基于co-ofdm的单模光纤通信系统的研究-硕士论文

基于co-ofdm的单模光纤通信系统的研究-硕士论文内容摘要：

相等的时隙组成的一帧，如此 继续 循环下去，就使得许多相同的帧传输下去，这一过程 即为 复用过程 ， 事实上就是一个并行转换成串行的过程。 在第一章 绪论 3 传输过程中由于 各种 损耗需要加 EDFA 以补充损失的功率。 帧信息流到达接收端后经过与复用过程相反 的 解复用过程是一个将串行转换成并行的过程 ，即将 不同的时隙分配给指定的用户， 在光时分复用 传输 的整个 过程中 ， 需要保持时钟同步使发送端和接收端的时隙准确 的 一一对应。 与 WDM 系统不同的是， 在 OTDM 系统 中，采用单一光波长传输，它的关键技术包括： 高重复率超短光脉冲源； 超短光脉冲传输技术； 时钟提取技术； 光时分解复用技术； 全光中继再生技术 等等。 P u l s e S o u r c e M o d u l a t o r 3 M o d u l a t o r 1 M o d u l a t o r 2 M o d u l a t o r 4 E D F A M U X D E M U X C l o c k E x t r a c t i o n R e c e i v e r 1 R e c e i v e r 2 R e c e i v e r 3 R e c e i v e r 4 图 OTDM 原理图 The schematic diagram of OTDM 时分复用分为电时分复用（ ETDM）和光时分复用（ OTDM）。 目前， ETDM 的应用最为广泛，单通道传输速率已经得到了很大的提高 [1114]，已由 80 年代的 45Mb/s 迅速增加到。 但是，由于 ETDM 复用和解复用 都 在电域内进行 ，受到半导体微电子技术瓶颈的影响，纯粹单一的 ETDM 复用方式发展潜力已经不大了。 而光的 OTDM 的复用和解复用都是在光域内完成 ，从而克服了半导体微电子技术瓶颈，因而备受关注。 从目前的研究情况看， OTDM 的发展方向分为四个方面：一个方向就是“ ETDM+ OTDM”相结合的方式， 不仅 可以 用来提高光纤的传输容量， 还可以 作为网络技术用来组建 “ 全光网 ”，而且 应用前景更 为 广泛。 近几年来的 160Gb/s（ 4 40 Gb/s）的相关实验报道也逐渐增多 [1519]。 第二 个发展方向是研究更高速率的系统， 日本的 NTT 一直 从事该方向 的 研究 工作，其 OTDM 实验系统的最高速率从 100 Gbit/s、 200 Gbit/s、 400 Gbit/s甚至 到 640 Gbit/s[2023]而且公司于 1998 年就实现传输速率为 640 Gbit/s 的传送距离达到60km 实验系统 [24]。 第 三 个发展方向是 OTDM 实用化技术和比特间插的 OTDM 网络技术，欧洲一直从事 着 40 Gbit/s 的 OTDM 系统和网络方面的研究工作，其中 部分 关键器件 已经 接近实 用，如锁模半导体激光器和全光型分插复用器等，而且在 40 Gbit/s 的OTDM 信号的传输方面也进行了许多现场实验，取得了 一定的成果。 第 四 个方向是OTDM 全光分组网络， 同 电的分组交换网络一样，光的分组交换网络将是全光网络的一第一章 绪论 4 个发展方向，美国在这方面做了大量的研究 工作 ，英国电信目前也在进行这方面的研究。 光码分复用（ OCDM）通信 光码分复用 传输原理如图 所示 ，是指为每一个信道分配一个唯一的光正交码作为此信道的地址码，把要传输的信号用该地址码将其光编码，实现信道复用，接收时用与发送端相同的地址码进行相关接收 ，即可恢复原信号。 图 OCDM 原理图 The schematic diagram of OCDM 早在 20 世纪 80 年代中期， OCDM 技术就已经被提出来了，但是却一直被挡在了光通信研究领域主流的门外。 直到最近几年 OCDM 有了迅速的发展，并从 CDMA 和 WDM等领域吸收了很多技术。 由于 OCDM 将光纤的频谱分成不同的码，且它的扩容只需更多的相互正交的地址码就可以实现，不需对系统有很高的要求；而 WDM 将光纤的频谱划分成很多的窄波长，且它的扩容需要单信道速率更高，信道间隔越来越窄，整个频谱却越来越宽，所以将 OCDM 和 WDM 技术相结合，能取长补短。 因此， OCDM+WDM系统有可能成为将的大容量、高速率光通信网络的组网趋势之一 [25]。 同时，还有文献【 26,27】指出 OCDM 可用于光分组交换； 2020 年 ，文献【 28】 提出了 利用 OCDMA技术用于光分插复用 器（ OADM）中，并进行了演示实验，这都将推进 OCDM 技术进一步的发展。 但是， OCDM 还处于实验阶段，实用化要取得突破性的进展，还需解决一些关键问题：性能优良的光正交码集、实用化的系统方案、光器件技术以及如何支持宽带综合业务集成体制等。 光正交 频分复用（ OOFDM）通信 正交频分复用（ OFDM： orthogonal frequency division multiplexed）基本原理是利用数字信号处理进行逆傅立叶变换（ IFFT），产生一组正交的子载波用于低速率信号的并行传输，从而完成高速率信号的传输任务。 这一过程最突出的优点是提高了系统的频谱第一章 绪论 5 利用率，同时降低了计算的复杂性 [29]。 基于以上特点，正交频分复用（ OFDM）更适合在高色散的信道中传输， 可 有效解决无线信道中多径衰落和加性噪声等问题 ，因而被广泛应用于无线通信和有线通信中。 近年来，为了解 决光纤通信速率升级所遇到的障碍，在光通信领域的 OFDM 调制技术应用受到关注，即产生光正交频分复用通信。 2020 年 3 月，澳大利亚的 等人在 2020 年的 OFC 会议上首次提出将 OFDM 技术应用于光纤信道，并证明了 10Gb/s 信号能够在多模光纤中传输 1 km 的距离 [30]。 OOFDM 技术是将光纤频带分成许多相互正交的子频带，这些子频带作为传输信息的子信道，从而使色散容限增大。 应用 OOFDM技术既可以做到无色散补偿的高速光纤传输，同时又对光放大器的要求有所降低，从而大大地提升了其传输能力。 光正交频 分复用在国际上已经成为新型光调制技术的研究热点。 国外的主要研究小组有英国的 Bangor University、美国的 University of Arizona、日本的 KDDI 实验室、朗讯－贝尔实验室、澳大利亚的 University of Monash 等，这些研究组对 OOFDM 系统进行了深入的探索研究，包括 OOFDM 中的关键技术问题、非线性问题、性能评价、频谱效率等方面。 主要涉及 OOFDM 在长距离的单模光纤传输系统和短距离的多模光纤传输系统中应用，取得了不小的成果，主要进展如下： 2020 年 3 月， 等人仿真证明，采用 OOFDM 技术，可以使 32 10Gb/S的信号沿单模光纤传输 4000km 而不需要色散补偿 [31]。 2020 年 8 月， 等人仿真证明，采用 OFDM 技术，利用现有器件，可以实现 100Gb/s 的信号沿单模光纤传输 3480km[32]。 2020 年 3 月， 等人实验成功 40 10Gb/s 的信号沿单模光纤传输 1920km而无须色散补偿 [33]。 2020 年 9 月，朗讯 — 贝尔实验室的 Xiang Liu 等人对 112Gb/sPDMOFDM 传输系统进行了仿真， 同时对系统的非线性容忍性进行了分析 [34]。 总的说来，对于 OOFDM 的研究， 2020 年之前，主要停留在理论研究和仿真方面，研究范围也主要集中在多模光纤的短距离传输系统上。 从 2020 年 3 月以后，开始出现一些原理性验证实验，同时也将 OOFDM 技术用于单模光纤的远距离传输系统。 从目前情况来看，主要发展方向可能有以下四个方面： 1） OOFDM 在高速率、大容量、远距离单模光纤传输系统中的应用。 OOFDM 技术以前的研究更多集中在多模光纤上，但随着 DSP 器件的飞速发展，现在 OOFDM 技术研究已经更多地集中在单模光纤传输 系统中的应用和研究中。 2） OOFDM 技术与偏振复用（ PDM）、 WDM 等技术相结合的研究。 在 2020 年以后，国外 OOFDM 研究小组都开始集中研究 OOFDM 与现有光纤传输技术相结合，但是，当前 PDM 与 OOFDM 相结合的高水平论文还很少，可能成为今后一大研究热点。 3）在 OOFDM 传输系统中加入其它传输技术以提高传输性能。 目前的研究主要是基本的 OOFDM 系统，未来与编码、实时自适应调制、预补偿等技术结合，将会达到更高的传输性能。 4） OOFDM 技术的实用化进程研究。 目前的研究大都是在理论上的，实验系统也第一章 绪论 6 都是原理 性的，例如：目前信号都是通过任意波形发生器（ AWG）产生的，所用激光器成本也很高。 将来的目标是研发出商用化的 OOFDM 传输系统。 此外还有， 空分复用 SDM 技术是指利用不同的用户空间分割成不同的信道，被空间隔离的用户使用相同的物理资源，实现物理资源的复用。 SDM技术应用在 TDSCDMA中 ，可以复用频率、码道和时隙资源， 从而提升网络的吞吐量。 但是， SDM 对长距离和大容量的线路还没有提出经济的实现方法。 综上所述， WDM 技术、 OTDM、 OCDM 技术和 OOFDM 技术各有优势，但 WDM技术更为成熟，实现起来比较方便 ，系统容量大，可以迅速在现有通信系统的基础上实现扩容。 OTDM 技术速率带宽比高，但是尚处于探索阶段，尽管国内外也进行了不少实验，建成了一些实验系统，但它还是属于未来的技术。 OCDM 保密性强，抗干扰，但是实用化尚未取得突破性的进展，现阶段尚无实用系统。 OOFDM 技术结合了相干检测和OFDM 特点，抗色散能力强，无需色散管理，频谱利用率高，并且可以在现有的网络基础设施上能很好的升级，具有很强的信道容量可扩展性，扩容方便，但是，它的研究还处于实验性阶段，离商用化还有一段距离。 COOFDM 技术的发展 COOFDM 技术的发展现状 近几年来， 分别基于相干光（ CO）和非相干光（ IO）的 OFDM 技术 ，即 CO/IOOFDM技术 陆续被独立提出，以便抑制光纤中 的 色散和 利用 偏振模色散（ PMD）。 单就抑制色散的效果来看，使用 CO 和 IO 模式是相似的，但 是 如 果系统在接收端 采用 COOFDM的相干光检测 ， 不仅可以在 有效抑制色散 和利用 PMD 的同时 ，还可获得更高的光电频谱利用率， 并且 维持更好的信噪比特性。 自 2020 年 5 月澳大利亚墨尔本大学的 Shieh 等人首次 提出了 可 采用相干光 OFDM技术来补偿光纤信道色散的影响， 并成功完成传输速率为 10 Gb/s 的 光 OFDM 信号 在1000km 的标准单模光纤 的 传输 [35]。 同年 8 月， 等在 Electronics Letters 发表论文 [36]指出，在相干光 OFDM 系统中 可以减小单模光纤的 偏振 模色散（ PMD）影响；在该课题组后续的研究中表明，在COOFDM 系统中， PMD 有利于实现系统的色散补偿 [3738]， 2020 年，该课题组又成功报道了利用 PMD 技术在 1000km的 SSMF 中实现了传输 [39]。 不久， . Jansen 等人比较系统的讨论了长距离传输的 COOFDM 系统 [40]。 在此文章中提出了一种新颖的相位噪声补偿方法，即 RF 辅助相位噪声补偿法。 在此补偿方案下，在没有色散补偿时， 4160 公里。 在此之后，很多与 COOFDM 的相关的理论研究和实验陆续发表 [4144]，COOFDM 得到了飞速的发展。 2020 年 4 月， 等人 在 optics express 发表论文 [45]，实现了 107Gb/s COOFDM在 SSMF 上传输 1000km 以上 ， 并且系统使用了 22 MIMOOFDM 模型进行传输， 提高第一章 绪论 7 了频谱利用率 [46]，其频谱利用率为。 2020 年 2 月， 等人 发表 了 采用 PDM 极化分集复用 与 COOFDM 相 结合， 其电谱效率为 2b/s/Hz[47]。 国内的 COOFDM 技术起步较晚，但是发展较为迅速，电子科技大学，浙江大学 ，武汉邮电 等单位也在对 OOFDM 系统进行仿真和光路实验研究 [48]。 COOFDM 系统可以充分利用光纤的巨 大带宽资源，增大传输容量、提高传输速率，在大容量长距离传输时可以节约大量光纤和中继器，从而大大降低了传输成本， 而且它与现有的网络有很好的兼容性，在现有基础设施上能很好的升级 , 扩容方便。 对于早期的芯数不多的光纤系统 , 利用 COOFDM 技术 , 系统 不必做较大改动 , 就可以轻松扩容。 COOFDM 系统的特点与优势 COOFDM 结合了 光纤通信中的相干光检测和 OFDM 技术的特点。 相干光检测 和OFDM 之间的协同作用是双重的，扬长避短。 在射频到光域的 上转换和光 域 到射频的下转换中，相干系统带来了 OFDM 所需 的线 性 ， OFDM 技术使线性系。