【正文】 ...............................................36 3. 4 本章小結(jié) ......................................................................................................39 論文總結(jié) .....................................................................................................................40 參考文獻(xiàn) .....................................................................................................................42 7 / 48 圖目錄 圖 21 通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖 ...............................................................................12 圖 22 OFDM 系統(tǒng)基本模型框圖 ........................................................................16 圖 23 基于快速傅里葉變換 (工 FFT)的 OFDM 系統(tǒng)框圖 .................................... 17 圖 31 COOFDM 光纖通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基本組成框圖 ......................................25 圖 32 6bit, 8bit 量化誤碼率曲線比較 .................................................................29 圖 33 基于 CP 的 OFDM 塊定時(shí)同步算法示意圖 ................................................30 圖 34 基于 MATLAB 的誤幀率仿真曲線 ...............................................................31 圖 35 COOFDM 光纖通信系統(tǒng)有限字長(zhǎng)效應(yīng)和定時(shí)同步的聯(lián)合仿真 ………..33 圖 36 偏振模色散效應(yīng)示意圖 ...............................................................................34 圖 37 OFDM 符號(hào)采樣示意圖 .............................................................................34 圖 38 偏振模色散效應(yīng) 下的系統(tǒng)相位誤差曲線 ...................................................35 圖 39 偏振模色散效應(yīng)下的系統(tǒng)幅度響應(yīng)曲線 ...................................................36 圖 310(高斯白噪聲 +PMD)相位補(bǔ)償后的誤碼率曲線 ..........................................37 圖 311 不同調(diào)制方式的誤碼率曲線 ......................................................................38 8 / 48 表目錄 表目錄 表 31 6bit, 8bit 量化的高速 COOFDM 光纖通信系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置 ….............28 表 32 基于 CP 的 OFDM 塊定時(shí)同步仿真參數(shù)設(shè)置 ..............................................31 表 33 COOFDM 通信系統(tǒng)有限字長(zhǎng)效應(yīng)和定時(shí)同步聯(lián)合仿真參數(shù)設(shè)置表 ....32 表 34 偏振模色散效應(yīng)下的系統(tǒng)相位誤差曲線仿真參數(shù)設(shè)置表 .........................35 表 35 偏振模色散效應(yīng)下的系統(tǒng)幅度響應(yīng)曲線仿真參數(shù)設(shè)置表 .........................36 表 36(高斯白噪聲 +PMD)相位補(bǔ)償后的誤碼率曲線仿真參數(shù)設(shè)置表 ..................37 表 37(高斯白噪聲 +PMD)子載波采用不同的調(diào)制方式仿真參數(shù)設(shè)置表 ..............38 9 / 48 第一章緒論 光纖通信的發(fā)展歷史 時(shí)代進(jìn)步了，科技發(fā)展了，人們對(duì)物質(zhì)和精神文化生活的要求越來越高。 在光纖技術(shù)突飛猛進(jìn)發(fā)展的同時(shí)，應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)的光電器件也取得了很快的發(fā)展。 2020 年的 OFC 會(huì)議上，報(bào)道了實(shí)驗(yàn)室中單根光纖傳輸容量為 10Tbit/s 光纖傳輸實(shí)驗(yàn)。 在人們對(duì)通信技術(shù)的需求的推動(dòng)下，光纖通信系統(tǒng)繼續(xù)向大容量、長(zhǎng)距離傳輸 的方向發(fā)展，支持大容量、長(zhǎng)距離傳輸?shù)母鞣N技術(shù) (如低噪聲技術(shù)、非線性光學(xué)效應(yīng)的抑制、群速度色散和偏振模色散的補(bǔ)償、新型調(diào)制技術(shù)和糾錯(cuò)碼等 )成為新的研究熱點(diǎn)。從1970 年的衰減為 20dB/km 到現(xiàn)在幾乎接近石英光纖的理論衰減極限值。 (2)相干光通信。 (5)全光通信網(wǎng)。當(dāng)光載波間隔比較大時(shí)，用波長(zhǎng)衡量比較方便，一般稱之為波峰復(fù)用 。 OFDM 調(diào)制采用了非常高效的快速傅里葉變換 (FFT)算法，因此它具有很好的擴(kuò)展性能以及高速并行處理能力。 OFDM 系統(tǒng)的仿真、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)。光正交頻分復(fù)用技術(shù)是在最近 10 年里才發(fā)展起來的一個(gè)光纖通信系統(tǒng)新領(lǐng)域，由于 OFDM 調(diào)制技術(shù)對(duì)于改善光纖通信系統(tǒng)的光纖信道的一些固有缺點(diǎn)有很大的抑制作用，因此該技術(shù)備受光纖通信領(lǐng)域的科學(xué)工作者的追捧。與普通電信號(hào)通信系統(tǒng)類似，它主要包括發(fā)射端、傳輸信道和接收端三部分，其基本結(jié)構(gòu)原理圖如圖 21 所示 : 除了圖中的各主要部分外，系統(tǒng)中還包括了一些互聯(lián)和光信號(hào)處理器件，如 16 / 48 光纖連接器、光開關(guān)、光纖放大器。光端機(jī)主 要包括光檢測(cè)器、光放大器、均衡器、判決器、自動(dòng)增益控制電路和時(shí)鐘電路。由于光纖信道的低損耗特性，光纖通信系統(tǒng)中的中繼距離也較其他介質(zhì)構(gòu)成的系統(tǒng)長(zhǎng)得多，非常適合用于長(zhǎng)距離傳輸任務(wù)。 三、光纖怕水。除了這些參數(shù)，還有其他與誤碼率相關(guān)的參數(shù)，在此不再詳述。 在光纖通信系統(tǒng)中，光纖的色度色散和偏振模色散嚴(yán)重限制了高速數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸距離。這樣既能夠?qū)崿F(xiàn)高速率傳輸，降低了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度，同時(shí)也能適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化的 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境 。因此，可以先對(duì)并行數(shù)據(jù)流進(jìn)行IDFT 變換，然后再進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換得到所要傳輸?shù)哪M信 5 S(t)。在這一過程中，對(duì)需要傳輸?shù)母咚贁?shù)據(jù)碼流進(jìn)行串并變換，將一路高速的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)化為多路并行速率相對(duì)較低的數(shù)據(jù)信C7，隨后對(duì)各這些并行的低速信 C7 進(jìn)行 QPSK、 16QAM 等格式的數(shù)字調(diào)制，經(jīng)數(shù)字調(diào)制后，送入數(shù)字信號(hào)處理模塊，進(jìn)行 IFFT 變換 。 2. 2. 1 0OFDM 通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室仿真實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀 近些年來， 從事 COOFDM 光纖通 信系統(tǒng)相 關(guān)研究主 要有 Bell Laboratories,AlcatelLucent, The University of Melbourne, KDDI Ramp。與此同時(shí)，實(shí)驗(yàn)還完成了采用 22 / 48 QPSK 調(diào)制的最高頻譜率 bit/s/Hz[12]。 目前，進(jìn)行 OOFDM 實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的只有 Bangor University , BellAlcatel_ Lucent, The University of Melbourne, College London, NEC LaboratoriesAmerica、慕尼黑理工大學(xué)等為數(shù)不多的大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)。但這些實(shí)驗(yàn)都是采用強(qiáng)度調(diào)制、直接檢測(cè)的方式，因此傳輸速率和系統(tǒng)的性能都會(huì)有一定的限制 。與此同時(shí)，他們還對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的非線性效應(yīng)進(jìn)行了試驗(yàn)，得出了該系統(tǒng)不需要進(jìn)行非線性效應(yīng)處理的結(jié)論 [[23]。對(duì)于電信號(hào)的處理和轉(zhuǎn)換方面的瓶頸，下面將要進(jìn)行詳細(xì)的分析?，F(xiàn)在的 FPGA 資源豐富，完成 256 點(diǎn)以下的 IFFT 或 FFT 運(yùn)算可以在單塊 FPGA 資源上實(shí)現(xiàn)，但要完成更高點(diǎn)數(shù)的 IFFTFFT 并行運(yùn)算實(shí)現(xiàn)起來就不太現(xiàn)實(shí)。據(jù)目前了解，商用最高速率的 D/A 轉(zhuǎn)換器為美信的 MAX5881 芯片，最高轉(zhuǎn)換速率可以達(dá)到 。 26 / 48 本章小結(jié) 本章首先介紹了光纖通信系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架和一些基本理 論知識(shí)，并對(duì)OOFDM 光纖通信系統(tǒng)中 OFDM 調(diào)制技術(shù)和系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹。首先對(duì)該高速光纖通信系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，并基于 MATLAB 模擬了系統(tǒng)在理想狀態(tài)下通過加性高斯白噪聲信道的傳輸過程，并對(duì)傳輸過程中的誤碼率、信噪比等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行仿真分析 。前者將 OOFDM 的數(shù)字信號(hào)處理的核心部分 (IFFTFFT)通過電信號(hào)的一些 DSP 處理芯片來實(shí)現(xiàn)，但由于電信號(hào)的 DSP 元器件的速度上的限制，當(dāng)速度達(dá)到 40Gbit 或者更高的速度時(shí)，電信號(hào)的數(shù)字處理部分將成為限制整個(gè) OOFDM 系統(tǒng)的通信容量的瓶頸因素。最后在 OFDM 符號(hào)中插入循環(huán)前綴生成 的符號(hào)。 數(shù)字信號(hào)處理模塊 :與發(fā)射機(jī)端的相類似，將提取出來的 OFDM 符號(hào)進(jìn)行 64點(diǎn) FFT 運(yùn)算，得到 QAM 符 C7，然后再進(jìn)行 QAM 解調(diào)，得到所要傳輸?shù)脑急忍亓餍畔?。然后再將得到?QAM 符號(hào)進(jìn)行 OFDM 調(diào)制 (即 IFFT 變換 )。接收到信號(hào)后要進(jìn)行一些預(yù)處理(如定時(shí)同步、信道估計(jì)等 )，才能進(jìn)行發(fā)射端的逆處理。對(duì)于有限字長(zhǎng)效應(yīng)所造成的誤差，運(yùn)算過程中采用的字長(zhǎng)越大，則誤差越小，而在增加字長(zhǎng)的同時(shí)帶來的卻是隨之劇增的硬件資源消耗和成本。為了將量化誤差控制在 dB 的范圍內(nèi)，我們可以選用 8bit 量化及 8bit 以上的量化模型，但考慮到 8bit 量化的量化誤差己經(jīng)很小，能夠滿足要求，我們最終選擇了 8bit 量化模型作為硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)的量化位寬。在這個(gè)過程中，相關(guān)系數(shù)數(shù)據(jù)組的按著一定的規(guī)律變化，剛開始很小，當(dāng)移動(dòng)到和黑色部分重合時(shí)，隨著與黑色部分重合的增多而逐漸增大，當(dāng)窗口與黑色 CP 部分完全重合時(shí)，即移動(dòng)到 d39。下面將分別對(duì) 1, 2, 3, 4 個(gè)符號(hào)定時(shí)同步時(shí)的誤幀率進(jìn)行仿真。 由于信道噪聲的存在，這樣的幀定時(shí)同步存在一定的誤差。 如圖 33 所示，接收端收到的為加了循環(huán)前綴 (CP)的 OFDM 數(shù)據(jù)幀串，一個(gè) OFDM數(shù)據(jù)幀包括一個(gè) OFDM 符號(hào)和一個(gè) CP，黑色部分為 CP，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為 I,相鄰的兩個(gè)黑色部分所夾部分為一個(gè) OFDM符號(hào) (其中斜線部分是和 CP完全相同的 OFDM符號(hào)的后 I 個(gè)數(shù)據(jù) )，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為 No 接收端定時(shí)同步的任務(wù)就是要確定 OFDM 數(shù)據(jù)幀的幀頭。 首先，以上一節(jié)中的高斯白噪聲背景下的高速 COOFDM 光纖通信系統(tǒng)的誤碼率曲線為基礎(chǔ)，在數(shù)字信號(hào)的處理過程中加入有限字長(zhǎng)效應(yīng)的因素。在本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程中主要存在以下三種有限字長(zhǎng)效應(yīng)的影響而造成誤差 : 31 / 48 (1)模數(shù) (A/D)轉(zhuǎn)換過程中的有限字長(zhǎng)效應(yīng)和數(shù)模 (D/A)轉(zhuǎn)換過程中的量化效應(yīng)。在信道中，因?yàn)楣饫w的色散、損耗和信道中的噪聲等因素，信號(hào)波形將發(fā)生畸變，功率隨傳輸距離的增加而衰減。 發(fā)射端由信源和發(fā)送設(shè)備組成。 (2)光傳輸鏈路 光傳輸鏈路部分主要指用來傳輸光信號(hào)的單模光纖和用于補(bǔ)償鏈路損耗的摻 餌光纖放大器 (EDFA)。 20Gb/s 高速 COOFDM 通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 本論文中，采用了相干光檢測(cè)、數(shù)字信號(hào)處理電路實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)方案。由上一節(jié)的 OFDM 調(diào)制解調(diào)技術(shù)的基本原理可知，發(fā)射機(jī)端主要包括 IFFT 變換、光信號(hào)的產(chǎn)生與調(diào)制等，接收機(jī)端主要包括光信號(hào)的接收、信號(hào)的同步、 FFT 變換等部分。 27 / 48 第三章高速 COOFDM 通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真分析 隨著數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展，特別是與計(jì)算機(jī)技術(shù)的融合，通信系統(tǒng)和信號(hào)處理技術(shù)變得越來越復(fù)雜。 由上面的分析可知， 10Gbit/s~20Gbit/s 的 OOFDM 光纖通信系統(tǒng)在現(xiàn)有條件下完全可以實(shí)現(xiàn)，但其成本相對(duì)較高，且通信系統(tǒng)的性能還有待驗(yàn)證，目前為止，和其他的高速光纖通