（通信与信息系统专业论文）coofdm单模光纤通信系统仿真及定时同步算法的研究.pdf

t h e s t u d y o fco - o f d m s i n g l e m o d e f i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m 一 l si m u l a t i o n a n dt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m b y x i e x i a o f a n g s u p e r v i s o r t o n gz h e n g r o n g j a n ，2 0 1 0 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和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，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 墨盗墨兰太至 或 其他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已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：褥昨 签字日期：矽c 。年岁月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗堡墨盘堂有关保留、使用学位论文的 规定。特授权叁盗墨墨盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编，以供 查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：诼3 店 签字日期：弘i 。年；月日 导师签名：童睁荧 签字日期：讼1 。年歹月罗日 摘要 相干光正交频分复用( c o o f d m ) 技术是一种新型的光复用技术，该技术具有相 干检测和o f d m 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c o o f d m 单模光纤系统及其同步算法进行研究，主要包括系统工作原理、 不同调制方式下的系统传输性能分析、定时同步算法以及高速率下c o - o f d m 的单模光 纤通信系统的设计和仿真实现。具体工作内容如下： ( 1 ) 分析c o o f d m 单模光纤系统的工作原理，在2 p s k 、4 q a m 、8 q a m 、1 6 q a m 四种调制方式下，对1 0 7 g b s c o o f d m 单模光纤系统的传输性能进行分析和仿真，得 出传输容量、传输距离以及系统误码率三者之间是相互矛盾的，增大o s n r 能在一定程 度上改善系统性能。当系统误码率维持在l o - 3 以内，并采取4 q a m 调制时，在o s n r 为1 2 d b 时，传输距离可达1 6 0 0k m ，当o s n r 为增加到1 9d b 时，系统的最大传输距 离为1 9 0 0 公里。 ( 2 ) 针对传统算法对色散敏感，提出一种新的改进算法，该算法的训练符号序列 结构是在原有符号的基础上，将第一个已经添加了循环前缀的o f d m 符号的尾部复制 长度( 即下面结构中的c 只) 放在该符号的前面，即利用c 只作为训练序列，l 一般大于循 环前缀的长度，然后利用伪随机序列将这段复制序列的相位扰乱，具体结构为：【c e c po f d m 】。在相同仿真条件下，采用s c h m i d l & c o x 算法、m i n n & l e t a i e f 算法和 p a r k & c h e o n 算法和改进算法，对1 0 0 0 个定时点对进行仿真比较，改进算法的错误率均 值始终保持在1 2 以下，更适合光纤信道。 ( 3 ) 采用正交带宽复用( o b m ) 技术和光路结构为2 2c o m i m o o f d m 系统模 型，从理论上完成传输速率为1 0 7 g b s 的c o o f d m 单模光纤系统的设计。对所设计的 2 2c o m i m o o f d m 单模光纤系统的定时同步进行分析和仿真，表明提出的同步算法 在该系统是可行的。 关键词：相干光j 下交频分复用定时同步正交带宽复用多输入多输出一正交频分复用 a b s t r a c t c o h e r e n to p t i c a lo r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( c o - o f d m ) i san e wt y p e o fo p t i c a lm u l t i p l e x i n gt e c h n o l o g y t h et e c h n o l o g yh a st h em e r i t so fc o h e r e n td e t e c t i o na n d o f d m ，s oi t c a nr e a l i z et h eh i 曲一s p e e do p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o nw i t h o u td i s p e r s i o n c o m p e n s a t i o n ，w h i l et h er e q u i r e m e n to fo p t i c a la m p l i f i e r sh a sb e e nr e d u c e d a n dt h u s i t s t r a n s m i s s i o nc a p a c i t yc a nb ee n h a n c e d ，b u ta l s oh a sag o o du p g r a d ei nt h ee x i s t i n gn e t w o r k i n f r a s t r u c t u r e ，a sw e l la st h ee x p a n s i o ni sc o n v e n i e n t t h e r e f o r e ，i th a sb r o a da p p l i c a t i o n p r o s p e c t si nt h eh i g h - s p e e d ，l a r g ec a p a c i t ya n dl o n g - d i s t a n c et r a n s m i s s i o ns y s t e m s t h i sp a p e rs t u d i e st h ec o - o f d ms i n g l em o d ef i b e rs y s t e m ，m a i n l yi n c l u d i n gt h e a n a l y s i sa n dd e s i g no ft h es y s t e mb l o c kd i a g r a m ，t h es y s t e mp e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n t m o d u l a t i o n s ，t h ea n a l y s i so ft i m i n gs y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h ma n ds i m u l a t i o nr e a l i z a t i o n t h e s p e c i f i cw o r ka sf o l l o w s ： f i r s t ，t h et h e o r e t i c a lm o d e lo ft h ec o o f d ms i n g l em o d ef i b e rs y s t e mi sa n a l y z e d i n t h ef o u rm o d u l a t i o ns c h e m e so f2 p s k4 q a m ，8 q a ma n d16 q a m ，w ea n a l y s i st h e t r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c ef o rt h er a t eo f10 7 g b sc o o f d ms i n g l em o d ef i b e rs y s t e m t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h er e l a t i o n s h i po ft r a n s m i s s i o nc a p a c i t y , t r a n s m i s s i o nd i s t a n c ea n db e ro f t h es y s t e ma r ec o n t r a d i c t o r yi nt h es a m ec o n d i t i o n sa n di n c r e a s eo s n rc a l li m p r o v et h e s y s t e mp e r f o r m a n c et os o m ee x t e n t w h e nb e r o ft h es y s t e mm a i n t a i n e sa t10 一o rl e s s ，a n d t ot a k e4 q a mm o d u l a t i o n , w h e nt h eo s n ro f12d b ，t h et r a n s m i s s i o nd i s t a n c eo fu pt o16 0 0 妣w h e nt h eo s n ri n c r e a s e dt o19d b ，t h es y s t e m sm a x i m u mt r a n s m i s s i o nd i s t a n c eo f 1 9 0 0 k m t h et r a d i t i o n a lt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mo fd i s p e r s i o n s e n s i t i v e ，an e wi m p r o v e d a l g o r i t h mo ft h et r a i n i n gs y m b o ls e q u e n c eo fs y m b o l si nt h eo r i g i n a ls t r u c t u r ei sb a s e do nt h e f i r s to n eh a sb e e na d d e dt ot h eo f d ms y m b o lc y c l i cp r e f i xl e n g t ho ft h et a i lo fr e p r o d u c t i o n o nt h ef r o n to ft h es y m b o l ，t h a ti su s e da sat r a i n i n gs e q u e n c e ，lg e n e r a l l yl a r g e rt h a nt h e c y c l i cp r e f i xl e n g t h ，t h ep h a s eo fr e p l i c a t i o ns e q u e n c e w i l lb ed i s r u p t e du s i n gt h e p s e u d o r a n d o ms e q u e n c e i t ss p e c i f i cs t r u c t u r ea sf o l l o w s ：【c 只 c po f d m 】i nt h es a m e s i m u l a t i o nc o n d i t i o n s t h es c h m i d l & c o xa l g o r i t h m ，m i n n l e t a i e fa l g o r i t h ma n dt h ep a r k & c h e o na l g o r i t h ma n di m p r o v e da l g o r i t h m t h e10 0 0t i m i n gp o i n t sf o rc o m p a r i s o na n d s i m u l a t i o nt ot h em e a ne r r o rr a t eo fi m p r o v e da l g o r i t h ma l w a y sm a i n t a i n e db e l o w12 i s m o r es u i t a b l ef o rf i b e rc h a n n e l t h i r d ，t h ed e s i g no ft h et r a n s m i s s i o nr a t eo f10 7 g b so ft h ec o - o f d ms i n g l em o d e f i b e rs y s t e mi sc o m p l e t e dt h e o r e t i c a l l yu s i n go r t h o g o n a lb a n d w i d t hm u l t i p l e x i n g ( o b m ) a n d 2x2c o - m i m o - o f d ms y s t e mm o d e l t h ed e s i g n e d2 2c o m i m o - o f d mt i m i n g s y n c h r o n i z a t i o ni ns i n g l e m o d ef i b e rs y s t e ma n a l y s i sa n ds i m u l a t i o ns h o wt h a tt h ep r o p o s e d a l g o r i t h mi nt h es y s t e mi sf e a s i b l e k e yw o r d s ：c o h e r e n to p t i c a lo r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( c o o f d m ) ， t i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n ，o r t h o g o n a lb a n d w i d t hm u l t i p l e x i n g ，m u l t i p l e 。i n p u t m u l t i p l e o u t p u t o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( m i m o - o f d m ) 目录 第一章绪论。1 1 1 高速大容量光纤通信系统的发展概况1 1 1 1 光波分复用( w d m ) 通信。1 1 1 2 光时分复用( o t d m ) 通信2 1 1 3 光码分复用( o c d m ) 通信4 1 1 4 光正交频分复用( o o f d m ) 通信4 1 2c o o f d m 技术的发展6 1 2 1c o o f d m 技术的发展现状6 1 2 2c o o f d m 系统的特点与优势7 1 3 本文的主要工作和研究成果一9 第二章c o o f d m 单模光纤系统的传输性能研究及仿真l l 2 1c o o f d m 的基本理论1 1 2 1 1 系统原理框图1 1 2 1 2 工作原理1 2 2 2c o o f d m 单模光纤系统的同步1 3 2 2 1 定时同步1 3 2 2 2 频率同步1 4 2 2 3 子载波同步1 6 2 31 0 7 c 南sc o o f d m 单模光纤系统1 7 2 3 1c o o f d m 单模光纤系统组成1 7 2 3 2 单模光纤信道分析1 8 2 3 3 系统调制方式分析一19 2 3 4 系统仿真结果与分析。1 9 2 4q a m 调制下系统传输性能仿真2 l 2 5 本章小结2 2 第三章c o o f d m 单模光纤系统定时同步的研究2 4 3 1 符号定时偏差对基于c o o f d m 单模光纤系统性能的影响2 4 3 2 基于训练符号的定时同步算法2 6 3 2 1s c h m i d l & c o x 算法2 7 3 2 2m i n n & l e t a i e f 算法2 9 3 2 3p a r k & c h e o n 算法3 0 3 3 改进的同步算法3 3 3 3 1改进的符号同步算法理论分析3 3 3 3 2 仿真与性能比较分析3 4 3 4 本章小结3 6 第四章1 0 7 g b sc o o b m o f d m 单模光纤系统设计3 7 4 1 正交带宽复用一正交频分复用( o b m o f d m ) 技术3 7 4 1 1 正交带宽复用一正交频分复用( o b m - o f d m ) 原理3 7 4 1 2 正交带宽复用实现3 8 4 22 2c o m i m o o f d m 单模光纤系统的分析3 9 4 2 1 基本原理一3 9 4 2 2 系统组成4 l 4 31 0 7 g b sc o o b m o f d m 单模光纤系统设计4 2 4 3 1 系统组成框图。4 2 4 3 2 系统定时同步分析4 3 4 4 本章小结4 5 第五章结论及下一步的工作总结4 6 参考文献一4 7 发表论文情况说明5 2 致谢5 3 第一章绪论 第一章绪论 2 l 世纪是信息高速发展的世纪，人类社会进入了一个信息量呈爆炸式增长的信息时 代。计算机、互联网、各种通信技术迅速兴起，不仅给人类的物质生活，同时也给精神 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和挑战，而且对通信网传递信息的能力提出 了更高的要求，同时也为光纤通信的发展提供了一个难得的机遇。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【l 删。超大容量，超长距离和超大速率仍然是光通信技术发展的主要方向。 1 1 高速大容量光纤通信系统的发展概况 在光纤通信的1 5 5 0 n m 波长附近2 0 0 n m 范围内，它所对应的光纤带宽约为2 5 t h z ， 而在1 3 1 0 n m 波长附近，也约有2 5 t h z 可利用的带宽。这些都表明光纤具有非常丰富的 带宽资源，可提供的理论传输带宽达到5 0 t h z 。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( w d m ) 、光时分复用( t d m ) 和光码分复用( o c d m ) 以及现在的起步较 晚但备受关注的光正交频分复用( o o f d m ) 。 1 1 1 光波分复用( w d m ) 通信 波分复用是指在同一条光纤中同时让多个不同波长的光载波信号通过不同光信道 各自传输信息，它是现在光纤通信扩大传输容量、提高传输速率的主要技术之一。其工 作原理如图1 1 所示，在发送端将各个不同光通道的信号，通过合波器( m u x ) 复 用，耦合入光纤链路中的同一根光纤中传输，再经过在光纤内的长距离传输，之后 到达接收端进入分波器( d e m u x ) ，将复用的信号按波长解复用，做进一步的信号 处理后，恢复出原始信号。在传输过程中，每隔一定传输距离需要加入一个掺铒 光纤放大器( e d f a ) 对信号进行放大以补偿各种损耗对信号造成的衰减。所以， w d m 在不增加光纤的情况下，可以成百倍的增加通信系统的传输容量。通常当波长 间隔不大于l0 0 g h z 的波分复用称为密集波分复用( d w d m ) 。目前应用的d w d m 技术，单通道速率以1 0 g b i t s 为主流，波长数最多可支持1 6 0 个，进一步提高所支持的 波长数难度较大。 第一章绪论 防母 n k 图1 1w d m 原理图 w d m 通信的关键技术包括【4 】：波长可调谐及多波长光源技术；掺铒光纤放大器技 术；光纤传输技术等等。随着相关技术的不断发展，美国贝尔实验室在1 9 9 9 年实现了 单通道电时分复用1 6 0 g b i t s 的光传输实验，传送距离达到3 0 0 k m 。2 0 0 1 年，美国a l c a t e l 公司实现了l o 2 4t b i t s ( 2 5 6 x4 2 7 g b i t s ) x3 0 0 k m 传输系统【5 】，日本n e c 成功实现了的 l o 9 2t b i t s ( 2 7 3 4 0 g b i t s ) x 1 1 7 k m 传输系统【6 j ，2 0 0 5 年8 月，日本n t t 公司的t a k u y a o h a r a 等人在o f c 会议上发表了关于上千通道的d w d m 实验传输系统的报i 苣【。 到2 0 0 7 年，贝尔实验室已经完成2 5 6t b i t s 的2 4 0 公里的光传输实验系统，该系 统是在c l 波段上，采用1 6 0 x 1 6 0 g b i t sd w d m 和偏振复用技术实现的。 2 0 0 9 年，同本n e c 又在o f c 会议上宣布了3 2t b s ( 3 2 0 11 4 g b s ) 的光传输系统 成功传输了5 8 0 公里，创造了新的记录。 我国的实验室正在启动6 4 t b s ( 1 6 0 x 4 0 g b i t s ) 系统的研究，国内很多公司也在从 事这方面的研究，例如：中兴公司研发的d w d m 系统容量已经可升级到1 6 0 x 1 0 g b i t s ， 并实现超过5 0 0 0 k m 的无电中继传输，华为公司已经能够提供容量为1 6 t b s ( 1 6 0 x1 0 g b i f f s ) 的商用w d m 系统，烽火通信成功推出3 2 t b s8 0 x 4 0 gg b i t s 的d w d m 系统，并且将该系统成功应用在中国电信8 0 x 4 0g b i t s 的d w d m 上海一杭州工程。但是， 国内当前的通信骨干网是以1 0 g b i t s 为基础的w d m 网络构建，已经呈现出“力不从心” 的状态，部分骨干网的8 0 x 1 0 g b i t sd w d m 系统容量已经用完瞵j 。 尽管w d m 在最近几年取得了很多的成果，但还是存在不少的问题一d 训，例如：由 于w d m 系统对中心频的偏移很敏感所以要制作高精度波长稳定的激光器；需要高选择 性的滤波器或相干检测技术来分辨出每一个波道；而且由于多个波长的同时存在使 w d m 系统受光纤色散和非线性效应的影响很大；还对解复用器件性能等等提出了很高 的要求。 1 1 2 光时分复用( o t d m ) 通信 光时分复用( o t d m ) 传输原理如图1 2 所示，是一种基于时隙传送信息的技术。 在发送端，每个时隙是由脉冲光源( p u l s es o u r c e ) 发送一个脉冲所对应产生，每个时隙 经过n 条不同的路径( 这罩的不同的路径即经过距离不同的光纤延时线) 之后依次输出， 只要准确控制光纤延时线的长度便可以得到一帧，它是由n 个相等的时隙组成的，如此 继续循环，从而得到许多相同的帧并一直传输下去，这个过程即为复用过程，实质上它 第一章绪论 就是一个并行转换成串行的过程。在传输过程中需要加e d f a 对信号进行放大以补偿 各种损耗对信号造成的功率损失。帧信息流到达接收端后，经过与复用过程相反的解 复用过程是一个将串行转换成并行的过程，即将不同的时隙分配给指定的用户。保持时 钟同步以便发送端和接收端的时隙准确的一一对应，这是在光时分复用传输的整个过程 中所必须保证的。 在o t d m 系统中采用单一光波长传输，这点与w d m 系统不同，它的关键技术包 括：高重复率超短光脉冲源：超短光脉冲传输技术；时钟提取技术；光时分解复用技 术；全光中继再生技术等等。 图1 2o t d m 原理图 时分复用分为电时分复用( e t d m ) 和光时分复用( o t d m ) 。目前，e t d m 的应 用最为广泛，单通道传输速率已经得到了很大的提高 i 1 - 1 4 j ，已由8 0 年代的4 5 m b s 迅速 增加到2 5 g b i t s 和1 0 g b i t s 。但是，由于e t d m 复用和解复用都在电域内进行，受到半 导体微电子技术瓶颈的影响，纯粹单一的e t d m 复用方式发展潜力已经不大了。而光 的o t d m 的复用和解复用都是在光域内完成，从而克服了半导体微电子技术瓶颈，因 而备受关注。 从目前的研究情况看，o t d m 的发展方向分为四个方面：一个方向就是“e t d m + o t d m ”相结合的方式，不仅可以用来提高光纤的传输容量，还可以作为网络技术用来 组建“全光网”，而且应用前景更为广泛。近些年来的1 6 0 g b s ( 4 x 4 0 g b s ) 的相关实 验报道也逐渐增多【1 5 i9 1 。第二个发展方向是提高系统的传输速率的研究，日本的n t t 一直从事该方向的研究工作，其o t d m 实验系统的最高速率从1 0 0g b i t s 、2 0 0g b i t s 、 4 0 0g b i t s 甚至到6 4 0g b i t s 2 0 2 3 】而且公司于1 9 9 8 年就实现传输速率为6 4 0g b i t s 的传送 距离达到6 0 k m 实验系统【2 4 1 。第三个发展方向是o t d m 实用化技术和比特间插的o t d m 网络技术，欧洲一直从事着4 0g b i t s 的o t d m 系统和网络方面的研究工作，其中部分 关键器件已经接近实用，如锁模半导体激光器和全光型分插复用器等，而且在4 0g b i t s 的o t d m 信号的传输方面也进行了许多现场实验，获得了一定的研究成果。第四个方 向是o t d m 全光分组网络，全光网络的一个发展方向将是光的分组交换网络，这与电 第一章绪论 的分组交换网络一样，在这方面做了大量的研究工作的有：美国和英国电信等。 1 1 3 光码分复用( o c d m ) 通信 光码分复用传输原理如图1 3 所示，是指为每一个信道分配一个唯一的光下交码作 为此信道的地址码，把要传输的信号用该地址码将其光编码，实现信道复用，接收时用 与发送端相同的地址码进行相关接收，即可恢复原信号。 卧 耦耦 l 编码器lr 目 a 1 1l i 光纤 风ocdman ii 器器 1 编码器r 图1 3o c d m 原理图 户投 i 户数 2 广t 数 n 早在2 0 世纪8 0 年代中期，o c d m 技术就已经被提出来了，但是却一直被挡在了光 通信研究领域主流的门外。直到最近几年o c d m 有了迅速的发展，并从c d m a 和w d m 等领域吸收了很多技术。由于o c d m 将光纤的频谱分成不同的码，且它的扩容只需更 多的相互正交的地址码就可以实现，不需对系统有很高的要求；而w d m 将光纤的频谱 划分成很多的窄波长，且它的扩容需要单信道速率更高，信道间隔越来越窄，整个频谱 却越来越宽，所以将o c d m 和w d m 技术相结合，能取长补短。因此，o c d m + w d m 系统有可能成为将来大容量、高速率光通信网络的组网趋势之一1 2 副。同时还有文献 1 2 6 ，2 7 】指出o c d m 可用于光分组交换；2 0 0 5 年，文献【2 8 】提出了利用o c d m a 技术用于光分插复用器( o a d m ) 中，并进行了演示实验，这都将推进o c d m 技术进 一步的发展。但是，o c d m 还处于实验阶段，实用化要取得突破性的进展，还需解决一 些关键问题：性能优良的光j 下交码集、实用化的系统方案、光器件技术以及如何支持宽 带综合业务集成体制等。 1 1 4 光正交频分复用( o o f d m ) 通信 j 下交频分复用( o f d m ：o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x e d ) 基本原理是利用 数字信号处理进行逆傅立叶变换( i f f t ) ，产生一组正交的子载波用于低速率信号的并 行传输，从而完成高速率信号的传输任务。这一过程最突出的优点是提高了系统的频谱 利用率，同时降低了计算的复杂性f 2 9 1 。 基于以上特点，正交频分复用( o f d m ) 更适合在高色散的信道中传输，可有效解 第一章绪论 决无线信道中多径衰落和加性噪声等问题。近年来，为了解决光纤通信速率升级以及色 散等问题，在光通信领域的o f d m 调制技术应用受到关注，即产生光j 下交频分复用通 信。2 0 0 5 年3 月，澳大利亚的n e j o l l e y 等人在当年的o f c 会议上首次提出将o f d m 技术应用于光通信中，并证明了在多模光纤中1 0 g b s 信号能够传输距离为lk m1 3 0 】。 o o f d m 技术是将光纤频带分成许多相互j 下交的子频带，这些子频带作为传输信息的子 信道，从而使色散容限增大。应用o o f d m 技术既可以做到无色散补偿的高速光纤传输， 同时又对光放大器的要求有所降低，从而大大地提升了其传输能力。 o o f d m 技术已经成为国际的新型光调制技术的研究热点。国外有很多研究小组例 如：英国的b a n g o ru n i v e r s i t y 、美国的u n i v e r s i t yo f a r i z o n a 、日本的k d d i 实验室、朗 讯一贝尔实验室、澳大利亚的u n i v e r s i t yo fm o n a s h 等，这些研究小组对o o f d m 系统 进行了比较深入的探索研究，主要涉及的有o o f d m 单模光纤传输系统在长距离和多模 光纤传输系统在短距离等方面的实验研究及应用，这其中还包括o o f d m 中的非线性效 应、频谱效率、色散补偿、性能估计等关键技术问题的研究，取得了很多可喜的研究成 果，主要研究进展有： 2 0 0 6 年3 月，a j l o w e r y 等人仿真证明，在没有色散补偿的情况下，采用o o f d m 技术，可以使3 2 1 0 g b s 的信号沿单模光纤传输4 0 0 0 k m 【3 。 同年，i b d j o r d e v i c 等人仿真证明，利用现有器件并采用o f d m 技术的同时，在单 模光纤中1 0 0 g b s 的信号可以实现传输3 4 8 0 k m 的距离【3 2 1 。 2 0 0 7 年3 月，n c v i j e t i e 等人在没有色散补偿的情况下，成功实验了4 0 1 0 g b s 的 信号沿单模光纤传输1 9 2 0 k m 的距离【3 3 】。 2 0 0 8 年9 月，x i a n gl i u 等人在朗讯一贝尔实验室仿真了1 1 2 g b s 偏振复用 ( p d m ) o f d m 传输系统，同时分析该系统的非线性容忍性问题【3 4 1 。 由此可见，对于o o f d m 的研究，2 0 0 7 年之前，主要集中在理论研究和仿真方面， 研究方向也主要是多模光纤的短距离传输系统上。从2 0 0 7 年3 月以后，开始出现些 概念和原理性的验证实验，并且将o o f d m 技术用于单模光纤的远距离传输系统。从当 前的发展情况看，o o f d m 技术的主要发展方向有以下四个方面： 1 ) o o f d m 在高速率、大容量、远距离单模光纤传输系统中的应用。o o f d m 技术 以前的研究大都集中在多模光纤的短距离上，但随着电子器件的飞速发展，特别是硅集 成电路的发展。现在o o f d m 技术研究已经更多的是应用在单模光纤传输系统中以实现 高速率和长距离的传输。 2 ) o o f d m 技术与其它技术如偏振复用( p d m ) 、o b m 、w d m 等相结合的研究。 如今，国外o o f d m 研究小组都开始集中研究o o f d m 与现有光纤传输技术相结合，但 是，当i j 相关方面的研究成果还较少。 3 ) 在o o f d m 传输系统中加入其它传输技术以提高传输性能，例如：与编码、实 时自适应调制、预补偿等技术结合，可能成为今后一大研究热点。 4 ) o o f d m 技术的实用化进程研究。由于目前的研究大都是处于理论上的，实验 系统也都是原理性的，例如：目前都是通过任意波形发生器( a w g ) 产生信号的，而 且实验所用激光器成本很高。未来的目标是实现商用化的o o f d m 传输系统。 第一章绪论 综上所述，w d m 、o t d m 、o c d m 和o o f d m 这几种复用技术各有优势，但w d m 技术已经成熟，系统容量大，光纤可用带宽利用率高，可以迅速在现有通信系统的基础 上实现扩容。o t d m 技术速率带宽比高，但是高速路传输时需要精确的时间同步，系统 容量不大，而且尚处于探索阶段。o c d m 保密性强，抗干扰，但是实用化尚未取得突破 性的进展，现阶段尚无实用系统。o o f d m 技术结合了相干检测和o f d m 特点，抗色散 能力强，无需色散管理，频谱利用率高，并且可以在现有的网络基础设施上能k 很z 好的升 级，具有很强的信道容量可扩展性，扩容方便，但是，它的研究还处于实验性阶段，离 商用化还有一段距离。 1 2c o o f d m 技术的发展 1 2 1c o o f d m 技术的发展现状 近几年来，分别基于相干光( c o ) 和非相干光( i o ) 的o f d m 技术，即c o i o o f d m 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( p m d ) 。单就抑制色 散的效果来看，使用c o 和i o 模式是相似的，但是如果系统在接收端采用c o o f d m 的相干光检测，不仅可以在有效抑制色散和利用p m d 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。 自2 0 0 6 年5 月澳大利亚墨尔本大学的s h i e h 等人首次提出了可采用相干光o f d m 技术来补偿光纤信道色散的影响，并成功完成传输速率为1 0g b s 的光o f d m 信号在 1 0 0 0 k m 的标准单模光纤的传输【35 。 同年8 月，w s h i e h 等在e l e c t r o n i c sl e t t e r s 发表论文【3 6 】指出，在相干光o f d m 系统 中可以减小单模光纤的偏振模色散( p m d ) 影响；在该课题组后续的研究中表明，在 c o o f d m 系统中，p m d 有利于实现系统的色散补偿【3 。m 8 1 ，2 0 0 7 年，该课题组又成功 报道了利用p m d 技术在1 0 0 0 k m 的s s m f 中实现了传输1 0 7 g b s 信号的无色散补偿p 川。 不久，s l j a n s e n 等人比较系统的讨论了长距离传输的c o o f d m 系统1 4 0 j 。在此文 章中提出了一种新颖的相位噪声补偿方法，即r f 辅助相位噪声补偿法。在此补偿方案 下，在没有色散补偿时，2 5 8 g b s 的c o o f d m 信号成功实现在标准单模光纤中传输了 4 1 6 0 公里。在此之后，很多与c o o f d m 的相关的理论研究和实验陆续发表1 4 1 舶】， c o o f d m 得到了飞速的发展。 2 0 0 8 年2 月，s l j a n s a n 等人发表了采用p d m 极化分集复用与c o o f d m 相结合， 1 2 1 9 g b s 的信号在1 0 0 0 k m 的s s m f 上实现了无色散传输，其电谱效率为2 b s h z 【4 川。 2 0 0 8 年4 月，w s h i e h 等人在o p t i c se x p r e s s 发表论文【4 酬，实现了10 7 g b sc o o f d m 在s s m f 上传输1 0 0 0 k m 以上，并且系统使用了2 2m i m o o f d m 模型进行传输，提高 了频谱利用率1 4 ，其频谱利用率为3 3 b s h z 。 国内的c o o f d m 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o o f d m 系统进行仿真和光路实验研究【4 引。 c o o f d m 系统可以充分利用光纤的巨大带宽资源，增大传输容量、提高传输速率， 第一章绪论 而且它与现有的网络有很好的兼容性，在现有基础设施上能很好的升级，扩容方便。对 于早期的芯数不多的光纤系统，利用c o o f d m 技术，系统不必做较大改动，就可以 轻松扩容。 1 2 2c o o f d m 系统的特点与优势 c o o f d m 结合了光纤通信中的相干光检测和o f d m 技术的特点。相干光检测和 o f d m 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o f d m 所需的线性，o f d m 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1 0 0 g b s 的传输系统而言，c o - o f d m 被认为是 比较好的调制方式。 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 4 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。 图1 4 相干光检测示意图 相干检测的主要优点： 1 ) 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 收机提高灵敏度约2 0 d b 左右； 2 ) 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w d m 系统的频 率问隔大大缩小，取代传统光复用技术的大频率间隔； 3 ) 具有多种调制方式。在相干光通信中，除了可以进行幅度调制之外，还可以使用 p s k 、d p s k 、d q p s k 和q a m 等多种调制方式，而这些调制方式同样也适用于c o o f d m 的单模光纤系统中。 2 o f d m 技术 第一章绪论 o f d m 是在无线通讯中被i e e e8 0 2 1 1 9 等通讯标准广泛采用的一种高速传输技术。 图1 5 是o f d m 信号子载波频谱图，在每一个子载波频率的最大值处，所有其他的子载 波的频谱恰好为零，所以，在对o f d m 符号进行解调的过程中，计算这些点上所