畢業(yè)設計基于COOFDM單模光纖系統(tǒng)傳輸性能的仿真分析

1、 畢業(yè)設計畢業(yè)設計 基于 co-ofdm 單模光纖系統(tǒng)傳輸性能的仿真分析 本科畢業(yè)設計選題審批表本科畢業(yè)設計選題審批表 屆： 2010 系：電子信息工程 專業(yè)：通信工程 2009 年 12 月 28 日 學生姓名 學號 06050063 指導教師 職稱教授 所選題目基于 co-ofdm 單模光纖系統(tǒng)傳輸性能的仿真分析 題目來源 科學技術 選題理由 隨著技術的不斷進步，人類有望進入全光通信時代，高速、超大流量的數據傳輸將不 再是夢想。目前，已經有很多的學者對研究把 ofdm 應用到光通信上產生了濃厚的興趣， 即相干光正交頻分復用(co-ofdm)， 并且通過理論分析和實驗證明取得重大進展，尤其

2、是在大容量、遠距離方面有很大的突破。因為對光纖色散(cd)和偏振模式色散(pmd)有較 好的容忍度，正交頻分復用(ofdm)已經在光學通信領域表現出了很大的潛力。在最近一些 研究中，高速 co-ofdm 信號可以在無補償標準單模光纖(ssmf)中傳輸幾百甚至上千公里。 在傳輸性能方面，單模光纖的芯直徑很小，接近光的傳播波長，這就將光的傳輸限制為單 模，消除了多模效應。因此，在長距離傳輸系統(tǒng)中比多模光纖有明顯的優(yōu)勢。 本次畢業(yè)設計主要對 co-ofdm 系統(tǒng)的基本原理進行了理論分析，采用 matlab 軟件， 研究光纖信道中的光纖色散對通信系統(tǒng)誤碼率(ber)的影響，分析 osnr 與誤碼率(b

3、er)之 間的關系以及不同 osnr 下的系統(tǒng)可傳輸的最大傳輸距離等問題，并得到相關結論。 通過完成該題目的研究，對本專業(yè)及其相關的知識是一個綜合訓練過程，培養(yǎng)學生的 綜合分析問題，解決問題的能力。 簽字： 年 月 日 指導教師意見系主任意見 簽字： 年 月 日簽字： 年 月 日 注：（1） “選題理由”由擬題人填寫。 （2）本表一式二份，一份院系留存，一份發(fā)給學生，最后裝訂在畢業(yè)設計說明書中。 天津理工大學中環(huán)信息學院教務處制 一、畢業(yè)設計內容及要求 1、課題說明、課題說明 隨著技術的不斷進步，人類有望進入全光通信時代，高速、超大流量的數據傳輸將不再 是夢想。目前，已經有很多的學者對研究把

4、ofdm 應用到光通信上產生了濃厚的興趣，即 相干光正交頻分復用(co-ofdm)， 并且通過理論分析和實驗證明取得重大進展，尤其是在 大容量、遠距離方面有很大的突破。因為對光纖色散(cd)和偏振模式色散(pmd)有較好的容 忍度，正交頻分復用(ofdm)已經在光學通信領域表現出了很大的潛力。在最近一些研究中， 高速 co-ofdm 信號可以在無補償標準單模光纖(ssmf)中傳輸幾百甚至上千公里。在傳輸 性能方面，單模光纖的芯直徑很小，接近光的傳播波長，這就將光的傳輸限制為單模，消除 了多模效應。因此，在長距離傳輸系統(tǒng)中比多模光纖有明顯的優(yōu)勢。 本次畢業(yè)設計主要對 co-ofdm 系統(tǒng)的基本原

5、理進行了理論分析，采用 matlab 軟件， 研究光纖信道中的光纖色散對通信系統(tǒng)誤碼率(ber)的影響，分析 osnr 與誤碼率(ber)之 間的關系以及不同 osnr 下的系統(tǒng)可傳輸的最大傳輸距離等問題，并得到相關結論。 2、畢業(yè)設計的主要內容：、畢業(yè)設計的主要內容： (1)了解正交頻分復用技術和光通信技術的發(fā)展和應用。 (2)掌握相干光正交頻分復用技術的基本理論。 (3)熟悉并掌握 matlab 軟件。 (4)分析光纖信道中的光纖色散對通信系統(tǒng)誤碼率(ber)的影響。 (5)分析 osnr 與誤碼率(ber)之間的關系以及不同 osnr 下的系統(tǒng)可傳輸的最大傳輸距 離之間的關系。 3、畢業(yè)

6、設計的基本要求：、畢業(yè)設計的基本要求： (1)了解課題的相關知識。 (2)調研，比較國內外相關方面的課題。 (3)設計方案要進行技術分析，以選擇較為合理的方案。 (4)掌握 matlab 軟件。 (5)提出設計方案的改進措施。 (6)設計說明書應包括與有關的敘述說明和計算，內容完整、計算正確。 (7)書寫工整。計算公式和引用數據要正確，并說明其來源。 (8)設計說明書應包括中英文摘要、目錄、前言、正文、小結、參考文獻。 (9)設計說明書圖紙應能較好地表達意圖，圖面布局合理，符合國家制圖標準和有關規(guī) 范。 4、畢業(yè)設計工作量： (1)寫開題報告，要求不少于 2000 字。 (2)設計說明書要求不

7、少于 20000 字，包括計算、說明、簡圖和表格等。 (3)按我校要求完成答辯，并將說明書按照我校要求裝訂成冊。 5、參考文獻、參考文獻 1 i. b. djordjevic, b. vasic. orthogonal frequency division multiplexing for high-speed optical transmission opt. express, 2006, 14, 37673775. 2 w. shieh, x. yi and y. tang. transmission experiment of multi-gigabit coherent optical

8、 ofdm systems over 1000km ssmf fiber electron. lett, vol.43, pp. 183-185. 3 s. l. jansen, i. morita, etal.20gb/s ofdm transmission over 4,160-km ssmf enabled by rf- pilot tone phase noise compensation optical fiber comm. conf., 2007, paper pdp15. 4 w. shieh, h. bao, y. tang. coherent optical ofdm: t

9、heory and design opt. express, 2008, 16, 841859. 5 龔倩, 徐榮,葉小華等. 高速超長距離光傳輸技術.北京：人民郵電出版社,2005. 6 w. shieh and c. athaudage, coherent optical orthogonal frequency division multiplexing. electron. lett, 2006，42, 587-589 7 w. shieh, pmd-supported coherent optical ofdm systems, ieee photon. technol. lett.

10、 2007，19, 134136 8 s.l.jansen, i.morita, n.takeda, h.tanaka, and t.c.w.schenk, coherent optical 25.8-gbs ofdm transmission over 4160-km ssmf, journal of lightwave technology, 2008, 26(1), 9 w. shieh, q. yang, and y. ma, 107 gb/s coherent optical ofdm transmission over 1000-km ssmf fiber using orthog

11、onal band multiplexing. optics express 2008, 16(9), 86378 10 wang luqing, tellambura c. a simplified clipping and filtering technique for par reduction in ofdm systems ieee signal processing letters, 2005, 12(6): 453-456. 11 choiys，voltzpj， cassarafa. ml estimation of carrier frequency offset for mu

12、lticarrier signal in rayleigh fading channels. ieee trans on vehicular tech，2001，50(2):644-655 二、畢業(yè)設計進度計劃及檢查情況記錄表 序號起止日期計劃完成內容實際完成內容 檢查日期 檢查人簽名 1 09.12.2810.1.1 8 熟悉課題內容 查閱相關資料 2 10.1.1910.3.10 確定系統(tǒng)設計 方案，完成開 題報告 3 10.3.1110.3.24 熟悉有關的基 本理論，熟悉 matlab 軟件 4 10.3.2510.4.15 分析光纖信道 中的光纖色散 對通信系統(tǒng)誤 碼率的影響 5 1

13、0.4.1610.4.30 分析 osnr 與 誤碼率之間的 關系以及不同 osnr 下的系 統(tǒng)可傳輸的最 大傳輸距離之 間的關系 6 10.5.110.5.14 得出相關結論 7 10.5.1510.5.25 完成設計說明 書初稿 8 10.5.2610.6.5 修改、完善設 計說明書、裝 訂，準備答辯 注：（1）表中“實際完成內容” 、 “檢查人簽名”欄目要求用筆填寫，其余各項均要求打印。 （2）畢業(yè)設計任務書一式二份，一份學院系留存，一份發(fā)給學生，任務完成后裝訂在畢業(yè)設計說明 書內。 天津理工理工大學中環(huán)信息學院 本科畢業(yè)設計開題報告 屆：2010 系：電子信息工程系 專業(yè)：通信工程 2

14、009 年 1 月 20 日 畢業(yè)設計 題目 基于 co-ofdm 單模光纖系統(tǒng)傳輸性能的仿真分析 學生姓名單英潔學號06050063 指導教師童崢嶸職稱教授 一、課題報告一、課題報告 21 世紀是信息高速發(fā)展的世紀，人類社會進入了一個前所未有的信息量急劇增長的信 息時代。計算機、互聯(lián)網、各種通信技術迅速興起，給人類的物質和精神生活帶來了翻天 覆地的變化。與之對應，人們對通信業(yè)務有了更高層次和更高質量的要求，這對通信業(yè)務 的容量產生了巨大的沖擊，同時對通信網傳遞信息的能力提出了更高的要求。光纖通信技 術以其巨大的寬帶潛力和無與倫比的傳輸性能在通信領域，在長距離大容量通信中占據著 不可替代的位置

15、。超大容量，超長距離和超快速度仍然是光通信技術發(fā)展的主要方向。而 相干光正交頻分復用（co-ofdm）正是其中一種典型調制技術。 二二、國內外發(fā)展狀況國內外發(fā)展狀況 目前，已經有很多的學者對研究把 ofdm 應用到光通信上產生了濃厚的興趣，即相干 光正交頻分復用(co-ofdm)， 并且通過理論分析和實驗證明取得重大進展，尤其是在大 容量、遠距離方面有很大的突破。因為對光纖色散(cd)和偏振模式色散(pmd)有較好的容 忍度，正交頻分復用(ofdm)已經在光學通信領域表現出了很大的潛力。在最近一些研究中， 高速 co-ofdm 信號可以在無補償標準單模光纖(ssmf)中傳輸幾百甚至上千公里。在

16、傳輸 性能方面，單模光纖的芯直徑很小，接近光的傳播波長，這就將光的傳輸限制為單模，消 除了多模效應。 自 2006 年 5 月澳大利亞墨爾本大學的 shieh 等人首次提出了可采用相干光 ofdm 技 術來補償光纖信道色散的影響，并成功完成傳輸速率為 10 gb/s 的光 ofdm 信號在 1000km 的標準單模光纖的傳輸。 同年 8 月，w.shieh 等在 electronics letters 發(fā)表論文指出，在相干光 ofdm 系統(tǒng)中可以 減小單模光纖的偏振模色散（pmd）影響；在該課題組后續(xù)的研究中表明，在 co-ofdm 系統(tǒng)中，pmd 有利于實現系統(tǒng)的色散補償。 天津理工大學中環(huán)

17、信息學院教務處制表 2007 年，該課題組又成功報道了利用 pmd 技術在 1000km 的 ssmf 中實現了傳輸 10.7gb/s 信號的無色散補償。 不久，s.l. jansen 等人比較系統(tǒng)的討論了長距離傳輸的 co-ofdm 系統(tǒng)。在此文章中 提出了一種新穎的相位噪聲補償方法，即 rf 輔助相位噪聲補償法。在此補償方案下，在 沒有色散補償時，25.8gb/s 的 co-ofdm 信號成功實現在標準單模光纖中傳輸了 4160 公里。 在此之后，很多與 co-ofdm 的相關的理論研究和實驗陸續(xù)發(fā)表，co-ofdm 得到了飛速 的發(fā)展。 2008 年 4 月，w.shieh 等人在 op

18、tics express 發(fā)表論文，實現了 107gb/sco-ofdm 在 ssmf 上傳輸 1000km 以上，并且系統(tǒng)使用了mimo-ofdm 模型進行傳輸，提高了頻2 2 譜利用率，其頻譜利用率為 3.3b/s/hz。 2009 年 2 月，s.l.jansan 等人發(fā)表了采用 pdm 極化分集復用與 co-ofdm 相結合， 121.9gb/s 的信號在 1000km 的 ssmf 上實現了無色散傳輸，其電譜效率為 2b/s/hz。 國內的 co-ofdm 技術起步較晚，但是發(fā)展較為迅速，電子科技大學，浙江大學，武 漢郵電等單位也在對 oofdm 系統(tǒng)進行仿真和光路實驗研究。 三、研

19、究內容研究內容 本次畢業(yè)設計主要對 co-ofdm 系統(tǒng)的基本原理進行了理論研究，采用 matlab 軟件，研 究光纖信道中的光纖色散對通信系統(tǒng)誤碼率(ber)的影響，分析 osnr 與誤碼率(ber)之間的 關系以及不同 osnr 下的系統(tǒng)可傳輸的最大傳輸距離等問題，并得到相關結論。 四、研究方法、手段四、研究方法、手段 1.查閱相關的資料書籍和文獻，對課題進行深入全面的了解。 2.采用對比的方式對設計方案要進行技術分析，以選擇較為合理的方案。 3.掌握 matlab 軟件，并且利用它進行編程工作。 4.采用文字和計算公式的形式對得出的的結論進行分析和論證，必要時應附上相應的 圖形以作說明。

20、 五五、研究步驟研究步驟 1.熟悉課題內容查找相關資料文獻，確定系統(tǒng)的設計方案，完成開題報告。 2.熟悉 co-ofdm 單模光纖系統(tǒng)的基本理論和關鍵技術，掌握 matlab 軟件，進行儲備 信息。 3.3.分析研究光纖信道中的光纖色散對通信系統(tǒng)誤碼率(ber)的影響。 4.4.在沒有光色散補償的情況下， 分析 osnr 與誤碼率(ber)之間的關系以及不同 osnr 下的系統(tǒng)可傳輸的最大傳輸距離等問題。 5.5.得出相關結論并給予相應的說明與計算，完成畢業(yè)論文說明書。 六、參考文獻六、參考文獻 1 i. b. djordjevic, b. vasic. orthogonal frequenc

21、y division multiplexing for high-speed optical transmission. opt. express, 2006, 14, 37673775. 2 w. shieh, x. yi and y. tang. transmission experiment of multi-gigabit coherent optical ofdm systems over 1000km ssmf fiber. electron. lett, vol.43, pp. 183-185. 3 s. l. jansen, i. morita, etal.20gb/s ofd

22、m transmission over 4,160-km ssmf enabled by rf- pilot tone phase noise compensation. optical fiber comm. conf., 2007, paper pdp15. 4 w. shieh, h. bao, y. tang. coherent optical ofdm: theory and design opt. express, 2008, 16, 841859. 5 龔倩, 徐榮,葉小華等. 高速超長距離光傳輸技術. 北京：人民郵電出版社,2005. 6 w. shieh and c. ath

23、audage, coherent optical orthogonal frequency division multiplexing. electron. lett, 2006，42, 587-589 7 w. shieh, pmd-supported coherent optical ofdm systems, ieee photon. technol. lett. 2007，19, 134136 8 s.l.jansen, i.morita, n.takeda, h.tanaka, and t.c.w.schenk, coherent optical 25.8-gbs ofdm tran

24、smission over 4160-km ssmf, journal of lightwave technology, 2008, 26(1), 9 w. shieh, q. yang, and y. ma, 107 gb/s coherent optical ofdm transmission over 1000-km ssmf fiber using orthogonal band multiplexing. optics express 2008, 16(9), 86378 10 wang luqing, tellambura c. a simplified clipping and

25、filtering technique for par reduction in ofdm systems. ieee signal processing letters, 2005, 12(6): 453-456. 11 choiys，voltzpj， cassarafa.“ml estimation of carrier frequency offset for multicarrier signal in rayleigh fading channels.”ieee trans on vehicular tech，2001，50(2):644-655 指導 教師 意見 簽字： 年 月 日

26、 天津理工大學中環(huán)信息學院教務處制表 基于 co-ofdm 單模光纖系統(tǒng)傳輸性能的仿真分析 摘 要 相干光正交頻分復用（co-ofdm）技術是一種新型的光復用技術，該技術 具有相干檢測和 ofdm 的雙重優(yōu)點，頻譜利用率高，對抗色散和非線性效應明 顯，而且在現有的網絡基礎設施上能很好的升級, 擴容方便，所以在高速率、 大容量和長距離傳輸系統(tǒng)中有廣闊的應用前景。本文對 co-ofdm 單模光纖系統(tǒng) 進行研究，主要包括系統(tǒng)理論模型、多進正交幅度調制系統(tǒng)調制方式、系統(tǒng)性 能以及仿真實現。具體工作內容如下： 第一，分析 co-ofdm 單模光纖系統(tǒng)的理論模型以及工作原理。介紹了系統(tǒng) 模型并分析了其信號

27、處理過程；然后給出了傳輸速率為 10.7gb/s 的 co-ofdm 單模光纖系統(tǒng)組成。 第二，對正交幅度調制系統(tǒng)的傳輸性能進行了分析和仿真。 第三，分析了該系統(tǒng)的傳輸距離、光信噪比(osnr)以及系統(tǒng)的誤碼率(ber) 三者之間的關系，并給出了仿真結果。 關鍵詞：關鍵詞：相干光正交頻分復用 正交幅度調制系統(tǒng) 光信噪比 誤 碼率 simulation analyse of co-ofdm single mode fiber transmission system performance abstract coherent optical orthogonal frequency divisio

28、n multiplexing (co-ofdm) is a new type of optical multiplexing technology. the technology has the merits of coherent detection and ofdm, so it can realize the high-speed optical fiber transmission without dispersion compensation, while the requirement of optical amplifiers has been reduced. and thus

29、 its transmission capacity can be enhanced, but also has a good upgrade in the existing network infrastructure, as well as the expansion is convenient. therefore, it has broad application prospects in the high- speed, large capacity and long-distance transmission systems. this paper studies the co-o

30、fdm single mode fiber system, mainly including the analysis and design of the system block diagram, the system performance of mqam modulations and simulation realization. the specific work as follows: first, the theoretical model and principle of the co-ofdm single mode fiber system are analyzed. th

31、e system model of co-ofdm system is introduced and its signal processing is analyzed, meanwhile the synchronization of the system and channel are analyzed. then, the transmission rate of 10.7gb/s of the co-ofdm single mode fiber system is given. second，the transmission performance of the systems qam

32、 modulations are analyzed and simulated. third， the relationship of transmission distance of the system, optical signal to noise ratio (osnr) and the system bit error rate (ber) is explained, and the simulation results are given. key words：coherent optical orthogonal frequency division multiplexing

33、(co-ofdm) quadrature amplitude modulation (qam) optical signal-to-noise ratio (osnr) bit-error rate (ber) 目 錄 第一章 緒論 .1 1.1 光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展概況 .1 1.2 co-ofdm 技術國內外發(fā)展狀況.1 1.3 co-ofdm 系統(tǒng)的特點與優(yōu)勢.2 1.3.1 相干光檢測.2 1.3.2 ofdm 技術 .3 1.4 本文的主要內容安排 .4 第二章 基本理論分析 .6 2.1 ofdm 正交頻分復用技術理論.6 2.1.1 ofdm 系統(tǒng)簡述 .6 2.1.2 ofdm

34、系統(tǒng)的數學模型 .10 2.1.3 ofdm 系統(tǒng)參數的選擇 .11 2.1.4 ofdm 系統(tǒng)的主要缺點 .12 2.2 co-ofdm 的基本理論.13 2.2.1 系統(tǒng)原理框圖.13 2.2.2 工作原理.14 2.3 本章小結 .15 第三章 co-ofdm 單模光纖系統(tǒng).16 3.1 單模光纖 .16 3.1.1 單模光纖的概述.16 3.1.2 單模光纖的特性參數.16 3.1.3 單模光纖的波長.17 3.1.4 單模光纖的傳輸條件.18 3.1.5 單模光纖色散.18 3.2 10.7gbsco-ofdm 單模光纖系統(tǒng).19 3.2.1 co-ofdm 單模光纖系統(tǒng)的組成.19

35、 3.2.2 單模光纖信道分析.21 3.2.3 系統(tǒng)調制方式分析.22 3.2.4 系統(tǒng)仿真結果與分析.22 3.3 正交幅度調制 .23 3.3.1 qam 簡介.23 3.3.2 qam 的產生.25 3.3.3 qam 的特點.26 3.4 本章小結 .27 第四章 在 qam 調制下的系統(tǒng)傳輸性能的分析.28 4.1 光纖色散對誤碼率的影響 .28 4.2 光信噪比與誤碼率的關系 .28 4.3 不同光信噪比下的可傳輸的最大距離 .29 4.4 本章小結 .29 第五章 總結.30 參考文獻.31 致 謝.32 第一章 緒論 1.1 光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展概況 隨著信息的高速發(fā)展，人類社

36、會進入了一個前所未有的信息量急劇增長的信息時代。 計算機、互聯(lián)網、各種通信技術迅速興起，給人類的物質和精神生活帶來了翻天覆地的變 化。與之對應，人們對通信業(yè)務有了更高層次和更高質量的要求，這對通信業(yè)務的容量產 生了巨大的沖擊，同時對通信網傳遞信息的能力提出了更高的要求。光纖通信技術以其巨 大的寬帶潛力和無與倫比的傳輸性能在通信領域，在長距離大容量通信中占據著不可替代 的位置。超大容量，超長距離和超快速度仍然是光通信技術發(fā)展的主要方向。而相干光正 交頻分復用（co-ofdm）正是其中一種典型調制技術。 在光纖通信的 1550nm 波長附近 200nm 范圍內，對應的光纖帶寬約為 25thz。在

37、1310nm 波長附近，也有約 25thz 可利用的帶寬。這表明光纖具有豐富的帶寬資源，可提供 的理論傳輸帶寬達到 50thz。為了充分利用光纖的帶寬，同時為了提高通信系統(tǒng)的容量， 人們一直致力于各種復用技術的研究。光纖通信復用方式主要包括光波分復用（wdm） 、 光時分復用（tdm）和光碼分復用（ocdm）以及現在的起步較晚但備受關注的光正交頻 分復用（oofdm） 。 1.2 co-ofdm 技術國內外發(fā)展狀況 近幾年來，分別基于相干光（co）和非相干光（io）的 ofdm 技術，即 co/io- ofdm 技術陸續(xù)被獨立提出，以便抑制光纖中的色散和利用偏振模色散（pmd） 。單就抑制 色

38、散的效果來看，使用 co 和 io 模式是相似的，但是如果系統(tǒng)在接收端采用 co-ofdm 的 相干光檢測，不僅可以在有效抑制色散和利用 pmd 的同時，還可獲得更高的光電頻譜利用 率，并且維持更好的信噪比特性。 目前，已經有很多的學者對研究把 ofdm 應用到光通信上產生了濃厚的興趣，即相干 光正交頻分復用(co-ofdm)，并且通過理論分析和實驗證明取得重大進展，尤其是在大容 量、遠距離方面有很大的突破。因為對光纖色散(cd)和偏振模式色散(pmd)有較好的容忍 度，正交頻分復用(ofdm)已經在光學通信領域表現出了很大的潛力。在最近一些研究中， 高速 co-ofdm 信號可以在無補償標準

39、單模光纖(ssmf)中傳輸幾百甚至上千公里。在傳輸 性能方面，單模光纖的芯直徑很小，接近光的傳播波長，這就將光的傳輸限制為單模，消 除了多模效應。 自 2006 年 5 月澳大利亞墨爾本大學的 shieh 等人首次提出了可采用相干光 ofdm 技術 來補償光纖信道色散的影響，并成功完成傳輸速率為 10gb/s 的光 ofdm 信號在 1000km 的 標準單模光纖的傳輸。 同年 8 月，w.shieh 等在 electronics letters 發(fā)表論文指出，在相干光 ofdm 系統(tǒng)中可 以減小單模光纖的偏振模色散（pmd）影響；在該課題組后續(xù)的研究中表明，在 co- ofdm 系統(tǒng)中，pm

40、d 有利于實現系統(tǒng)的色散補償。2007 年，該課題組又成功報道了利用 pmd 技術在 1000km 的 ssmf 中實現了傳輸 10.7gb/s 信號的無色散補償。 不久，s.l. jansen 等人比較系統(tǒng)的討論了長距離傳輸的 co-ofdm 系統(tǒng)。在此文章中 提出了一種新穎的相位噪聲補償方法，即 rf 輔助相位噪聲補償法。在此補償方案下，在沒 有色散補償時，25.8gb/s 的 co-ofdm 信號成功實現在標準單模光纖中傳輸了 4160 公里。 在此之后，很多與 co-ofdm 的相關的理論研究和實驗陸續(xù)發(fā)表，co-ofdm 得到了飛速 的發(fā)展。 2008 年 4 月，w.shieh 等

41、人在 optics express 發(fā)表論文，實現了 10.7gb/sco-ofdm 在 ssmf 上傳輸 1000km 以上，并且系統(tǒng)使用了mimo-ofdm 模型進行傳輸，提高了頻2 2 譜利用率，其頻譜利用率為 3.3b/s/hz。 2009 年 2 月，s.l.jansan 等人發(fā)表了采用 pdm 極化分集復用與 co-ofdm 相結合， 121.9gb/s 的信號在 1000km 的 ssmf 上實現了無色散傳輸，其電譜效率為 2b/s/hz。 國內的 co-ofdm 技術起步較晚，但是發(fā)展較為迅速，電子科技大學，浙江大學，武 漢郵電等單位也在對 co-ofdm 系統(tǒng)進行仿真和光路實

42、驗研究。 1.3 co-ofdm 系統(tǒng)的特點與優(yōu)勢 co-ofdm 結合了光纖通信中的相干光檢測和 ofdm 技術的特點。相干光檢測和 ofdm 之間的協(xié)同作用是雙重的，揚長避短。在射頻到光域的上轉換和光域到射頻的下轉 換中，相干系統(tǒng)帶來了 ofdm 所需的線性，ofdm 技術使線性系統(tǒng)計算效率高、信道簡單 并可進行相位估值。對下一代 100gb/s 的傳輸系統(tǒng)而言，co-ofdm 被認為是比較好的調 制方式。 1.3.1 相干光檢測 相干光檢測方式就是在接收端，采用光相干外差檢測或零差檢測，其工作原理如圖 1.1 所示。首先，在發(fā)送端，發(fā)送信號采用外調制方式調制到光載波上進行傳輸，在接收端，

43、 接收信號與一本振光信號進行相干耦合。然后由平衡接收機進行外差檢測，根據本振光頻 率與信號頻率是否相同決定用零差檢測還是外差檢測，前者光電轉換后直接變換為基帶信 號；后者經過光電轉換后得到中頻信號，再經過二次解調將中頻信號轉換成基帶信號。 調調制制器器 電電解解調調電電路路 平平衡衡接接收收機機 本本振振光光源源 光光源源 信信號號 圖 1.1 相干光檢測示意圖 fig.1.1 schematic diagram of coherent optical detection 相干檢測的主要優(yōu)點： 1.靈敏度高，中繼距離長。靈敏度高，中繼距離長。 在相同的條件下，理論上計算，相干接收機比普通接收機

44、提高靈敏度約20db左右。 2.選擇性好，通信容量大。選擇性好，通信容量大。 外差探測有良好的濾波性能，還可以使wdm系統(tǒng)的頻率間隔大大縮小，取代傳統(tǒng)光復 用技術的大頻率間隔。 3.具有多種調制方式。具有多種調制方式。 在相干光通信中，除了可以進行幅度調制之外，還可以使用 psk、dpsk、dqpsk 和 qam 等多種調制方式，而這些調制方式這些調制方式同樣也適用于 co-ofdm 的單模光纖 系統(tǒng)中。 1.3.2ofdm 技術 ofdm 是在無線通訊中被 ieee 802.11g 等通訊標準廣泛采用的一種高速傳輸技術。圖 1.2 是 ofdm 信號子載波頻譜圖，在每一個子載波頻率的最大值處

45、，所有其他的子載波的 頻譜恰好為零，所以，在對 ofdm 符號進行解調的過程中，計算這些點上所對應的每個子 載波頻率的最大值即可，因此，可以從多個相互重疊的子信道符號頻譜中提取出每個子信 道的符號信息，卻不受其他子信道的干擾。它的工作原理是在頻域內將給定信道分成許多 正交子信道，在每個子信道上使用一個子載波進行調制，各子信道載波之間互相正交，并 行傳輸，從而實現了高速傳輸。與單通道調制的方式相比，ofdm 系統(tǒng)將具有下述優(yōu)勢： 1.不但減小了子載波間的相互干擾，同時又最大程度的提高了頻譜利用率，這是由于在 ofdm 系統(tǒng)中各個子載波的頻譜是相互重疊且正交的； 2.很大程度上消除了符號間干擾。盡

46、管系統(tǒng)的總信道是非平坦的、具有頻率選擇性，但 每個子信道響應是相對平坦的，且在每個子信道上進行窄帶傳輸，信號帶寬小于信道的相 應帶寬，從而消除了符號間干擾； 3.由于對 ofdm 的收發(fā)處理充分利用了快速傅里葉變換（fft）等算法，從而有效的降 低了計算和算法處理的難度，同時降低了系統(tǒng)復雜度。 frequency 1 f 2 f 3 f 4 f 5 f frequency 1 f 2 f 3 f 4 f 5 f 圖 1.2 ofdm 信號各子載波頻譜圖 fig.1.2 each subcarrier spectrum for ofdm signal 由于 co-ofdm 結合了光纖通信中相干光

47、檢測和 ofdm 技術的特點，具有相干光檢測 和 ofdm 技術的雙重特點，所以 co-ofdm 系統(tǒng)具有 wdm、otdm、io-ofdm 等系統(tǒng)所 沒有的優(yōu)勢，主要表現在： 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.co-ofdm 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 能夠實現高速率傳輸，降低了網絡的復雜度，同時也能適應動態(tài)變化的網絡環(huán)境。 3.co-ofdm 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 網絡基礎設施方面的巨大投資，只需要在發(fā)射端和接收端進行適當的改造即能夠很好的完 成升級，具有

48、很強的信道容量可擴展性，擴容方便。 1.4 本文的主要內容安排 co-ofdm 單模光纖系統(tǒng)是一個相對較新的研究課題，許多問題還待解決和改進提高。 單模光纖因其芯徑細，模式色散很小，衰減比多模光纖低得多，色散小，帶寬大，支持更 長傳輸距離和更高的傳輸速率，在未來的長途干線傳輸、城域網建設中單模光纖的地位將 是不可動搖的。 本文以 co-ofdm 單模光纖系統(tǒng)為研究對象，對其傳輸特性進行分析，在無色散補償 的條件下，研究不同調制下系統(tǒng)的傳輸距離、光信噪比以及系統(tǒng)誤碼率的關系。本文的內 容安排如下： 第一章主要光纖系統(tǒng)的發(fā)展概況，co-ofdm 技術的國內外發(fā)展狀況以及 co-ofdm 系統(tǒng)的特點

49、與優(yōu)勢。 第二章介紹ofdm以及co-ofdm的基本理論知識。 第三章介紹單模光纖的基本知識，對co-ofdm單模光纖系統(tǒng)進行分析，并對正交幅度 調制（qam）進行簡單的研究。 第四章對基于co-ofdm系統(tǒng)單模光纖系統(tǒng)在qam調制下系統(tǒng)傳輸性能的仿真和分析， 并得出相關的仿真結果。 第五章是對本課題研究內容結果的總結。 第二章 基本理論分析 2.1 ofdm 正交頻分復用技術理論 2.1.1ofdm 系統(tǒng)簡述 ofdm（正交頻分復用）技術是在頻分復用的基礎上發(fā)展起來的，是一種無線環(huán)境下 的高速傳輸技術，是一種多載波調制方式。在傳統(tǒng)的頻分復用（fdm）系統(tǒng)中，子載波上 的信號頻譜沒有重疊，以便

50、接收機中能用傳統(tǒng)的濾波器方法將其分離、提取，這樣做的最 大缺點就是頻譜利用率低，造成頻譜浪費。ofdm 技術區(qū)分各個子信道的方法是利用各個 子載波之間嚴格的正交性。它允許子載波頻譜部分重疊，只要滿足子載波間相互正交就可 以從混疊的子載波上分離出數據信息。當載波間最小間隔等于數據碼字周期倒數的整數倍 時，可滿足正交條件。為了提高頻譜效率，一般取最小間隔等于數據碼字周期的倒數 （1/t） 。 圖 2.1 單個子帶頻譜示意圖 圖 2.2 ofdm 信號頻譜 fig.2.1 fypical appearance of a subcarrier fig.2.2 power density spectra

51、 of ofdm signal 圖 2.2 是一個典型的 ofdm 信號頻譜圖，在每個子載波的中心頻率處（即本子載波的 采樣點處） ，其它子載波的分量為零。在實際系統(tǒng)中，ofdm 的子載波數 n 通常很大。而發(fā) 射信號作為 n 個獨立的子載波信號的線性疊加，根據大數定理，其時域統(tǒng)計特性應接近于 高斯分布。從頻域來看，由 n 個功率譜包絡為 sinc 函數的子載波疊加構成的 ofdm 信號功 率譜近似為規(guī)則矩形，在不經過濾波器的情況下其邊沿已經非常陡峭，類似于限帶高斯白 噪聲的頻譜。如果在每個子載波上采用 m 進制調制，則理想 ofdm 信號總的頻譜效率約為 log2mbit/s/hz，達到了“

52、理論最高頻譜效率”。而單載波系統(tǒng)由于受濾波器實現的限制，實際 最高頻譜效率僅為理論值的 80%90%。 圖 2.3 就是基本的 ofdm 系統(tǒng)，它的實質是將數據流用低傳輸率的正交子 圖 2.3 基本 ofdm 系統(tǒng) fig.2.3 basic ofdm system 載波來并行傳送業(yè)務數據。在發(fā)射端，高速串行數據流經過串/并變換為 n 路并行的低速數 據流，在串并轉換的輸出端送出 n 個符號，然后分別用 n 個正交子載波進行調制，同時進 行傳輸。這樣，盡管總的信道是非平坦的，具有頻率選擇性，但是每個子信道是相對平坦 的。在每個子信道上進行的是窄帶傳輸，信號帶寬小于信道的相應帶寬，從而可以大大消

53、 除信號波形間的干擾。對于低速并行的子載波而言，由于符號周期展寬為原數據符號周期 的 n 倍，多徑效應造成的時延擴展與符號周期的比值降低 n 倍。下面對系統(tǒng)傳輸中串并變 換和循環(huán)前綴的作用作簡要說明： 數據傳輸的典型形式是串行數據流，符號被連續(xù)傳輸，每個數據符號的頻譜可占據整 個可利用的帶寬。但在并行數據傳輸系統(tǒng)中，許多符號被同時傳輸，減少了那些在串行系 統(tǒng)中出現的問題。在 ofdm 系統(tǒng)中，每個傳輸符號速率的大小大約在幾個 bits 到幾十 kbit/s 之間，所以必須進行串并變換，將輸入串行比特流轉換成為可以傳輸的 ofdm 符號。由于 調制模式可以自適應調節(jié)，所以每個子載波的調制模式是可

54、變化的，因而每個子載波可傳 輸的比特數也是可變化的，所以串并變換需要分配給每個子載波數據段的長度是不一樣的， 在接收端執(zhí)行相反的過程，從各個子載波處來的數據被轉換回原始的串行數據。 當一個 ofdm 符號在多徑無線信道中傳輸時，頻率選擇性衰落會導致某幾組子載波受 到相當大的衰減，從而引起比特錯誤。這些在信道頻率響應上的零點會造成在鄰近的子載 波上發(fā)射的信息受到破壞，導致在每個符號中出現一連串的比特錯誤。與一大串錯誤連續(xù) 出現的情況比較，大多數前向糾錯編碼(fec，forward error correction)在錯誤分布的情況下 會工作得更有效。所以，為了提高系統(tǒng)性能，大多數系統(tǒng)采用數據加擾

55、作為串并轉換工作 的一部分。這可以通過把每個連續(xù)的數據比特隨機地分配到各個子載波上來實現。在接收 機端，進行一個對應的逆過程解出信號。這樣，不僅可以還原出數據比特原來的順序，同 時還可以分散由于信道衰落引起的連串比特錯誤使其在時間上近似均勻分布。這種將比特 錯誤位置的隨機化可以提高前向糾錯編碼 fec 的性能，并且系統(tǒng)總的性能也得到改進。 循環(huán) 前綴 循環(huán) 前綴 復制 有效數據 循環(huán) 前綴 圖 2.4 ofdm 循環(huán)前綴示意圖 fig.2.4 structure of ofdm signal with cyclic prefix 由于傳輸信道往往是記憶的，為了消除碼間干擾，ofdm 系統(tǒng)通常采

56、用的方法是，先 將數據符號進行 n 點逆傅立葉變換(ifft)，將變換后的最后 l 個數據復制到前面，組成 n 十 l 個數據的發(fā)射 ofdm 符號。如圖 2-4 所示，這 l 個點冗余的數據通常稱為循環(huán)前綴 （cp） ，其長度大于等于 fir 信道的階。在接收端，丟棄 ofdm 碼字的 cp 部分，并對余 下的部分進行 n 點傅立葉變換處理。正是在發(fā)射端采用 ifft 和插入循環(huán)前綴而在接收端丟 棄循環(huán)前綴后采用 fft 處理技術，從而將頻域選擇性信道轉換為相互獨立的具有平坦性衰 落的高斯子信道。插入 cp 不僅可以有效地對抗多徑時延擴展和保持子載波間的正交性， 而且最重要的一點是使帶 cp

57、 的 ofdm 時域信號與信道時域響應 h(n)的線性卷積近似為時 域數據符號 s(n)與信道時域響應 h(n)的循環(huán)卷積。 下面定量分析保護間隔在多徑衰落信道下對 ofdm 信號的保護作用。我們把 ofdm 的 發(fā)射信號表示為： (2.1)itt (g)itt (f2 jexp)k(dred(t) sski 式中變量 i 表示不同的 ofdm 周期，g(t)為矩形脈沖波形，即 (2.2) )tt ,t (0) t (g )tt( 1) t (g s s 在靜態(tài)的頻率選擇性衰落信道下，信道沖激相應為： (2.3)t (h) t (h 1 mm 1i 1 12 其中 h1為第 l 條接收路徑的復

58、包絡， 1為回波延時。假設回波延時不超過信號的傳輸周期， 在所有回波中，落于保護間隔 內的有 m1個，超出 的有 m2個。即： (2.4) )mm,.,1ml (t mm,.,1l0 211sl 21l 實實 那么經過多徑信道后，接收機的輸入信號應該為： (2.5)n(nd)(h )-d(t(t)d 0 式中 n(t)為復高斯隨機噪聲。在第 i 個 ofdm 周期，接收機完成 dft 變換后的判決結果是： )k(n )m(d) )(km( ( csin) t )(km( j)t(f2 jexp(h t )m(d) t )(km( ( csin) t )(km( jf2 jexp(h t )k(

59、d)f2 jexp(h t t )f2 jexp(h dt)itt (f2 jexp) t (d t 1 )k(d i 1i l s l lkl mm lmi 1 -n 0m s l i s l s l lml mm lmi 1n 0m s l i m 1l mm mi lkl s ls lkl sk tit it i i 21 1 2 1 12 1 ss s (2.6) 式中第一項為所需信號，第二項為載波間的干擾（ici） ，第三項為 ofdm 周期間的干擾 （包括同一子載波的 isi 和不同子載波的串擾） ，最后一項為隨機噪聲。由此式可見，時延 小于保護間隔 的 m1個回波只決定判決結果的

60、復系數，并不會對判決結果產生破壞。當所 有回波都落在保護間隔之內時，上式簡化為： (2.7)k(n)k(d)f2 jexp(h)k(d ii m 1l lkl i 通常 ofdm 信號的每個子載波頻帶小于信道相關帶寬，也就是說每個子載波上的衰落 可以認為是平衰落。我們定義： (2.8)f2 jexp(hh lk m 1l 1k 顯然，式中的 hk就是信道在 n 個子載波上的傳遞函數。如果收端通過信道估計得到準 確的 hk，就可以恢復出發(fā)端原始信息。 2.1.2ofdm 系統(tǒng)的數學模型 圖 2.5 ofdm 系統(tǒng)完整數據傳輸 fig.2.5 block diagram of ofdm trans