【導讀】師的指導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加。而使用過的材料。均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文。不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。同意學校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學可以將本學位。印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。涉密論文按學校規(guī)定處理。文科類論文正文字數(shù)不少于萬字。合國家技術(shù)標準規(guī)范。論文在給出了高速0-OFDM通信系統(tǒng)的設(shè)計方案的。OFDM調(diào)制解調(diào)就是輸入數(shù)據(jù)信號的快速傅里葉(逆)變換運算。塊進行了功能和時序仿真驗證。該OFDM調(diào)制解調(diào)模塊運算效率很高，可達到最。O-OFDM光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率。波傳輸個數(shù)等，并對這些方案進行了簡單的介紹。

　　

【正文】 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，并對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)進行了簡單的介紹。在上述理論基礎(chǔ)上，本論文所對 OOFDM 系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀以及發(fā)展瓶頸進行了詳細的介紹。 通過本章對 OOFDM 光纖通信系統(tǒng)的介紹，有助于讀者對本文的理解。本章亦是全文的理論基礎(chǔ)，通過本章，可以使讀者對本文的理論指導有一個簡單的認識，為后續(xù)章節(jié)做鋪墊。 27 / 48 第三章高速 COOFDM 通信系統(tǒng)設(shè)計與仿真分析 隨著數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展，特別是與計算機技術(shù)的融合，通信系統(tǒng)和信號處理技術(shù)變得越來越復雜。設(shè)計的復雜化和自動化迫使設(shè)計人員投入更多的時間和精力對設(shè)計進行系統(tǒng)性能分析和評估，并對系統(tǒng)設(shè)計問題進行研究 。借助于強大的計算機自動化輔助軟件，可以很好的幫助設(shè)計人員將理論成果高效且低成本的轉(zhuǎn)換為實際產(chǎn)品。 在本章，給出了傳輸速率為 20Gb/S 的 COOFDM 通信系統(tǒng)的設(shè)計方案，在此基礎(chǔ)上，借助于 MATLAB 軟件對高速 COOFDM 光纖通信系統(tǒng)進行建模、分析和仿真評估。首先對該高速光纖通信系統(tǒng)進行數(shù)學建模，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，并對傳輸過程中的誤碼率、信噪比等關(guān)鍵參數(shù)進行仿真分析 。然后在上述模型中加入該系統(tǒng)在硬件實現(xiàn)過程中的一些影響因素 (如有限字長效應(yīng)、偏振模色散效應(yīng)等 )，使系統(tǒng)模型更加有效，并分析這些因素對系統(tǒng)性能的影響，從而幫助制定最佳的硬件實現(xiàn)方案 。最后，在接收機端加入同步模塊，并分析同步模塊對整個 COOFDM 光纖通信系統(tǒng)性能的影響。 高速 COOFDM 通信系統(tǒng)的設(shè)計方案 0OFDM 通信系統(tǒng)分類 OOFDM 光纖通信系統(tǒng)應(yīng) 用了 OFDM 調(diào)制解調(diào)技術(shù)，與無線通信領(lǐng)域的OFDM 系統(tǒng)有很多相同的功能部分。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)射機端主要包括 IFFT 變換、光信號的產(chǎn)生與調(diào)制等，接收機端主要包括光信號的接收、信號的同步、 FFT 變換等部分。 根據(jù)接收機端光信號的接收方式的不同，可以把 OOFDM 光纖通信系統(tǒng)劃分為兩類 :直接檢測光正交頻分復用系統(tǒng) (DDOOFDM)和相干光檢測光正交頻分復用系統(tǒng) (COOFDM) o DDOOFDM 相對來說調(diào)制和檢測過程比較簡單，因此實現(xiàn)起 28 / 48 來相對容易。 COOFDM 調(diào)制和檢測過程比較復雜，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。 按照 OOFDM 的實現(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現(xiàn)和光路實現(xiàn)兩種方式。前者將 OOFDM 的數(shù)字信號處理的核心部分 (IFFTFFT)通過電信號的一些 DSP 處理芯片來實現(xiàn)，但由于電信號的 DSP 元器件的速度上的限制，當速度達到 40Gbit 或者更高的速度時，電信號的數(shù)字處理部分將成為限制整個 OOFDM 系統(tǒng)的通信容量的瓶頸因素。相對于前者，數(shù)字信號處理部分的光路實現(xiàn)可以突破速 度上的瓶頸限制，但隨之而來的又是其他一些嚴重問題。由于現(xiàn)階段集成光學處于起步階段，因此數(shù)字信號處理部分的光路實現(xiàn)存在結(jié)構(gòu)復雜，光器件的性能偏差，整個系統(tǒng)實現(xiàn)成本較大且技術(shù)不成熟，這些因素都限制了這一方向的發(fā)展。 考慮到現(xiàn)階段實驗室中的 OOFDM 光纖通信系統(tǒng)實現(xiàn)的可能性以及系統(tǒng)的性能，本文采用了數(shù)字信號處理的電信號域?qū)崿F(xiàn)的相干光檢測光正交頻分復用系統(tǒng) (COOFDM)設(shè)計方案。 20Gb/s 高速 COOFDM 通信系統(tǒng)設(shè)計方案 本論文中，采用了相干光檢測、數(shù)字信號處理電路實現(xiàn)的設(shè)計方案。 20Gb/s高速 COOFDM 光纖通信系統(tǒng)的基本組成框圖如下 : 由圖 31 可知，整個 COOFDM 系統(tǒng)的發(fā)射機端包括了數(shù)字信號處理模塊(DSP)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、光信號的產(chǎn)生與調(diào)制模塊，接收機端包括了光信號的接收 29 / 48 與解調(diào)模塊、定時同步、數(shù)字信號處理模塊。下面將要對各模塊的具體構(gòu)成和功 能進行詳細的介紹 [25] (1)發(fā)射機端 數(shù)字信 C7 處理模塊 :首先將信源產(chǎn)生的 2}Gb}S 的高速比特流進行 16QAM 調(diào)制，生成 5 GHZ的 QAM符 C7。然后將 QAM符 C7進行 64點 IFFT 變換生成 的 OFDM 符號 。最后在 OFDM 符號中插入循環(huán)前綴生成 的符號。整個模塊的功能將在一塊 FPGA 芯片上實現(xiàn) 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 :將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。 光信號的產(chǎn)生與調(diào)制模塊 :主要包括光信號的產(chǎn)生 (即激光器 )、光信號的調(diào)制(激光調(diào)制器 )和其他的一些復用器件。在這一模塊，將完成電信號到光信號的轉(zhuǎn)變，并把信息加載到光載波信號中。 (2)光傳輸鏈路 光傳輸鏈路部分主要指用來傳輸光信號的單模光纖和用于補償鏈路損耗的摻 餌光纖放大器 (EDFA)。 (3)接收機端 光信號的的接收與解調(diào)模塊 :接收光傳輸鏈路中的光信號，采用光相干檢測，使用兩對平衡接收機進行零差檢測，將光 OFDM 信號還原為電 OFDM 信號，完成光電轉(zhuǎn)換。 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊 :對光信號轉(zhuǎn)換而來模擬電信號進行濾波采樣，得到電信號域的 OFDM 數(shù)字信號。 定時同步模塊 :利用定時同步算法進行 OFDM 符號同步，并進行頻偏補償、相位估計和信道估計等運算，從而提高整個系統(tǒng)的性能。 數(shù)字信號處理模塊 :與發(fā)射機端的相類似，將提取出來的 OFDM 符號進行 64點 FFT 運算，得到 QAM 符 C7，然后再進行 QAM 解調(diào)，得到所要傳輸?shù)脑急忍亓餍畔ⅰ? 根據(jù)現(xiàn)階段芯片的發(fā)展現(xiàn)狀， COOFDM 高速光纖通信系統(tǒng)實現(xiàn)過程中，電信號域的數(shù)字信號處理部分是最為復雜部分，也是制約整個系統(tǒng)速度的瓶頸因素。而在數(shù)字信號處理部分， IFFTFFT 運算最為復雜，因此 IFFTFFT 運算的實現(xiàn) 30 / 48 是 COOFDM 高速光纖通信系統(tǒng)的核心部分之一。 COOFDM 通信系統(tǒng)實現(xiàn)關(guān)鍵因素的建模與仿真 3. 2. 1 高速 COOFDM 通信系統(tǒng)的基本模型設(shè)計 通信系統(tǒng)一般由發(fā)射 端、接收端以及其間的物理信道組成，高速 COOFDM通信系統(tǒng)也不例外。 發(fā)射端由信源和發(fā)送設(shè)備組成。信源是信息的產(chǎn)生地，在本模型中信源是高速隨機比特流。發(fā)送設(shè)備負責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。發(fā)送設(shè)備首先對信源的高速比特流進行16QAM 調(diào)制 。然后再將得到的 QAM 符號進行 OFDM 調(diào)制 (即 IFFT 變換 )。完成上述數(shù)字信號處理后再插入循環(huán)前綴 (CP)并送入數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號 。電信號域的處理完成后，通過激光調(diào)制器將電信號轉(zhuǎn)換為光信號進行傳輸。 物理信道是信號傳輸?shù)耐罚驹O(shè)計中，物理信道即光纖信道。在信道中，因為光纖的色散、損耗和信道中的噪聲等因素，信號波形將發(fā)生畸變，功率隨傳輸距離的增加而衰減。在本模型中，由于采用了 OFDM 調(diào)制方式，噪聲因素為主要因素，考慮到設(shè)計的簡便性，信道中只加入了加性高斯白噪聲，忽略了色散等其他因素。 接收端的功能與發(fā)射端剛好相反，負責從接收到的信號中提取出信源信息。接收端雖然與發(fā)射端功能相反，但卻更為復雜。接收到信號后要進行一些預處理(如定時同步、信道估計等 )，才能進行發(fā)射端的逆處理。完成逆處理后，將恢復出比特 流信號與信源比特流信號進行比較，統(tǒng)計出誤碼率。 3. 2. 2 COOFDM 通信系有限字長效應(yīng)的仿真 在上一節(jié)中，高斯白噪聲背景下的 COOFDM 光纖通信系統(tǒng)的誤碼率仿真過程中，所有的數(shù)字信號處理運算都是 MATLAB 程序默認的高精度運算。但在現(xiàn)實的通信系統(tǒng)中，其數(shù)字信號處理的有關(guān)參數(shù)以及運算過程中的結(jié)果都是存儲在有限的存儲單元中。在本系統(tǒng)的實現(xiàn)過程中主要存在以下三種有限字長效應(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效應(yīng)和數(shù)模 (D/A)轉(zhuǎn)換過程中的量化效應(yīng)。 (2)數(shù)字 信號處理運算過程中的一些固定參數(shù) (如旋轉(zhuǎn)因子 )用有限位二進制數(shù)表示時產(chǎn)生的量化效應(yīng) 。 (3)在數(shù)字運算過程中，為限制位數(shù)而進行的尾數(shù)處理以及防止溢出而壓縮信號電平的有限字長效應(yīng)，如在實現(xiàn)過程中的一些乘法運算的輸出結(jié)果必須進行量化處理 [2627]。 上述三種誤差都是通信系統(tǒng)在實現(xiàn)過程中必然面臨的誤差生產(chǎn)問題。對于有限字長效應(yīng)所造成的誤差，運算過程中采用的字長越大，則誤差越小，而在增加字長的同時帶來的卻是隨之劇增的硬件資源消耗和成本。因此，在盡量降低有限字長效應(yīng)所帶來的誤差的同時，必需綜合考慮整個系統(tǒng) 實現(xiàn)時的成本以及復雜度，達到系統(tǒng)性能和成本的平衡。 20Gb/s 的高速 COOFDM 光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計過程中，首先要通過計算機軟件仿真的輔助，制定出最優(yōu)的設(shè)計方案。本節(jié)將討論 COOFDM 光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計過程中的有限字長效應(yīng)所造成的誤差，在誤差允許的范圍內(nèi)，選擇最短的字長，最大程度的降低實現(xiàn)成本。 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)字信號的處理過程中加入有限字長效應(yīng)的因素。在運算過程中，我們分別選取 6bit, 8 bit 為量化字長，并 將這兩種字長處理下的信號在高斯白噪聲信道中進行傳輸。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行比較。 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，當誤碼率 BER= 10 一時， 6bit 量化所造成的量化誤差大概為 dB, 8bit 量化所造成的量化誤差大概為 。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現(xiàn)時的量化位寬。 3. 2. 3 COOFDM 通信系統(tǒng)定時同步仿真 COOFDM 光纖通信系統(tǒng)的定時同步可以進一步分為 OFDM 塊的定時同步和抽樣時鐘定時同步，本設(shè)計的仿真過程中只考慮了 OFDM 塊的定時同步。 33 / 48 對于 OFDM 系統(tǒng)接收端，在接受量化后，所需做的第一件事就是要做定時同步，從而確定 OFDM 幀的 CP 及 OFDM 符號的起始和結(jié)束，這一過程 就是 OFDM塊的定時同步。 OFDM 塊的定時同步有多種算法，而在 OFDM 通信系統(tǒng)中最常使用的是基于 CP 的定時同步算法，下面將對基于 CP 的 OFDM 塊定時同步算法進行簡單討論 。 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 OFDM數(shù)據(jù)幀包括一個 OFDM 符號和一個 CP，黑色部分為 CP，數(shù)據(jù)長度為 I,相鄰的兩個黑色部分所夾部分為一個 OFDM符號 (其中斜線部分是和 CP完全相同的 OFDM符號的后 I 個數(shù)據(jù) )，數(shù)據(jù)長度為 No 接收端定時同步的任務(wù)就是要確定 OFDM 數(shù)據(jù)幀的幀頭。如圖 34 所示，取數(shù)據(jù)長度為為 2N+I 的片段。在這個數(shù)據(jù)段上，取兩個長度為 I 的窗口 w1, w2,他們相隔數(shù)據(jù)為 N。則我們可以計算出兩個窗口數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù) P，然后由數(shù)據(jù) d開始，由左向右將兩個窗口移動，可得到兩個窗口的相關(guān)系數(shù)數(shù)據(jù)組。在這個過程中，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，當移動到和黑色部分重合時，隨著與黑色部分重合的增多而逐漸增大，當窗口與黑色 CP 部分完全重合時，即移動到 d39。時， P 最大。再向右移，則隨著黑色部分逐漸減少， P 越來越小。由此我們可以根據(jù) P 的數(shù)據(jù)最大值來確定 OFDM 幀的幀頭的位置 [2830]。 由于信道噪聲的存在，這樣的幀定時同步存在一定的誤差。上面的方法為基于 CP 的單符號定時同步，為了降低誤差，可以采用基于 CP 的多符號定時同步。方法與單符號類似，只是需要取連續(xù)的多個 OFDM 符號的滑動窗求他們的聯(lián)合相關(guān)系數(shù)，則數(shù)據(jù)越多，誤差越小。我們可以選擇合適的 OFDM 幀數(shù)，將定時同步誤差控制在我們的容忍范圍之內(nèi)。下面將分別對 1, 2, 3, 4 個符號定時同步時的誤幀率進行仿真。 34 / 48 如圖 34 所示，圓形曲線為 OFDM 系統(tǒng)的高斯白噪聲背景下誤碼率曲線，叉形曲線 為高斯白噪聲背景下 (不考慮量化噪聲 )一個 OFDM符號定時同步誤幀率曲線，菱形曲線為兩個 OFDM符號定時同步誤幀率曲線，右三角形曲線為三個 OFDM符號定時同步誤幀率曲線，下三角形曲線為三個 OFDM 符號定