【文章內(nèi)容簡介】 響。將OFDM 技術(shù)引入到光通信中，使高速的數(shù)據(jù)信號能夠在大色散信道中遠(yuǎn)距離傳輸?shù)募夹g(shù)，即光正交頻分復(fù)用技術(shù) (OOFDM ) 。 OFDM 通信系統(tǒng)系統(tǒng)有如下優(yōu)點 : (1)頻譜效率高。當(dāng)采用傳輸?shù)淖虞d波個數(shù)較多時，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。 (2)運算效率高。 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展性能以及高速并行處理能力。 (3)設(shè)計的靈活性。由于 OFDM 系統(tǒng)的調(diào)制依賴于子載波和子帶信號，因此在系統(tǒng)設(shè)計、器件選擇和系統(tǒng)的擴展方面具有很高的靈活性。 (4)信道和相位估計比較容易。 OFDM 通信系統(tǒng)通過訓(xùn)練符號或訓(xùn)練子載波來幫助進行信道和相位估計。 14 / 48 基于以上這些優(yōu)點， OOFDM 技術(shù)迅速發(fā)展起來。 2020 年， Dixon 首先提到用多模光纖傳輸 OFDM 信號 。2020 年起， OOFDM 光纖通信系統(tǒng)開始進行相關(guān)的仿真驗證和實驗室實驗，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，進行了 10Gb/s 的。 OFDM 系統(tǒng)的仿真、實驗室實驗。實驗采用了 DQPSK 調(diào)制，完成了傳輸速率為 10Gb/s 的多模光纖傳輸，傳輸距離為 1000米，誤碼率在 1x10一以下 [[3]。在隨后的時間里， OOFDM系統(tǒng)開始朝著實驗室實驗的方向發(fā)展。在這一研究領(lǐng)域，以 Bell Laboratories,AlcatelLucent, The University of Melbourne, KDDI Ramp。D Laboratories Inc, NECLaboratories America Inc 和 NTT Network Innovation Laboratories 等科研機構(gòu)和大學(xué)為代表的學(xué)者和科研人員對 OOFDM 通信系統(tǒng)的實現(xiàn)進行了不懈的研究，為今后 OOFDM 光纖通信系統(tǒng)的實用化做出了巨大的貢獻(xiàn) [4]。 OOFDM 光纖通信系統(tǒng)作為新興的光纖通信系統(tǒng)的研究領(lǐng)域之一，雖然還沒有體現(xiàn)出其巨大的優(yōu)勢，但該方向的研究一直是光纖通信領(lǐng)域的研究熱點之一。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)的實用化還有很長的一段路要走。 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)進行了簡要的說明。光正交頻分復(fù)用技術(shù)是在最近 10 年里才發(fā)展起來的一個光纖通信系統(tǒng)新領(lǐng)域，由于 OFDM 調(diào)制技術(shù)對于改善光纖通信系統(tǒng)的光纖信道的一些固有缺點有很大的抑制作用，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。在下面的文章里，將要對 OOFDM 光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展做一些簡單的介紹。 15 / 48 第二章 OOFDM 通信系統(tǒng)原理及研究現(xiàn)狀簡介 本章將對 OOFDM 通信系統(tǒng)的一些基本原理做簡單介紹，如光纖通信系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)以及各部分的工作原理等 。與此同時，還將對 OFDM 調(diào)制技術(shù)的基本原理進行詳細(xì)的介紹，以便于后續(xù)章節(jié)的展開 。最后，本章介紹了現(xiàn)階段OOFDM 通信系統(tǒng)實驗室仿真實驗、實驗室實現(xiàn)現(xiàn)狀，并對 OOFDM 通信系統(tǒng)的限制因素進行了簡單分析。 本章還對 OOFDM 光纖通信系統(tǒng)的進行了總結(jié)，并分析了 OOFDM 光纖通信系統(tǒng)的優(yōu)劣勢，使得讀者對 OOFDM 光纖通信系統(tǒng)有著較為深刻的認(rèn)識 。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。 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)。與普通電信號通信系統(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)和光信號處理器件，如 16 / 48 光纖連接器、光開關(guān)、光纖放大器。在發(fā)射端和接收端均包括電端機和光端機兩部分，電端機主要對信息進行一些電信號的處理和加工，光端機主要完成光載波信號的發(fā)送和接收。 在發(fā)射端，包括電端機和光端機，其中光端機是核心。用戶信息首先通過電端機的處理，變?yōu)檫m合在光纖通信系統(tǒng)中傳輸?shù)碾娦盘?，然后再送入光端機，將電信息信號轉(zhuǎn)換為光信息信號。最后，通過一些光禍合器件將光信號送入光纖信道中進行傳輸。 光纖信道的傳輸介質(zhì)是光纖，即通過光纖將發(fā)射端和接收端連接起來。由于光纖很細(xì)，和人的頭發(fā)絲差不多，為了保護脆弱的光纖，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。 接收端也是由光端機和電端機組成。光端機主 要包括光檢測器、光放大器、均衡器、判決器、自動增益控制電路和時鐘電路。其中光檢測器是光端機的核心，而其主要功能是將光纖信道中的承載有信息的光信號轉(zhuǎn)換為電信號。將光信號轉(zhuǎn)換為電信號后，電信號送入電端機進行處理，恢復(fù)出原始的信源信息供用戶使用。至此，光纖通信系統(tǒng)完成了信息的傳遞任務(wù)。 （ 2） 光纖通信系統(tǒng)的主要特性 光纖通信系統(tǒng)的主要優(yōu)點如下 : 一、帶寬資源豐富，傳輸容量大。由于光波波長短、頻率高，因此光載波信號具有豐富的帶寬資源 (長波段約有 50THZ)。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。 二、損耗低、中繼距離長，可用于長距離傳輸。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)長得多，非常適合用于長距離傳輸任務(wù)。 三、抗干擾能力強，保密性好。由于光信號受電磁波干擾很小，因此其抗干擾能力相較電信號通信系統(tǒng)要強很多。 四、體積小、重量輕，原材料資源豐富，可節(jié)省有色金屬的消耗。 光纖通信系統(tǒng)和傳統(tǒng)的電信號通信系統(tǒng)相比，雖然有很多的優(yōu)勢，但其也有缺點，主要缺點如下 : 17 / 48 一、抗拉強度低。我們知道光纖非常脆弱，因此其抗拉強度低，在實際應(yīng)用中很容易受到損壞。 二、光纖連接困難。在兩根光纖接口的連接時，需要專門的工具，而這些工具非常昂貴。 三、光纖怕水。由于光纖中存在一些特殊的化學(xué)物質(zhì)，因此很容易受到水的腐蝕與干擾。 四、分路、禍合不方便，彎曲半徑不能太小等缺點。 綜上所述，光纖通信系統(tǒng)有著傳統(tǒng)電信號通信系統(tǒng)所無法比擬的優(yōu)勢，但同時也存在一些缺點。在實際應(yīng)用中，我們要結(jié)合實際情況，選擇合適的通信系統(tǒng)來完成信息的傳遞。 (3)光纖通信系統(tǒng)性能指標(biāo) 誤碼性能 :所謂誤碼，就是經(jīng)光接收機的接收與判決再生之后，信源所傳遞信號中的某些碼字發(fā)生了錯誤。由于在光纖通信系統(tǒng)中，誤碼率隨時間而變化，用長時間內(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。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。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。其中，誤碼性能中，平均誤碼率是最重要的參數(shù)，它直接反映了該通信系統(tǒng)的通信性能的好壞。 抖動性能 :抖動是指數(shù)字脈沖信號的特定時間 (如 最佳判決時間 )相對于其理想時間的偏離。抖動會對傳輸質(zhì)量甚至整個系統(tǒng)的性能產(chǎn)生惡劣的影響，如使信號失真，使系統(tǒng)的誤碼率上升等。因此，抖動性能是光纖通信系統(tǒng)的一個很重要的性能指標(biāo)。 漂移性能 :數(shù)字脈沖的特定時刻相對于其理想時間位置長時間的偏移。引起漂移最普遍的原因是環(huán)境溫度的變化。 上述三個性能指標(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)，在進行光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計時，必須適當(dāng)?shù)目紤]上述各種指標(biāo)，從而設(shè)計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。 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)信號的傳輸距離。由于光纖色散的影響和無線信道中多徑效應(yīng)的影響有類似的效果，即色散使不同頻率成分的光波具有不同的傳播速度，而無線信道中的多徑效應(yīng)使 經(jīng)過不同路徑的信號成分到達(dá)接收端的時間不同，因此， OFDM 調(diào)制技術(shù)同樣可以用來克服光纖的色度色散和偏振模色散以及多模光纖的模間色散的影響。將OFDM 技術(shù)引入到光通信中，使高速的數(shù)據(jù)信號能夠在大色散信道中遠(yuǎn)距離傳輸?shù)募夹g(shù)，即光正交頻分復(fù)用技術(shù) (OOFDM ) 。 為了在光纖通信系統(tǒng)中進一步延長通信距離，提高通信傳輸質(zhì)量，可以利用無線電通信中使用的外差接收技術(shù)，即相干光通信系統(tǒng)。相干通信系統(tǒng)采用相干調(diào)制 (CO)，還保證了光域信號到射頻信號的變換為線性變換，滿足了 OFDM 系統(tǒng)的線 性要求，同時， OFDM 技術(shù)使線性系統(tǒng)計算效率高、信道簡單并可進行相位估值。因此，將相干探測與 OFDM 技術(shù)相結(jié)合，即 COOFDM 技術(shù)，在下一代 1 00Gbps 傳輸系統(tǒng)的研究中備受青睞。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 。 2)COOFDM 系統(tǒng)在傳輸過程中不需要色散補償，在接收端無需色散處理機制。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，同時也能適應(yīng)動態(tài)變化的 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境 。 3)COOFDM 系統(tǒng)與原來的 WDM 系統(tǒng)有很好的兼容性，可充分利用 WDM 系統(tǒng)在原有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施方面的巨大投資，只需要在發(fā)射端和接收端進行適當(dāng)?shù)母脑旒茨軌蚝芎玫耐瓿缮墸哂泻軓姷男诺廊萘靠蓴U展性，擴容方便。 2. 1. 3 正交頻分復(fù)用 ((OFDM)的基本原理 正交頻分復(fù)用 (OFDM)是一種并行通信體制，也是一種多載波調(diào)制方式。它將高速率的數(shù)據(jù)流經(jīng)串并轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化為很多路低速并行的數(shù)據(jù)流，然后將這些并行數(shù)據(jù)流加載到對應(yīng)的載波上進行調(diào)制，并把這些載波疊加到一起組成傳送信號送到信道中進行 傳輸，因此，這種系統(tǒng)也稱為多載波傳輸系統(tǒng)。這種多載波傳輸 19 / 48 系統(tǒng)的基本模型框圖如下 : 如圖 22 所示，在發(fā)送端，高速串行數(shù)據(jù) d, dZ...dN 經(jīng)串并轉(zhuǎn)換后，變?yōu)?N路并行的低速數(shù)據(jù)流，隨后將并行數(shù)據(jù)流分配給 N 個子載波信道進行傳輸。經(jīng)信道傳輸后，接收端對子載波解調(diào)后恢復(fù)出并行數(shù)據(jù)流 D 1 , DZ...DN，最后將這些并行數(shù)據(jù)流并串轉(zhuǎn)換得到所要傳遞的串行數(shù)據(jù)信息。 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)進行采樣，采樣時間間隔為 T，則有 : 假設(shè)一個 OFDM 符號周期界內(nèi)含有 N 個采樣值，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，只是差了一個常數(shù)因子倍數(shù)。因此，在 OFDM 調(diào)制的實現(xiàn)過程中，我們可以先對并行數(shù)據(jù)流進行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。因此，可以先對并行數(shù)據(jù)流進行IDFT 變換，然后再進行數(shù)模轉(zhuǎn)換得到所要傳輸?shù)哪M信 5 S(t)。對于 IDFT 運算的 20 / 48 實現(xiàn)，多采用快速離散傅里葉變換 (IFFT)來實現(xiàn)。因此，可以將 OFDM 系統(tǒng)改為如圖 23 所示的結(jié)構(gòu) : 在 OFDM 系統(tǒng)中，符號周期、載波頻率間距、以及子載波個數(shù)可根據(jù)具體應(yīng)用環(huán)境來進行選擇。根據(jù)通信系統(tǒng)的相關(guān)知識可知，符號周期的長短影響載波間距以及編碼調(diào)制的延遲時間。若采用固定的數(shù)字調(diào)制，則符號周期越長，系統(tǒng)的抗干擾能力越強，但是所需的載波數(shù)量和 IFFTFFT 運算的規(guī)模也越大。 OFDM 通信系統(tǒng)最先應(yīng)用于無線通信領(lǐng)域，由于無線通信中的傳輸載波為電信號，因此整個 OFDM 通信系統(tǒng)可以直接在電域進行處理。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。 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)對高速碼流進行處理，得到電 OFDM 信號。在這一過程中，對需要傳輸?shù)母咚贁?shù)據(jù)碼流進行串并變換，將一路高速的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)化為多路并行速率相對較低的數(shù)據(jù)信C7，隨后對各這些并行的低速信 C7 進行 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)字信號處理模塊，進行 IFFT 變換 。IFFT 運算結(jié)束后，將運算所得結(jié)果作為信道傳輸 信號的采樣值，進行并