（电磁场与微波技术专业论文）基于ofdm的高速光传输系统的关键技术研究.pdf

， 卜 9 北京邮电大学硕士生毕业论文 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：二痒i 杠一日期：一遨墨日堡d 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：皇遗日期： 边皇墨a ! 羽 导师签名： 北京邮电大学硕上生毕业论文 1 北京邮电大学硕士生毕业论文 基于o f d m 的高速光传输系统的关键技术研究 摘要 由于各种数据、视频业务的蓬勃发展，人类社会对于信息传输带 宽的需求以惊人的速度高速增长。为了满足网络带宽需求以及单信道 速率的持续高增长，高速光通信系统正在告别以往的强度调n 直接 检测( i m d d ) 方式。将无线通信领域中成熟的正交频分复用( o f d m ) 技术引入到光通信中是目前实现高速光通信的一个研究热点。 光o f d m 系统融合了无线o f d m 技术和光通信的优点，具有高 传输速率、高抗色散能力、高频谱效率等优势。研究表明，光o f d m 系统可以在现有光传输系统的基础上构建出高速率、低成本、长距离 的光传输网络，是实现下一代超高速长距离光传输的潜在技术之一。 本论文以光o f d m 系统为研究对象，从研究光o f d m 系统的原 理入手，通过搭建仿真平台，深入研究光o f d m 系统的性能和关键 技术，主要研究内容和成果可以分为以下几个部分： ( 1 ) 在研究o f d m 原理和关键技术的基础上，从基本理论的公 式推导入手，深入研究了光o f d m 系统，尤其是直接检测o f d m 系 统( d d o f d m ) 和相干检测o f d m 系统( c o o f d m ) 的原理、优 势及不足。 ( 2 ) 基于v p i 和m a t l a b 仿真软件搭建完成d d o f d m 系统仿真 平台；研究表明，在无光路色散补偿的情况下，d d o f d m 系统具有 较高的抗色散性能。 ( 3 ) 根据d d o f d m 系统与光单边带调制相结合的特点提出一 种新型的利用两个并联的马赫曾德尔调制器( m z m ) 通过光i q 调 制来实现的d d o f d m 光单边带调制方案。 ( 4 ) 基于v p i 和m a t l a b 仿真软件搭建完成c o o f d m 系统仿真 平台；通过分析比较仿真系统的q 值和理论q 值随o s n r 的变化趋 势，验证了平台的正确性。 ( 5 ) 基于所搭建的c o o f d m 系统仿真平台，研究系统内的载 波频偏补偿算法和相位噪声补偿算法。载波频偏补偿算法采用小数部 分频偏补偿和整数部分频偏补偿相结合的方法，相位噪声补偿算法采 北京邮电大学硕士生毕业论文 用插入梳状导频估计方法。研究表明，这两种补偿算法能有效的抵 激光器载波频率偏差和线宽引起的系统损伤。 关键词：光o f d m 系统直接检测o f d m 系统相干检测o f d m 系 光单边带调制载波频偏相位噪声 m o d u l a t i o n d i r e c t d e t e c t i o n ( i m d d ) s c h e m e a p p l y i n gt h e m a t u r e o f d mt e c h n o l o g yo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni n t ot h eo p t i c a lf i e l d w h i c hc a l lb eu s e dt or e a l i z et h eh i g h s p e e do p t i c a lt r a n s m i s s i o nh a s b e c o m eo n eo fr e s e a r c hf o c u s o p t i c a l o m ms y s t e m ，w h i c hh a st h e a d v a n t a g e s o f h i g h t r a n s m i s s i o nr a t e ，h i g hs p e c t r u me f f i c i e n c y , h i g hi m m u n i t yt oc h r o m a t i c d i s p e r s i o na n dl o w e rc o s t 。c o m b i n e st h ea d v a n t a g e so fw i r e l e s s0 f d m t e c h n o l o g ya n do p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s t h eo p t i c a lo f d ms y s t e mi s a b l et oc o n s t r u c tt h eo p t i c a ln e t w o r k sw i t hh i g h s p e e d 1 0 w e r - c o s ta n d l o n g d i s t a n c et r a n s m i s s i o n f u r t h e r m o r e ，t h eo p t i c a l0 f d ms y s t e mh a s b e e nc o n s i d e r e dt ob eo n eo fp o t e n t i a lt e c h n o l o g i e sf o rn e x tg e n e r a t i o n h i g h - s p e e da n dl o n g - d i s t a n c et r a n s m i s s i o no p t i c a ln e t w o r k s t h i sp a p e ri l l u s t r a t e st h er e l a t e df u n d a m e n t a lt h e o r i e sa n ds y s t e m i c c o n c e p t so fo p t i c a l0 f d ms y s t e m t h e n ，t h ep e r f o r m a n c ea n ds o m ek e y t e c h n o l o g i e so fo p t i c a lo f d m w e r ed e e p l yi n v e s t i g a t e db yc o n s t r u c t i n g t h es i m u l a t i o n p l a t f o r m s s o m e m a j o r r e s e a r c hc o n t e n t sa n d a c h i e v e m e n t sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w ： ( 1 ) f i r s t ，t h ep r i n c i p l ea n dk e yt e c h n o l o g i e so fo f d mt e c h n i q u ea r e w e l l r e s e a r c h e d t h e n ，s t a r t i n g f r o mt h ef o r m u l ad e r i v a t i o n ，t h e f u n d a m e n t a lt h e o r i e s ，a d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so ft h eo p t i c a l0 f d m i i l 北京邮电大学硕士生毕业论文 s y s t e m ，e s p e c i a l l y t h ed i r e c t d e t e c t i o no f d m ( d d o f d m ) a n d c o h e r e n t - o p t i c a lo f d m ( c o - o f d m ) a r ed e e p l ya n a l y z e d ( 2 ) t i l ed d - o f d m s i m u l a t i o np l a t f o r mi sc o n s t r u c t e db yu s i n gt h e v p ia n dm a t l a bs i m u l a t i o nt o o l s r e s e a r c h e ss h o wt h a td d o f d m s y s t e mh a sh i g hi m m u n i t yt oc h r o m a t i cd i s p e r s i o n w h e nt h eo n 1 i n e d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o ni sn o ti n t r o d u c e d ( 3 ) an o v e ld d - o f d mo p t i c a ls i n g l e s i d e b a n d ( o s s b ) m o d u l a t i o n s c h e m ei sp r o p o s e d ，w h i c hi sb a s e do nt r a d i t i o n a lo s s bm o d u l a t i o n t h e o r ya n dc o m p o s e do ft w op a r a l l e ld u a l d r i v em z m s ( 4 ) t h ec o o f d ms i m u l a t i o np l a t f o r mi sc o n s t r u c t e db yu s i n gt h e v p ia n dm a t l a bs i m u l a t i o nt o o l s t h ep l a t f o r mi sv e r i f i e db yc o m p a r i n g t h es i m u l a t i o nq f a c t o r sw i t ht h et h e o r e t i c a lv a l u e s ( 5 ) b a s e do nt h ec o n s t r u c t e dc o o f d ms i m u l a t i o np l a t f o r m ， c a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e t ( c f o ) c o m p e n s a t i o na l g o r i t h ma n dp h a s en o i s e ( p h n ) c o m p e n s a t i o na l g o r i t h ma r ei n v e s t i g a t e d t h ef r e q u e n c yo f f s e t c o m p e n s a t i o na l g o r i t h mc o m b i n e so fd e c i m a lp a r tc f o a n di n t e g r a lp a r t c f oc o m p e n s a t i o na l g o r i t h m t h ep h n c o m p e n s a t i o na l g o r i t h mu t i l i z e s t h ec o m b t y p ep i l o tm e t h o d r e s e a r c h e ss h o wt h a tt h e s ea l g o r i t h m sc a n e f f e c t i v e l yr e s i s tt h es y s t e m i cd e g r a d a t i o nw h i c hi s i n d u c e db yt h e l i n e w i d t ha n df r e q u e n c yo f f s e to fl a s e r s k e y w o r d s ：o p t i c a lo f d ms y s t e m ，d i r e c t - d e t e c t i o no f d ms y s t e m ， c o h e r e n t o p t i c a lo f d ms y s t e m ，o p t i c a ls i n g l e s i d e b a n dm o d u l a t i o n ， c a r d e rf r e q u e n c yo f f s e t ，p h a s en o i s e i v 1 北京邮电大学硕士生毕业论文 第一章绪论 目录 l t 1基于o f d m 的高速光传输系统的研究背景1 1 2基于o f d m 的高速光传输系统的优势3 1 3基于o f d m 的高速光传输系统的研究现状。4 1 4论文的研究工作和结构安排。6 1 5本章小结。7 第二章基于o f d m 的高速光传输系统研究 2 1o f d m 技术的基本原理8 2 1 1o f d m 信号的产生8 2 1 2 采用d f t 实现o f d m 信号1 0 2 1 3o h ) m 信号的循环前缀( c p ) 1 1 2 1 4o f d m 系统的结构。1 2 2 2光o f d m 系统的基本原理1 2 2 3d d 0 f i ) m 系统和c o o f d m 系统原理。1 4 2 3 1 马赫曾德尔调制器的光调制原理。1 4 2 3 2d d o f d m 系统的原理。1 7 2 3 3c o o f d m 系统的原理2 0 2 3 4d d o f i ) m 系统和c o o f d m 系统比较分析。2 2 2 4 本章小结2 3 第三章直接检测o f d m 系统仿真研究 3 1d d - o f d m 系统仿真平台2 5 3 1 1 系统仿真平台搭建2 5 3 1 2 系统仿真结果分析2 9 3 2新型的d d - o f d m 光单边带调制方式。3 0 3 2 1 传统d d o f d m 光单边带调制方案分析3 1 3 2 2 新型d d - o f d m 光单边带调制方式原理3 3 3 2 3 仿真结果分析。3 4 3 3 本章小结3 7 第四章相干检测o f d m 系统仿真研究 3 8 北京邮电大学硕士生毕业论文 4 1 c o 0 f d m 系统仿真平台3 8 4 1 1 系统仿真平台搭建3 8 4 1 2 系统仿真结果分析4 0 4 2c o o f d m 系统载波频偏补偿算法研究及仿真4 1 4 2 1 载波频偏补偿算法4 2 4 2 2 仿真结果分析4 4 4 3 c o o f d m 系统相位噪声补偿算法研究及仿真4 6 4 3 1 相位噪声补偿算法4 6 4 3 2 仿真结果分析4 7 4 4 本章小结4 9 第五章总结 参考文献 致谢 攻读硕士期间发表论文和申请专利情况 5 0 5 2 5 5 5 6 第一章绪论 论 基于正交频分复用( o f d m ) 的高速光传输系统( 简称光o f d m 系统) 融 合了无线o f d m 技术和光通信的优点，具有高传输速率、高抗色散能力和高谱 效率等优势，是目前高速光传输领域的研究热点之一。本论文以光o f d m 系统 为研究对象。本章介绍了光o f d m 系统的研究背景，光o f d m 系统的优势和研 究现状，以及本论文的研究内容和结构安排。 1 1 基于o f d m 的高速光传输系统的研究背景 近年来，随着社会信息化程度的不断提升，以及网络中一些新数据业务的不 断发展与成熟( 例如：网络中p 2 p ，i p t v ，v o d 等) ，人类社会对于信息传输 带宽的需求以惊人的速度高速增长。据统计，人类在过去5 0 0 0 年的文字记载总 共是5 艾( 1 0 1 8 ) 字节，而仅2 0 0 6 年全年，全球产生的文字记录就超过2 8 0 艾 字节。在“高清、三维、用户创造内容( u g c ) 一的驱动下，海量信息的产生引 发了“数字洪流 的到来。今后，人类每年将产生1 0 0 0 艾字节的数字内容。在 数字洪流的冲击下，电信骨干网络的流量将每年以5 0 - 8 0 的速率增长，而网 络流量将呈现出十倍甚至百倍的增长l l j 。目前，超高速、超大容量已成为信息传 送追求的主要目标。 针对底层光纤传输系统，当单信道光传输达到1 0 g b i t s 后，传统上这些与日 俱增的容量要求主要是依靠采用波分复用( w d m ) 技术来消化的。当前，基于 1 0 g b i t sw d m 技术的光纤通信系统已经成为国家信息基础设施中信息传输的主 要承载平台。通过w d m 技术，目前在一些大容量链路上，传输容量已经达到 t b i t s ( e l 如，北京一天津段和南京一上海重要段落的业务容量已经超过1 t b i t s ) 但是，依靠w d m 技术再继续扩容的空间有限，会产生很多限制因素：首先继续 增加波长通道数，会使得通道间隔越窄，从而使光纤呈线性效应的抑制变得更加 困难；其次目前波长已应用了c 和l 波段，继续扩容将会向s 、x l 波段进而全 波段发展，但相应波段的光放大器还不成熟。所以如果要继续提高系统的传输容 量和带宽，就必须提高单信道传输速率，即将单信道速率从1 0 g b i t s 提高至 4 0 g b i t s 、1 0 0 g b i t s 、甚至更高，产生单信道高速的光传输系统。 目前单信道4 0 g b i t s 的应用需求已经逐步显现，主要应用场景有4 0 g b i t s 设 北京邮电人学硕上生毕业论文第一章绪论 备机柜间高速互连，城域网络中4 0 0 b i t s 与1 0 g b i t s 以d w d m 的方式混传，城 域网络中新建4 0 g b i t sd w d m 大容量高速率传输系统等。并且，随着移动业务 和视频业务的高速发展，网络带宽需求的持续增加，1 0 0 g b i t s 以太网已经成为 当前光通信领域的研究热点，i e e e 8 0 2 3 b a 已经开始了1 0 0 g i t s 以太网标准标注 的研究工作1 2 1 。 针对单信道的光纤传输信道，当信道速率不大于1 0 g b i t s 时，基本上都是采 用强度调制直接检测( i m d d ) 的技术方案此时，如果要提高信道的传输速 率，就必须依靠缩小符号的持续时间来实现。但是，随着符号持续时间的缩小， 系统对光纤色度色散( c d ) 、偏振模色散( p m d ) 、光信噪比( o s n r ) 、非线性 效应等的容忍度就会急剧下降，使得系统设计与应用面临巨大的挑战。在同等条 件下，4 0 g b i t s 系统与1 0 g b i t s 系统相比： ( 1 ) 从电路设计的角度上，4 0 g b i t s 系统的发射和接收部分都比1 0 g b i t s 系 统的难度增加了很多。 ( 2 ) 4 0 g b i t s 信号的频谱比1 0 g b i t s 信号的宽，由此带来对有源和无源器件 更高的要求，同时对信道的o s n r 要求提高了4 倍( 6 d b ) 。 ( 3 ) 4 0 0 b i t s 信号的窄脉冲在光纤中传输时，会导致严重的克尔效应，从而 引起严重的非线性效应。 ( 4 ) 4 0 g b i t s 信号脉冲宽度是1 0 g b i t s 信号脉冲的1 4 ，相应系统的c d 容 限降低了1 6 倍，p m d 容忍能力降低了4 倍。 而对于1 0 0 0 b i t s 系统，c d 容忍度降低1 0 0 倍，p m d 容忍度降低1 0 倍， o s n r 的要求提高1 0 d b 。由此可见，通过采用传统i m d d 方案来实现系统升级 和扩容将会面临巨大的困难和挑战。 为了避免这些限制因素和困难，近年来研究者们提出了许多传输方案和调制 方式来实现高速( 4 0 g b i t s 、1 0 0 g b i t s ) 单信道光传输。以实现1 0 0 g b i t s 光传输 为例，目前主要有电时分复用( e t d m ) 1 3 1 ，光时分复用( o t d m ) 1 4 1 ，差分四 相移相键控( d q p s k ) 1 5 1 ，偏振复用+ d q p s k ( p d m + d q p s k ) 1 5 l ，相干检测+ 数字信号处理( d s p ) 1 6 11 7 1 和光o f d m 系统l a - 1 0 l 等方案。 针对上述实现方案，在考虑现有设备限制因素以及技术本身限制条件的情况 下，研究表明：相干检测+ d s p 方案和光o f d m 方案是实现未来高速光通信系统 的重要方案，但如果考虑到系统速率的进一步升级，对于超1 0 0 g b i t s 的下一代 超高速光传输系统来说，光o f d m 方案则是首选方案。光o f d m 系统正是本论 文的研究对象。 2 一 北京邮电大学硕士生毕业论文 第一章绪论 1 2 基于o f d m 的高速光传输系统的优势 为了满足网络带宽需求以及单信道速率的持续高增长，高速光通信系统正在 告别以往的i m d d 方式。将无线通信领域中成熟的数字通信技术应用到光通信 中是目前光通信领域的一个研究趋势，光o f d m 系统正是在这一趋势下提出的。 自从2 0 0 5 年英国的n e j o l l e y 和j m t a n g 等人在o f c 2 0 0 5 上首次提出将无线中 的o f d m 技术应用到高速光纤传输领域后，采用光o f d m 系统实现高速光传输 的方案迅速成为研究热点。 o f d m 技术是一种特殊的多载波调制( m c m ) 技术，其基本原理是：将高 速数据流经过串并变换，变换成若干并行低速的子数据流，然后将这些并行数据 分配到大量彼此正交的子载波上进行并行传输；在频域上可描述为：在频域内将 给定信道分成许多正交的且相互重叠的子信道，在每个子信道上使用一个子载波 进行调制，各子信道载波互相正交，并行传输1 1 1 l 。o f d m 技术的主要优点是： ( 1 ) 高的频谱利用率 区别于传统的m c m ，o f d m 系统各子信道间不但没有保护频带，而且相邻 信道间信号频谱的主瓣还相互重叠，系统通过各子载波间的正交性就可以正确的 解调出各子信道的信号。此外，o f d m 的各子信道上还可以采用多进制调制( 如 m q p s k 、m 洲) ，进一步提高了o f d m 系统的频谱效率。 ( 2 ) 抗多径干扰和频率选择性衰落能力强 o f d m 系统中循环前缀( c p ) 的使用，使得系统在一定条件下可以完全消 除信号多径传播造成的码间干扰( i s i ) ，完全消除多径传播对载波间正交性的破 坏，因此o f d m 系统具有很好的抗多径干扰能力。同时，o f d m 的子载波把整 个信道划分成许多窄信道，尽管整个信道有可能是极不平坦的衰落信道，但各子 信道上的衰落却是近似平坦的，这使得o f d m 系统子信道的均衡特别简单，往 往只需一个抽头的均衡器即可。 ( 3 ) 利用成熟的d s p 技术 当子信道上采用q a m 或m p s k 调制方式时，o f d m 信号的调制过程可以 用快速反傅里叶变换器( i f f r ) 完成，解调过程可以用快速傅里叶变换器( f f t ) 完成，既不用多组振荡源来产生信号，又不用带通滤波器组来分离信号，实现比 较简单。 光o f d m 系统融合了无线o f d m 技术和光通信的优点，相对于传统的光通 信系统具有很大的优势，其主要表现是： ( 1 ) 频谱效率高 3 北京邮电大学硕士生毕业论文第一章绪论 同o f d m 技术一样，光o f d m 系统各个子载波频谱是重叠的。所以与其他 光传输方案( 包括o t d m 、e t d m 复用方案) 相比，光o f d m 系统可以最大限 度的利用频谱资源，提高频谱效率( 至少提高到2 9b i t s h z ! 1 2 1 ) 。而且，通过与 各种先进的调制格式( m q a m 、q p s k ) 、偏振复用( p d m ) 技术以及相干检测 技术相结合，光o f d m 系统的频谱效率可进一步提高到1 0b i t s h z 以上l 埘 ( 2 ) 不需要复杂的c d 补偿 通过将高速率的数据流转换成为多个低速数据流，使得每个子载波上的数据 符号持续时间相对增加，再加上c p 的使用，原则上可以完全消除c d 所带来的 时域i s 。因此，光o f d m 系统在传输过程中不需要复杂的色散管理，这样既能 实现高速的数据传输，又降低网络的复杂度和建设、运行、维护的成本，也能适 应动态变化的网络环境。 ( 3 ) 利用成熟的d s p 技术 首先，各个子载波的调制和解调可以通过采用成熟的d s p 技术来实现；其 次，针对光o f d m 系统，可以在接收端充分利用d s p 技术( 如z 电域色散均衡 技术( e d c ) ) 进一步消除c d 等对传输信号的影响，进一步优化系统性能 ( 4 ) 系统兼容性和扩展性好 光o f d m 系统与原有的w d m 系统有很好的兼容性，可以充分利用w d m 系统在光纤链路和光放大器方面的巨大投资，只需在发射端和接收端进行适应性 改造既可完成升级。另外，光o f d m 系统可以根据系统环境变化，对c d 、p m d 和比特率等进行自适应调整，系统扩展性好。 正是由于这些显著优势，使得光o f d m 系统自2 0 0 5 年提出后，受到了光通 信领域学者的普遍关注和深入研究，被认为是实现1 0 0 g b i 怕和超1 0 0 g b i t s 单信 道光传输的重要候选方案。 1 3 基于o f d m 的高速光传输系统的研究现状 虽然光o f d m 系统结合了o f d m 技术和光通信技术的优点，但是由于 o f d m 技术自身所存在的缺陷，以及光纤信道的特点，光纤信道与无线信道相 比巨大的差异：( a ) 光纤信道近似为时不变的，而无线信道是时变的；( b ) 光 纤信道面临的问题是c d 和p m d 导致的脉冲展宽，而无线信道是由多径干扰引 起的i s i ；( c ) 光纤信道因纤芯很细，多种非线性效应影响严重，而无线信道中 非线性效应较弱；( d ) 光o f d m 系统的传输速率远高于电o f d m 系统，系统对 器件处理速率的要求更加苛刻等。这些都使得光o f d m 系统面临许多新的挑战 和困难，其主要表现是： 4 北京邮电大学硕：t 生毕业论文第一章绪论 ( 1 ) 光纤非线性损伤对光o f d m 系统的影响 与无线通信系统相比，光纤通信系统属于非线性系统，而且光o f d m 系统 内的非线性效应与w d m 系统又有很大不同由于光o f d m 系统各子载波之间 频谱间隔小，这使得子载波间的走离很弱，很容易满足非线性相互作用产生的条 件，形成串扰；由于子载波间隔一般为数十m h z 或几百m h z ，与w d m 系统不 一样，各子载波间的数据相关性也会通过交叉相位调制( x p m ) 、四波混频( f w m ) 非线性效应相互影响。 ( 2 )高峰均功率比( p a p r ) 将引入高非线性效应和相位噪声影响 由于光o f d m 信号是由一系列的子信道信号重叠起来的，所以很容易造成 高的p a p r 。高的p a p r 不仅会增加信号模数变换和数模变换的复杂度、降低射 频( r f ) 功率放大器的效率、增加对马赫曾德尔调制器( m z m ) 线性度的要求、 增加发射机功放的成本和耗电量，最重要的是高p a p r 会使得光o f d m 系统比 其他光通信系统对非线性和相位噪声更敏感。 ( 3 ) 数模变换器模数变换器( d a i ：a d c ) 等电设备处理速率瓶颈的限制 为了实现高速光传输，光o f d m 系统对d a c 和a d c 的速率要求较高，目 前实验室能实现d a 咖c 的最高速率是2 0 g 采样秒，所以d a c ，a d c 的带宽 瓶颈直接限制了光o f d m 系统的应用前景。 ( 4 ) 同步问题 同步问题是o f d m 系统的一个很大限制因素，大的同步误差不仅造成输出 信噪比的下降，还会破坏子载波间的正交性，造成载波间干扰，从而大大影响系 统的性能，甚至使系统无法正常工作。而针对光o f d m 系统，同步问题主要存 在于相干检测o f d m 系统( c o o f d m ) 中。c o o f d m 系统对于频偏和相位噪 声的影响非常敏感。 针对光o f d m 系统所存在的特有的挑战和问题，国内外研究者进行了深入 了研究，提出了很多创新型的系统和技术。 ( 1 ) 针对光纤信道的非线性损伤问题 堪萨斯大学的r o n g q i n gh u i 指出四波混频( f w m ) 是光o f d m 系统中的主 要非线性效应，信道间隔和入纤功率对系统性能影响较大1 1 4 l ；伦敦大学的y a n n i s b e n l a c h t a r 等用实验证实自相位调制( s p m ) 对光o f d m 信号的影响相当于预扰 动1 1 5 j ；这两篇文献主要研究了哪种非线性效应是光o f d m 系统的主要限制因素。 而对于如何减轻系统内的非线性影响问题，莫纳什大学a r t h u rj a m e sl o w e r y 等 研究了c o o f d m 系统的非线性容限，提出了非线性前补偿和后补偿的方法1 1 6 l ； 慕尼黑工大的b e r n h a r dg o e b e l 等研究了f w m 对c o o f d m 系统的影响，提出 通过编码技术降低p a p r 从而降低f w m 的影响旧。 5 北京邮电大学硕士生毕业论文 第一章绪论 ( 2 ) 针对高p a p r 引入的问题 p a p r 是由o f d m 信号产生原理所引起的，要消除p a p r 的影响，应通过改 变输入信号或输出信号形式来进行。目前，墨尔本大学的y a ht a n g 研究了m z m 非线性效应的影响，d a c 量化区间的局限性，降低超长距离传输中光纤非线性 效应的影响，提出利用预失真算法，通过削波降低信号的p a p r 1 8 】；台湾清华大 学提出采用前向纠错编码( f e c ) 加削波的方法来改善系统性制1 们。 ( 3 ) 针对d a 咖c 等电设备处理速率瓶颈限制的问题 传统的光o f d m 信号主要是通过将电o f d m 信号调制到光域实现的，在高 速光传输系统中( 1 0 0 g b i t y s 甚至更高) ，这种实现方法必然受到电设备带宽的限 制，所以目前提出了全光o f d m 实现方案和波带复用的o f d m 实现方案来解决 这一问题。主要有：日本m r r 研究所提出的模拟a 1 1 o o f d m 系引2 0 】、韩国信 息与通信大学的k y u s a n gl e e 研究员提出的数字1 o o f d m 系统【2 1 l 和墨尔本大 学的w s h i e h 教授组提出的正交波带复用o f d m 系统l 捌三种。 ( 4 ) 针对c o o f d m 系统的同步问题 v p i 公司提出一种超外差接收的c o o f d m 系统，通过使用超外差技术来减 小载波频偏和相位噪声的影响，同时避免使用复杂的锁相环( p l l ) 1 2 3 1 。 ( $ 除为了解决上述困难和挑战而提出的解决方案外，目前关于光o f d m 系统还有很多新的技术。比如：美国亚利桑那大学的i v a nb d j o r d i c v i c 等研究了 利用编码的o f d m 和低密奇偶校验码( l d p c ) 技术同时补偿c d 和p m d l 2 l l ； 美国n e c 实验室采用加入导频的方法对p m d 进行估计，并在接收端进行电域 均衡，可将系统p m d 容忍度提高4 5 倍【2 2 l ：美国贝尔实验室提出在接收机采用 自偏振分集的方法来补偿直接检测o f d m 系统( d d - o f d m ) 的p m d l 2 3 1 。 相比于其他高速光传输系统实现方案，光o f d m 系统以其高频谱利用率、 高抗色散能力，以及充分利用成熟的d s p 技术等优势，已成为实现下一代高速 长距离光传输的潜在技术之一但是，由于光o f d m 系统2 0 0 5 年才被提出，很 多问题都还没有进行研究和解决。因此，对光o f d m 系统的研究，仍然刻不容 缓，需要广大研究人员付出辛勤的努力。 1 4 论文的研究工作和结构安排 本论文以光o f d m 系统为研究对象：在研究o f d m 技术基本原理和关键技 尤其 北京邮电大学硕士生毕业论文第一章绪论 系统仿真平台，仿真研究了系统的性能及其关键技术。 围绕以上研究工作，本论文共分为以下五章： 第一章：绪论。对基于o f d m 技术的高速光传输系统的研究背景、系统的 优势和特点、以及国内外研究现状等进行分析和介绍，提出光o f d m 系统是实 现未来高速光传输的重要方案。 第二章。基于o f d m 的高速光传输系统研究。在研究o f d m 技术的基本原 理和关键技术的基础上，介绍了光o f d m 系统的原理以及三种不同的光o f d m 系统实现方案。从基本理论的公式推导入手，深入研究了d d o f d m 系统和 c o o f d m 系统的原理，并比较两种系统的优势与不足。 第三章：直接检测o f d m 系统仿真研究。根据d d o f d m 系统的原理，基 于v p i 和m a t l a b 仿真软件构建系统仿真平台，并分析系统抗色散性能。根据 d d o f d m 信号与光单边带调制( o s s b ) 相结合的特点，提出一种新型的产生 d d o f d m 光单边带信号调制方式，并通过仿真与传统方式进行了比较分析。该 调制方式是利用两个并联的马赫曾德尔调制器( m z m ) 通过光i q 调制来实现 的，与传统实现方式相比该调制方式具有频谱效率高和实现简单的优点。 第四章：相干检测o f d m 系统仿真研究。根据c o o f d m 系统的原理，基 于v p i 和m a t l a b 仿真软件构建系统仿真平台，并进行理论验证。研究系统内的 载波频偏补偿算法和相位噪声补偿算法，并进行相应的性能仿真分析和研究。载 波频偏补偿算法是通过将小数部分频偏和整数部分频偏独立补偿来实现；相位噪 声补偿是通过插入梳状导频的方法来实现。 第五章：总结对本论文的研究工作和成果进行全面的总结。 1 5 本章小结 本章主要结合目前高速光通信的发展趋势与研究现状，分析了光o f d m 系 统的研究背景，分析了光o f d m 系统的优势，阐述了目前光o f d m 系统的主要 问题及研究发展现状。最后，介绍了本论文的研究工作和结构安排。 7 北京邮电大学硕士生毕业论文第二章基于o f d m 的高速光传输系统研究 第二章基于o f d m 的高速光传输系统研究 本章将o f d m 技术与光通信系统相结合，在介绍o f d m 技术基本原理和关 键技术的基础上，研究了光o f d m 系统的原理，尤其是直接检测o f d m 系统 ( d d o f d m ) 和相干检测o f d m 系统( c o o f d m ) 的原理及特点。 2 1o f d m 技术的基本原理 正交频分复用( o f d m ) 技术是一种特殊的多载波数字通信调制技术 ( m c m ) ，在二十世纪六十年代被提出后的相当长一段时间里，o f d m 技术的发 展遇到了很多难以解决的问题。首先，o f d m 要求各个子载波之间相互正交， 尽管理论上发现采用快速傅里叶变换( f 兀- ) 可以很好地实现这种调制方式，但 制造如此复杂的实时傅立叶变换( d f t ) 设备在当时是根本不可能的。此外，发 射机和接收机振荡器的稳定性以及射频功率放大器的线性要求等因素也是 o f d m 技术实现的制约条件。但是，自二十世纪八十年代以来，大规模集成电 路技术及d s p 芯片的发展解决了f f t 等器件的实现问题，o f d m 技术开始从理 论研究转向实际应用。二十世纪九十年代，o f d m 技术以高的频谱利用率、较 强的抗多径干扰和抗频率选择性衰落等优势被广泛采纳为无线局域网( w u 蝌) 、 数字音频视频广播( m 唰d v b ) 和有限宽带接入技术( d s l ) 等的协议标准， 并被看作是第四代移动通信的核心技术之一l l 2 1 1o f d m 信号的产生 o f d m 是m c m 技术中的一种。m c m 的基本思想是把数据流串并变换为n 路速率较低的子数据流。用它们分别去调制n 路子载波后再并行传输。因此子 数据流的速率是原来的1 n ，即符号周期扩大为原来的n 倍，远大于信道的最大 延迟扩展，这样m c m 就把一个宽带频率选择性信道划分为n 个窄带平坦衰落 信道( 均衡简单) ，从而“先天一具有较强的抗多径干扰和抗频率选择性衰落的 能力，特别适合高速数据传输。同时，o f d m 又是一种子载波相互混叠的特殊 的m c m ，因此它除了具有上述m c m 的优势外，还具有更高的频谱利用率。 图2 1 显示了o f d m 信号的频谱图l l l j ： s 北京邮电大学硕士生毕业论文 第二章基于o f d m 的高速光传输系统研究 图2 - io f d m 信号频谱图 o f d m 信号频谱虽然在频域相互混叠，但由于其各子载波在频域是相互正 交的，所以在接收端可以不使用带通滤波器而正确的被分离出来。下面详述 o f d m 信号的调制及解调原理，图2 2 显示了o f d m 系统调制解调原理图f 9 l = i 蝴翩解调 一斑( 2 咖) 图2 - 2o f d m 系统调制解调原理图 根据图2 = 2 可得，o f d m 传输信号s o ) 的表达式为： 咿薹薹锄嵋， & o ) 一( f 弘7 扫加 9 式( 2 i ) 式( 2 2 ) 北京邮电大学硕士生毕业论文第二章基于o f d m 的高速光传输系统研究 一忙 渊 加渤 其中是第f 个o f d m 符号中第k 个子载波所携带的信息，气是第k 个子载波的 波形，二是子载波个数，互是符号周期，n ( f ) 是脉冲成型函数， 是子载波的 频率当每个子载波五在一个符号周期内都包含整数倍周期，且各相邻子载波 之间相差仅1 个周期时i l l l ： f t - f c + k | t l 式( 2 - 4 ) 一 - 似一j ) r , 式( 2 - 5 ) 可以保证o f d m 符号各个子载波之间的正交性，其证明如下： 在信道理想的情况下，当只考虑一个