1、郧阳师范高等专科学校0/45毕业设计论文高速光纤通信系统中的OFDM调制解调技术的仿真与实现偏执520班级机电1201班专业名称机电一体化学号20120506008论文提交日期2015年6月10日郧阳师范高等专科学校郧阳师范高等专科学校1/45摘要光正交频分复用OOFDM通信系统，其带宽资源丰富，无需色散管理，抗色散能力强，这些优点使得光正交频分复用通信系统成为下一代高速率光纤传输的备选方案之一，并成为高速光纤通信系统领域的研究热点。本文对高速OOFDM通信系统的研究现状进行了总结，并对高速OOFDM通信系统的设计和实现进行了探讨和研究。对于一个通信系统的研究，首先要进行建模和仿真，从理论层面
2、上分析该系统的大致性能和现实可行性。论文在给出了高速0OFDM通信系统的设计方案的基础上，基于MATLAB建立了OOFDM光纤通信系统的简单模型，并分析了实现过程中的有限字长效应、定时同步、偏振模色散等因素对OOFDM光纤通信系统的性能影响在这些理论分析的基础上，给出了一套高速OOFDM光纤通信系统的实现方案。在OOFDM系统的电信号处理部分，OFDM调制解调的实现是关键部分，而OFDM调制解调就是输入数据信号的快速傅里叶逆变换IFFTFFT运算。在64点IFFTFFT运算实现时，基于QUARTUS2设计了64点IFFT核和FFT核模块，并对模块进行了功能和时序仿真验证。该OFDM调制解调模块
3、运算效率很高，可达到最大117GS/S吉符号每秒的数据吞吐量，运用该工FFT核实现的OOFDM光纤通信系统理论上可完成最大468GBIT/S的传输容量。由于人们对通信系统的传输容量的需求越来越大，研究者正努力提高OOFDM光纤通信系统的传输速率。本文对提高OOFDM光纤通信系统的传输容量提出了一些可行的方案，如采用光波分复用技术、光偏振复用技术和增加子载波传输个数等，并对这些方案进行了简单的介绍。关键词高速光纤通信，光正交频分复用，快速傅里叶逆变换郧阳师范高等专科学校2/45目录第一章绪论311光纤通信的发展历史312光纤通信的应用与发展趋势7121光纤通信的应用7122光纤通信的发展趋势81
4、30OFDM通信系统发展简述9第二章0OFDM通信系统原理简介1221基本原理12211光纤通信系统简介122120OFDM通信系统简介14213正交频分复用OFDM的基本原理15220OFDM通信系统研究现状182210OFDM通信系统实验室仿真实验现状182220OFDM通信系统的实验室实现现状192230OFDM通信系统的实现的制约因素分析2123本章小结23第三章高速COOFDM通信系统设计与仿真分析2431高速COOFDM通信系统的设计方案243110OFDM通信系统分类2431220GB/S高速COOFDM通信系统设计方案2532COOFDM通信系统实现关键因素的建模与仿真2732
5、1高速COOFDM通信系统的基本模型设计27322COOFDM通信系有限字长效应的仿真27323COOFDM通信系统定时同步仿真29324COOFDM系统有限字长效应和定时同步的联合仿真32325COOFDM通信系统的偏振模色散效应的研究33郧阳师范高等专科学校3/453251偏振模色散效应建模原理333252偏振模色散干扰下的系统频率响应仿真343253偏振模色散效应的补偿3634本章小结39论文总结40参考文献42郧阳师范高等专科学校4/45图目录图21通信系统的基本结构图12图22OFDM系统基本模型框图16图23基于快速傅里叶变换工FFT的OFDM系统框图17图31COOFDM光纤通信
6、实验系统的基本组成框图25图326BIT,8BIT量化误码率曲线比较29图33基于CP的OFDM块定时同步算法示意图30图34基于MATLAB的误帧率仿真曲线31图35COOFDM光纤通信系统有限字长效应和定时同步的联合仿真33图36偏振模色散效应示意图34图37OFDM符号采样示意图34图38偏振模色散效应下的系统相位误差曲线35图39偏振模色散效应下的系统幅度响应曲线36图310高斯白噪声PMD相位补偿后的误码率曲线37图311不同调制方式的误码率曲线38郧阳师范高等专科学校5/45表目录表目录表316BIT,8BIT量化的高速COOFDM光纤通信系统仿真参数设置28表32基于CP的OFD
7、M块定时同步仿真参数设置31表33COOFDM通信系统有限字长效应和定时同步联合仿真参数设置表32表34偏振模色散效应下的系统相位误差曲线仿真参数设置表35表35偏振模色散效应下的系统幅度响应曲线仿真参数设置表36表36高斯白噪声PMD相位补偿后的误码率曲线仿真参数设置表37表37高斯白噪声PMD子载波采用不同的调制方式仿真参数设置表38郧阳师范高等专科学校6/45第一章绪论11光纤通信的发展历史时代进步了，科技发展了，人们对物质和精神文化生活的要求越来越高。通信作为人类生活中不可缺少的高科技部分，随着社会的发展而口新月异。作为通信的一个研究领域，光纤通信由于其大容量、长传输距离的优势，受到了
8、越来越多的科学家和研究者的关注。用于光频的光纤表面波导，英籍华裔科学家高馄博士于1966年发表在PIEE杂志上的一篇论文，成为了光纤通信时代的到来的启明星。正是基于这篇论文的理论指导，1970年，美国康宁玻璃公司利用改进型的化学汽沉淀法MCVD法制造出了世界上第一根超低损耗光纤，成为了光纤通信领域的爆炸性发展的导火索，而这一光纤技术的突破也铺平了光纤通信的发展道路。在光纤制造领域，光纤的制造技术正以不可思议的速度发展着。光纤损耗从1970年的20DB/KM,1972年的4DB/KM,1974年的11DB/KM,1976年的05DB/KM,1979年的02DB/KM，一直到到1990年的014D
9、B/KM。光纤技术在1970年至1980年的十年时间里，光纤损耗几乎是以每年一半的速度递减。在光纤技术突飞猛进发展的同时，应用于光纤通信系统的光电器件也取得了很快的发展。有了光纤制造技术和光电器件制造技术作为基础，光纤通信系统顺理成章的出现了，且随着这两项技术的发展而迅猛发展。1976年，美国在亚特兰大开通了世界上第一个实用化、传输码率达到45MBIT/S,传输距离为1OKM的光纤通信系统。在随后到来80年代里，光波分复用系统、相干光通信系统、光纤放大器等技术越来越受到科研工作者的重视，并投入了大量的人力物力进行研究。80年代末，掺饵光纤放大器的研制成功，使得光纤通信技术取得了更快的发展。19
10、93年，2SGBIT/S的光纤通信系统己经实用化，1995年1OGBIT/S的光纤通信系统又研制成功1。郧阳师范高等专科学校7/45由于受到电子迁移率等瓶颈因素的限制，传输速率40GBIT/S以上的单信道光纤通信系统很难实现，因此研究者开始将目光转向复用技术。目前最常使用的复用技术是光波分复用技术WDM，且这一复用技术的光纤通信系统己经实用化。2001年的OFC会议上，报道了实验室中单根光纤传输容量为10TBIT/S光纤传输实验。光纤通信系统的传输容量现在己朝着TBIT/S数量级方向发展，相信在不久的将来这些高速光纤通信系统就会实用化。20世纪90年代中后期，WDM全光通信网成为引人注目的研究
11、热点，并由ITUT规范命名为光传送网OTN。OTN就是在传送网中加入光层，并在光信号域进行交叉连接和分插复用以减小交换点处电信号的处理压力，从而提高了整个网络的传输容量和数据处理能力，因此，光传送网成为下一代网络升级的备选方案之一。在当代社会，IP业务突飞猛进的增长，由于IP业务的突发性、自相似性和不对称性等特点，对于光网络的要求不断提高，当代光网络必须能够动态地按需求分配带宽从而使资源得到最优化利用要求光网络能够具有实时的流量控制工具，实施更加完善的保护和恢复功能，以及更强的互操作性和扩展性从而减少网络运行与维护的费用。综上所述，高速的社会发展需求更加智能的光网络，光网络的智能化研究也己成为
12、光通信领域的另一个研究热点以光传送网为基础的高度智能化自动光交换网络ASON成为光网络的主要研究方向。在人们对通信技术的需求的推动下，光纤通信系统继续向大容量、长距离传输的方向发展，支持大容量、长距离传输的各种技术如低噪声技术、非线性光学效应的抑制、群速度色散和偏振模色散的补偿、新型调制技术和纠错码等成为新的研究热点。12光纤通信的应用与发展趋势121光纤通信的应用在光纤信道中，既可以传输模拟信号，也可以传输数字信号，因此光纤通信系统有着广泛的应用领域，比如在通信网、广播电视网和互联网等领域，而目前郧阳师范高等专科学校8/45研究和开发的主要领域是广域网传输和光纤接入网。光纤通信的主要应用如下
13、1广域通信网，如全球通网络欧亚大陆的洲际光缆干线和横跨大西洋、太平洋的海底光缆等、国家公共干线网在我国，干线系统中有比较著名的京汉、芜湖至九江、沪宁汉干线、广南沿海工程等，至2002年3月，我国“八横八纵”格状国家光通信骨干网也己经基本建成、专用通信网包括铁路、电力、国防等部门的专用通信网等领域。2构成互联网的计算机城域网和计算机局域网，包括光纤高速传送链路本文所研究内容、光纤以太网传输等。3有线电视的干线和分配网、自动控制系统的数据传输、工业电视系统等方面。4综合业务光纤接入网，可实现电话、视频、数据等大数据量的多媒体业务综合接入核心网。综上所述，光纤通信有着非常广泛的应用领域，因此，光纤通
14、信成为了通信领域的研究热点。122光纤通信的发展趋势光纤通信从上世纪70年代起步发展至今，己经经历了四十多年的高速发展，现在无论是光纤制造技术还是光电器件制造技术都取得非常巨大的成就。从1970年的衰减为20DB/KM到现在几乎接近石英光纤的理论衰减极限值014DB/KM光纤光缆从1976年的第一个45MBIT/S到现在实时传输速率为100GBIT/S的高速光纤通信系统从1985年的多模光纤传输系统的商用化到现在先进的SDH光纤通信系统，光纤通信以不可思议的速度快速发展起来，并成为通信领域不可缺少的组成部分。虽然光纤通信己经取得了很大的成就，但光纤通信还有着更大的发展潜力。据分析，目前的光纤通
15、信仅发挥了其自身能力的12，因此，光纤通信还具有很大的潜力可挖，还需要科学工作者付出加倍的努力进行研究。根据现阶段光纤通信的发展现状，光纤通信未来的发展趋势可总结为以下几个主要方面1光复用技术。包括光时分复用技术、光波分复用技术、光码分复用技术、郧阳师范高等专科学校9/45光副载波复用技术、光偏振模复用技术等，其中以光波分复用技术最为成熟且研究所取得成果最多，一些光波分复用通信系统己经研制成功并己商用化光偏振模复用技术是最近这几年兴起，有效提高通信系统传输速率的又一复用技术。2相干光通信。由于最先应用的光纤通信系统主要采用强度调制一直接检波的方式，虽然这种系统实现比较简单，但这种系统的传输质量
16、相对较差、带宽利用率低。因此，传输质量好、带宽利用率高、实现相对复杂的相干光通信成为了新的研究方向。3光孤子通信。光孤子的概念产生于1973，由HASEGAWA发现，随后和TAPPERT一起从理论上证明了其在光纤中可以保形传输，因此，研究者开始设想将这一特性应用于光纤通信的传输。由于光孤子通信显示出的巨大潜力，目前己经成为一种新型光纤通信，并作为长距离越洋传输的一种实现方案。4光集成技术。类似于电信号域的电子集成电路，把各种光器件如光源器件、光检测器件、光滤波器件、光栅等集成到一块光器件之上，构成一种可以完成多种功能的光器件。5全光通信网。全光网络ALLOPTICALNETWORKS,AON是
17、指数据信息流在网络中的传输和交换全部在光信号域完成，这样就可以克服电子器件的传输速率上的“瓶颈”，从而极大地提高光通信网的处理效率。13OOFDM通信系统发展简述在过去20年中，光纤通信系统的传输能力增加了超过三个数量级，由最初的45MBIT/S到现在的40GB/S,100GB/S，传输距离由最初的10千米到现在的8000甚至10000千米，从而使城域网和广域网的数据传输成本逐渐降低。超过10GB/S光纤通信系统采用普通的调制方式己经很难实现，因此一些光复用技术的产生使的高速光纤通信系统的实现成为现实。光复用技术包括光波分复用技术WDM、光正交频分复用技术OFDM,光时分复用技术OTDM、光副
18、载波复用技术OSCM、光码分复用技术OCDM等，其中光波分复用技术是目前研究最多、发展最快、应用最为广泛的光复用技术。光正交频分复用技术作为最近十年兴起的光纤通信技术的新领域，有着很好的发展郧阳师范高等专科学校10/45前景。光波分复用技术是在发送端将不同波长的光信号通过特殊的光电器件生成，然后再通过光电器件祸合到光缆线路中上的同一根光纤中进行传输在接收端，再通过直接检测或者相干检测接收光信号，并将不同波长的光信号分开，进一步处理恢复出原始信号进行处理。当光载波间隔比较大时，用波长衡量比较方便，一般称之为波峰复用而当光载波间隔比较小时，波长数值差别很小，用波长来衡量就非常不方便了，所以用频率来
19、衡量，习惯上称为频分复用2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，它的基本思想是将高速的数据信号分成多路低速并行数据信号，并且调制到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，光信号在光纤中传输的一些特性如色度色散、偏振模色散等，严重限制了高速数据信号的传输距离。通过理论研究学者发现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，即频率成分的光波由于色散作用的影响而具有不同的传播速度，而无线信道中的多径效应则是由于电磁波信号经过不同路径的反射与传播到达
20、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。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
21、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。郧阳师范高等专科学校11/45基于以上这些优点，OOFDM技术迅速发展起来。2001年，DIXON首先提到用多模光纤传输OFDM信号2005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NORTELNETWORKLIMITED的JOLLEY在2006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1X1
22、0一以下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BELLLABORATORIES,ALCATELLUCENT,THEUNIVERSITYOFMELBOURNE,KDDIR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
23、解。21基本原理211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，如郧阳师范高等专科学校13/45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
24、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
25、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
26、信系统相比，虽然有很多的优势，但其也有缺点，主要缺点如下郧阳师范高等专科学校14/45一、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
27、，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
28、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52120OFDM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郧阳师范高等专科学校15/45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
29、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
30、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100GBPS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2COOFDM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3COOFDM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
31、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。213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。这种多载波传输郧阳师范高等专科学校16/45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,DZDN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
32、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D1,DZDN，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ST可以用复数表示为下式若对ST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ST的采样数值。因此，可以先对并行数据
33、流进行郧阳师范高等专科学校17/45IDFT变换，然后再进行数模转换得到所要传输的模拟信5ST。对于IDFT运算的实现，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
34、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，进行并串转换变换为串行数据，并添加循环前缀CP以防止码间串扰通过数模转
35、换得到信道传输的多载波调制信号，至此，就完成了将各低速数据流加载的相互正交的子载波上。然后进行对OFDM电信号进行处理，再经过电光调制，将电OFDM信号加载到光波上，利用光纤通信技术的优点，可以很容易地通过光纤实现低成本、长距离传输。在信号接收端，郧阳师范高等专科学校18/45首先进行光电变换及相关电信号处理，得到原来的电OFDM基带信号，对电OFDM信号解调，得到原始的数据67。OOFDM研究的重点是超高速数字信号处理的实现、E/O和O/E转换及光纤传输问题。近几年来，OOFDM的相关研究己经取得很大的成就，但OOFDM仍处于起步阶段，OOFDM的实用化任重而道远22OOFDM通信系统研究现
36、状通过对近两年的国内外的相关论文的阅读整理，现阶段OOFDM主要处于仿真验证阶段，在国外的一些实验室己经开始相关的实验室实现实验阶段。下面将对仿真验证和实验室实现实验这两个方向分别进行讨论。2210OFDM通信系统实验室仿真实验现状近些年来，从事COOFDM光纤通信系统相关研究主要有BELLLABORATORIES,ALCATELLUCENT,THEUNIVERSITYOFMELBOURNE,KDDIR在随后的ECOC会议上，又发表了关于107GB/S的COOFDM系统的多模光纤传输的相关研究，达到了当时最高的10TB/SKM的多模光纤传输效率9。在2011和2012年的OFC会议上，该科研团
37、队又发表几篇传输速率在TB/S的高速光纤通信系统的相关论文，对DFTSPREAD离散傅里叶变换扩散、前向纠错编解码等因素进行了深入研究1011。BELLLABORATORIES,ALCATELLUCENT实验室的研究者如ROMANDISCHLER,XIANGLIU等人也进行了关于COOFDM的研究，并且搭建了更高速度的COOFDM光纤通信系统。在2009年的OFC会议上，ROMANDISCHLER等人完成了12TB/S的PDMOFDMFDM光纤通信系统的传输实验，实验中采用了多输出多输入方案并郧阳师范高等专科学校19/45结合偏振复用技术，因此很大地提高了传输速率与此同时，实验还完成了采用QP
38、SK调制的最高频谱率333BIT/S/HZ12。2010年的ECOC会议上，XIANGLIU等人成功搭建了606GB/SRGIREDUCEDGUARDINTERVALCOOFDM通信系统，并成功的进行了1600KMULAFULTRALARGEAREAFIBER传输实验13。我们不难发现，实验室仿真验证的传输速率己经达到了我们所期望的理想速度，100GBIT/S甚至TBIT/S。但我们更应该清醒的认识到，实验室是在理想的状态下进行仿真验证，并没有去考虑在实现的过程中的一些瓶颈因素，如电信号的数字信号处理的实现，以及数字信号处理完成后的数模转换D/A转换问题。因此，对于现阶段的实验条件下，上述传输
39、速率的COOFDM光纤通信系统的实现基本上是不可能完成的任务。实验室的实验尚有很长一段路要走，而对于大规模的商业化道路更是任重而道远。2220OFDM通信系统的实验室实现现状经过了几年的理论研究与仿真验证之后，越来越多的学者开始把目光投向实验室的硬件实现以及未来的商用化道路上。但局限于实验室仪器及元器件的条件限制，相关的实验并不是很多，从2009年开始，一些国外的大学和研究机构才开始进行相关的实时实验。目前，进行OOFDM实时实现实验的只有BANGORUNIVERSITY,BELLALCATEL_LUCENT,THEUNIVERSITYOFMELBOURNE,COLLEGELONDON,NEC
40、LABORATORIESAMERICA、慕尼黑理工大学等为数不多的大学和科研机构。2009年3月的OFC会议上，第一次出现了关于COOFDM的接收机的实验室实时实验，该实验就是由THEUNIVERSITYOFMELBOURNE的SIMINCHEN等人完成，该实验实现了传输速率为1SSGB/SQPSK和31GB/S16QAM的COOFDM光纤通信系统接收机的实时接收。随后，该团队又完成了333GB/SQPSK和667GB/S16QAM的COOFDM光纤通信系统接收机的实时接收任务，该光纤通信系统为当时世界上第一个采用偏振复用技术的光纤通信系统。以RPGIDDINGS,XQJIN等人为代表的BAN
41、GORUNIVERSITY进行的相关实验最多，传输速度在25W1125GB/S，且对发送端和接收端都进行了实验，完成了TRANSCEIVER发送接收机的实现。2009年9月，该研究团队在OPTICSEXPRESS发表了第一篇关于OOFDM通信系统TRANSCEIVER的实现，该实现采用了强度调制直郧阳师范高等专科学校20/45接检测方式，成功完成了传输速度为3GB/S、传输距离为500米的多模光纤传输实验，并且误码率在33X10”以下。完成传输任务的同时，并成为世界上最先对系统进行实时优化、信道估计等任务的实验14。截止目前2012年S月，该团队在ECOC,OFC,OPTICSEXPRESS上
42、又发表了传输速率为15GB/S,525GB/S,6GB/S,75GB/S,1125GB/S等不同传输速率的TRANSCEIVER的实现，并进行了单模光纤和多模光纤传输等不同传输方式的实验ISIS。最近这两年，该团队以传输速率为1125GB/S的高速光纤系统为平台，对高速光纤通信系统中的同步、频谱利用率及传输性能优化进行了相关研究，并发表了若干篇论文I9ZI。但这些实验都是采用强度调制、直接检测的方式，因此传输速率和系统的性能都会有一定的限制且数字信号处理模块中IFFTFFT变换采用了32点，虽然在FPGA上实现比较容易，但传输过程中子载波个数较少，将会限制传输速度上的进一步提升。作为光纤通信系
43、统领域研究的最强力量，以QIYANG,FREDBUCHALI等人为代表的BELLALCATELLUCENT实验室也进行了OOFDM的实现方面的研究。2009年的OFC会议上，QIYANG等人发表了了一篇关于36GB/S的COOFDM光纤通信系统的论文。该光纤通信系统中，接收端基于FPGA实现，完成了符号同步及实时接收等任务同时，该接收机可以进行扩展，通过该接收机实现了54GB/S的多频带MULTIBANDCOOFDM光纤通信系统的接收任务，误码率只有22。在2010年OFC会议上，FREDBUCHALI,ROMANDISCHLER等人发表了关于成功完成了传输速率121GB/S的发送端的实现实验
44、的论文，该发送端为当时传输速率最高的发送端。在实验中，他们对整个通信系统进行了优化，使传输误码率在以下与此同时，他们还对整个系统的非线性效应进行了试验，得出了该系统不需要进行非线性效应处理的结论23。虽然BELLALCATELLUCENT实验室实时传输的相关试验比较少，但由于该实验室实验条件优越，所做实现的传输速率较高，实现的OOFDM通信系统的质量很高。在2011年的ECOC会议上，德国的慕尼黑理工大学的科研团队发表了一篇关实时传输速率为938GB/S的高速光纤通信系统实现的论文，这是迄今为止传输速率最高的实时OFDM光纤通信系统。但该系统实现时采用了多片FPGA进行信号处理，实现的传输性能
45、一般，误码率在时，光信噪比为26SDB24。郧阳师范高等专科学校21/45对于这些实时实验，无论是发射机TRANSMITTER、接收机RECEIVER、收发机TRANSCEIVER，他们实现的的方案都是由电信号完成数字信号处理和光路信道的实时传输两部分组成。在电信号的数字信号处理部分，基本上都是以FPGA作为平台进行实现，由于FPGA的数字信号处理的能力有限，单个FPGA的处理DSP运算的能力处于110GBIT/S的水平。在一些传输速率超过10GBIT/S的试验中，都是采用了一些并行模块进行处理的方式，在牺牲成本的情况下提高系统的传输速率。现阶段COOFDM的实验室实时实验并不是很多，主要局限
46、于一些电信号的数字信号处理芯片的处理能力有限以及在电信号端实现数模转换、模数转换D/A,A/D时的转换器的速率。对于电信号的处理和转换方面的瓶颈，下面将要进行详细的分析。2230OFDM通信系统的实现的制约因素分析对于OOFDM光纤通信系统，现阶段的主流实现方式如下在电信号部分完成数字信号处理，在光信号部分完成信号的光波分复用、偏振复用等联合复用方式以及光信号的光纤信道传输任务。对于光信号的处理部分，由于光信号的自的高速性因素，因此可以实现几十吉比特甚至百吉比特的处理速率，因此对于下一代高速OOFDM光纤通信系统的实现，光信号处理部分不是主要制约因素。在电信号处理部分，由于受到电子迁移速率的影
47、响，电信号处理元器件不可能达到光信号级别的处理速率。电信号处理主要分为两个部分基于FPGA的数字信号处理部分和数模转换、模数转换部分。这两部分对于高速COOFDM光纤通信系统的的实现都存在制约性因素。基于FPGA的数字信号处理部分也对高速OOFDM的实现也是制约因素，因为在IFFTFFT运算过程中存在大量的复数乘法运算，因此对于FPGA的资源提出了很大的挑战。如果想要实现高速的数字信号处理，只能采用并行流水线处理方式，相当于要把整个IFFT或FFT在单块FPGA芯片里实现。现在的FPGA资源丰富，完成256点以下的IFFT或FFT运算可以在单块FPGA资源上实现，但要完成更高点数的IFFTFF
48、T并行运算实现起来就不太现实。除了资源上的考虑之外，最重要的限制因素应该是FPGA的接口处理，即信号的输入输出实现。比如完成10GBIT/S的IFFTFFT运算，采用16QAM调制，64子载波传输，则需要完成64郧阳师范高等专科学校22/45点的IFFTFFT运算。以10GBIT/S的OOFDM通信系统为例，首先采用多路复用器将信C7分成64路，则每路为15625MBIT/S，然后进行16QAM调制，每路为信号变为3906MSIGNAL/S。完成IFFT运算后，我们采用8BIT量化，最后送出的信号为64X3906MSIGNAL/SX8X240GBIT/S。对于这个速率的信号，我们现有的FPGA
49、接口可以实现，但是要想实现更高的传输速率，从FPGA接口的输出到D/A转换器这一过程的接口问题处理可能就会变得比较关键。在电信号完成IFFT运算后，将要送入D/A转换器，将数字信号变为模拟信号，然后再送入激光调制器进行调制。而现在的D/A,A/D转换器的速率可能是制约高速COOFDM最主要的因素。据目前了解，商用最高速率的D/A转换器为美信的MAX5881芯片，最高转换速率可以达到43GS/S。还以上面的10GBIT/S的传输速率为例，则3906MSIGNAL/S的变换后输出信号加上循环前缀后，将变为3906MSIGNAL/S64163125GSIGNAL/S，因此，在这个过程当中需要3125GS/S的D/A转换器，而在现阶段的D/A转换器可以满足要求。与此同时，在一些相关论文里提到了可以达到30GS/S的6BIT数模转换器，但其为一电路结构，较为复杂，量化精度偏低，且没有商用化。由上面的分析可以发现，数模转换器作为OOFDM的关键部分，当其速度满足不了OOFDM的发展需求时，必将成为制约OOFDM发展的瓶颈。由上面的分析可知，10GBIT/S20GBIT/S的OOFDM光纤通信系统在现有条件下完全可以实现，但其成本相对较高，且通信系统的性能还有待验证，目前为止，和其他的高速光纤通信系统相比，还没有体现出优势。本论文对OOFDM光纤通信系统的实现进行了相关的研究，并对实现过程中
