高速光纤通信系统中的OFDM调制解调技术的仿真与实现毕业论文.docx

郧阳师范高等专科学校郧 阳 师 范 高 等 专 科 学校毕 业 设 计 论 文高速光纤通信系统中的OFDM调制解调技术的仿真与实现 偏执520 班 级： 机电1201班专 业 名 称： 机电一体化学 号： 20120506008论文提交日期：2015年 6月10 日摘要 光正交频分复用(O-OFDM)通信系统，其带宽资源丰富，无需色散管理，抗色散能力强，这些优点使得光正交频分复用通信系统成为下一代高速率光纤传输的备选方案之一，并成为高速光纤通信系统领域的研究热点。矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。 本文对高速O-OFDM通信系统的研究现状进行了总结，并对高速O-OFDM通信系统的设计和实现进行了探讨和研究。聞創沟燴鐺險爱氇谴净。 对于一个通信系统的研究，首先要进行建模和仿真，从理论层面上分析该系统的大致性能和现实可行性。论文在给出了高速0-OFDM通信系统的设计方案的基础上，基于MATLAB建立了O-OFDM光纤通信系统的简单模型，并分析了实现过程中的有限字长效应、定时同步、偏振模色散等因素对O-OFDM光纤通信系统的性能影响;在这些理论分析的基础上，给出了一套高速O-OFDM光纤通信系统的实现方案。残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。 在O-OFDM系统的电信号处理部分，OFDM调制解调的实现是关键部分，而OFDM调制解调就是输入数据信号的快速傅里叶(逆)变换(IFFT-FFT)运算。在64点IFFT-FFT运算实现时，基于Quartus2设计了64点IFFT核和FFT核模块，并对模块进行了功能和时序仿真验证。该OFDM调制解调模块运算效率很高，可达到最大11.7GS/S(吉符号每秒)的数据吞吐量，运用该工FFT核实现的O-OFDM光纤通信系统理论上可完成最大46.8Gbit/S的传输容量。酽锕极額閉镇桧猪訣锥。由于人们对通信系统的传输容量的需求越来越大，研究者正努力提高O-OFDM光纤通信系统的传输速率。本文对提高O-OFDM光纤通信系统的传输容量提出了一些可行的方案，如采用光波分复用技术、光偏振复用技术和增加子载波传输个数等，并对这些方案进行了简单的介绍。彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。关键词:高速光纤通信，光正交频分复用，快速傅里叶(逆)变换目录第一章绪论.3謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。 1. 1光纤通信的发展历史.3厦礴恳蹒骈時盡继價骚。 1. 2光纤通信的应用与发展趋势.7茕桢广鳓鯡选块网羈泪。 1. 2. 1光纤通信的应用. .7鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。 1.2.2光纤通信的发展趋势.8籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。 1.3 0-OFDM通信系统发展简述.9預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。第二章0-OFDM通信系统原理简介.12渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。 2. 1基本原理.12铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。 2.1.1光纤通信系统简介.12擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。 2.1.2 0-OFDM通信系统简介.14贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。 2. 1. 3正交频分复用(OFDM)的基本原理.15坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。 2.2 0-OFDM通信系统研究现状.18蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。 2. 2. 1 0-OFDM通信系统实验室仿真实验现状.18買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。 2.2.2 0-OFDM通信系统的实验室实现现状.19綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。 2.2.3 0-OFDM通信系统的实现的制约因素分析.21驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。 2. 3本章小结.23猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。第三章高速CO-OFDM通信系统设计与仿真分析. .24锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。 3. 1高速CO-OFDM通信系统的设计方案.24構氽頑黉碩饨荠龈话骛。 3. 1. 1 0-OFDM通信系统分类.24輒峄陽檉簖疖網儂號泶。 3.1.2 20Gb/s高速CO-OFDM通信系统设计方案.25尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。 3.2 CO-OFDM通信系统实现关键因素的建模与仿真.27识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。 3. 2. 1高速CO-OFDM通信系统的基本模型设计.27凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。 3.2.2 CO-OFDM通信系有限字长效应的仿真.27恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。 3.2. 3 CO-OFDM通信系统定时同步仿真.29鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。 3. 2. 4 CO-OFDM系统有限字长效应和定时同步的联合仿真.32硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。 3.2.5 CO-OFDM通信系统的偏振模色散效应的研究.33阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。 3. 2. 5. 1偏振模色散效应建模原理.33氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。 3. 2. 5. 2偏振模色散干扰下的系统频率响应仿真.34釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。 3. 2. 5. 3偏振模色散效应的补偿.36怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。 3. 4本章小结.39谚辞調担鈧谄动禪泻類。论文总结.40嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。参考文献.42熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。图目录图2-1通信系统的基本结构图.12鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。图2-2 OFDM系统基本模型框图.16纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。图2-3基于快速傅里叶变换(工FFT)的OFDM系统框图. 17颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。图3-1 CO-OFDM光纤通信实验系统的基本组成框图.25濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。图3-2 6bit, 8bit量化误码率曲线比较.29銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。图3-3基于CP的OFDM块定时同步算法示意图.30挤貼綬电麥结鈺贖哓类。图3-4基于MATLAB的误帧率仿真曲线.31赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。图3-5 CO-OFDM光纤通信系统有限字长效应和定时同步的联合仿真.33图3-6偏振模色散效应示意图.34塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。图3-7 OFDM符号采样示意图.34裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。图3-8偏振模色散效应下的系统相位误差曲线.35仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。图3-9偏振模色散效应下的系统幅度响应曲线.36绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。图3-10(高斯白噪声+PMD)相位补偿后的误码率曲线.37骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。图3-11不同调制方式的误码率曲线.38瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。表目录表目录表3-1 6bit, 8bit量化的高速CO-OFDM光纤通信系统仿真参数设置.28鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。表3-2基于CP的OFDM块定时同步仿真参数设置.31栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。表3-3 CO-OFDM通信系统有限字长效应和定时同步联合仿真参数设置表.32表3-4偏振模色散效应下的系统相位误差曲线仿真参数设置表.35辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。表3-5偏振模色散效应下的系统幅度响应曲线仿真参数设置表.36峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。表3-6(高斯白噪声+PMD)相位补偿后的误码率曲线仿真参数设置表.37詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。表3-7(高斯白噪声+PMD)子载波采用不同的调制方式仿真参数设置表.38第一章绪论1.1光纤通信的发展历史 时代进步了，科技发展了，人们对物质和精神文化生活的要求越来越高。通信作为人类生活中不可缺少的高科技部分，随着社会的发展而口新月异。作为通信的一个研究领域，光纤通信由于其大容量、长传输距离的优势，受到了越来越多的科学家和研究者的关注。则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。 用于光频的光纤表面波导，英籍华裔科学家高馄博士于1966年发表在PIEE杂志上的一篇论文，成为了光纤通信时代的到来的启明星。正是基于这篇论文的理论指导，1970年，美国康宁玻璃公司利用改进型的化学汽沉淀法(MCVD法)制造出了世界上第一根超低损耗光纤，成为了光纤通信领域的爆炸性发展的导火索，而这一光纤技术的突破也铺平了光纤通信的发展道路。胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。 在光纤制造领域，光纤的制造技术正以不可思议的速度发展着。光纤损耗从1970年的20dB/km,1972年的4 dB/km,1974年的1.1 dB/km,1976年的0.5 dB/km,鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。1979年的0.2dB/km，一直到到1990年的0.14 dB/km。光纤技术在1970年至1980稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。年的十年时间里，光纤损耗几乎是以每年一半的速度递减。 在光纤技术突飞猛进发展的同时，应用于光纤通信系统的光电器件也取得了很快的发展。有了光纤制造技术和光电器件制造技术作为基础，光纤通信系统顺理成章的出现了，且随着这两项技术的发展而迅猛发展。陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。 1976年，美国在亚特兰大开通了世界上第一个实用化、传输码率达到45Mbit/s,传输距离为1 Okm的光纤通信系统。在随后到来80年代里，光波分复用系统、相干光通信系统、光纤放大器等技术越来越受到科研工作者的重视，并投入了大量的人力物力进行研究。80年代末，掺饵光纤放大器的研制成功，使得光纤通信技术取得了更快的发展。1993年，2.SGbit/s的光纤通信系统己经实用化，1995年1 OGbit/s的光纤通信系统又研制成功1。沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。 由于受到电子迁移率等瓶颈因素的限制，传输速率40Gbit/s以上的单信道光纤通信系统很难实现，因此研究者开始将目光转向复用技术。目前最常使用的复用技术是光波分复用技术(WDM)，且这一复用技术的光纤通信系统己经实用化。钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。2001年的OFC会议上，报道了实验室中单根光纤传输容量为10Tbit/s光纤传输实验。光纤通信系统的传输容量现在己朝着Tbit/s数量级方向发展，相信在不久的将来这些高速光纤通信系统就会实用化。懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。 20世纪90年代中后期，WDM全光通信网成为引人注目的研究热点，并由ITU-T规范命名为光传送网(OTN ) 。OTN就是在传送网中加入光层，并在光信号域进行交叉连接和分插复用以减小交换点处电信号的处理压力，从而提高了整个网络的传输容量和数据处理能力，因此，光传送网成为下一代网络升级的备选方案之一。 在当代社会，IP业务突飞猛进的增长，由于IP业务的突发性、自相似性和不对称性等特点，对于光网络的要求不断提高，当代光网络必须能够动态地按需求分配带宽从而使资源得到最优化利用;要求光网络能够具有实时的流量控制工具，实施更加完善的保护和恢复功能，以及更强的互操作性和扩展性从而减少网络运行与维护的费用。综上所述，高速的社会发展需求更加智能的光网络，光网络的智能化研究也己成为光通信领域的另一个研究热点;以光传送网为基础的高度智能化自动光交换网络(ASON)成为光网络的主要研究方向。謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。 在人们对通信技术的需求的推动下，光纤通信系统继续向大容量、长距离传输的方向发展，支持大容量、长距离传输的各种技术(如低噪声技术、非线性光学效应的抑制、群速度色散和偏振模色散的补偿、新型调制技术和纠错码等)成为新的研究热点。呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。1.2光纤通信的应用与发展趋势1.2. 1光纤通信的应用 在光纤信道中，既可以传输模拟信号，也可以传输数字信号，因此光纤通信系统有着广泛的应用领域，比如在通信网、广播电视网和互联网等领域，而目前研究和开发的主要领域是广域网传输和光纤接入网。莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。 光纤通信的主要应用如下: (1)广域通信网，如全球通网络(欧亚大陆的洲际光缆干线和横跨大西洋、太平洋的海底光缆等)、国家公共干线网(在我国，干线系统中有比较著名的京汉、芜湖至九江、沪宁汉干线、广南沿海工程等，至2002年3月，我国“八横八纵”格状国家光通信骨干网也己经基本建成)、专用通信网(包括铁路、电力、国防等部门的专用通信网)等领域。麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。 (2)构成互联网的计算机城域网和计算机局域网，包括光纤高速传送链路(本文所研究内容)、光纤以太网传输等。納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。 (3)有线电视的干线和分配网、自动控制系统的数据传输、工业电视系统等方面。 (4)综合业务光纤接入网，可实现电话、视频、数据等大数据量的多媒体业务综合接入核心网。 综上所述，光纤通信有着非常广泛的应用领域，因此，光纤通信成为了通信领域的研究热点。1.2. 2光纤通信的发展趋势 光纤通信从上世纪70年代起步发展至今，己经经历了四十多年的高速发展，现在无论是光纤制造技术还是光电器件制造技术都取得非常巨大的成就。从1970年的衰减为20dB/km到现在几乎接近石英光纤的理论衰减极限值0.14dB/km光纤光缆;从1976年的第一个45Mbit/s到现在实时传输速率为100Gbit/s的高速光纤通信系统;从1985年的多模光纤传输系统的商用化到现在先进的SDH光纤通信系统，光纤通信以不可思议的速度快速发展起来，并成为通信领域不可缺少的组成部分。風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。 虽然光纤通信己经取得了很大的成就，但光纤通信还有着更大的发展潜力。据分析，目前的光纤通信仅发挥了其自身能力的1 %-2%，因此，光纤通信还具有很大的潜力可挖，还需要科学工作者付出加倍的努力进行研究。灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。 根据现阶段光纤通信的发展现状，光纤通信未来的发展趋势可总结为以下几个主要方面: (1)光复用技术。包括光时分复用技术、光波分复用技术、光码分复用技术、光副载波复用技术、光偏振模复用技术等，其中以光波分复用技术最为成熟且研究所取得成果最多，一些光波分复用通信系统己经研制成功并己商用化;光偏振模复用技术是最近这几年兴起，有效提高通信系统传输速率的又一复用技术。铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。 (2)相干光通信。由于最先应用的光纤通信系统主要采用强度调制一直接检波的方式，虽然这种系统实现比较简单，但这种系统的传输质量相对较差、带宽利用率低。因此，传输质量好、带宽利用率高、实现相对复杂的相干光通信成为了新的研究方向。攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。 (3)光孤子通信。光孤子的概念产生于1973，由Hasegawa发现，随后和Tappert 一起从理论上证明了其在光纤中可以保形传输，因此，研究者开始设想将这一特性应用于光纤通信的传输。由于光孤子通信显示出的巨大潜力，目前己经成为一种新型光纤通信，并作为长距离越洋传输的一种实现方案。趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。 (4)光集成技术。类似于电信号域的电子集成电路，把各种光器件如光源器件、光检测器件、光滤波器件、光栅等集成到一块光器件之上，构成一种可以完成多种功能的光器件。夹覡闾辁駁档驀迁锬減。 (5)全光通信网。全光网络(All-optical networks,AON)是指数据信息流在网络中的传输和交换全部在光信号域完成，这样就可以克服电子器件的传输速率上的“瓶颈”，从而极大地提高光通信网的处理效率。视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。1.3 O-OFDM通信系统发展简述 在过去20年中，光纤通信系统的传输能力增加了超过三个数量级，由最初的45Mbit/s到现在的40Gb/s, 100Gb/s，传输距离由最初的10千米到现在的8000甚至10000千米，从而使城域网和广域网的数据传输成本逐渐降低。超过10 Gb/s光纤通信系统采用普通的调制方式己经很难实现，因此一些光复用技术的产生使的高速光纤通信系统的实现成为现实。偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。 光复用技术包括光波分复用技术(WDM)、光正交频分复用技术(OFDM ) ,光时分复用技术(OTDM)、光副载波复用技术(OSCM)、光码分复用技术(OCDM)等，其中光波分复用技术是目前研究最多、发展最快、应用最为广泛的光复用技术。光正交频分复用技术作为最近十年兴起的光纤通信技术的新领域，有着很好的发展前景。緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。 光波分复用技术是在发送端将不同波长的光信号通过特殊的光电器件生成，然后再通过光电器件祸合到光缆线路中上的同一根光纤中进行传输;在接收端，再通过直接检测或者相干检测接收光信号，并将不同波长的光信号分开，进一步处理恢复出原始信号进行处理。当光载波间隔比较大时，用波长衡量比较方便，一般称之为波峰复用;而当光载波间隔比较小时，波长数值差别很小，用波长来衡量就非常不方便了，所以用频率来衡量，习惯上称为频分复用2騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼。 正交频分复用(OFDM)技术是随着数字信号处理技术的成熟而逐渐发展起来的一种数字多载波调制技术，目前主要应用在无线通信系统中，它的基本思想是将高速的数据信号分成多路低速并行数据信号，并且调制到一组正交子载波上进行并行传输，可以有效地抵抗无线信道多径衰落并提高系统频谱利用率。 疠骐錾农剎貯狱颢幗騮。 在光纤通信系统中，光信号在光纤中传输的一些特性如色度色散、偏振模色散等，严重限制了高速数据信号的传输距离。通过理论研究学者发现光纤色散的影响和无线信道中多径效应的影响有类似的效果，即频率成分的光波由于色散作用的影响而具有不同的传播速度，而无线信道中的多径效应则是由于电磁波信号经过不同路径的反射与传播到达接收端的时间不同，因此，OFDM调制技术同样可以用来克服光纤的色度色散和偏振模色散以及多模光纤的模间色散的影响。将OFDM技术引入到光通信中，使高速的数据信号能够在大色散信道中远距离传输的技术，即光正交频分复用技术(O-OFDM ) 。镞锊过润启婭澗骆讕瀘。 OFDM通信系统系统有如下优点: (1)频谱效率高。当采用传输的子载波个数较多时，并忽略循环前缀所造成的损失，OFDM通信系统可以达到奈奎斯特采样定律所限制的传输极限频谱效率。榿贰轲誊壟该槛鲻垲赛。 (2)运算效率高。OFDM调制采用了非常高效的快速傅里叶变换(FFT)算法，因此它具有很好的扩展性能以及高速并行处理能力。邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑。 (3)设计的灵活性。由于OFDM系统的调制依赖于子载波和子带信号，因此在系统设计、器件选择和系统的扩展方面具有很高的灵活性。嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲。 (4)信道和相位估计比较容易。OFDM通信系统通过训练符号或训练子载波来帮助进行信道和相位估计。 基于以上这些优点，O-OFDM技术迅速发展起来。2001年，Dixon首先提到用多模光纤传输OFDM信号;2005年起，O-OFDM光纤通信系统开始进行相关的仿真验证和实验室实验，相关方面的研究开始起步，如Nortel Network Limited的Jolley在2006年OFC会议上发表的论文，进行了10Gb/s的。-OFDM系统的仿真、实验室实验。实验采用了DQPSK调制，完成了传输速率为10Gb/s的多模光纤传输，传输距离为1000米，误码率在1x10一以下3。在随后的时间里，O-OFDM系统开始朝着实验室实验的方向发展。在这一研究领域，以Bell Laboratories,Alcatel-Lucent, The University of Melbourne, KDDI R&D Laboratories Inc, NECLaboratories America Inc和NTT Network Innovation Laboratories等科研机构和大学为代表的学者和科研人员对O-OFDM通信系统的实现进行了不懈的研究，为今后O-OFDM光纤通信系统的实用化做出了巨大的贡献4。该栎谖碼戆沖巋鳧薩锭。 O-OFDM光纤通信系统作为新兴的光纤通信系统的研究领域之一，虽然还没有体现出其巨大的优势，但该方向的研究一直是光纤通信领域的研究热点之一。对于O-OFDM光纤通信系统的研究，前途是光明的，道路是曲折的，O-OFDM光纤通信系统的实用化还有很长的一段路要走。劇妆诨貰攖苹埘呂仑庙。本文主要介绍了光纤通信系统的发展现状，并对应用于该系统的OFDM调制技术进行了简要的说明。光正交频分复用技术是在最近10年里才发展起来的一个光纤通信系统新领域，由于OFDM调制技术对于改善光纤通信系统的光纤信道的一些固有缺点有很大的抑制作用，因此该技术备受光纤通信领域的科学工作者的追捧。在下面的文章里，将要对O-OFDM光纤通信系统的发展做一些简单的介绍。臠龍讹驄桠业變墊罗蘄。第二章O-OFDM通信系统原理及研究现状简介 本章将对O-OFDM通信系统的一些基本原理做简单介绍，如光纤通信系统的基本组成结构以及各部分的工作原理等;与此同时，还将对OFDM调制技术的基本原理进行详细的介绍，以便于后续章节的展开;最后，本章介绍了现阶段O-OFDM通信系统实验室仿真实验、实验室实现现状，并对O-OFDM通信系统的限制因素进行了简单分析。鰻順褛悦漚縫冁屜鸭骞。 本章还对O-OFDM光纤通信系统的进行了总结，并分析了O-OFDM光纤通信系统的优劣势，使得读者对O-OFDM光纤通信系统有着较为深刻的认识;本章是本论文的理论基础，有助于读者对论文一些关键技术的理解。穑釓虚绺滟鳗絲懷紓泺。2.1基本原理2.1.1光纤通信系统简介 (1)光纤通信系统的基本结构 光纤通信系统是以光纤为传输媒介，光信号为信息传播载体的通信系统。与普通电信号通信系统类似，它主要包括发射端、传输信道和接收端三部分，其基本结构原理图如图2-1所示:隶誆荧鉴獫纲鴣攣駘賽。除了图中的各主要部分外，系统中还包括了一些互联和光信号处理器件，如光纤连接器、光开关、光纤放大器。在发射端和接收端均包括电端机和光端机两部分，电端机主要对信息进行一些电信号的处理和加工，光端机主要完成光载波信号的发送和接收。浹繢腻叢着駕骠構砀湊。 在发射端，包括电端机和光端机，其中光端机是核心。用户信息首先通过电端机的处理，变为适合在光纤通信系统中传输的电信号，然后再送入光端机，将电信息信号转换为光信息信号。最后，通过一些光祸合器件将光信号送入光纤信道中进行传输。鈀燭罚櫝箋礱颼畢韫粝。 光纤信道的传输介质是光纤，即通过光纤将发射端和接收端连接起来。由于光纤很细，和人的头发丝差不多，为了保护脆弱的光纤，通常将光纤封装在特定的结构中，并在光纤外包上保护膜以减少光信号的损失和相互间的干扰，这就是我们生活所常见的光纤光缆。惬執缉蘿绅颀阳灣熗鍵。 接收端也是由光端机和电端机组成。光端机主要包括光检测器、光放大器、均衡器、判决器、自动增益控制电路和时钟电路。其中光检测器是光端机的核心，而其主要功能是将光纤信道中的承载有信息的光信号转换为电信号。将光信号转换为电信号后，电信号送入电端机进行处理，恢复出原始的信源信息供用户使用。至此，光纤通信系统完成了信息的传递任务。贞廈给鏌綞牵鎮獵鎦龐。（2）光纤通信系统的主要特性 光纤通信系统的主要优点如下: 一、带宽资源丰富，传输容量大。由于光波波长短、频率高，因此光载波信号具有丰富的带宽资源(长波段约有50THZ)。由于其丰富的带宽资源，光纤通信系统有着很大的通信容量。嚌鲭级厨胀鑲铟礦毁蕲。 二、损耗低、中继距离长，可用于长距离传输。由于光纤信道的低损耗特性，光纤通信系统中的中继距离也较其他介质构成的系统长得多，非常适合用于长距离传输任务。薊镔竖牍熒浹醬籬铃騫。 三、抗干扰能力强，保密性好。由于光信号受电磁波干扰很小，因此其抗干扰能力相较电信号通信系统要强很多。 四、体积小、重量轻，原材料资源丰富，可节省有色金属的消耗。 光纤通信系统和传统的电信号通信系统相比，虽然有很多的优势，但其也有缺点，主要缺点如下: 一、抗拉强度低。我们知道光纤非常脆弱，因此其抗拉强度低，在实际应用中很容易受到损坏。 二、光纤连接困难。在两根光纤接口的连接时，需要专门的工具，而这些工具非常昂贵。 三、光纤怕水。由于光纤中存在一些特殊的化学物质，因此很容易受到水的腐蚀与干扰。 四、分路、祸合不方便，弯曲半径不能太小等缺点。 综上所述，光纤通信系统有着传统电信号通信系统所无法比拟的优势，但同时也存在一些缺点。在实际应用中，我们要结合实际情况，选择合适的通信系统来完成信息的传递。齡践砚语蜗铸转絹攤濼。(3)光纤通信系统性能指标 误码性能:所谓误码，就是经光接收机的接收与判决再生之后，信源所传递信号中的某些码字发生了错误。由于在光纤通信系统中，误码率随时间而变化，用长时间内的平均误码率来衡量系统性能的优劣显然不够准确。为了更为准确的反应光纤通信系统的误码性能，在平均误码率之外定义了三种反应短期度量误码的参数:劣化分、误码秒和严重误码秒。除了这些参数，还有其他与误码率相关的参数，在此不再详述。其中，误码性能中，平均误码率是最重要的参数，它直接反映了该通信系统的通信性能的好坏。绅薮疮颧訝标販繯轅赛。 抖动性能:抖动是指数字脉冲信号的特定时间(如最佳判决时间)相对于其理想时间的偏离。抖动会对传输质量甚至整个系统的性能产生恶劣的影响，如使信号失真，使系统的误码率上升等。因此，抖动性能是光纤通信系统的一个很重要的性能指标。饪箩狞屬诺釙诬苧径凛。 漂移性能:数字脉冲的特定时刻相对于其理想时间位置长时间的偏移。引起漂移最普遍的原因是环境温度的变化。 上述三个性能指标是衡量现在光纤通信系统的性能优劣的一些主要指标，在进行光纤通信系统的设计时，必须适当的考虑上述各种指标，从而设计出满足要求的光纤通信系统5烴毙潜籬賢擔視蠶贲粵。2.1.2 0-OFDM通信系统简介 正交频分复用(OFDM)技术是随着数字信号处理技术的成熟而逐渐发展起来的一种数字多载波调制技术，目前主要应用在无线通信系统中，它将高速的数据信号分成多路低速数据信号，并调制的一组正交子载波上进行并行传输，可以有效地抵抗无线信道多径衰落并提高系统频谱利用率。鋝岂涛軌跃轮莳講嫗键。 在光纤通信系统中，光纤的色度色散和偏振模色散严重限制了高速数据信号的传输距离。由于光纤色散的影响和无线信道中多径效应的影响有类似的效果，即色散使不同频率成分的光波具有不同的传播速度，而无线信道中的多径效应使 经过不同路径的信号成分到达接收端的时间不同，因此，OFDM调制技术同样可以用来克服光纤的色度色散和偏振模色散以及多模光纤的模间色散的影响。将OFDM技术引入到光通信中，使高速的数据信号能够在大色散信道中远距离传输的技术，即光正交频分复用技术(O-OFDM ) 。撷伪氢鱧轍幂聹諛詼庞。 为了在光纤通信系统中进一步延长通信距离，提高通信传输质量，可以利用无线电通信中使用的外差接收技术，即相干光通信系统。相干通信系统采用相干调制(CO)，还保证了光域信号到射频信号的变换为线性变换，满足了OFDM系统的线性要求，同时，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。因此，将相干探测与OFDM技术相结合，即CO-OFDM技术，在下一代1 00Gbps传输系统的研究中备受青睐。除此之外，CO-OFDM还具有WDM,OTDM、工O-OFDM等系统所没有的优势，主要表现在:踪飯梦掺钓貞绫賁发蘄。 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;婭鑠机职銦夾簣軒蚀骞。 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，具有很强的信道容量可扩展性，扩容方便。譽諶掺铒锭试监鄺儕泻。2. 1. 3正交频分复用(OFDM)的基本原理 正交频分复用(OFDM)是一种并行通信体制，也是一种多载波调制方式。它将高速率的数据流经串并转换，转化为很多路低速并行的数据流，然后将这些并行数据流加载到对应的载波上进行调制，并把这些载波叠加到一起组成传送信号送到信道中进行传输，因此，这种系统也称为多载波传输系统。这种多载波传输系统的基本模型框图如下: 俦聹执償閏号燴鈿膽賾。 如图2-2所示，在发送端，高速串行数据d, dZ.dN经串并转换后，变为N路并行的低速数据流，随后将并行数据流分配给N个子载波信道进行传输。经信道传输后，接收端对子载波解调后恢复出并行数据流D 1 , DZ.DN，最后将这些并行数据流并串转换得到所要传递的串行数据信息。缜電怅淺靓蠐浅錒鵬凜。 对于上图中送入信道的信号S(t)可以用复数表示为下式:若对S(t)进行采样，采样时间间隔为T，则有:假设一个OFDM符号周期界内含有N个采样值，即在此，令载波频率间隔，由（2），（3）式可得: 由上式可以发现，这与数字信号处理中的IDFT变换相同，只是差了一个常数因子倍数。因此，在OFDM调制的实现过程中，我们可以先对并行数据流进行IDFT变换，然后再将变换后的并行数据转换为串行数据，这些串行数据便是OFDM系统基本模型框图中的S(t)的采样数值。因此，可以先对并行数据流进行IDFT变换，然后再进行数模转换得到所要传输的模拟信5 S(t)。对于IDFT运算的实现，多采用快速离散傅里叶变换(IFFT)来实现。因此，可以将OFDM系统改为如图2-3所示的结构: 骥擯帜褸饜兗椏長绛粤。 在OFDM系统中，符号周期、载波频率间距、以及子载波个数可根据具体应用环境来进行选择。根据通信系统的相关知识可知，符号周期的长短影响载波间距以及编码调制的延迟时间。若采用固定的数字调制，则符号周期越长，系统的抗干扰能力越强，但是所需的载波数量和IFFT-FFT运算的规模也越大。癱噴导閽骋艳捣靨骢鍵。 OFDM通信系统最先应用于无线通信领域，由于无线通信中的传输载波为电信号，因此整个OFDM通信系统可以直接在电域进行处理。但在O-OFDM光纤通信系统中，传输载波为光信号，需要在发射端将电信号调制到光波上，在光纤中传输，在接收端再将光信号转换为电信号。鑣鸽夺圆鯢齙慫餞離龐。 如原理框图所示，在OFDM系统的发射端，利用成熟的数字信号处理技术对高速码流进行处理，得到电OFDM信号。在这一过程中，对需要传输的高速数据码流进行串并变换，将一路高速的数据流转化为多路并行速率相对较低的数据信C7，随后对各这些并行的低速信C7进行QPSK、16-QAM等格式的数字调制，经数字调制后，送入数字信号处理模块，进行IFFT变换;IFFT运算结束后，将运算所得结果作为信道传输信号的采样值，进行并串转换变换为串行数据，并添加循环前缀(CP)以防止码间串扰;通过数模转换得到信道传输的多载波调制信号，至此，就完成了将各低速数据流加载的相互正交的子载波上。然后进行对OFDM电信号进行处理，再经过电光调制，将电OFDM信号加载到光波上，利用光纤通信技术的优点，可以很容易地通过光纤实现低成本、长距离传输。在信号接收端，首先进行光电变换及相关电信号处理，得到原来的电OFDM基带信号，对电OFDM信号解调，得到原始的数据6-7。榄阈团皱鹏緦寿驏頦蕴。 O-OFDM研究的重点是超高速数字信号处理的实现、E/O和O/E转换及光纤传输问题。近几年来，O-OFDM的相关研究己经取得很大的成就，但O-OFDM仍处于起步阶段，O-OFDM的实用化任重而道远!逊输吴贝义鲽國鳩犹騸。2.2 O-OFDM通信系统研究现状 通过对近两年的国内外的相关论文的阅读整理，现阶段O-OFDM主要处于仿真验证阶段，在国外的一些实验室己经开始相关的实验室实现实验阶段。下面将对仿真验证和实验室实现实验这两个方向分别进行讨论。幘觇匮骇儺红卤齡镰瀉。2. 2. 1 0-OFDM通信系统实验室仿真实验现状 近些年来，从事CO-OFDM光纤通信系统相关研究主要有Bell Laboratories,Alcatel-Lucent, The University of Melbourne, KDDI R&D Laboratories Inc, NECLaboratories America Inc和NTT Network Innovation Laboratories等科研机构和大学。CO-OFDM的验证仿真和实验室实验己经达到了100Gb/s甚至1 Tbit/s数量级的传输速率。誦终决懷区馱倆侧澩赜。 墨尔本大学的William Shieh等人在2009年的OFC会议上发表了相关论文，实现了110Gb/s的CO-OFDM系统，并进行了600千米的单模光纤多输出多输入传输实验8;在随后的ECOC会议上，又发表了关于107Gb/s的CO-OFDM系统的多模光纤传输的相关研究，达到了当时最高的10Tb/skm的多模光纤传输效率9。在2011和2012年的OFC会议上，该科研团队又发表几篇传输速率在Tb/s的高速光纤通信系统的相关论文，对DFT-spread(离散傅里叶变换扩散)、前向纠错编解码等因素进行了深入研究10-11。医涤侣綃噲睞齒办銩凛。 Bell Laboratories, Alcatel-Lucent实验室的研究者如Roman Dischler, Xiang Liu等人也进行了关于CO-OFDM的研究，并且搭建了更高速度的CO-OFDM光纤通信系统。在2009年的OFC会议上，Roman Dischler等人完成了1.2 Tb/s的PDM-OFDM-FDM光纤通信系统的传输实验，实验中采用了多输出多输入方案并结合偏振复用技术，因此很大地提高了传输速率;与此同时，实验还完成了采用QPSK调制的最高频谱率3.33 bit/s/Hz12。2010年的ECOC会议上，Xiang Liu等人成功搭建了606-Gb/s RGI ( reduced-guard-interval ) CO-OFDM通信系统，并成功的进行了1600-km ULAF ( ultra-large-area-fiber)传输实验13。舻当为遙头韪鳍哕晕糞。 我们不难发现，实验室仿真验证的传输速率己经达到了我们所期望的理想速度，100Gbit/s甚至Tbit/s。但我们更应该清醒的认识到，实验室是在理想的状态下进行仿真验证，并没有去考虑在实现的过程中的一些瓶颈因素，如电信号的数字信号处理的实现，以及数字信号处理完成后的数模转换(D/A转换)问题。因此，对于现阶段的实验条件下，上述传输速率的CO-OFDM光纤通信系统的实现基本上是不可能完成的任务。实验室的实验尚有很长一段路要走，而对于大规模的商业化道路更是任重而道远。鸪凑鸛齏嶇烛罵奖选锯。2.2.2 0-OFDM通信系统的实验室实现现状 经过了几年的理论研究与仿真验证之后，越来越多的学者开始把目光投向实验室的硬件实现以及未来的商用化道路上。但局限于实验室仪器及元器件的条件限制，相关的实验并不是很多，从2009年开始，一些国外的大学和研究机构才开始进行相关的实时实验。筧驪鴨栌怀鏇颐嵘悅废。 目前，进行O-OFDM实时实现实验的只有Bangor University , BellAlcatel_ Lucent, The University of Melbourne, College London, NEC LaboratoriesAmerica、慕尼黑理工大学等为数不多的大学和科研机构。韋鋯鯖荣擬滄閡悬贖蘊。 2009年3月的OFC会议上，第