【正文】 方法與單符號類似，只是需要取連續(xù)的多個(gè) OFDM 符號的滑動(dòng)窗求他們的聯(lián)合相關(guān)系數(shù)，則數(shù)據(jù)越多，誤差越小。在這個(gè)數(shù)據(jù)段上，取兩個(gè)長度為 I 的窗口 w1, w2,他們相隔數(shù)據(jù)為 N。為了比較不同字長量化效應(yīng)下的系統(tǒng)性能，將 6bit, 8bit 量化加上噪聲的誤碼率曲線與量化前僅有高斯白噪聲誤碼率曲線進(jìn)行比較。 (3)在數(shù)字運(yùn)算過程中，為限制位數(shù)而進(jìn)行的尾數(shù)處理以及防止溢出而壓縮信號電平的有限字長效應(yīng)，如在實(shí)現(xiàn)過程中的一些乘法運(yùn)算的輸出結(jié)果必須進(jìn)行量化處理 [2627]。 接收端的功能與發(fā)射端剛好相反，負(fù)責(zé)從接收到的信號中提取出信源信息。發(fā)送設(shè)備負(fù)責(zé)將信源輸出的信號變換為適合信道傳輸?shù)?，使之匹配與信號傳輸特性并送入信道中。 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊 :對光信號轉(zhuǎn)換而來模擬電信號進(jìn)行濾波采樣，得到電信號域的 OFDM 數(shù)字信號。下面將要對各模塊的具體構(gòu)成和功 能進(jìn)行詳細(xì)的介紹 [25] (1)發(fā)射機(jī)端 數(shù)字信 C7 處理模塊 :首先將信源產(chǎn)生的 2}Gb}S 的高速比特流進(jìn)行 16QAM 調(diào)制，生成 5 GHZ的 QAM符 C7。 COOFDM 調(diào)制和檢測過程比較復(fù)雜，但其在相同條件下，傳輸距離、信號檢測質(zhì)量卻是 DDOOFDM 所無法比擬的。借助于強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)自動(dòng)化輔助軟件，可以很好的幫助設(shè)計(jì)人員將理論成果高效且低成本的轉(zhuǎn)換為實(shí)際產(chǎn)品。局限于一些電信號的數(shù)字信號處理芯片的處理能力有限以及在電信號端實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換、模數(shù)轉(zhuǎn)換 (D/A, A/D)時(shí)的轉(zhuǎn)換器的速率，以及實(shí)驗(yàn)室條件和試驗(yàn)成本的問題，本文所設(shè)計(jì) OOFDM 光纖通信系統(tǒng)未能進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)。 在電信號完成 IFFT 運(yùn)算后，將要送入 D/A 轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字信號變?yōu)槟M信號，然后再送入激光調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制。 基于 FPGA 的數(shù)字信號處理部分也對高速 OOFDM 的實(shí)現(xiàn)也是制約因素，因?yàn)樵?IFFTFFT 運(yùn)算過程中存在大量的復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算，因此對于 FPGA 的資源提出了很大的挑戰(zhàn)。在一些傳輸速率超過 10Gbit/s 的試驗(yàn)中，都是采用了一些并行模塊進(jìn)行處理的方式，在犧牲成本的情況下提高系統(tǒng)的傳輸速率。在 2020 年 OFC 會議上， Fred Buchali, Roman Dischler 等人發(fā)表了關(guān)于成功完成了傳輸速率 Gb/s 的發(fā)送端的實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的論文，該發(fā)送端為當(dāng)時(shí)傳輸速率最高的發(fā)送端。截止目前 (2020 年 S 月 )，該團(tuán)隊(duì)在 ECOC, OFC, Optics Express 上又發(fā)表了傳輸速率為 Gb/s, Gb/s, 6 Gb/s, Gb/s, Gb/s 等不同傳輸速率的 Transceiver 的實(shí)現(xiàn)，并進(jìn)行了單模光纖和多模光纖傳輸?shù)炔煌瑐鬏敺绞降膶?shí)驗(yàn) [isis]。 0OFDM 通信系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)現(xiàn)狀 經(jīng)過了幾年的理論研究與仿真驗(yàn)證之后，越來越多的學(xué)者開始把目光投向?qū)嶒?yàn)室的硬件實(shí)現(xiàn)以及未來的商用化道路上。 Bell Laboratories, AlcatelLucent 實(shí)驗(yàn)室的研究者如 Roman Dischler, Xiang Liu等人也進(jìn)行了關(guān)于 COOFDM 的研究，并且搭建了更高速度的 COOFDM 光纖通信系統(tǒng)。近幾年來， OOFDM 的相關(guān)研究己經(jīng)取得很大的成就，但 OOFDM 仍處于起步階段， OOFDM 的實(shí)用化任重而道遠(yuǎn) ! OOFDM 通信系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 通過對近兩年的國內(nèi)外的相關(guān)論文的閱讀整理，現(xiàn)階段 OOFDM 主要處于仿真驗(yàn)證階段，在國外的一些實(shí)驗(yàn)室己經(jīng)開始相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)階段。但在 OOFDM 光纖通信系統(tǒng)中，傳輸載波為光信號，需要在發(fā)射端將電信號調(diào)制到光波上，在光纖中傳輸，在接收端再將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。 對 于 上 圖 中 送 入 信 道 的 信 號 S(t) 可 以 用 復(fù) 數(shù) 表 示 為 下式 : 若對 S(t)進(jìn)行采樣，采樣時(shí)間間隔為 T，則有 : 假設(shè)一個(gè) OFDM 符號周期界內(nèi)含有 N 個(gè)采樣值，即 在此，令載波頻率間隔 ，由（ 2），（ 3）式可得 : 由上式可以發(fā)現(xiàn)，這與數(shù)字信號處理中的 IDFT 變換相同，只是差了一個(gè)常數(shù)因子倍數(shù)。除此之外， COOFDM 還具有 WDM,OTDM、工 OOFDM 等系統(tǒng)所沒有的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在 : 1)由于 OFDM 的正交性，最大限度的利用了頻譜資源，提高了頻譜利用率 。引起漂移最普遍的原因是環(huán)境溫度的變化。由于在光纖通信系統(tǒng)中，誤碼率隨時(shí)間而變化，用長時(shí)間內(nèi)的平均誤碼率來衡量系統(tǒng)性能的優(yōu)劣顯然不夠準(zhǔn)確。 二、光纖連接困難。由于其豐富的帶寬資源，光纖通信系統(tǒng)有著很大 的通信容量。由于光纖很細(xì)，和人的頭發(fā)絲差不多，為了保護(hù)脆弱的光纖，通常將光纖封裝在特定的結(jié)構(gòu)中，并在光纖外包上保護(hù)膜以減少光信號的損失和相互間的干擾，這就是我們生活所常見的光纖光纜。本章是本論文的理論基礎(chǔ)，有助于讀者對論文一些關(guān)鍵技術(shù)的理解。對于 OOFDM 光纖通信系統(tǒng)的研究，前途是光明的，道路是曲折的， OOFDM 光纖通信系統(tǒng)的實(shí)用化還有很長的一段路要走。 2020 年， Dixon 首先提到用多模光纖傳輸 OFDM 信號 。當(dāng)采用傳輸?shù)淖虞d波個(gè)數(shù)較多時(shí)，并忽略循環(huán)前綴所造成的損失， OFDM 通信系統(tǒng)可以達(dá)到奈奎斯特采樣定律所限制的傳輸極限頻譜效率。 光波分復(fù)用技術(shù)是在發(fā)送端將不同波長的光信號通過特殊的光電器件生成，然后再通過光電器件禍合到光纜線路 中上的同一根光纖中進(jìn)行傳輸 。 (4)光集成技術(shù)。包括光時(shí)分復(fù)用技術(shù)、光波分復(fù)用技術(shù) 、光碼分復(fù)用技術(shù)、 12 / 48 光副載波復(fù)用技術(shù)、光偏振模復(fù)用技術(shù)等，其中以光波分復(fù)用技術(shù)最為成熟且研究所取得成果最多，一些光波分復(fù)用通信系統(tǒng)己經(jīng)研制成功并己商用化 。 綜上所述，光纖通信有著非常廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，因此，光纖通信成為了通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。綜上所述，高速的社會發(fā)展需求更加智能的光網(wǎng)絡(luò)，光網(wǎng)絡(luò)的智能化研究也己成為光通信領(lǐng)域的另一個(gè)研究熱點(diǎn) 。 10 / 48 由于受到電子遷移率等瓶頸因素的限制，傳輸速率 40Gbit/s 以上的單信道光纖通信系統(tǒng)很難實(shí)現(xiàn)，因此研究者開始將目光轉(zhuǎn)向復(fù)用技術(shù)。光纖損耗從 1970 年的 20dB/km,1972 年的 4 dB/km,1974 年的 dB/km,1976 年的 dB/km, 1979 年的 ，一直到到 1990 年的 dB/km。 由于人們對通信系統(tǒng)的傳輸容量的需求越來越大，研究者正努力提高OOFDM 光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率。 本文對高速 OOFDM 通信系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，并對高速 OOFDM 通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了探討和研究。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 0 / 48 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 高速光纖通信系統(tǒng)中的 OFDM 調(diào)制解調(diào)技術(shù)的仿真與實(shí)現(xiàn) 1 / 48 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。 對于一個(gè)通信系統(tǒng)的研究，首先要進(jìn)行建模和仿真，從理論層面上分析該系統(tǒng)的大致性能和現(xiàn)實(shí)可行性。本文對提高 OOFDM 光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量提出了一些可行的方案，如采用光波分復(fù)用技術(shù)、光偏振復(fù)用技術(shù)和增加子載波傳輸個(gè)數(shù)等，并對這些方案進(jìn)行了簡單的介紹。光纖技術(shù)在 1970 年至 1980 年的十年時(shí)間里，光纖損耗幾乎是以每年一半的速度遞減。目前最常使用的復(fù)用技術(shù)是光波分復(fù)用技術(shù) (WDM)，且這一復(fù)用技術(shù)的光纖通信系統(tǒng)己經(jīng)實(shí)用化。以光傳送網(wǎng)為基礎(chǔ)的高度智能化自動(dòng)光交換網(wǎng)絡(luò) (ASON)成為光網(wǎng)絡(luò)的主要研究方向。 . 2 光纖通信的發(fā)展趨勢 光纖通信從上世紀(jì) 70 年代起步發(fā)展至今，己經(jīng)經(jīng)歷了四十多年的高速發(fā)展，現(xiàn)在無論是光纖制造技術(shù)還是光電器件制造技術(shù)都取得非常巨大的成就。光偏振模復(fù)用技術(shù)是最近這幾年興起，有效提高通信系統(tǒng)傳輸速率的又一復(fù)用技術(shù)。類似于電信號域的電子集成電路，把各種光器件如光源器件、光檢測器件、光濾波器件、光柵等集成到一塊光器件之上，構(gòu)成一種可以完成多種功能的光器件。在接收端，再通過直接檢測或者相干檢測接收光信號，并將不同波長的光信號分開，進(jìn)一步處理恢復(fù)出原始信號進(jìn)行處理。 (2)運(yùn)算效率高。2020 年起， OOFDM 光纖通信系統(tǒng)開始進(jìn)行相關(guān)的仿真驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，相關(guān)方面的研究開始起步，如 Nortel Network Limited的 Jolley 在 2020 年 OFC 會議上發(fā)表的論文，進(jìn)行了 10Gb/s 的。 本文主要介紹了光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，并對應(yīng)用于該系統(tǒng)的 OFDM 調(diào)制技術(shù)進(jìn)行了簡要的說明。 基本原理 光纖通信系統(tǒng)簡介 (1)光纖通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 光纖通信系統(tǒng)是以光纖為傳輸媒介，光信號為信息傳播載體的通信系統(tǒng)。 接收端也是由光端機(jī)和電端機(jī)組成。 二、損耗低、中繼距離長，可用于長距離傳輸。在兩根光纖接口的連接時(shí)，需要專門的工具，而這些工具非常昂貴。為了更為準(zhǔn)確的反應(yīng)光纖通信系統(tǒng)的誤碼性能，在平均誤碼率之外定義了三種反應(yīng)短期度量誤碼的參數(shù) :劣化分、誤碼秒和嚴(yán)重誤碼秒。 上述三個(gè)性能指標(biāo)是衡量現(xiàn)在光纖通信系統(tǒng)的性能優(yōu)劣的一些主要指標(biāo)，在進(jìn)行光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，必須適當(dāng)?shù)目紤]上述各種指標(biāo)，從而設(shè)計(jì)出滿足要求的光纖通信系統(tǒng) [5] 0OFDM 通信系統(tǒng)簡介 正交頻分復(fù)用 (OFDM)技術(shù)是隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的成熟而逐漸發(fā)展起來 18 / 48 的一種數(shù)字多載波調(diào)制技術(shù)，目前主要應(yīng)用在無線通信系統(tǒng)中，它將高速的數(shù)據(jù)信號分成多路低速數(shù)據(jù)信號，并調(diào)制的一組正交子載波上進(jìn)行并行傳輸，可以有效地抵抗無線信道多徑衰落并提高系統(tǒng)頻譜利用率。 2)COOFDM 系統(tǒng)在傳輸過程中不需要色散補(bǔ)償，在接收端無需色散處理機(jī)制。因此，在 OFDM 調(diào)制的實(shí)現(xiàn)過程中，我們可以先對并行數(shù)據(jù)流進(jìn)行IDFT 變換，然后再將變換后的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，這些串行數(shù)據(jù)便是OFDM 系統(tǒng)基本模型框圖中的 S(t)的采樣數(shù)值。 如原理框圖所示，在 OFDM 系統(tǒng)的發(fā)射端，利用成熟的數(shù)字信號處理技術(shù)對高速碼流進(jìn)行處理，得到電 OFDM 信號。下面將對仿真驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)這兩個(gè)方向分別進(jìn)行討論。在 2020 年的 OFC 會議上， Roman Dischler 等人完成了 Tb/s 的PDMOFDMFDM 光纖通信系統(tǒng)的傳輸實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中采用了多輸出多輸入方案并結(jié)合偏振復(fù)用技術(shù)，因此很大地提高了傳輸速率 。但局限于實(shí)驗(yàn)室儀器及元器件的條件限制，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)并不是很多，從 2020 年開始，一些國外的大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)才開始進(jìn)行相關(guān)的實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)。最近這兩年，該團(tuán)隊(duì)以傳輸速率為 ，對高速光纖通信系統(tǒng)中的同步、頻譜利用率及傳輸性能優(yōu)化進(jìn)行了相關(guān)研究，并發(fā)表了若干篇論文 [i9zi]。在實(shí)驗(yàn)中，他們對整個(gè)通信系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，使傳輸誤碼率在以下 。 現(xiàn)階段 COOFDM 的實(shí)驗(yàn)室實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)并不是很多，主要局限于一些電信號的數(shù)字信號處理芯片的 處理能力有限以及在電信號端實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換、模數(shù)轉(zhuǎn)換(D/A,A/D)時(shí)的轉(zhuǎn)換器的速率。如果想要實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)字信號處理 ，只能采用并行流水線處理方式，相當(dāng)于要把整個(gè) IFFT 或 FFT 在單塊 FPGA 芯片里實(shí)現(xiàn)。而現(xiàn)在的 D/A, A/D 轉(zhuǎn)換器的速率可能是制約高速 COOFDM 最主要的因素。 OOFDM 光纖通信系統(tǒng)的作為光纖通信系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)領(lǐng)域之一，正在以快速而有序的腳步邁向產(chǎn)品的實(shí)用化。 在本章，給出了傳輸速率為 20Gb/S 的 COOFDM 通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，在此基礎(chǔ)上，借助于 MATLAB 軟件對高速 COOFDM 光纖通信系統(tǒng)進(jìn)行建模、分析和仿真評估。 按照 OOFDM 的實(shí)現(xiàn)方式，主流研究方向也分為兩大類 :數(shù)字信號處理部分的電路實(shí)現(xiàn)和光路實(shí)現(xiàn)兩種方式。然后將 QAM符 C7進(jìn)行 64點(diǎn) IFFT 變換生成 的 OFDM 符號 。 定時(shí)同步模塊 :利用定時(shí)同步算法進(jìn)行 OFDM 符號同步，并進(jìn)行頻偏補(bǔ)償、相位估計(jì)和信道估計(jì)等運(yùn)算，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。發(fā)送設(shè)備首先對信源的高速比特流進(jìn)行16QAM 調(diào)制 。接收端雖然與發(fā)射端功能相反，但卻更為復(fù)雜。 上述三種誤差都是通信系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)過程中必然面臨的誤差生產(chǎn)問題。 6bit, 8bit量化的高速 OOFDM光纖通信系統(tǒng)在高斯白噪聲背景下傳輸?shù)姆抡鎱?shù)設(shè)置如下表，仿真所得誤碼率曲線如下圖 : 32 / 48 由圖 32 可知，當(dāng)誤碼率 BER= 10 一時(shí)， 6bit 量化所