高速光纤通信系统中的ofdm调制解调技术的仿真与实现毕业论文(编辑修改稿)

高速光纤通信系统中的ofdm调制解调技术的仿真与实现毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

响。 将OFDM 技术引入到光通信中，使高速的数据信号能够在大色散信道中远距离传输的技术，即光正交频分复用技术 (OOFDM )。 OFDM 通信系统系统有如下优点 : (1)频谱效率高。 当采用传输的子载波个数较多时，并忽略循环前缀所造成的损失， OFDM 通信系统可以达到奈奎斯特采样定律所限制的传输极限频谱效率。 (2)运算效率高。 OFDM 调制采用了非常高效的快速傅里叶变换 (FFT)算法，因此它具有很好的扩展性能以及高速并行处理能力。 (3)设计的灵活性。 由于 OFDM 系统的调制依赖于子载波和子带信号，因此在系统设计、器件选择和系统的扩展方面具有很高的灵活性。 (4)信道和相位估计比较容易。 OFDM 通信系统通过训练符号或训练子载波来帮助进行信道和相位估计。 14 / 48 基于以上这些优点， OOFDM 技术迅速发展起来。 2020 年， Dixon 首先提到用多模光纤传输 OFDM 信号。 2020 年起， OOFDM 光纤通信系统开始进行相关的仿真验证和实验室实验，相关方面的研究开始起步，如 Nortel Network Limited的 Jolley 在 2020 年 OFC 会议上发表的论文，进行了 10Gb/s 的。 OFDM 系统的仿真、实验室实验。 实验采用了 DQPSK 调制，完成了传输速率为 10Gb/s 的多模光纤传输，传输距离为 1000米，误码率在 1x10一以下 [[3]。 在随后的时间里， OOFDM系统开始朝着实验室实验的方向发展。 在这一研究领域，以 Bell Laboratories,AlcatelLucent, The University of Melbourne, KDDI Ramp。 D Laboratories Inc, NECLaboratories America Inc 和 NTT Network Innovation Laboratories 等科研机构和大学为代表的学者和科研人员对 OOFDM 通信系统的实现进行了不懈的研究，为今后 OOFDM 光纤通信系统的实用化做出了巨大的贡献 [4]。 OOFDM 光纤通信系统作为新兴的光纤通信系统的研究领域之一，虽然还没有体现出其巨大的优势，但该方向的研究一直是光纤通信领域的研究热点之一。 对于 OOFDM 光纤通信系统的研究，前途是光明的，道路是曲折的， OOFDM 光纤通信系统的实用化还有很长的一段路要走。 本文主要介绍了光纤通信系统的发展现状，并对应用于该系统的 OFDM 调制技术进行了简要的说明。 光正交频分复用技术是在最近 10 年里才发展起来的一个光纤通信系统新领域，由于 OFDM 调制技术对于改善光纤通信系统的光纤信道的一些固有缺点有很大的抑制作用，因此该技术备受光纤通信领域的科学工作者的追捧。 在下面的文章里，将要对 OOFDM 光纤通信系统的发展做一些简单的介绍。 15 / 48 第二章 OOFDM 通信系统原理及研究现状简介 本章将对 OOFDM 通信系统的一些基本原理做简单介绍，如光纤通信系统的基本组成结构以及各部分的工作原理等。 与此同时，还将对 OFDM 调制技术的基本原理进行详细的介绍，以便于后续章节的展开。 最后，本章介绍了现阶段OOFDM 通信系统实验室仿真实验、实验室实现现状，并对 OOFDM 通信系统的限制因素进行了简单分析。 本章还对 OOFDM 光纤通信系统的进行了总结，并分析了 OOFDM 光纤通信系统的优劣势，使得读者对 OOFDM 光纤通信系统有着较为深刻的认识。 本章是本论文的理论基础，有助于读者对论文一些关键技术的理解。 基本原理 光纤通信系统简介 (1)光纤通信系统的基本结构 光纤通信系统是以光纤为传输媒介，光信号为信息传播载体的通信系统。 与普通电信号通信系统类似，它主要包括发射端、传输信道和接收端三部分，其基本结构原理图如图 21 所示 : 除了图中的各主要部分外，系统中还包括了一些互联和光信号处理器件，如 16 / 48 光纤连接器、光开关、光纤放大器。 在发射端和接收端均包括电端机和光端机两部分，电端机主要对信息进行一些电信号的处理和加工，光端机主要完成光载波信号的发送和接收。 在发射端，包括电端机和光端机，其中光端机是核心。 用户信息首先通过电端机的处理，变为适合在光纤通信系统中传输的电信号，然后再送入光端机，将电信息信号转换为光信息信号。 最后，通过一些光祸合器件将光信号送入光纤信道中进行传输。 光纤信道的传输介质是光纤，即通过光纤将发射端和接收端连接起来。 由于光纤很细，和人的头发丝差不多，为了保护脆弱的光纤，通常将光纤封装在特定的结构中，并在光纤外包上保护膜以减少光信号的损失和相互间的干扰，这就是我们生活所常见的光纤光缆。 接收端也是由光端机和电端机组成。 光端机主 要包括光检测器、光放大器、均衡器、判决器、自动增益控制电路和时钟电路。 其中光检测器是光端机的核心，而其主要功能是将光纤信道中的承载有信息的光信号转换为电信号。 将光信号转换为电信号后，电信号送入电端机进行处理，恢复出原始的信源信息供用户使用。 至此，光纤通信系统完成了信息的传递任务。 （ 2） 光纤通信系统的主要特性 光纤通信系统的主要优点如下 : 一、带宽资源丰富，传输容量大。 由于光波波长短、频率高，因此光载波信号具有丰富的带宽资源 (长波段约有 50THZ)。 由于其丰富的带宽资源，光纤通信系统有着很大 的通信容量。 二、损耗低、中继距离长，可用于长距离传输。 由于光纤信道的低损耗特性，光纤通信系统中的中继距离也较其他介质构成的系统长得多，非常适合用于长距离传输任务。 三、抗干扰能力强，保密性好。 由于光信号受电磁波干扰很小，因此其抗干扰能力相较电信号通信系统要强很多。 四、体积小、重量轻，原材料资源丰富，可节省有色金属的消耗。 光纤通信系统和传统的电信号通信系统相比，虽然有很多的优势，但其也有缺点，主要缺点如下 : 17 / 48 一、抗拉强度低。 我们知道光纤非常脆弱，因此其抗拉强度低，在实际应用中很容易受到损坏。 二、光纤连接困难。 在两根光纤接口的连接时，需要专门的工具，而这些工具非常昂贵。 三、光纤怕水。 由于光纤中存在一些特殊的化学物质，因此很容易受到水的腐蚀与干扰。 四、分路、祸合不方便，弯曲半径不能太小等缺点。 综上所述，光纤通信系统有着传统电信号通信系统所无法比拟的优势，但同时也存在一些缺点。 在实际应用中，我们要结合实际情况，选择合适的通信系统来完成信息的传递。 (3)光纤通信系统性能指标 误码性能 :所谓误码，就是经光接收机的接收与判决再生之后，信源所传递信号中的某些码字发生了错误。 由于在光纤通信系统中，误码率随时间而变化，用长时间内的平均误码率来衡量系统性能的优劣显然不够准确。 为了更为准确的反应光纤通信系统的误码性能，在平均误码率之外定义了三种反应短期度量误码的参数 :劣化分、误码秒和严重误码秒。 除了这些参数，还有其他与误码率相关的参数，在此不再详述。 其中，误码性能中，平均误码率是最重要的参数，它直接反映了该通信系统的通信性能的好坏。 抖动性能 :抖动是指数字脉冲信号的特定时间 (如 最佳判决时间 )相对于其理想时间的偏离。 抖动会对传输质量甚至整个系统的性能产生恶劣的影响，如使信号失真，使系统的误码率上升等。 因此，抖动性能是光纤通信系统的一个很重要的性能指标。 漂移性能 :数字脉冲的特定时刻相对于其理想时间位置长时间的偏移。 引起漂移最普遍的原因是环境温度的变化。 上述三个性能指标是衡量现在光纤通信系统的性能优劣的一些主要指标，在进行光纤通信系统的设计时，必须适当的考虑上述各种指标，从而设计出满足要求的光纤通信系统 [5] 0OFDM 通信系统简介 正交频分复用 (OFDM)技术是随着数字信号处理技术的成熟而逐渐发展起来 18 / 48 的一种数字多载波调制技术，目前主要应用在无线通信系统中，它将高速的数据信号分成多路低速数据信号，并调制的一组正交子载波上进行并行传输，可以有效地抵抗无线信道多径衰落并提高系统频谱利用率。 在光纤通信系统中，光纤的色度色散和偏振模色散严重限制了高速数据信号的传输距离。 由于光纤色散的影响和无线信道中多径效应的影响有类似的效果，即色散使不同频率成分的光波具有不同的传播速度，而无线信道中的多径效应使 经过不同路径的信号成分到达接收端的时间不同，因此， OFDM 调制技术同样可以用来克服光纤的色度色散和偏振模色散以及多模光纤的模间色散的影响。 将OFDM 技术引入到光通信中，使高速的数据信号能够在大色散信道中远距离传输的技术，即光正交频分复用技术 (OOFDM )。 为了在光纤通信系统中进一步延长通信距离，提高通信传输质量，可以利用无线电通信中使用的外差接收技术，即相干光通信系统。 相干通信系统采用相干调制 (CO)，还保证了光域信号到射频信号的变换为线性变换，满足了 OFDM 系统的线 性要求，同时， 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。 因此，将相干探测与 OFDM 技术相结合，即 COOFDM 技术，在下一代 1 00Gbps 传输系统的研究中备受青睐。 除此之外， COOFDM 还具有 WDM,OTDM、工 OOFDM 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)COOFDM 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)COOFDM 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。 2. 1. 3 正交频分复用 ((OFDM)的基本原理 正交频分复用 (OFDM)是一种并行通信体制，也是一种多载波调制方式。 它将高速率的数据流经串并转换，转化为很多路低速并行的数据流，然后将这些并行数据流加载到对应的载波上进行调制，并把这些载波叠加到一起组成传送信号送到信道中进行 传输，因此，这种系统也称为多载波传输系统。 这种多载波传输 19 / 48 系统的基本模型框图如下 : 如图 22 所示，在发送端，高速串行数据 d, dZ...dN 经串并转换后，变为 N路并行的低速数据流，随后将并行数据流分配给 N 个子载波信道进行传输。 经信道传输后，接收端对子载波解调后恢复出并行数据流 D 1 , DZ...DN，最后将这些并行数据流并串转换得到所要传递的串行数据信息。 对 于 上 图 中 送 入 信 道 的 信 号 S(t) 可 以 用 复 数 表 示 为 下式 : 若对 S(t)进行采样，采样时间间隔为 T，则有 : 假设一个 OFDM 符号周期界内含有 N 个采样值，即 在此，令载波频率间隔 ，由（ 2），（ 3）式可得 : 由上式可以发现，这与数字信号处理中的 IDFT 变换相同，只是差了一个常数因子倍数。 因此，在 OFDM 调制的实现过程中，我们可以先对并行数据流进行IDFT 变换，然后再将变换后的并行数据转换为串行数据，这些串行数据便是OFDM 系统基本模型框图中的 S(t)的采样数值。 因此，可以先对并行数据流进行IDFT 变换，然后再进行数模转换得到所要传输的模拟信 5 S(t)。 对于 IDFT 运算的 20 / 48 实现，多采用快速离散傅里叶变换 (IFFT)来实现。 因此，可以将 OFDM 系统改为如图 23 所示的结构 : 在 OFDM 系统中，符号周期、载波频率间距、以及子载波个数可根据具体应用环境来进行选择。 根据通信系统的相关知识可知，符号周期的长短影响载波间距以及编码调制的延迟时间。 若采用固定的数字调制，则符号周期越长，系统的抗干扰能力越强，但是所需的载波数量和 IFFTFFT 运算的规模也越大。 OFDM 通信系统最先应用于无线通信领域，由于无线通信中的传输载波为电信号，因此整个 OFDM 通信系统可以直接在电域进行处理。 但在 OOFDM 光纤通信系统中，传输载波为光信号，需要在发射端将电信号调制到光波上，在光纤中传输，在接收端再将光信号转换为电信号。 如原理框图所示，在 OFDM 系统的发射端，利用成熟的数字信号处理技术对高速码流进行处理，得到电 OFDM 信号。 在这一过程中，对需要传输的高速数据码流进行串并变换，将一路高速的数据流转化为多路并行速率相对较低的数据信C7，随后对各这些并行的低速信 C7 进行 QPSK、 16QAM 等格式的数字调制，经数字调制后，送入数字信号处理模块，进行 IFFT 变换。 IFFT 运算结束后，将运算所得结果作为信道传输 信号的采样值，进行并。