ssmf 上实现了无色散传输，其电谱效率为 2b/s/hz。 国内的 co-ofdm 技术起步较晚，但是发展较为迅速，电子科技大学，浙江大学，武 汉邮电等单位也在对 oofdm 系统进行仿真和光路实验研究。 三、

20、研究内容研究内容 本次毕业设计主要对 co-ofdm 系统的基本原理进行了理论研究，采用 matlab 软件，研 究光纤信道中的光纤色散对通信系统误码率(ber)的影响，分析 osnr 与误码率(ber)之间的 关系以及不同 osnr 下的系统可传输的最大传输距离等问题，并得到相关结论。 四、研究方法、手段四、研究方法、手段 1.查阅相关的资料书籍和文献，对课题进行深入全面的了解。 2.采用对比的方式对设计方案要进行技术分析，以选择较为合理的方案。 3.掌握 matlab 软件，并且利用它进行编程工作。 4.采用文字和计算公式的形式对得出的的结论进行分析和论证，必要时应附上相应的 图形以作说明

21、。 五五、研究步骤研究步骤 1.熟悉课题内容查找相关资料文献，确定系统的设计方案，完成开题报告。 2.熟悉 co-ofdm 单模光纤系统的基本理论和关键技术，掌握 matlab 软件，进行储备 信息。 3.3.分析研究光纤信道中的光纤色散对通信系统误码率(ber)的影响。 4.4.在没有光色散补偿的情况下， 分析 osnr 与误码率(ber)之间的关系以及不同 osnr 下的系统可传输的最大传输距离等问题。 5.5.得出相关结论并给予相应的说明与计算，完成毕业论文说明书。 六、参考文献六、参考文献 1 i. b. djordjevic, b. vasic. orthogonal frequen

22、cy division multiplexing for high-speed optical transmission. opt. express, 2006, 14, 37673775. 2 w. shieh, x. yi and y. tang. transmission experiment of multi-gigabit coherent optical ofdm systems over 1000km ssmf fiber. electron. lett, vol.43, pp. 183-185. 3 s. l. jansen, i. morita, etal.20gb/s of

23、dm transmission over 4,160-km ssmf enabled by rf- pilot tone phase noise compensation. optical fiber comm. conf., 2007, paper pdp15. 4 w. shieh, h. bao, y. tang. coherent optical ofdm: theory and design opt. express, 2008, 16, 841859. 5 龚倩, 徐荣,叶小华等. 高速超长距离光传输技术. 北京：人民邮电出版社,2005. 6 w. shieh and c. at

24、haudage, coherent optical orthogonal frequency division multiplexing. electron. lett, 2006，42, 587-589 7 w. shieh, pmd-supported coherent optical ofdm systems, ieee photon. technol. lett. 2007，19, 134136 8 s.l.jansen, i.morita, n.takeda, h.tanaka, and t.c.w.schenk, coherent optical 25.8-gbs ofdm tra

25、nsmission over 4160-km ssmf, journal of lightwave technology, 2008, 26(1), 9 w. shieh, q. yang, and y. ma, 107 gb/s coherent optical ofdm transmission over 1000-km ssmf fiber using orthogonal band multiplexing. optics express 2008, 16(9), 86378 10 wang luqing, tellambura c. a simplified clipping and

26、 filtering technique for par reduction in ofdm systems. ieee signal processing letters, 2005, 12(6): 453-456. 11 choiys，voltzpj， cassarafa.“ml estimation of carrier frequency offset for multicarrier signal in rayleigh fading channels.”ieee trans on vehicular tech，2001，50(2):644-655 指导 教师 意见 签字： 年 月

27、日 天津理工大学中环信息学院教务处制表 基于 co-ofdm 单模光纤系统传输性能的仿真分析 摘 要 相干光正交频分复用（co-ofdm）技术是一种新型的光复用技术，该技术具 有相干检测和 ofdm 的双重优点，频谱利用率高，对抗色散和非线性效应明显， 而且在现有的网络基础设施上能很好的升级, 扩容方便，所以在高速率、大容量 和长距离传输系统中有广阔的应用前景。本文对 co-ofdm 单模光纤系统进行 研究，主要包括系统理论模型、多进正交幅度调制系统调制方式、系统性能以及 仿真实现。具体工作内容如下： 第一，分析 co-ofdm 单模光纤系统的理论模型以及工作原理。介绍了系 统模型并分析了其信

28、号处理过程；然后给出了传输速率为 10.7gb/s 的 co- ofdm 单模光纤系统组成。 第二，对正交幅度调制系统的传输性能进行了分析和仿真。 第三，分析了该系统的传输距离、光信噪比(osnr)以及系统的误码率(ber) 三者之间的关系，并给出了仿真结果。 关键词：关键词：相干光正交频分复用 正交幅度调制系统 光信噪比 误 码率 simulation analyse of co-ofdm single mode fiber transmission system performance abstract coherent optical orthogonal frequency divis

29、ion multiplexing (co-ofdm) is a new type of optical multiplexing technology. the technology has the merits of coherent detection and ofdm, so it can realize the high-speed optical fiber transmission without dispersion compensation, while the requirement of optical amplifiers has been reduced. and th

30、us its transmission capacity can be enhanced, but also has a good upgrade in the existing network infrastructure, as well as the expansion is convenient. therefore, it has broad application prospects in the high- speed, large capacity and long-distance transmission systems. this paper studies the co

31、-ofdm single mode fiber system, mainly including the analysis and design of the system block diagram, the system performance of mqam modulations and simulation realization. the specific work as follows: first, the theoretical model and principle of the co-ofdm single mode fiber system are analyzed.

32、the system model of co-ofdm system is introduced and its signal processing is analyzed, meanwhile the synchronization of the system and channel are analyzed. then, the transmission rate of 10.7gb/s of the co-ofdm single mode fiber system is given. second，the transmission performance of the systems q

33、am modulations are analyzed and simulated. third， the relationship of transmission distance of the system, optical signal to noise ratio (osnr) and the system bit error rate (ber) is explained, and the simulation results are given. key words：coherent optical orthogonal frequency division multiplexin

34、g (co-ofdm) quadrature amplitude modulation (qam) optical signal-to-noise ratio (osnr) bit-error rate (ber) 目 录 第一章 绪论 .1 1.1 光纤通信系统的发展概况 .1 1.2 co-ofdm 技术国内外发展状况.1 1.3 co-ofdm 系统的特点与优势.2 1.3.1 相干光检测.2 1.3.2 ofdm 技术 .3 1.4 本文的主要内容安排 .4 第二章 基本理论分析 .6 2.1 ofdm 正交频分复用技术理论.6 2.1.1 ofdm 系统简述 .6 2.1.2 ofd

35、m 系统的数学模型 .10 2.1.3 ofdm 系统参数的选择 .11 2.1.4 ofdm 系统的主要缺点 .12 2.2 co-ofdm 的基本理论.13 2.2.1 系统原理框图.13 2.2.2 工作原理.14 2.3 本章小结 .15 第三章 co-ofdm 单模光纤系统.16 3.1 单模光纤 .16 3.1.1 单模光纤的概述.16 3.1.2 单模光纤的特性参数.16 3.1.3 单模光纤的波长.17 3.1.4 单模光纤的传输条件.18 3.1.5 单模光纤色散.18 3.2 10.7gbsco-ofdm 单模光纤系统.19 3.2.1 co-ofdm 单模光纤系统的组成.

36、19 3.2.2 单模光纤信道分析.21 3.2.3 系统调制方式分析.22 3.2.4 系统仿真结果与分析.22 3.3 正交幅度调制 .23 3.3.1 qam 简介.23 3.3.2 qam 的产生.25 3.3.3 qam 的特点.26 3.4 本章小结 .27 第四章 在 qam 调制下的系统传输性能的分析.28 4.1 光纤色散对误码率的影响 .28 4.2 光信噪比与误码率的关系 .28 4.3 不同光信噪比下的可传输的最大距离 .29 4.4 本章小结 .29 第五章 总结.30 参考文献.31 致 谢.32 第一章 绪论 1.1 光纤通信系统的发展概况 随着信息的高速发展，人

37、类社会进入了一个前所未有的信息量急剧增长的信息时代。 计算机、互联网、各种通信技术迅速兴起，给人类的物质和精神生活带来了翻天覆地的变 化。与之对应，人们对通信业务有了更高层次和更高质量的要求，这对通信业务的容量产 生了巨大的冲击，同时对通信网传递信息的能力提出了更高的要求。光纤通信技术以其巨 大的宽带潜力和无与伦比的传输性能在通信领域，在长距离大容量通信中占据着不可替代 的位置。超大容量，超长距离和超快速度仍然是光通信技术发展的主要方向。而相干光正 交频分复用（co-ofdm）正是其中一种典型调制技术。 在光纤通信的 1550nm 波长附近 200nm 范围内，对应的光纤带宽约为 25thz。

38、在 1310nm 波长附近，也有约 25thz 可利用的带宽。这表明光纤具有丰富的带宽资源，可提供 的理论传输带宽达到 50thz。为了充分利用光纤的带宽，同时为了提高通信系统的容量， 人们一直致力于各种复用技术的研究。光纤通信复用方式主要包括光波分复用（wdm） 、 光时分复用（tdm）和光码分复用（ocdm）以及现在的起步较晚但备受关注的光正交频 分复用（oofdm） 。 1.2 co-ofdm 技术国内外发展状况 近几年来，分别基于相干光（co）和非相干光（io）的 ofdm 技术，即 co/io- ofdm 技术陆续被独立提出，以便抑制光纤中的色散和利用偏振模色散（pmd） 。单就抑制

39、 色散的效果来看，使用 co 和 io 模式是相似的，但是如果系统在接收端采用 co-ofdm 的 相干光检测，不仅可以在有效抑制色散和利用 pmd 的同时，还可获得更高的光电频谱利用 率，并且维持更好的信噪比特性。 目前，已经有很多的学者对研究把 ofdm 应用到光通信上产生了浓厚的兴趣，即相干 光正交频分复用(co-ofdm)，并且通过理论分析和实验证明取得重大进展，尤其是在大容 量、远距离方面有很大的突破。因为对光纤色散(cd)和偏振模式色散(pmd)有较好的容忍 度，正交频分复用(ofdm)已经在光学通信领域表现出了很大的潜力。在最近一些研究中， 高速 co-ofdm 信号可以在无补偿

40、标准单模光纤(ssmf)中传输几百甚至上千公里。在传输 性能方面，单模光纤的芯直径很小，接近光的传播波长，这就将光的传输限制为单模，消 除了多模效应。 自 2006 年 5 月澳大利亚墨尔本大学的 shieh 等人首次提出了可采用相干光 ofdm 技术 来补偿光纤信道色散的影响，并成功完成传输速率为 10gb/s 的光 ofdm 信号在 1000km 的 标准单模光纤的传输。 同年 8 月，w.shieh 等在 electronics letters 发表论文指出，在相干光 ofdm 系统中可 以减小单模光纤的偏振模色散（pmd）影响；在该课题组后续的研究中表明，在 co- ofdm 系统中，

41、pmd 有利于实现系统的色散补偿。2007 年，该课题组又成功报道了利用 pmd 技术在 1000km 的 ssmf 中实现了传输 10.7gb/s 信号的无色散补偿。 不久，s.l. jansen 等人比较系统的讨论了长距离传输的 co-ofdm 系统。在此文章中 提出了一种新颖的相位噪声补偿方法，即 rf 辅助相位噪声补偿法。在此补偿方案下，在没 有色散补偿时，25.8gb/s 的 co-ofdm 信号成功实现在标准单模光纤中传输了 4160 公里。 在此之后，很多与 co-ofdm 的相关的理论研究和实验陆续发表，co-ofdm 得到了飞速 的发展。 2008 年 4 月，w.shieh

42、 等人在 optics express 发表论文，实现了 10.7gb/sco-ofdm 在 ssmf 上传输 1000km 以上，并且系统使用了mimo-ofdm 模型进行传输，提高了频2 2 谱利用率，其频谱利用率为 3.3b/s/hz。 2009 年 2 月，s.l.jansan 等人发表了采用 pdm 极化分集复用与 co-ofdm 相结合， 121.9gb/s 的信号在 1000km 的 ssmf 上实现了无色散传输，其电谱效率为 2b/s/hz。 国内的 co-ofdm 技术起步较晚，但是发展较为迅速，电子科技大学，浙江大学，武 汉邮电等单位也在对 co-ofdm 系统进行仿真和光

43、路实验研究。 1.3 co-ofdm 系统的特点与优势 co-ofdm 结合了光纤通信中的相干光检测和 ofdm 技术的特点。相干光检测和 ofdm 之间的协同作用是双重的，扬长避短。在射频到光域的上转换和光域到射频的下转 换中，相干系统带来了 ofdm 所需的线性，ofdm 技术使线性系统计算效率高、信道简单 并可进行相位估值。对下一代 100gb/s 的传输系统而言，co-ofdm 被认为是比较好的调 制方式。 1.3.1 相干光检测 相干光检测方式就是在接收端，采用光相干外差检测或零差检测，其工作原理如图 1.1 所示。首先，在发送端，发送信号采用外调制方式调制到光载波上进行传输，在接收

44、端， 接收信号与一本振光信号进行相干耦合。然后由平衡接收机进行外差检测，根据本振光频 率与信号频率是否相同决定用零差检测还是外差检测，前者光电转换后直接变换为基带信 号；后者经过光电转换后得到中频信号，再经过二次解调将中频信号转换成基带信号。 调调制制器器 电电解解调调电电路路 平平衡衡接接收收机机 本本振振光光源源 光光源源 信信号号 图 1.1 相干光检测示意图 fig.1.1 schematic diagram of coherent optical detection 相干检测的主要优点： 1.灵敏度高，中继距离长。灵敏度高，中继距离长。 在相同的条件下，理论上计算，相干接收机比普通接

45、收机提高灵敏度约20db左右。 2.选择性好，通信容量大。选择性好，通信容量大。 外差探测有良好的滤波性能，还可以使wdm系统的频率间隔大大缩小，取代传统光复 用技术的大频率间隔。 3.具有多种调制方式。具有多种调制方式。 在相干光通信中，除了可以进行幅度调制之外，还可以使用 psk、dpsk、dqpsk 和 qam 等多种调制方式，而这些调制方式这些调制方式同样也适用于 co-ofdm 的单模光纤 系统中。 1.3.2ofdm 技术 ofdm 是在无线通讯中被 ieee 802.11g 等通讯标准广泛采用的一种高速传输技术。图 1.2 是 ofdm 信号子载波频谱图，在每一个子载波频率的最大

46、值处，所有其他的子载波的 频谱恰好为零，所以，在对 ofdm 符号进行解调的过程中，计算这些点上所对应的每个子 载波频率的最大值即可，因此，可以从多个相互重叠的子信道符号频谱中提取出每个子信 道的符号信息，却不受其他子信道的干扰。它的工作原理是在频域内将给定信道分成许多 正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，各子信道载波之间互相正交，并 行传输，从而实现了高速传输。与单通道调制的方式相比，ofdm 系统将具有下述优势： 1.不但减小了子载波间的相互干扰，同时又最大程度的提高了频谱利用率，这是由于在 ofdm 系统中各个子载波的频谱是相互重叠且正交的； 2.很大程度上消除了符号间干扰

47、。尽管系统的总信道是非平坦的、具有频率选择性，但 每个子信道响应是相对平坦的，且在每个子信道上进行窄带传输，信号带宽小于信道的相 应带宽，从而消除了符号间干扰； 3.由于对 ofdm 的收发处理充分利用了快速傅里叶变换（fft）等算法，从而有效的降 低了计算和算法处理的难度，同时降低了系统复杂度。 frequency 1 f 2 f 3 f 4 f 5 f frequency 1 f 2 f 3 f 4 f 5 f 图 1.2 ofdm 信号各子载波频谱图 fig.1.2 each subcarrier spectrum for ofdm signal 由于 co-ofdm 结合了光纤通信中相

48、干光检测和 ofdm 技术的特点，具有相干光检测 和 ofdm 技术的双重特点，所以 co-ofdm 系统具有 wdm、otdm、io-ofdm 等系统所 没有的优势，主要表现在： 1.由于 ofdm 的正交性，最大限度的利用了频谱资源，提高了频谱利用率。 2.co-ofdm 系统在传输过程中不需要色散补偿，在接收端无需色散处理机制。这样既 能够实现高速率传输，降低了网络的复杂度，同时也能适应动态变化的网络环境。 3.co-ofdm 系统与原来的 wdm 系统有很好的兼容性，可充分利用 wdm 系统在原有 网络基础设施方面的巨大投资，只需要在发射端和接收端进行适当的改造即能够很好的完 成升级，

49、具有很强的信道容量可扩展性，扩容方便。 1.4 本文的主要内容安排 co-ofdm 单模光纤系统是一个相对较新的研究课题，许多问题还待解决和改进提高。 单模光纤因其芯径细，模式色散很小，衰减比多模光纤低得多，色散小，带宽大，支持更 长传输距离和更高的传输速率，在未来的长途干线传输、城域网建设中单模光纤的地位将 是不可动摇的。 本文以 co-ofdm 单模光纤系统为研究对象，对其传输特性进行分析，在无色散补偿 的条件下，研究不同调制下系统的传输距离、光信噪比以及系统误码率的关系。本文的内 容安排如下： 第一章主要光纤系统的发展概况，co-ofdm 技术的国内外发展状况以及 co-ofdm 系统的

50、特点与优势。 第二章介绍ofdm以及co-ofdm的基本理论知识。 第三章介绍单模光纤的基本知识，对co-ofdm单模光纤系统进行分析，并对正交幅度 调制（qam）进行简单的研究。 第四章对基于co-ofdm系统单模光纤系统在qam调制下系统传输性能的仿真和分析， 并得出相关的仿真结果。 第五章是对本课题研究内容结果的总结。 第二章 基本理论分析 2.1 ofdm 正交频分复用技术理论 2.1.1ofdm 系统简述 ofdm（正交频分复用）技术是在频分复用的基础上发展起来的，是一种无线环境下 的高速传输技术，是一种多载波调制方式。在传统的频分复用（fdm）系统中，子载波上 的信号频谱没有重叠，

51、以便接收机中能用传统的滤波器方法将其分离、提取，这样做的最 大缺点就是频谱利用率低，造成频谱浪费。ofdm 技术区分各个子信道的方法是利用各个 子载波之间严格的正交性。它允许子载波频谱部分重叠，只要满足子载波间相互正交就可 以从混叠的子载波上分离出数据信息。当载波间最小间隔等于数据码字周期倒数的整数倍 时，可满足正交条件。为了提高频谱效率，一般取最小间隔等于数据码字周期的倒数 （1/t） 。 图 2.1 单个子带频谱示意图 图 2.2 ofdm 信号频谱 fig.2.1 fypical appearance of a subcarrier fig.2.2 power density spect

52、ra of ofdm signal 图 2.2 是一个典型的 ofdm 信号频谱图，在每个子载波的中心频率处（即本子载波的 采样点处） ，其它子载波的分量为零。在实际系统中，ofdm 的子载波数 n 通常很大。而发 射信号作为 n 个独立的子载波信号的线性叠加，根据大数定理，其时域统计特性应接近于 高斯分布。从频域来看，由 n 个功率谱包络为 sinc 函数的子载波叠加构成的 ofdm 信号功 率谱近似为规则矩形，在不经过滤波器的情况下其边沿已经非常陡峭，类似于限带高斯白 噪声的频谱。如果在每个子载波上采用 m 进制调制，则理想 ofdm 信号总的频谱效率约为 log2mbit/s/hz，达到

53、了“理论最高频谱效率”。而单载波系统由于受滤波器实现的限制，实际 最高频谱效率仅为理论值的 80%90%。 图 2.3 就是基本的 ofdm 系统，它的实质是将数据流用低传输率的正交子 图 2.3 基本 ofdm 系统 fig.2.3 basic ofdm system 载波来并行传送业务数据。在发射端，高速串行数据流经过串/并变换为 n 路并行的低速数 据流，在串并转换的输出端送出 n 个符号，然后分别用 n 个正交子载波进行调制，同时进 行传输。这样，尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦 的。在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，从而可以大

54、大消 除信号波形间的干扰。对于低速并行的子载波而言，由于符号周期展宽为原数据符号周期 的 n 倍，多径效应造成的时延扩展与符号周期的比值降低 n 倍。下面对系统传输中串并变 换和循环前缀的作用作简要说明： 数据传输的典型形式是串行数据流，符号被连续传输，每个数据符号的频谱可占据整 个可利用的带宽。但在并行数据传输系统中，许多符号被同时传输，减少了那些在串行系 统中出现的问题。在 ofdm 系统中，每个传输符号速率的大小大约在几个 bits 到几十 kbit/s 之间，所以必须进行串并变换，将输入串行比特流转换成为可以传输的 ofdm 符号。由于 调制模式可以自适应调节，所以每个子载波的调制模式

55、是可变化的，因而每个子载波可传 输的比特数也是可变化的，所以串并变换需要分配给每个子载波数据段的长度是不一样的， 在接收端执行相反的过程，从各个子载波处来的数据被转换回原始的串行数据。 当一个 ofdm 符号在多径无线信道中传输时，频率选择性衰落会导致某几组子载波受 到相当大的衰减，从而引起比特错误。这些在信道频率响应上的零点会造成在邻近的子载 波上发射的信息受到破坏，导致在每个符号中出现一连串的比特错误。与一大串错误连续 出现的情况比较，大多数前向纠错编码(fec，forward error correction)在错误分布的情况下 会工作得更有效。所以，为了提高系统性能，大多数系统采用数据

56、加扰作为串并转换工作 的一部分。这可以通过把每个连续的数据比特随机地分配到各个子载波上来实现。在接收 机端，进行一个对应的逆过程解出信号。这样，不仅可以还原出数据比特原来的顺序，同 时还可以分散由于信道衰落引起的连串比特错误使其在时间上近似均匀分布。这种将比特 错误位置的随机化可以提高前向纠错编码 fec 的性能，并且系统总的性能也得到改进。 循环 前缀 循环 前缀 复制 有效数据 循环 前缀 图 2.4 ofdm 循环前缀示意图 fig.2.4 structure of ofdm signal with cyclic prefix 由于传输信道往往是记忆的，为了消除码间干扰，ofdm 系统通

57、常采用的方法是，先 将数据符号进行 n 点逆傅立叶变换(ifft)，将变换后的最后 l 个数据复制到前面，组成 n 十 l 个数据的发射 ofdm 符号。如图 2-4 所示，这 l 个点冗余的数据通常称为循环前缀 （cp） ，其长度大于等于 fir 信道的阶。在接收端，丢弃 ofdm 码字的 cp 部分，并对余 下的部分进行 n 点傅立叶变换处理。正是在发射端采用 ifft 和插入循环前缀而在接收端丢 弃循环前缀后采用 fft 处理技术，从而将频域选择性信道转换为相互独立的具有平坦性衰 落的高斯子信道。插入 cp 不仅可以有效地对抗多径时延扩展和保持子载波间的正交性， 而且最重要的一点是使带

58、cp 的 ofdm 时域信号与信道时域响应 h(n)的线性卷积近似为时 域数据符号 s(n)与信道时域响应 h(n)的循环卷积。 下面定量分析保护间隔在多径衰落信道下对 ofdm 信号的保护作用。我们把 ofdm 的 发射信号表示为： (2.1)itt (g)itt (f2 jexp)k(dred(t) sski 式中变量 i 表示不同的 ofdm 周期，g(t)为矩形脉冲波形，即 (2.2) )tt ,t (0) t (g )tt( 1) t (g s s 在静态的频率选择性衰落信道下，信道冲激相应为： (2.3)t (h) t (h 1 mm 1i 1 12 其中 h1为第 l 条接收路径

59、的复包络， 1为回波延时。假设回波延时不超过信号的传输周期， 在所有回波中，落于保护间隔 内的有 m1个，超出 的有 m2个。即： (2.4) )mm,.,1ml (t mm,.,1l0 211sl 21l 实实 那么经过多径信道后，接收机的输入信号应该为： (2.5)n(nd)(h )-d(t(t)d 0 式中 n(t)为复高斯随机噪声。在第 i 个 ofdm 周期，接收机完成 dft 变换后的判决结果是： )k(n )m(d) )(km( ( csin) t )(km( j)t(f2 jexp(h t )m(d) t )(km( ( csin) t )(km( jf2 jexp(h t )

60、k(d)f2 jexp(h t t )f2 jexp(h dt)itt (f2 jexp) t (d t 1 )k(d i 1i l s l lkl mm lmi 1 -n 0m s l i s l s l lml mm lmi 1n 0m s l i m 1l mm mi lkl s ls lkl sk tit it i i 21 1 2 1 12 1 ss s (2.6) 式中第一项为所需信号，第二项为载波间的干扰（ici） ，第三项为 ofdm 周期间的干扰 （包括同一子载波的 isi 和不同子载波的串扰） ，最后一项为随机噪声。由此式可见，时延 小于保护间隔 的 m1个回波只决定判决结