光纤通信综述要点.pdf

《光纤通信综述要点.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光纤通信综述要点.pdf（14页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、一、 概述 随着社会信息技术的发展,3G 网络的实施 ,4G 网络的开发与研 究,IPTV 三网融合、物联网等的实施和提出 , 对现有的网络提出了革命性 的要求 , 人类对于信号传输带宽的需求一直在以惊人的速度增长。移动 性、无线化、数字化和宽带化是当今信息业发展的趋势, 超高速、超大 容量成为信息传送追求的主要目标。 光纤通信 (Optical Fiber Communications)技术是利用光波作为载 波来传递信息的技术。当今，光纤以其传输频带宽、抗干扰性高和信号 衰减小，而远优于电缆、微波通信的传输，已成为世界通信中主要传输 方式。 在 20 世纪 60 年代初期，由于人们无法解决光

2、的散射等问题，光通 信一直没有重大的发展。直到20世纪 60 年代中期，情况才发生改变， 而改变这一现状的正是一位中国人-高锟。 1966年，高锟发表了关于通 信传输新介质的论文， 提出可以利用光导纤维进行信息传输的可能性和 技术途径， 这才奠定了光通信的基础。 1970年，美国康宁公司按照高锟 的思路造出了损耗为20dB/km的石英光纤， 使得光纤的研制取得重大突 破。1972 年，该公司生产的高纯石英多模光纤的损耗下降到4dB/km。 到了 20 世纪 80 年代初，单模光纤在波长1.55um的损耗已经下降到 0.2dB/km， 而目前 G.654光纤在 1.55um波长附近损耗仅 0.1

3、510.2dB/km ， 接近光纤的理论极限。由于高锟在开创光纤通信历史上的卓越贡献， 2009 年 10 月 6 日被授予了诺贝尔物理学奖。 光纤通信 (Optical Fiber Communications)技术是利用光波作为载 波来传递信息的技术。当今，光纤以其传输频带宽、抗干扰性高和信号 衰减小，而远优于电缆、微波通信的传输，已成为世界通信中主要传输 方式。 在 20 世纪 60 年代初期，由于人们无法解决光的散射等问题，光通 信一直没有重大的发展。直到20世纪 60 年代中期，情况才发生改变， 而改变这一现状的正是一位中国人-高锟。 1966年，高锟发表了关于通 信传输新介质的论文

4、， 提出可以利用光导纤维进行信息传输的可能性和 技术途径， 这才奠定了光通信的基础。 1970年，美国康宁公司按照高锟 的思路造出了损耗为20dB/km的石英光纤， 使得光纤的研制取得重大突 破。1972 年，该公司生产的高纯石英多模光纤的损耗下降到4dB/km。 到了 20 世纪 80 年代初，单模光纤在波长1.55um的损耗已经下降到 0.2dB/km， 而目前 G.654光纤在 1.55um波长附近损耗仅 0.1510.2dB/km ， 接近光纤的理论极限。由于高锟在开创光纤通信历史上的卓越贡献， 2009 年 10 月 6 日被授予了诺贝尔物理学奖。 目前，随着数据业务的爆炸性增长，通

5、信道路越来越拥挤，光通信 将成为唯一的出路。 因此，现在世界上所有新建的通信干线均采用光纤。 波分复用 (WDM) 系统也在海底光缆系统上使用，Tyco 全球网大西洋部分 有对光纤，目标容量为每对光纤传输64 个 10Gb/s WDM 信道。2002年阿 尔卡特在 C波段和 L 波段成功进行了 10.2Tb/s(25642.7Gb/s) 距离为 3 100km的传输实验。根据OFC2009 年报道， NTT 2007 年演示了一个线 路容量为 10Tb/s 的系统NThB1，该系统采用 DWDM 的 DQPSK 调制，每 个信道数据速率为111Gb/s，实现了 48pb/skm的传输。该系统经

6、过 3600km传输后，所有信道的Q参数大于 9.2dB，比 BER为要求的 9.1dB 还要好。 我国的光通信技术研究大概从1974年。并在进入 80年代后，我国 的光纤通信的关键技术开始达到国际先进水平。烽火通信于2005 年也 进行了 3.2Tb/s(8040Gb/s) DWDM的 800km传输实验，引领我国光通信 技术的发展。另外，国内的华为，中兴等通信领域的重头在近年来开始 大范围的光通信技术的研发实验，使得我国光通信技术更是站上时代的 前沿。在近日举行的“ 2012 年中国光通信发展与竞争力论坛”上，华为 一举获得了“ 2012 年中国光通信最杰出企业大奖” 、 “2011-20

7、12 年度全 球光传输与网络接入设备最具竞争力企业10 强” 、 “2011-2012 年度中国光通信最具综合竞争力企业10 强” 、 “2011-2012 年度中国光传输与网络接入设备最具竞争力企业10强” 、 “2011-2012 年度中国光通信市场最具品牌竞争力企业10 强”五项大 奖。这再次突显了我国通信传统强军在全球光通信市场中所占据的主导 地位。 FOFDM, 其不同于传统的ofdm，只需用传统 ofdm一半的带宽，通常 fofdm 系统的搭建，要用到dft 或者 dct 。本系统中我们采用的是dct 调制。 DDO-FOFDM 系统 常规的强度调制和直接检测的光FOFDM 长距离

8、基带传输系统的原 理框图如下图所示。该系统中主要分为五个部分： FOFDM 信号产生模块、 光发送模块、光纤链路模块、光接收模块和OFDM 信号处理模块。伪随 机比特序列， 即需要发送的信息比特， 进行串并转换并实现相应的ASK 和 BPSK 调制，对子载波进行反离散余弦变换，紧接着对信号进行并串 转换和添加循环前缀， 最后经数模转换器转换为模拟电FOFDM 信号, 循 环前缀则能消除符号间干扰。 在光发射端， 生成的基带电 OFDM 信号经过一个光马赫曾德尔强度 调制器（ MZM ）被直接调制加载到光载波上，产生基带的光载OFDM 信 号，然后经过一个功率放大器放大后由光纤传输至光接收端。在

9、接收 端，光电二极管将接收到的光信号检测并转换成模拟的基带电FOFDM 信号，经由低通滤波后，信号被模数转换器转换为数字FOFDM 信号。 最后通过数字信号处理模块，对接收的数字信号进行FOFDM 解调。其 中，OFDM 解调主要包括：移除循环前缀、串并转换、离散余弦变换、 均衡、 ASK或 BPSK解调、并串转换，得到传输的信息比特，并完成信 息比特的误码分析。 单边带调制 单边带调制， 是一种可以更加有效的利用电能和带宽的调幅技术。 单边带调制根据调制信号的频谱样式可分为以下三类，如图 2.1 所示。 第一类是原型单边带 : 这种调制方法在传输消息时只利用了其中一个 边带；第二类是残留单边

10、带：该类调制方法在发送一个边带的同时， 还会发送另外一个边带小部分信号。第三类是独立边带：该方法的做 法是系统依然发送两个边带，但是这两个边带会被调制不同信息。单 边带调制从载频发送电平的大小的角度划分又分为三类。第一类为载 频全抑制制 : 只发送边带信号，不发送载频信号。第二类为导频制：除 了发送边带信号外，还发送一个低电平的载频信号作“导频”用。第 三类为兼容单边带制：即载频电平全发送的原型单边带。 单边带调制和解调的方法有多种，其中最常用的是滤波法。用滤 波法实现单边带调制，是分双边带信号形成和无用边带抑制两步完成 的。双边带信号由平衡调制器形成。由于调制器的平衡作用，载频电 平被抑制到

11、很低。对无用边带的抑制，是由紧跟在平衡调制器后面的 边带滤波器完成的。当需要形成多路独立边带信号时，就需要有相应 数目的单边带信号产生器，它们具有不同的载频和不同中心频率的边 带滤波器。然后把这些占有不同频段的单边带信号线性相加，便可得 到多路独立边带信号。单边带信号的解调，除了载频全发送的兼容单 边带和残留单边带可以用包络检波外，其他各类单边带的解调只能用 单边带产生的相反过程来完成，即仍用平衡调制器完成单边带信号频 谱向基带的平移，并通过紧跟在调制器后面的低通滤波器，提取有用 的基带信号，抑制无用的边带信号。 光单边带调制 光通信系统中传统的调制技术一般是产生光双边带信号(Optical

12、Double Sideband ，ODSB) ，这占用了较大的光纤带宽且容易受到光纤 色散的限制。因此，在后来的研究中，单边带调制技术在光通信得到 了人们的重视。相对于双边带调制，光单边带(Optical Single Sideband， OSSB)调制的优势主要体现在以下几点。 (1) OSSB 调制格式延长了色散限制的传输距离，使得频带的利用 率在双边带调制格式的基础上有了很大的提高，达到一倍之多，这大 大增加了系统容量。 (2) OSSB 调制的检测相对简单，可以使用直接或者自差的探测方 法，频谱上没有回叠现象的产生，保留了大部分的相位信息。而这是 双边带调制做不到的。 (3) OSSB

13、 的调制方法对系统的器件的噪声指数会有所缓和。 产生单边带信号最常用的方法如之前所陈述，即是滤波法。当然 还有另外一种实现单边带调制的方法，即移相法。该方法的主要思想 是对双边带信号的时域波形进行希尔伯特变换。它通过对周期信号引 入以移相网络加以实现。其原理如图2.1 所示。 a. 原型单边带c. 独立单边带b. 残留单边带 d. 载频全抑制制e. 导频制 f. 兼容单边带 fcfcfc fcfcfc 图 2.1 单边带调制频谱图 当前有很多研究都放在了光单边带调制上，也提出了很多具体的 方案，其中最为典型的可以归纳为以下三种。 第一种移相法实现。最早提出使用移相法实现光单边带调制的是 Gra

14、ham H. Smith 等人，他们应用双臂的马赫曾德尔强度调制器成功实 现了单边带调制。该方案的本质其实是在电域内利用希尔伯特变换实 现光单边带调制。总的来说，利用双臂马赫曾德尔强度调制器实现光 单边带调制是通过RF信号在双臂的混合耦合实现的。此方案中，由于 混合耦合的两个电信号经历不同的路径，长度不同，延时不同，很难 实现理想的 90 度相移，所以边带的抑制效果并不明显。后来也有文献 提出了在双臂集成上做文章，通过改变电极的结构实现，但这实现起 来较为困难。 2001 年，A. Loayssa 等人又提出利用单臂马赫曾德尔调 制器实现单边带的方法。 2002年， K. Tanaka等人提出

15、利用全光 Hilbert 变换器产生单边带调制的高速宽带系统。 第二种是滤波法实现。以光纤布拉格光栅(FBG)、阵列波导光栅 (Array Waveguide Grating)等元件作为光滤波器滤掉一个边带形成单 边带信号， 1997年 J. Park首次提出利用光栅滤波法实现单边带调制 42 ，FBG作为陷波滤波器滤除一个边带，可达到 22dB的边带抑制比。 2005年， J. Capmany 等人提出了利用连续放置串联的两个同样的FBG 光栅阵列来产生高质量单边带信号的方法，使得边带产生效率有了极 大的提高。 第三种是通过非线性实现。该方法利用半导体光放大器中的自相 位调制和交叉相位调制效

16、应来产生单边带。这一方案中电吸收调制光 源的光波长与信号光的波长是不相同的，在半导体光放大器后面，用 滤波器将其滤除。 -90度 -90度 输入信号 +输出上边带信号 -输出下边带信号 图 2.2 相移法产生单边带信号原理图 兼容单边带调制原理 希尔伯特变换 希尔伯特变换是信号分析与信号处理中的重要理论工具与依据， 在通信理论中一般用来构造解析信号。本文研究的兼容单边带系统模 型的构建的基础也正是希尔伯特变换。希尔伯特变换可以提供90 度的 相位变化但是不影响频谱分量的幅度，即，对一个信号实施希尔伯特 变换仅只是对该信号进行了正交移相，使得它成为自身的正交对45 。 假设一个离散时间信号的希尔

17、伯特变换为，则可以认为是 通过单位抽样相应为滤波器的输出。根据连续时间信号的希尔 伯特变换定义为 (2.1) 可以认为是通过一个滤波器的输出，该滤波器单位冲击响 应为。由傅立叶的理论可知，的傅立叶变换是符号函 数，所以可以得出离散时间信号的频率响应函数 (2.2) 通过傅立叶你变换可以得到 (2.3) 然后可以有 (2.4) 得到后，就可以构造解析信号了 (2.5) 信号在经希尔伯特变换后， 信号的频谱不发生变化， 相位是连 续的，且与是相互正交的。 DDO-FOFDM单边带系统的搭建 传统的单边带调制方法，滤波法要增加保护间隔，造成了带宽的浪 费，兼容单边带会由于其具有较大的交调干扰，我们在

18、此系统中也不采 用。 我们通过对 fofdm 信号进行一系列如下的变换， 降低信号的电压幅 值，再经过希尔伯特变换，通过光IQ 调制器，可以很好的实现光 DDO-FOFDM系统的搭建。如下图。 S1(t)=1+S0(t)/max(|S0(t)|); SB(t)=sqrt(S1(t) SBC(t)=HlnSB(t) 注： S0(t) 为初始生成的 Fofdm信号 本系统中的 OFDM 调制和 OFDM 解调均由 Matlab 程序实现。光信号 的调制，光路传输以及光电检测均由Optisystem 实现。数据经过BPSK 映射被加载到 192 个数据子载波上。然后再加上64 个用于过采样的空 的子

19、载波，总共是256 个子载波。在经过IDCT变换后，到时域中加上 循环前缀后就形成了一个FOFDM 符号。本仿真中共使用1 个 OFDM 训练 符号和 32 个数据 OFDM 符号。仿真中电 OFDM 信号的带宽为 4.8Gb/s 。连 续光波由连续波长激光器产生， 频率为 193.1THz， 线宽为 10MHz 。 电 OFDM 信号产生后加在 IQ 调制器上，以此产生光OFDM 信号。该信号的光谱如 图 4.3 所示，其中心频率为 193.1THz，中间功率最高的为光载波， 两边 的为 FOFDM 副载波，从下图中很明显可以看到作为单边带调制，其中的 一个边带已经被抑制掉了。仿真中，光信号

20、经过160km SSMF 传输以后， 经过一个 VOA(Variable Optical Attenuation)来控制接收功率。在经 过光电检测器后，再通过一个预放大器来调控电信号的功率，然后通过 一个带宽为 4.8G 的低通滤波器滤除带外干扰就可以进行采样处理了。 DDO-FOFDM 单边带光谱图 DDO-FOFDM 系统仿真器件参数表 参数参数值参数参数值 激光频率193.1THz MZM 调制电压2 3V 激光线宽10MHz MZM 偏置电压1 -8V 激光输出功率1dBm MZM 偏置电压2 8V 激光初始相角0 光纤衰减0.2dB/km MZM 消光比100dB 光纤色散16.75ps/nm/km MZM 插入损耗5dB 光纤色散斜率0.075ps/nm 2/km MZM 交换偏置电压16V PD 灵敏度1A/W MZM 交换射频电压16V PD 暗电流10nA MZM 调制电压1 3V 电 DDO-FOFDM单边带信号传输的频谱图 DDO-FOFDM 单边带 Btb 传输接收端的解调信号 DDO-FOFDM 双边带光谱图 电 DDO-FOFDM双边带信号传输的频谱图 DDO-FOFDM 双边带 Btb 传输接收端的解调信号 通过曲线图的比较，我们可以明显看出，单边带 DDO-FOFDM 的性能要明显优于双边带DDO-FOFDM 的。