[硕士论文精品]光正交频分复用传输技术研究

摘要光正交频分复用是最近几年被广泛研究和关注的新技术，由于在未来高速率、长距离通信条件下，传统光通信对光纤色散的分段补偿显得昂贵而耗时，同时DSP等技术的发展使得OFDM在无线领域取得了广泛的应用和巨大的成功，因此光通信与正交频分复用技术的结合便应运而生。本文介绍了光正交频分复用系统的两种基本形式相干检测和直接检测，着重分析了DDOOFDM系统的性能，并通过利用MATLAB仿真，说明了采用不同数字调制形式时，系统可以有效减小色散和偏振模式色散的影响。但由于OFDM调制采用多载波并行传输的特点，信号峰均比较高，这将导致系统非线性失真变大，而它也成为影响OOFDM系统性能的主要因素，因此降低PAPR的研究非常有意义。本文介绍了当前降低峰均比主要的三类方法限幅、编码和扰码类技术，后两种由于系统较为复杂，实现难度比较大，因此目前的很多研究都针对限幅技术。本文研究了采用强度调制时两种重要的限幅技术非对称限幅和直流偏置限幅，并利用仿真比较了它们在功率效率和频谱效率方面的性能，同时介绍并分析了采用相位调制时的预失真技术，验证了它在降低系统PAPR和改善系统性能方面的突出性能。关键词正交频分复用色散补偿频域均衡预失真技术峰均比非对称限幅直流偏置限幅ABSTRACTOPTICALORTHOGONALFREQUENCYDIVISIONMULTIPLEXINGISCURRENTLYAHOTTOPICINOPTICALCOMMUNICATIONRESEARCHOVERTHELASTCOUPLEOFYEARSASTHESIGNALWITHHIGHDATARATEWILLBETRANSMITTEDINLONGDISTANCEINFUTURE，CONVENTIONALPERSPANOPTICALDISPERSIONCOMPENSATIONBECOMESTOOEXPENSIVEANDTIMECONSUMINGATTHESAMETIME，OFDMHASBEENWIDELYANDSUCCESSFULLYUSEDINWIRELESSFIELDBYTHEDEVELOPMENTOFDIGITALSIGNALPROCESSINGTECHNOLOGYCONSEQUENTLY,THECOMBINATIONOFOPTICALCOMMUNICATIONANDOFDMHASEMERGEDINTHISTHESIS，TWOMETHODSHAVEBEENINTRODUCEDCOHERENTOPTICALANDDIRECTDETECTION，THENTHEANALYSISOFDDOOFDMHASBEENIMPLEMENTEDFURTHERMORE，WITHDIFFERENTDIGITALMODULATION，WEVERIFIEDTHAT0OFDMCANRELEASECHROMATICDISPERSIONANDPOLARIZATIONMODEDISPERSIONBYMATLABBECAUSEOFTHEPARALLELTRANSMISSIONOFOFDMSUBCARRIERS，ITHASAHIGHPEAKTOAVERAGEPOWERRATIO，ANDTHISWILLINCREASETHENONLINEARDISTORTIONINSYSTEMFORTHISREASON，THEHIGHPAPRISTHEMAJORDISADVANTAGETOTHEPERFORMANCEOFSYSTEM，ANDTHERESEARCHTODECREASEPAPRISIMPORTANTINTHISTHESIS，THREEMETHODSTODECREASEPAPRHASBEENINTRODUCEDCLIPPING、CODINGANDSCRAMBLINGASTHELASTTWOHAVEMORECOMPLEXITYANDDIFFICULTYTOBEIMPLEMENTED，MOSTRESEARCHAIMTOCLIPPINGTECHNOLOGYTHISPAPERPRESENTSTWOIMPORTANTTECHNOLOGIESINOPTICALINTENSITYMODULATIONASYMMETRICALLYCLIPPEDANDDIRECTCURRENTBIASEDCLIPPED，ANDCOMPARESTHEPERFORMANCEOFPOWERANDFREQUENCYEFFICIENCYBETWEENTHEMTHEN，PREDISTORTIONTECHNOLOGYWITHPHASEMODULATIONHASBEENINTRODUCEDANDANALYZEDKEYWORDSOFDM，DISPERSIONCOMPENSMION,EQUALIZMION，PREDISTORTIONTECHNOLOGY,PAPR，ACOOFDM，DCOOFDMIII中英文缩写对照表中文名称英文全称英文缩写模数转换ANALOGDIGITALAD非对称削波ASYMMETRICALLYCLIPPEDAC加性高斯白噪声ADDITIVEWHITEGAUSSIANNOISEAWGN误码率BITERRORRATIOBER累计互补分布函数COMPLEMENTARYCUMULATIVEDISTRIBUTIONFUNCTIONCCDF色敖CHROMATICDISPERSIONCD相干光COHERENTOPTICALCO循环前缀CYCLICPREFIXCP相位旋转COMMONPHASEROTATIONCPR模数转换DIGITALANALOGDA色散补偿光纤DISPERSIONCOMPENSATINGFIBERSDCF直流偏置DIRECTCURRENTBIASEDDC直接检测DIRECTDETECTIONDD差分群时延DIFFERENTIALGROUPDELAYDGD数字信号处理DIGITALSIGNALPROCESSORDSP快速傅里叶变换FASTFOURIERTRANSFORMFFT载波间干扰INTERCARRIERINTERFERENCEICI快速傅里叶反变换INVERSEFASTFOURIERTRANSFORMIFFT强度调制直接检测INTENSITYMODULATIONDIRECTDETECTIONIMDD同相正交INPHASEQUADRATUREIQ符号间干扰INTERSYMBOLINTERFERENCEISI低密度奇偶校验码LOWDENSITYPARITYCHECKCODEDLDPC马赫曾德尔调制器MACHZEHNDERMODULATORMZM正交频分复用ORTHOGONALFREQUENCYDIVISIONMULTIPLEXINGOFDM光信噪比OPTICALSIGNALTONOISERATIOOSNR峰均比PEAKTOAVERAGEPOWERRATIOPAPR偏振相关损耗POLARIZATIONDEPENDENTLOSSPDL偏振分离POLARIZATIONBEAMSPLITTERPBS偏振分离复用POLARIZATIONDIVISIONMULTIPLEXINGPDM偏振模式色散POLARIZATIONMODEDISPERSIONPMD偏振态PRINCIPALSTATESOFPOLARIZATIONPSP正交幅度调制QUADRATUREAMPLITUDEMODULATIONQAM正交相移键控QUADRATUREPHASESHIFTKEYINGQPSK训练字符TRAININGSYMBOLTS残留边带VESTIGIALSIDEBANDVSBIV浙江大学研究生学位论文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及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得迸姿盘堂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谢意。学位论文作者签名飒鍪科签字同期加70年多月。日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿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和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密的学位论文在解密后适用本授权书学位论文作者签名飒酬剔磁轹卅恤签字R期沙FO年月同签字同期渺年弓月厂口日致谢在浙大的两年多时间里，我接触到了许多优秀的人和优秀的思想，这些都是我人生一笔宝贵的财富，因此我十分珍惜和留恋在校园的日子，也非常感谢单位和学校给予我这次学习的机会。在这里，特别感谢池灏教授两年来的悉心指导。池老师一丝不苟，严肃认真的科研态度和严谨细致，精益求精的学术精神时刻鼓励着我，从研究方向的确立，到小论文的发表，再到毕业论文的写作，整个过程池老师都给予了无微不至的关心和指导。作为一名定向培养的在职学生，我在理论基础和科研方法上都比较欠缺，学习能力和学习效率一直比较低，如果没有池老师的亲切关怀和耐心指导，我很难顺利完成两篇论文的写作，我发自内心的非常感谢池老师的帮助。同时还要感谢实验室章献民老师，金晓峰老师和郑史烈老师，他们在组会上的细心点评让我每次参与都获益匪浅，几位老师治学态度严谨，科研经验丰富，生活中平易近人，在实验室创造了良好的学习环境和氛围，让大家能够安心学习，我为能够在这样一个实验室学习而感到自豪。另外感谢实验室所有同学，不管是同级的还是不同级的，在学习上都给了我很多帮助和鼓励，在生活中我们很多人也建立了深厚的友谊，这些都将成为我校园生活里美好的回忆。胡登科2010年1月25日浙江大学硕二E学位论文绪论1绪论11光正交频分复用技术的优点正交频分复用OFDM是一种多载波调制技术，其基本原理是利用数字信号处理进行傅立叶反变换IFFT，产生一组正交的子载波用于低速率数字信号的并行传输，从而完成高速数字信号的传输任务。这一过程最突出的优点在于提高了系统的频谱利用率，同时降低了计算的复杂性【。从1966年CHANG第一次提出利用正交频率进行通信，到1969年人们第一次利用FFT产生正交信号，再到1985年CIMINI发表将OFDM用于移动通信的文章，OFDM的研究和应用在近几十年得到了巨大发展，目前它已成为无线局域网和数字广播电视等无线领域一项重要而基本的技术和标准12J。随着通信技术的发展和对通信要求的不断提高，光通信表现出两个明显的发展趋势131单信道传输的数据速率大大增加，趋近于100GBS；网络必须具备很快的动态调整能力。但“3数据速率达到100GBS时，传统的光纤分段补偿变得昂贵而耗时，对系统色散的补偿很难准确实现，而OFDM由于具备良好的计算特性，通过在频域的复数运算，可以方便准确的对光纤色散进行补偿，因此人们考虑将OFDM技术用于光通信，即光正交频分复用系统OOFDM。对OOFDM研究的报道最早见于2006年【341，ARMSTRONG等人发表了利用OFDM技术对光纤色散进行补偿的论文，文中证明利用光单边带调制OOFDM可将10GBS信号在单模光纤中传输4000KM无光色散补偿。将OFDM技术与光纤通信相结合在2000年左右就已出现，但这属于RADIOOVERFIBER技术的范畴，目的是通过光纤来传送无线信号，即所谓的OFDMOVERFIBER技术，与用于大容量、长距离光通信的OOFDM技术有根本性的区别OOFDM技术的主要优点表现在1、频谱利用率高。与传统的单载波和多载波系统相比，OOFDM通过采用多个正交的子载波实现数据的并行传输，缩小了信道间保护间隔，提升了频谱利用效率。2、减小光纤色散CD和偏振模式色散PMD效果明显。由于使用了浙江大学硕士学位论文绪论循环前缀和频域均衡技术，CD、PMD引起的符号问干扰ISI和信号星座图偏移可以得到有效矫正。3、有效减少光纤非线性影响。光纤非线性影响主要取决于光功率的大小，而在OOFDM系统中，接收端色散补偿方便且有效，降低了对链路中光信号分段补偿和放大的要求，允许光纤色散引起较大的脉冲展宽，这样可以显著降低光信号的功率，从而减小非线性影响。12光正交频分复用技术的研究现状虽然该领域目前还处于理论和实验研究阶段，技术还不是很成熟，同时相对于传统光通信系统，它的设备较为复杂和昂贵，因此并没有投入实际应用。但是研究已经取得了一定的进展，总的来说，可以分为以下几个方面1传输速率的提升。2008年，澳大利亚墨尔本大学的WSHIEH等人在没有进行光色散补偿和放大的情况下，完成了107GBS信号在单模光纤传输1000KM的实验网；2009年，SJANSEN等人结合WDM将传输速率提高到了101219GBS61，实验采用了偏振复用和正交通带调制技术，将系统中ADCDAC工作带宽降到了375GHZ，这一点在当前技术中十分重要。因为目前ADCDAC的工作带宽普遍只有6GHZ左右【51，这也成为制约高速数字通信发展的一个瓶颈，而JANSEN实验则成功的避开这个问题找到了解决的办法。2发送方式的改进。如将OFDM用于光波分复用WDM系统【6，71，利用OOFDM传输超宽带UWB无线信号【墨91，将LDPC编码用于OOFDM系统【LOL，实验显示，LDPC编码在补偿系统PMD和差分群时延DGD方面具有更好的效果。3信道估计和补偿方法的改进。2008年，贝尔实验室的XLIU等人提出了基于频域符号平均化的信道估计方法FL。这种方法通过建立信道矩阵，并对连续符号进行平均化处理，能够更为准确地估计信道参数并进行失真补偿，提高了系统对抗色散、PMD和非线性效应影响的能力，在没有进行光色散补偿和放大的情况下，保证系统误码率为10。3时所需OSNR为165DB，只比端对端BACKTOBACK所需的155DB高出1DB，这说明由光纤传输所产生的损耗影响降低到了LDB。目前的实验都是基于任意波形发生器和实时采样示波器，而没有真正的用硬浙江大学硕士学位论文绪论件实现收发模块。13本文的研究内容和主要贡献OOFDM作为一种研究不久的技术，已表现出了频谱效率高，色散补偿方便有效，减小系统非线性效果明显等诸多优点【12,13，可以预见在未来大容量、长距离光通信中它必然会有广阔的应用前景14】。但是受当前技术及OFDM调制本身的特点限制，它仍有一些问题需要我们去研究解决。如OFDM信号峰均比较高，对MZ调制器，DACADC线性范围要求较高，导致设备成本比较高”】。本文主要是利用MATLAB建立典型的OOFDM系统进行仿真，从频谱效率、色散补偿和均衡、非线性影响等几个方面分析系统性能，重点研究探讨解决系统峰均比过高的方法。本文的主要贡献包括1、在MATLAB中建立了典型DDOOFDM系统的计算机仿真模型，可以用来评估系统Q值和误码率。2、分析了采用不同进制数字信号调制，OOFDM系统有效减小CD，PMD影响的良好性能。3、研究了降低系统PAPR的方法，重点分析比较了限幅技术和预失真技术对系统性能的影响，说明了各种技术的优缺点。全文共分为五章，各章内容分别如下第一章是绪论，主要叙述了OOFDM技术的优点和当前发展状况，并归纳了本文所要讲述的内容。第二章介绍了OOFDM系统的典型结构和基本原理，重点介绍了IFFTFFT，均衡等关键技术。第三章利用MATLAB建立了几种具有代表性的OOFDM系统模型，分别从减小色散、偏振模式色散和非线性效应，系统Q值和BER几个方面对系统性能进行了分析。第四章对当前降低系统PAPR的几种方法进行了比较，分别介绍了各种方法的原理和优缺点，重点研究了两种限幅技术。第五章介绍了MZ调制器的功率传输特性，对预失真技术做了仿真并分析了系统性能。最后对全文进行了总结，对OOFDM技术的未来作了展望。浙江大学硕士学位论文OOFDM系统原理和结构2OOFDM系统原理和结构21OFDM的基本原理OFDM是一种多载波数字调制技术，它的基本原理是将高速率的信息数据流经过串并转换，分割成多路低速率并行数据流，再对每一路低速数据采用一个独立的载波调制，叠加在一起后构成发送信号。传统的频分复用方法中各个子载波的频谱是互不重叠的，需要大量的发送滤波器的接收滤波器，这增加了系统的复杂度。同时，为了减小各子载波间的相互串扰，各子载波间必须保持足够的频率间隔，降低了系统的频谱利用率。而在OFDM系统中，各子载波的频谱相互重叠，但是在整个符号周期内满足正交性，提高了系统频谱利用率。OFDM信号可以表示为复数形式VJF以，P胁即1其中D。，是第，Z个子载波上复数信号；六六刀鲈是第聆个子载波的频率图21OFDM系统结构【16】在系统输入端，数字信号以速率尼输入，串并转换将其中每B比特信息分为N路并行数据，每路数据分别包含6，净1，2，N比特信息，即B6，。采用M进制PSK或QAM方法对B。进行调制，调制频率FO，将所得星座图上的点映射为对应的复数，然后再作N路快速傅立叶反变换IFFT，经过IFFT浙江大学硕士学位论文OOFDM系统原理和结构后得到N个载频，买中第1到N个频翠分别作为载波包含了对应的6，信息，每个子载波上的信号速率匙去2子载波间隔即相邻载波的频差为2尽2而R面B3VLU匕，W输入信号被调制到N路子载波上。各子载波的中心频率分别为ZFOR6L092MI1,2，N。此时，每个子载波上的符号周期为五去半它与子载波的频率间隔关系为FNXY尺S面15系统各子载波是相互正交的，信号的频谱图如下图22OFDM信号频谱图浙江大学硕士学位论文DOFDM系统原理和结构从上图可以看出，当其中某个子载波功率为峰值时，其他子载波的功率均为0，因此允许频率相互重叠不会出现干扰。但由于频谱的相互重叠，对子载波之间的正交性要求比较高，系统对相位偏移比较敏感。对于一个典型的单载波系统，信号带宽W与符号周期TS之间具有如下的关系W6S而数据传输速率为R掣BIM7S式中M为调制的字符集大小。因此单载波系统的频谱效率为参批MB洲SHZ8对于OFDM系统，数据传输速率不变，其信号带宽W与符号周期TS之间的关系为C，击因此OFDM系统的频谱效率为参嵩崦M礼洲910可以看出，当子信道数N较大时，OFDM信道频谱效率是单信道系统的两倍161。和传统的多载波复用系统相比，由于频谱间的正交性，相邻载波的频谱可以互相重叠，缩小了符号问的保护间隔，提高了系统的频谱利用效率。22OOFDM系统结构按照各模块实现的功能，OOFDM系统的结构可以分为五个基本部分OFDM基带信号的发送和接收，光链路，光信号的调制和检测。按照光信号接收方式的差别，OOFDM系统分为两种形式，直接检测和相干检测，二者在RF信号的处理部分基本相同。由于直接检测结构更为简单方便，本文中以下所进行的研究和分析大多是采用这种结构。221直接检测DDOOFDMDDOOFDM系统基本结构如图23所示，发送端包括OFDM基带处理、RF浙江大学硕上学位论文OOFDM系统原理和结构上变频和光调制部分，接收端包括光探测，RF下变频，OFDM基带接收和解调部分。图23DDOOFDM系统结构图在发送端，输入二进制串行数字信号通过串并变换SP分为N路并行数据，对每路数据采用M进制PSK或QAM方法进行调制，并利用星座图将所得信号映射MAPPING为对应的复数，再对复数作快速傅立叶反变换IFFT得到N路并行载波，通过并串转换PS将N路并行载波变为串行并作为一个OFDM符号，在每个符号前加入循环前缀CPCYCLICPREFIX，然后经数模转换DAC将符号变为模拟信号，即得到OFDM基带信号。然后把基带信号调制到一RF载频上，再经过外调制器MZM调制到光载波，然后经过单模光纤传输。接收端信号处理基本是发送端的逆过程，探测器PD从接收到的光信号上检测出RF信号，再从RF信号上解调出OFDM基带信号，经模数转换ADC变为数字信号，然后移除循环前缀CPREMOVE并作串并变换，再对所得并行信号作快速傅里叶变换FFT，在FFT输出端对每路复数信号进行频域均衡，均衡后的信号映射为M进制PSK或QAM星座点并作对应方式的解调，得到的并行数据作并串变换后恢复成二进制串行数据。浙扛大学碰士学位论立OOFDM系统原4和结构榔州忡糖嗍图240FDM电信号频谱图在DDOOFDM系统中，MZ调制器的偏置点决定光信号的功率分布，OFDM电信号的平均功率决定光OFDM信号的大小。4QAM，10GS，RF频率75GHZ的OFDM信号频谱如图通常MZ调制器设于霉偏置点，这样可以使得用于光载波和调制信号的功率各一半，同时采用一个边带VSB传输的方法以减小相位旋转CPREM图25光单边带传精信号频谱圈PLLLLLLLLJ柏跖乌浙江大学硕士学位论文OOFDM系统原理和结构采用双边带时，由于上下边带间存在的频率差异，信道色散的影响将会使它们出现不同的相位偏差，甚至可能出现功率零点，这样在信号恢复时会有较大的相位失真。而且，光载波与OFDM载波会产生不需要的新的频率分量，它可以通过低通滤波器滤除，但是如果OFDM载波与光载波在频谱上距离太近，新的频率分量将会和OFDM载波处于相同的范围，它会降低系统性能。通常，所需的光带宽取决于OFDM信号的带宽和它与光载波间的保护间隔，保护间隔的宽度与OFDM信号的最小宽度一致。但是单边带传输意味着系统频谱效率的降低和功率的损耗，因此DDOOFDM通常需要较大的发射光功率。222相干检澳COOFDM图26A光IQ调制COOFDM系统结构图浙江大学硕上学位论文DOFDM系统原理和结构三OFDM斟摹IQOFDMBASEBANDMZM卜叫0BPFLD一H图26B中频IQ调制COOFDM系统结构图图A是先用OFDM基带信号对一个模拟中频信号对进行IQ调制，再利用MZ的线性调制加载到光信号上。图B则是OFDM基带信号通过利用两个MZ调制器对光载波进行IQ调制，接收端对I,Q信号分别进行相干解调。与DDOOFDM相比，二者在接收端都需要一个本地光源，并要求它与发送端光源具有很好的相干性，中心频率一致，线宽很窄，否则将会出现较大的相位噪声，这也是COOFDM的主要缺点。相位噪声将会对系统产生两个不利影响19,19,201子载波相位偏移和子载波间相互干扰，因此接收信号要进行相位噪声补偿。目前有一种插入导频的方法RFPILOT，对解决相位噪声效果比较好【21L。虽然非相干OOFDM接收机更为简单，但是相干OOFDM对系统的光信噪比要求较低，而且在采用相同的数字调制和IFFT点数时，所需的训练字符较少，且频谱利用率更高一些122,23。23OOFDM系统关键技术231IFFTFFT快速傅里叶变换反变换IFFTFFT是实现OFDM调制的核心部分，特别是随着数字信号处理DSP技术的发展，IFFT与传统多载波系统相比，在设备复杂度，频谱利用率等方面表现出了巨大的优越性，它也使得OFDM技术的应用衙一一A一1一怆讹T上磊忑玉Q浙江大学硕士学位论文DOFDM系统原理和结构越来越广泛。IFFT的点数决定了OFDM信号并行传输的子载波数，它不会影响传输信号的速率，但可以影响带宽的使用。OFDM系统的数据速率由每个符号传输的比特数N咿和符号的时长TS决定，NO妇，N蛳。和兜分别表示每个子载波上比特数和子载波数日。因此提高系统速率可以通过增加妇和跖来实现，主要是利用多进制数字调制慨GS熹蠹，输入信号速率一定时，M值越大所能得到子载波比特率也越大，但是它将使得信号星座图上的星座点距离变小，降低系统的抗干扰性。232同步技术OFDMSYMBOL1OFDMSYMBOL2OFDMSYMBOLN1，、，R、，、，TNT冀TR,TQCYCLICPREFIXSYMBOLDURATION图27OFDM符号结构图在IFFT输出端，对N路载波进行并串转换并将它们作为一个OFDM符号，在每个符号前插入循环前缀CPCYCLICPREFIX，前缀一般是由OFDM符号的后若干个值复制到前面得到【L41，符号结构如图2所示。当信道色散引起光脉冲展宽时，OFDM符号同样会变宽，表现在时域则是符号的延迟，即R增大，当增大值AT东时，就会出现前一个符号与后一个相重叠的情况，即产生符号间干扰ISIINTRASYMBOLINTERFERENCE，ISI的存在将会进一步引起信道间干扰ICIINTRACHANNELINTERFERENCE，它将破坏子载波之间的正交关系，从而使接收端出现较大失真。而当CP宽度砭丁时，在接收端通过移除CP就可以很好的消除ISI。但是CP过大将会降低系统的比特利用率瓦瓦，因此实际应用中须结合信道情况适当选取【241。选取的标准通常是浙江大学硕士学位论文OOFDM系统原理和结构一D馏。芳D为信道的色散系数，BD为OFDM符号的有效带宽且IR丽B12M为PSK或QAM调制后星座图尺寸，C为光速，F是OFDM的中心频率。通常系统子载波数较少时要考虑CP对系统比特利用率的影响，而IFFT点数较大时可以忽略。循环前缀的引入虽然可以很好的解决色散引起的时延，但是如果移除CP后错误的选择了符号开始位置，就会引起FFT窗口偏移，引入数据误差，导致信号星座图的发散，因此正确的选择符号起始位置，即符号的同步很重要。它可以确保接收端FFT窗口的开始位置位于循环前缀内，这样即使有定时偏差存在，其造成的结果也仅仅是不同子载波的信号会以不同的相位旋转，其旋转的程度与定时同步偏差和子载波索引均成正比。目前常用的同步技术包括基于循环前缀，基于频域导频和基于训练序列的符号同步，都可以很好的完成符号同步【L61。Z33ADCDACDAC和ADC是OFDM最严格的部分。由于OFDM信号具有比较大的信号速率和较高的峰均比，ADC和DAC要求具有较大的线性范围，在单载波系统中，DAC只需要能表示QAM调制的一些离散电平，比如一个4QAM系统，DAC输出的I、Q模拟信号只需要2个电平每个代表一个比特，对16QAM只需要4个电平2比特，这样电路就会比较简单。而OFDM具有比较大的信号速率和较高的峰均比，如果要达到所需的信噪比，DAC可能需要6或者7的比特分辨率。同时，DAC，ADC的设计还有其它也很重要的因素可允许的最大时间抖动TIMINGJITTER，转换时与调制格式相关的线性度和精确度。一般来讲，OFDM的性能主要取决于损耗的平均功率，而单载波系统则是峰值更重要。所以时间抖动在OFDM和高速率宽带无线通信系统中对接收性能的影响都会很小，但以前它在高速光通信系统中则是一个主要的限制。采样率同样是一个重要因素，OFDM循环前缀的最前端，没有使用的子载波波段边缘以及导频浙江大学硕士学位论文OOFDM系统原理和结构序列都意味着需要一定程度的过采样。根据带通信号的抽样定理，抽样速率采用奈奎斯特频率NYQUIST骶QUENCY，最大子载波频率等于它们的一半。另外由于设备的原因，如别名过滤技术ALIASFILTERING，最大的带宽通常是奈奎斯特频率的609070【11。234单抽头频域均衡技术与传统数字光通信系统相比，除了利用循环前缀减小色散及ISI的影响，OOFDM最突出的优点在于单抽头均衡技术。由于信道色散的影响，接收机收到的信号不能直接恢复成原始信号，星座图将会出现偏移。而色散是一种线性效应【2川，它引起的失真可以看作一个传递函数HF的作用，因此可以利用它的逆函数H。F来消除影响，均衡的目的就在于选取一个传递函数为H。F的滤波器来实现这个过程。目前常用的均衡手段包括光学均衡和电学均衡，光学均衡一般是利用色散补偿光纤DCF，电学均衡则是采用多抽头横向滤波器，如图28A所示，信号通过不同的时间延迟单元对相位进行调整，并以不同的权重即幅度变化后加在一起，通过选择不同的延迟量和权重确定滤波器的传递函数，从而实现对色散失真的均衡和补偿，因此理论上抽头越多，补偿量就越精确，但是它是以不断增加滤波器的复杂度为代价。在OOFDM中，由于均衡是在频域中进行，可以用单抽头滤波器来实现，如图28B所示。A图280多抽头横向均衡滤波器；B单抽头均衡器B浙江大学硕士学位论文OOFDM系统原理和结构在OOFDM系统中，通过使用多载波调制技术，输入的高速率数据被分到了多个子载波进行传输，各载波的比特率大大降低，对均衡器的带宽要求也随之降低。由于FFT输出为复数，信道的影响可以看作每一载波上的复数乘法因子，通过对这一因子进行逆运算，即图28B中W的取值，对复数信号的幅度和相位进行调整，在FFT输出端采用单抽头均衡就可以校正幅度衰减和相位旋转。复数因子逆运算的取值可以适当控制，通常是利用训练符号TS来选取。TS是在发送端送出的已知信号序列，通过将接收到的TS与初始值进行比较可以确定星座图的偏移量，从而判断信道产生的失真影响并确定W的取值。为了适应信道的动态变化，一般在一组OFDM符号前插入TS，符号的数量根据信道的稳定程度进行选择，信道变化越快每组的符号数量越少，信道越稳定所需的TS就越少。OOFDM这种动态白适应的单抽头电域均衡技术对于动态交换光网络具有十分重要的应用前景。小结本章介绍了正交频分复用技术的基本原理及OOFDM系统的两种主要形式，按照光调制和接收方式的不同分为DDOOFDM和COOFDM，并简单介绍了这两种形式的优缺点和区别。之后，分析了OOFDM系统比较重要的几个方面FFTIFFT，ADCDAC，CP和同步技术以及单抽头频域均衡技术，将它们与传统单载波和多载波光通信系统进行了比较，说明了OOFDM系统在计算复杂性、频谱效率和对色散的均衡效果等方面巨大的优越性，同时也指出了它对频率偏移比较敏感，对DACADC要求比较高的问题。浙江大学硕士学位论文基于MATLAB的OOFIM系统性能分析3基于计算机仿真的OOFDM系统性能分析31计算机仿真模型为了验证OOFDM系统性能，我们利用MATLAB建立了一个典型的IMDD系统模型，从系统CD，PMD和BER几个方面进行了分析和比较，仿真过程表示如下图31DDOOFDM系统MATLAB仿真流程图输入二进制伪随机序列由MATLAB自带的随机函数RAND产生，对该序列进行取整等相关变换用来表示QAM调制及映射后的复数，进行零填充后作IFFT运算。由于MATLAB的运算是以数组和矩阵为基础，是通过对点的计算来完成，不可能真正实现模拟连续信号，只有尽可能缩小各数据点之间的间隔即增加取样点来代替，所以系统DACADC的仿真分别通过MATLAB的插值和上采样来完成，本文一般取采样倍数25。另外光信号频率太高，计算较为复杂，而我们主要是对光载波携带的OFDM信号进行研究，所以仿真时直接对信号计算而略去了载波的运算，其效果仍然是一样的。噪声由MATLAB自带的加性高斯噪声函数AWGN产生，色散大小根据下式计算URI其中32为标准单模光纤色散系数，本文取卢Z2010。122，F为发生色散的信浙江大学硕士学位论立基于MATTAB的OOFDM系统性能分析号频率接收端进行平方探测岳对OFDM信号进行处理，最后画出星座图，井与输入信号比较计算系统O值和误码率32色散CD色散是指光脉冲曲不同频率成分在光纤中以不同的速度传播的现象，印不同频率的光信号传播常数是不相同的。而OFDM信号实际上为包含有许多不同频率于载波的复合信号，因此当其通过光纤时，不阿频率的子载波传输速度会有所不同，从而引起波形失真和相位偏移126,27。为检验OOFDM系统对色散的均衡效果，我们选取几个典型系统进行了仿真用于仿真的系统使用IMDD方式，采用1024点IFFTFFT变换，数据比特卑为10GBS，加入高斯白噪声的影响，经过4050KM的标准单模光纤传辕，二进制伪随机序列的调制映射形式分别为QPSK，8PSK，16QAM，64QAM，下面分别给出了接收端信号均衡前后的星座图图32AQPSK均衡前后星座哥譬515D51”，O刍1大学硕学位论文基于MMABOOFDM系统能骨析蕾馕壤簪X曩节围图32D64QAM均衡前后星座围I7卅IT刊642O246浙江大学硕士学位论文基于MATLAB的0OFDM系统性能分析从图中可以发现，光纤色散使信号星座图出现了明显的发散，而0OFDM系统均衡则可以有效的矫正星座图的偏移，即实现了对色散的补偿。而在传统光通信系统中，色散的补偿通常是使用色散补偿光纤，这个既要求事先对系统色散值进行计算以确定补偿光纤的长度，同时又会引入功率损耗，如果通信距离较长则必须分段进行补偿并放大，这一点在通信速度和距离不断提升的情况下，将会显得费时而不精确。但在OOFDM系统中，通过发送训练字符就可以判断信道色散情况，从而用于对传输信号的均衡，无需分段进行补偿，这一点将大大提升系统的自适应性能，更适用于未来大容量长距离光纤通信系统【281。33偏振模式色散PMD光波在普通光纤中传播时，其波矢量可以在给定波长处分解为两个相互正交的偏振模。在理想的光纤中，这两个模式有着相同的相位常数，他们是相互简并的。但由于实际中的光纤总有某种程度的不完善、如光纤纤芯的椭圆变形、光纤内部的残余应力等，将使得两个模式之间的简并被破坏，两个模式的相位常数不相等，这种现象称为双折射效应。因此当光信号的两个偏振模沿光纤传播时，各模的传播常数会出现差异，造成两个正交偏振模的群速度不同，在传播时出现时间差。这个时间差一般称为偏振模色散时延。该时延会导致信号光脉冲的展宽，引起波形失真，即光纤偏振模色散。光纤偏振模色散对系统性能的影响反映在信号星座点会因为载波间的相位关系发生变化而产生明显旋转，如果旋转角度过大，会使接收信号星座点落入另外的象限中，导致信号判别错误【3L】。在之前建立的模型基础上，在系统中加入DGD进行了仿真。按照理论分析321，DGD造成的时延可以根据下式估算ARD木4LPS14其中，L为光纤链路长度，D为光纤偏振模色散参数，单位P舨磊，通常在O5到2之间，本文分别取05，1和2进行了仿真，所得Q值和BER与OSNR关系如图。可以发现，0OFDM系统的均衡对减小PMD影响效果也比浙江大学硕士学位论文基于MATLAB的OOFDM系统性能分析较明显，DGD造成的时延基本都可以得到补偿，而不会降低系统性能。A叱山OSNR图33Q值与OSNR关系曲线OSNR图34BER与OSNR关系曲线19浙江大学硕士学位论文基于MATLAB的0OFDM系统性能分析为了进一步研究PMD的影响，有人提出了偏振模式复用PDM，如图351331，但它一般用于相干检测，它可以使系统的频谱效率提高2倍，但会降低CD、PMD和非线性容限，因为两个偏振分支之间会引入串扰。在光纤传输中，随机的双折射效应会使光信号的两个偏振态出现不同的相位旋转。而在PDM系统中，这种情况可以避免。偏振相关检测通常包括偏振控制器PC和偏振分离PBS，PC动态的旋转信号偏振以获得合适的偏振态SOP利用PBS分离。通过在发送端加入导频或者低频率相位调制信号，接收端PC检测这个信号在两个偏振态上的相位旋转，并将它用于调整发送信号的偏振控制，这样可以很好的减小光纤双折射效应。PDMOFDMTRANSMITTER一BN竺H墨。基日聊C耀COGUDAC芝山DAC鼍管雹磊卜_JU窨山己一山凸一一BDOC冬皇邑曼静芝LPDMOFDMRECEIVER石罂U山叫全竺L卜蚤山皇。已山皇U善C山嘉星号皇焉口矗2U君量OC凸O商叫全竺卜兰皇1璺山臣口_UG芒Q圣卜一。C工_羔U焉8石字山芷N母善趸一U歪。芭己；己OI一已22白晏暑量6凸专O、TADCI,山山UU品星山图35PMDOFDM结构图在考虑差分群时延DGD时，例如一次的PMD，主要的偏振态PSP之间的延时会改变光脉冲上升和下降沿的偏振态SOP。这个容易理解，把SOP作为浙江大学硕上学位论文基于MATLAB的OOFDM系统性能分析PDM系统任意分支的矢量合。PDM传输的SOP由每个信道上的比特序列决定，例如，传输“1，L”和“1，0”的SOP是不一样的。因此为了减小SOP的改变，必须保持两个偏振信道的同步，让比特率的上升和下降发生在同一时间。当PDM的两个信道进入光纤时，DGD会产生时延。PC使PBS与载波信号同步，并且与光纤PSP成余弦关系，这样将不会引入偏振复用的失真。如果偏振信道与光纤PSP不匹配，就会产生DGD引起的失真【34】。34非线性效应光纤非线性效应包括自相位调制、交叉相位调制和四波混频以及受激布里渊散射和受激拉曼散射等，它们会降低光通信系统的性能，只有光功率很低时才可以忽略。但是降低光功率又会使系统信噪比下降，而增加发射光功率会使得光纤中的光功率密度增加，使得光纤非线性效应的影响增加，严重时会破坏信号的传输质量，增加误码率。由于OOFDM系统采用多载波并行传输的特点，各子载波的频谱相互重叠，系统对子载波之间的正交性要求比较严格，而自相位调制和四波混频对信号的相位变化会产生直接的影响，使传输信号相位变化加剧，从而破坏载波间的正交性，并导致信道的相互干扰和星座图发散，致使信号判别失误【3536U。有人提出了非线性预补偿方法P7，381，它是在发送端采用一段参数相反的光纤，通常是采用分段傅里叶方法SPLITSTEPFOURIERMETHOD同时解决色散和非线性的影响。这种方法需要光纤分成很多小段，一般小于1KM，每一段的色散和非线性失真要分别计算，因为非线性影响要在时域进行，而色散必须在频域计算，这样每一段都要作FFT和IFFT，它使得预补偿方法非常昂贵。而在OOFDM系统中，由于子信道比较密集，而这些子载波间是相位匹配的，当色散引起相位偏移和脉冲展宽时，它会降低系统的功率谱密度，从而降低非线性失真影响。而在接收端，OFDM系统在频域良好的计算特性可以有效的对色散失真进行均衡和补偿，所以它可以允许链路中存在一定的脉冲展宽以降低非线性影响，而不必像传统光通信进行分段补偿和放大。OOFDM非线性预补偿方法就是基于这样一个基本思想，通过引入相位偏移之后可以不考虑色散而只计算非线性影响，这样能够使计算变得简单，可以将整个链路作为一段浙江大学硕士学位论文基于MATLAB的OOFDM系统性能分析来计算。引入相位参数OT表示光纤非线性引起的相位偏移，它与光功率之间的关系可以表示为OT尸，SLEFF2RCN2厶彳盯15其中，S是分段光纤的数量，三。矿是每段光纤的有效长度，聆是非线性系数，厶是载波波长，锄是光纤有效的中心范围。这种调制方法既可以用于光域，光功率与子载波电场和的平方成比例，也可用于电域，一般是在FFT之后对信号相位进行调整，使得它与幅度的平方成比例，再去调制光功率，从而满足上式。由于色散引起的频率偏移可以适当减小非线性影响，所以预补偿式中有效长度比无色散时要小一些39L。由于光纤非线性效应比较复杂，很难利用MATLAB实现准确仿真，所以本文没有对这个问题进行深入分析，这也是今后进一步研究需要努力的一个方面。35Q值和BERQ值是通过最后接收的星座图来估算【81。假设笛卡尔坐标系为判定阈，如图36所示，定义为一个特定象限中的点群到对应的判定阈的平均值，62是那个方向上的偏差，则Q2哆2QX一62HXOXQDB2019Q16于是误码率的估算可以运用公式BER12XERFCQ217其中，ERFCNAI、误差函数，P咖LP矿功LR争。出渐扛大学碗学位论立基FMATLAB的OOFDM系统分析黛JJ豢豢田36星座图和Q值的估算示意图利用之前建立的系统模型，输入速率10GBS，RF频率75GHZ，光纤长度4050KM，考虑光纤色散和高斯噪声影响，二进制输入信号分别采用QPSK，8PSK，16QAM和64QAM调制进行了仿真，接收端信号OSNR和Q值，BER关系如下图所示囤37Q值随OSNR变化曲线浙江大学硕士学位论文基于MATLAB的OOFDM系统性能分析图38BER随OSNR变化曲线从图中可以明显看出，随着二进制序列调制电平级数的增加，OSNR相同时系统Q值会降低，BER会增加。这是因为调制级数的增加减小了信号星座点间的距离，降低了抗干扰能力，使得系统在保证相同误码率的情况下提高了对信噪比的要求。小结本章建立了典型DDOOFDM系统的MATLAB仿真模型，研究了不同进制数字信号调制时，色散和偏振模式色散对系统的影响，并比较了Q值和BER与OSNR的关系，进一步验证了DDOOFDM系统可以对CD和PMD进行有效补偿的突出性能。同时简单分析了系统非线性效应，探讨了减小非线性效应影响的方法并指出了它的优越性和存在的潜力。浙江大学硕士学位论文OOFDM系统峰均比研究4OOFDM系统峰均比研究由于OFDM基带信号采用多个正交的子载波并行传输，当这些载波相位相同时信号将会出现很高的瞬时峰值，将远远大于它的平均功率，即信号峰均比PAPR过高，通常会达到10DB左右，它将引起系统的非线性失真【401频谱扩展，调制失真和谐波的产生，这些会导致系统出现信道内和信道间干扰。信道内干扰会使接收信号的星座图出现偏移从而增加系统误码率，而频谱扩展引起的带外干扰则会使邻近的信道间出现相互干扰，同时PAPR过高还会增加DAC和ADC的复杂度，因此降低PAPR对提高系统性能具有很重要的意义。41OFDM信号的PAPR分布在OFDM系统中，峰均比定义为一个符号周期内的瞬时功率峰值与信号功率平均值之比，用公式表示为朋LOLG【瑞MEALLXT晒IJI。在实际的OFDM系统中，DA转换之前，OFDM信号均是由离散的序列表征，因此实际中通过计算上采样后的M倍速采样的IFFT值来获取信号峰均比的值。理论分析与仿真表明，当M4时，采用离散序列计算得到的峰均比值非常接近其连续信号的真实值。从测量的角度看，通过上式计算的PAPR值来表征OFDM信号不具有实际意义，因为OFDM信号功率峰值观察到的可能性微乎其微，而且如果；，是一个高斯随机过程，当测量时间足够长时，MAXIZ，12会大到无穷大。因此，测量OFDM信号的峰值统计分布更具有理论分析价值，由此引入互补累积分布函数CCDF，描述OFDM信号的分布特性。定义峰值概率，当信号包络高于4的概率为1一EC时，称4为信号的统计峰值，即PRIIFIXP19浙江大学硕士学位论文OOFDM系统峰均比研究而CCDF函数定义为CCDFLPRIIFIX|P】1一只20利用CCDF的测量方法，从概率统计的角度对信号的峰均比进行考察，可以更完整的给出关于高信号电平的信息。假设输入的数字序列经调制后映射为复数口。旭，露。和以分别表示同相和正交的调制符号，经过IFFT调制后OFDM基带信号可以表示为FCOSCO。，“SINA。，21月L根据中心极限定理，当N很大时，SF的实部和虚部可以近似为平均值为零的高斯分布16】，即NNS，ANCOSCO。，G0，62，S口瓦SIN石O。FG0，6222HLNL62EAEB，SF为瑞利分布，且包络R麻相位扯一TAN毒SF的复包络功率服从自由度为2的卡方分布，其一阶矩均值为262，二阶矩为862，其CCDF函数为一，CCDF