通信工程毕业设计（论文）-基于CO-OFDM单模光纤系统传输性能的仿真分析

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：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-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津理工大学中环信息学院本科毕业设计任务书题目：基于CO-OFDM单模光纤系统传输性能的仿真分析学生姓名届2010系电子信息工程专业通信工程指导教师职称教授下达任务日期2009年12月28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：(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[1]I.B.Djordjevic,B.Vasic.Orthogonalfrequencydivisionmultiplexingforhigh-speedopticaltransmissionOpt.Express,2006,14,3767–3775.[2]W.Shieh,X.YiandY.Tang.Transmissionexperimentofmulti-gigabitcoherentopticalOFDMsystemsover1000kmSSMFfiberElectron.Lett,Vol.43,pp.183-185.[3]S.L.Jansen,I.Morita,etal.20Gb/sOFDMtransmissionover4,160-kmSSMFenabledbyRF-PilottonephasenoisecompensationOpticalFiberComm.Conf.,2007,PaperPDP15.[4]W.Shieh,H.Bao,Y.Tang.CoherentopticalOFDM:theoryanddesignOpt.Express,2008,16,841–859.[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.ShiehandC.Athaudage,Coherentopticalorthogonalfrequencydivisionmultiplexing.Electron.Lett,2006，42,587-589[7]W.Shieh,PMD-supportedcoherentopticalOFDMsystems,IEEEPhoton.Technol.Lett.2007，19,134–136[8],CoherentOptical25.8-GbsOFDMTransmissionOver4160-kmSSMF,JournalofLightwaveTechnology,2008,26(1),[9]W.Shieh,Q.Yang,andY.Ma,107Gb/scoherentopticalOFDMtransmissionover1000-kmSSMFfiberusingorthogonalbandmultiplexing.OpticsExpress2008,16(9),86378[10]WANGLuqing,TellamburaC.AsimplifiedclippingandfilteringtechniqueforPARreductioninOFDMsystemsIEEESignalProcessingLetters,2005,12(6):453-456.[11]ChoiYS，VoltzPJ，CassaraFA.MLestimationofcarrierfrequencyoffsetformulticarriersignalinRayleighfadingchannels.IEEETransonVehicularTech，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熟悉课题内容查阅相关资料2确定系统设计方案，完成开题报告3~10.3.24熟悉有关的基本理论，熟悉Matlab软件4分析光纤信道中的光纤色散对通信系统误码率的影响5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得出相关结论7完成设计说明书初稿8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、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。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的标准单模光纤的同年8月，ElectronicsLetters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.Jansen4160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。hieh等人在opticsexpress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b/s/Hz。2009年2月，发表了采用PDM极化分集复用与CO-OFDM相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、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。五、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.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.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.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[1]I.B.Djordjevic,B.Vasic.Orthogonalfrequencydivisionmultiplexingforhigh-speedopticaltransmission.Opt.Express,2006,14,3767–3775.[2]W.Shieh,X.YiandY.Tang.Transmissionexperimentofmulti-gigabitcoherentopticalOFDMsystemsover1000kmSSMFfiber.Electron.Lett,Vol.43,pp.183-185.[3]S.L.Jansen,I.Morita,etal.20Gb/sOFDMtransmissionover4,160-kmSSMFenabledbyRF-Pilottonephasenoisecompensation.OpticalFiberComm.Conf.,2007,PaperPDP15.[4]W.Shieh,H.Bao,Y.Tang.CoherentopticalOFDM:theoryanddesignOpt.Express,2008,16,841–859.[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.ShiehandC.Athaudage,Coherentopticalorthogonalfrequencydivisionmultiplexing.Electron.Lett,2006，42,587-589[7]W.Shieh,PMD-supportedcoherentopticalOFDMsystems,IEEEPhoton.Technol.Lett.2007，19,134–136[8],CoherentOptical25.8-GbsOFDMTransmissionOver4160-kmSSMF,JournalofLightwaveTechnology,2008,26(1),[9]W.Shieh,Q.Yang,andY.Ma,107Gb/scoherentopticalOFDMtransmissionover1000-kmSSMFfiberusingorthogonalbandmultiplexing.OpticsExpress2008,16(9),86378[10]WANGLuqing,TellamburaC.AsimplifiedclippingandfilteringtechniqueforPARreductioninOFDMsystems.IEEESignalProcessingLetters,2005,12(6):453-456.[11]ChoiYS，VoltzPJ，CassaraFA.“MLestimationofcarrierfrequencyoffsetformulticarriersignalinRayleighfadingchannels.”IEEETransonVehicularTech，2001，50(2):644-655指导教师意见签字：年月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号处理过程；然后给出了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：相干光正交频分复用正交幅度调制系统光信噪比误码率SimulationAnalyseofCO-OFDMSingleModeFiberTransmissionSystemPerformanceABSTRACTCoherentopticalorthogonalfrequencydivisionmultiplexing(CO-OFDM)isanewtypeofopticalmultiplexingtechnology.ThetechnologyhasthemeritsofcoherentdetectionandOFDM,soitcanrealizethehigh-speedopticalfibertransmissionwithoutdispersioncompensation,whiletherequirementofopticalamplifiershasbeenreduced.Andthusitstransmissioncapacitycanbeenhanced,butalsohasagoodupgradeintheexistingnetworkinfrastructure,aswellastheexpansionisconvenient.Therefore,ithasbroadapplicationprospectsinthehigh-speed,largecapacityandlong-distancetransmissionsystems.ThispaperstudiestheCO-OFDMsinglemodefibersystem,mainlyincludingtheanalysisanddesignofthesystemblockdiagram,thesystemperformanceofMQAMmodulationsandsimulationrealization.Thespecificworkasfollows:First,thetheoreticalmodelandprincipleoftheCO-OFDMsinglemodefibersystemareanalyzed.ThesystemmodelofCO-OFDMsystemisintroducedanditssignalprocesSecond，thetransmissionperformanceofthesystem’sQAMmodulationsareanalyzedandsimulated.Third，therelationshipoftransmissiondistanceofthesystem,opticalsignaltonoiseratio(OSNR)andthesystembiterrorrate(BER)isexplained,and

thesimulationresultsaregiven.KeyWords：Coherentopticalorthogonalfrequencydivisionmultiplexing(CO-OFDM)Quadratureamplitudemodulation(QAM)Opticalsignal-to-noiseratio(OSNR)Bit-errorrate(BER)目录第一章绪论 11.1光纤通信系统的发展概况 1CO-OFDM技术国内外发展状况 11.3CO-OFDM系统的特点与优势 21.3.1相干光检测 2OFDM技术 31.4本文的主要内容安排 4第二章基本理论分析 62.1OFDM正交频分复用技术理论 62.1.1OFDM系统简述 6OFDM系统的数学模型 10OFDM系统参数的选择 11OFDM系统的主要缺点 122.2CO-OFDM的基本理论 13系统原理框图 13工作原理 14本章小结 15第三章CO-OFDM单模光纤系统 163.1单模光纤 16单模光纤的概述 16单模光纤的特性参数 16单模光纤的波长 17单模光纤的传输条件 18单模光纤色散 18Gb∕sCO-OFDM单模光纤系统 19CO-OFDM单模光纤系统的组成 19单模光纤信道分析 21系统调制方式分析 22系统仿真结果与分析 223.3正交幅度调制 23QAM简介 23QAM的产生 25QAM的特点 263.4本章小结 27第四章在QAM调制下的系统传输性能的分析 284.1光纤色散对误码率的影响 284.2光信噪比与误码率的关系 284.3不同光信噪比下的可传输的最大距离 294.4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。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）。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ElectronicsLetters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。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。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opticsexpress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b/s/Hz。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系统进行仿真和光路实验研究。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.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1.1相干光检测示意图Fig.1.1Schematicdiagramofcoherentopticaldetection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20dB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。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。OFDM技术OFDM是在无线通讯中被IEEE

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。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。图1.2OFDM信号各子载波频谱图Fig.1.2eachsubcarrierspectrumforOFDMsignal由于CO-OFDM结合了光纤通信中相干光检测和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，具有很强的信道容量可扩展性，扩容方便。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OFDM正交频分复用技术理论OFDM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，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2.2OFDM信号频谱.1Fypicalappearanceofasubcarrier.2PowerdensityspectraofOFDMsignal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.2.3BasicOFDMSystem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，ForwardErrorCorrection)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。图2.4OFDM循环前缀示意图.4StructureofOFDMsignalwithcyclicprefix由于传输信道往往是记忆的，为了消除码间干扰，OFDM系统通常采用的方法是，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)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)在静态的频率选择性衰落信道下，信道冲激相应为：(2.3)其中h1为第l条接收路径的复包络，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Δ内的有M1个，超出Δ的有M2个。即：(2.4)那么经过多径信道后，接收机的输入信号应该为：(2.5)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：(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Δ的M1个回波只决定判决结果的复系数，并不会对判决结果产生破坏。当所有回波都落在保护间隔之内时，上式简化为：(2.7)通常OFDM信号的每个子载波频带小于信道相关带宽，也就是说每个子载波上的衰落可以认为是平衰落。我们定义：(2.8)显然，式中的HK就是信道在N个子载波上的传递函数。如果收端通过信道估计得到准确的HK，就可以恢复出发端原始信息。OFDM系统的数学模型图2.5OFDM系统完整数据传输.5BlockdiagramofOFDMtransmissionsystem在OFDM系统中，可用的频谱被分为N个正交的子信道。一列复信号符号被分为若干个OFDM符号，每个OFDM符号由N个数据符号i,m(m=0,1….N-1)调制而成，i,m在第i个OFDM符号中传递的第m个数据符号。符号{i,m}调制各正交载波产生了时域信号i,k。其中。Esm是用户在第m个子载波上的功率。由多径信道产生的符号间干扰可以通过加循环前缀来避免。在第i个OFDM符号中发送的样点i,k中开始的v个样点是最后v个样点的复制。样点i,k在发射前通过一个单位能量的升余弦奈奎斯特滤波器p(t)，这个滤波器的傅立叶变换是P(f)，然后发送信号被送入到传输函数的傅立叶变换函数为Hch(f)的多径信道中，在通过信道的过程中还受到复加性高斯白噪声(AWGN)的干扰。这里所说的复加性高斯白噪声具有不相关的实部和虚部，其实部与虚部的功率谱密度均为0。在接收端，射频信号使用本地振荡器下变频到基带信号。如果本地振荡器和用户的上变频振荡器不同，接收信号就会受到载波相位误差φ(t)的干扰。接收机中包括的与发送滤波器相匹配的滤波器p*(-t)的输出r(t)在采样时刻的采样为i,k。i，kT是第i个符号间隔中的第k个样点的相对的定时误差，T是采样间隔。当载波相位误差相对于T为慢变化时，样点i,k可以用下式表示：(2.9)是一个等效滤波器,假设气的持续时间不超过循环前缀的长度，这样发送信号就只有循环前缀会受到前一OFDM符号的影响，而所需样点则不会受到影响。接收端将循环前缀舍弃，对保留下来的N个样点进行进一步处理。循环前缀外的样点可用下式表示：(2.10)所选信号经过快速傅立叶变换（FFT）解调后得到的信号形式类似于(2.6)。2.OFDM系统参数的选择各种OFDM参数的选择就是需要在多项要求冲突中进行折中考虑。通常来讲，首先要确定3个参数：带宽、比特率及保护间隔，通常保护间隔的时间长度应该为应用移动环境信道的时延扩展均方根值2～4倍。一旦确定了保护间隔，则OFDM符号周期长度就可以确定。为了最大限度的减少由于插入保护比特所带来的信噪比的损失，希望OFDM符号周期长度要远远大于保护间隔。但是符号周期长度又不能任意大，否则OFDM系统中要包括更多的子载波数，从而导致子载波间隔相应减少，系统的实现复杂度增加，而且还加大了系统的峰值平均功率比，同时使系统对频率偏差更加敏感。因此在实际应用中，一般选择符号周期长度是保护间隔长度的5倍，这样由于插入保护比特所造成的信噪比损耗只有1dB左右。在确定了符号周期和保护间隔之后，子载波的数量可以直接利用-3dB带宽除以每个子信道的比特速率来确定子载波的数量。每个信道中所传输的比特速率可以由调制类型、编码速率和符号速率来确定。1.有用符号持续时间有用符号持续时间T对子载波之间间隔和译码的等待周期都有影响，为了保持数据的吞吐量，子载波数目和FFT的长度要有相对较大的数量，这样就导致了有用符号持续时间的增加。在实际应用中，载波的偏移和相位的稳定性会影响两个载波之间间隔的大小，如果为移动着的接收机，载波间隔则必须足够大才能使得多普勒频移可以被忽略。总之，选择有用符号的持续时间，必须以保证信道的稳定的前提。2.子载波数量N的选择与冗余码元一样，保护间隔的引入必然会降低实际系统的频谱效率。对于一个确定延时的多径信道，系统的实际频谱效率为：(2.11)因此，为了在保持信息速率的前提下提高系统的频谱效率，就必须增加s，也就是增加子载波的数量N。但是，子载波数量也不是越多越好。除了DFT计算复杂度和硬件消耗会随N值增加而迅速上升外，还因为现代系统的子载波间隔与N值成反比；子载波间隔越小，对时间选择性衰落和多普勒效应造成的频谱扩展以及载波相位噪声越敏感，越容易失去正交性。因此在工程应用中，需要在这一对矛盾间折衷考虑。此外，我们选择的N值还应该能够分解成小基数的乘积，以便采用FFT蝶形算法。除了上述因素外，我们在实际应用中还要考虑移动性、网络规划灵活性等。OFDM系统的调制可以基于功率或是频谱利用率来选择。调制的模型可以用复数形式来表示dn=an+jbn，其符号an和bn在16QAM中为（±1,±3），在QPSK中为±1。总之，应用到每个子载波的调制模式的选择只能是数据速率需求与传输稳定性之间的折衷。另外，OFDM的另一个有点是不同的调制模式可以由分层服务应用到不同的子载波。2.OFDM系统的主要缺点OFDM系统内由于存在多个正交子载波，且其输出信号是多个子信道信号的叠加，因此与单载波系统相比，存在如下主要缺点：首先是对同步误差和信道估计误差非常敏感，由于子信道的频谱相互覆盖，这就对它们之间的正交性提出了严格的要求。然而由于无线信道存在时变性，在传输过程中会出现无线信号的频率偏移，例如多普勒频移，或者由于发射机载波频率与接收机本地振荡器之间存在的频率偏差，都会使得OFDM系统子载波之间的正交性遭到破坏，从而导致子信道间的信号相互干扰(ICI)，这种对频率偏差敏感是OFDM系统的主要缺点之一。如图2.6和2.7所示，存在ICI的OFDM符号载波间的正交性完全被破坏了。图2.6严格正交的OFDM符号频谱图2.7存在ICI的OFDM符号频谱.6SpectrumofOFDMsignalwithoutICI.7SpectrumofOFDMsignalwithICI其次是OFDM的峰均功率比大，对系统的非线性敏感。与单载波系统相比，由于多载波调制系统的输出是多个子信道信号的叠加，因此如果多个信号的相位一致时，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远大于信号的平均功率，导致出现较大的峰值平均功率比((PAR)。这样就对发射机内放大器的线性提出了很高的要求，如果放大器的动态范围不能满足信号的变化，则会为信号带来畸变，使叠加信号的频谱发生变化，从而导致各个子信道信号之间的正交性遭到破坏，产生相互干扰，使系统性能恶化。CO-OFDM的基本理论系统原理框图CO-OFDM系统的OFDM符号的产生与无线通信中是类似的，只是将在电域中产生的OFDM符号调制至射频，然后再调制到光频率上进而在光纤中传输。基于CO-OFDM单模光纤系统原理框图如图2.1所示，它主要包括五个部分，分别为：射频OFDM(RFOFDM)发送端，电光(RF-To-Optical,RTO)上变频器、光传输链路、光电(Optical-To-RF,OTR)下变频器和RFOFDM接收端。图2.8CO-OFDM的单模光纤系统原理框图Fig.2.8ConceptualdiagramforagenericCO-OFDMSMFsystem在RFOFDM发送端，二进制串行数据流经过星座映射，逆傅立叶变换（IFFT），导频符号、训练序列以及循环前缀添加，数模转换，滤波等处理过程后形成基带OFDM信号，并将其调制到射频上；电光上变频器是利用马赫—曾德调制器（MZM：Mach–ZehnderModulation）将RFOFDM信号调制到光域上；光传输链路中包括用来传输的光纤和用于补偿链路损耗的EDFA；在光电下变频器中，采用光相干检测，使用两对平衡接收机进行零差检测，将光OFDM信号还原为射频OFDM信号，完成光电转换；在RFOFDM接收端将射频OFDM信号还原成基带OFDM信号，之后进行的是RFOFDM发送端的逆过程，如滤波、数模转换等，将基带OFDM信号恢复为原始的二进制串行数据流。工作原理在图2.8中，输入到RFOFDM发送器的二进制数据流，首先经过串并转换成为Nx路的并行数据，采用M进制的调制方式（例如：2PSK，4QAM，8QAM等）对每路数据进行调制，并且利用星座图将调制得到的信号映射到对应的复信号ckj上，通过逆傅立叶变换将ckj变换为时域序列，正如式（2.12）所示，在此期间插入保护间隔以避免信道色散，再经过数模转换器将数字信号转换成模拟信号，并用低通滤波器滤除边带信号，形成基带模拟OFDM信号。其时域信号可以表示为：(2.12)式中：，，上式中ci,k表示第个子载波上的第个信息码元；fk表示子载波频率；Nx表示OFDM子载波的数量；Ts，G和ts分别是OFDM符号周期（包含循环前缀），保护间隔长度和观察周期（即有用信号的长度），此时为了避免产生符号间干扰(ISI)，保护间隔长度必须大于最大多径时延。基带OFDM信号通过一个射频同相正交混合器将进一步转换到射频频带上。在RTO上变频器中，采用光同相正交调制器将射频OFDM信号转换到光域上，此时，实现上变频的功能,RFOFDM信号转变为光OFDM信号，其中，光同相正交调制器由一对由90°相位偏移的马赫—曾德调制器组成。光OFDM信号可以用公式（2.13）来表示：(2.13)这里和分别是发送端激光器的角频率和相位，为基带时域信号。光OFDM信号进入在光传输链路中进行传输，假设信道的传输函数为，则在接收端的光信号可以表示为：(2.14)这里代表卷积。光域OFDM信号进入OTR下变频器，采用光相干检测，使用两对平衡接收机进行零差检测，光OFDM信号转换成射频OFDM信号，完成光电转换；之后射频OFDM信号通过混频后，转换为直接（DC）的中频信号，真格中频信号可表示为：(2.15)(2.16)其中和分别是发送和接收激光器之间的频率偏移和相位偏移。在RFOFDM接收端，这个中频OFDM信号首先利用模数转换器进行抽样；然后，在进行符号判决之前，信号需经过三级复杂的同步，这三级同步如下：1.定时同步，确定OFDM符号的窗口起始位置。2.频率同步，采用相干解调时，由于两个激光器之间产生的光载波不可能完全一致，而且传输链路中的信道色散等因素的影响，所以此时要进行频率偏移估计，并且进行补偿。3.子载波同步，在子载波恢复中，对每个子载波信道进行估计和补偿。当系统采用精确的同步处理后，RFOFDM信号通过傅里叶变换后公式(2.15)的抽样值变为：(2.17)rki为接收到的信息码元，是子载波相位，hki为频域信道传输函数，nki是噪声，上面的第三次同步包括了对子载波和信道传输函数hki的估计，所以它们可以通过一定的方法求出，这样和的值就可以通过迫零法来确定：(2.18)用于符号判决或恢复发射值，随后恢复为原始信号。需要说明的是，以上简短描述的CO-OFDM信号处理过程中，并没有提及到导频符号和插入到OFDM符号中的训练序列，这些导频符号和训练序列的作用是用于上面提到的三级同步。另外，上述的CO-OFDM信号处理过程中也没有提及到纠错编码，纠错编码要包括纠错编译码器和交织器。本章主要介绍了OFDM技术和主要思想，并且研究了CO-OFDM技术基本理论，系统原理框图以及工作原理，为系统设计提供理论基础。第三章CO-OFDM单模光纤系统3.1单模光纤3.1.1单模光纤的概述单模光纤(SingleModeFiber)：中心玻璃芯很细(芯径一般为9或10μm)，只能传一种模式的光。因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，但还存在着材料色散和波导色散，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。后来又发现在1.31μm波长处，单模光纤的\o"材料色散"材料色散和\o"波导色散"波导色散一为正、一为负，大小也正好相等。这就是说在1.31μm波长处，单模光纤的总色散为零。从光纤的损耗特性来看，1.31μm处正好是光纤的一个低损耗窗口。这样，1.31μm波长区就成了光纤通信的一个很理想的工作窗口，也是现在实用光纤通信系统的主要工作波段。1.31μm常规单模光纤的主要参数是由国际电信联盟ITU－T在G652建议中确定的，因此这种光纤又称G652光纤。单模光纤具备10micron的芯直径，可容许单模光束传输，可减除频宽及\o"振模色散"振模色散的限制，但由于单模光纤芯径太小，较难控制光束传输，故需要极为昂贵的激光作为光源体，而单模光缆的主要限制在于材料色散(Materialdispersion)，单模光缆主要利用激光才能获得高频宽，而由于LED会发放大量不同频宽的光源，所以材料色散要求非常重要。单模光纤相比于多模光纤可支持更长传输距离，在100MBPS的\o"以太网"以太网以至这行的1G千兆网，单模光纤都可支持超过5000m的传输距离。从成本角度考虑，由于光端机非常昂贵，故采用单模光纤的成本会比多模光纤电缆的成本高。单模光纤（SingleModeFiber,SMF）折射率分布和突变型光纤相似，纤芯直径只有8~10μm，光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传播。因为这种光纤只能传输一个模式（两个偏振态简并），所以称为单模光纤，其信号畸变很小。单模光纤的特性参数1.衰耗系数a约为0.35dB/km,在1.55微米附近，dB/km以下。2.色散系数D()我们已经知道，光纤的色散可以分为三大部分即模式色散、材料色散与波导色散。而对于单模光纤而言，由于实现了单模传输所以不存在模式色散的问题，故其色散主要表现为\o"材料色散"材料色散与\o"波导色散"波导色散（统称模内色散）。综合考虑单模光纤的材料色散与波导色散，统称色散系数。色散系数可以这样理解：每公里的光纤由于单位谱宽所引起的脉冲展宽值。因此，L公里光纤由色散引起的脉冲展宽值为：(3.1)其中：为光源谱宽σ为根均方展宽值色散系数越小越好。光纤的色散系数越小，就意味着其\o"带宽系数"带宽系数。经过计算，其带宽系数在25000MHz·km以上，是多模光纤的60多倍（多模光纤的带宽系数一般在1000MHz·km以下）。3.模场直径d模场直径表征单模光纤集中光能量的程度。由于单模光纤中只有基模在进行传输，因此粗略地讲，模场直径就是在单模光纤的接收端面上\o"基模光斑"基模光斑的直径（实际上基模光斑并没有明显的边界）。可以极其粗略地认为（很不严格的说法），模场直径d和单模光纤的纤芯直径相近。4.截止波长λc我们知道，当光纤的归一化频率V小于其归一化截止频率Vc时，才能实现单模传输，即在光纤中仅有基模在传输，其余的高次模全部截止。也就是说，除了光纤的参量如纤芯半径，数值孔径必须满足一定条件外，要实现单模传输还必须使光波波长大于某个数值，即λ≥λc，这个数值就叫做单模光纤的\o"截止波长"截止波长。因此，截止波长λc的含义是，能使光纤实现\o"单模传输"单模传输的最小工作光波波长。也就是说，尽管其它条件皆满足，但如果光波波长不大于单模光纤的截止波长，仍不可能实现单模传输。5.回损ReturnLoss反射损耗又称为\o"回波损耗"回波损耗，它是指出光端，后向反射光相对输入光的比率的分贝数，回波损耗愈大愈好，以减少反射光对光源和系统的影响。单模光纤的波长单模传输设备所采用的\o"光器件"光器件是LD，通常按波长可分为850nm和1300nm两个波长，按输出功率可分为普通LD、高功率LD、DFB-LD（分布反馈光器件）。单模光纤传输所用的光纤最普遍的是G.652，其线径为9微米。1310nm波长的光在G.652光纤上传输时，决定其传输距离限制的是衰减因数；因为在1310nm波长下，光纤的材料色散与结构色散相互抵消总的色散为0，在1310nm波长上有微小振幅的光信号能够实现宽频带传输。1550nm波长的光在G.652光纤上传输时衰减因数很小，单纯从\o"衰减因数"衰减因数考虑，1550nm波长的光在相同的光功率下传输的距离大于1310nm波长的光下的传输的距离，但是实际情况并非如此，单模光纤带宽B与色散因数D的关系为：GHz(3.2)其中L为光纤的长度，Dl为\o"谱线宽度"谱线宽度，对于1550nm波长的光，其\o"色散因数"色散因数为20ps/(nm.km)，假设其光谱宽度等于1nm，传输距离为L=50公里，则有：GHz=132.5MHz单模光纤的传输条件单模光纤就是使光纤中，基模LP01可以传输，他的归一化截止频率Vc(LP01)=0;第一高阶模LP11处于截止状态，它的归一化截止频率VC(LP11。由模的传输条件可知，要保证光纤只有LP01这种模式传输，则必须要满足:(3.3)上式称为单模光纤的单模传输条件。单模光纤色散色散是光纤的传输特性之一。由于不同波长光脉冲在光纤中具有不同的传播速度，因此，色散反应了光