光纤通信综述

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的散射等问题，光通信一直没有重大的发展。直到20

2、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0.1510.2dB/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

3、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，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

4、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1

5、0Gb/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(256×42.7Gb/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/s·km的传输。该系统经过3600km传输后，所有信道的Q参数大于9.2dB，比BER为10-12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

6、也进行了3.2Tb/s(80×40Gb/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”、“2011-2012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

7、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

8、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

9、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。

10、 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

11、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 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

12、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。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Graham H

13、. 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等人提出利用全光Hilbert变换器产生单边带调制

14、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

15、半导体光放大器后面，用滤波器将其滤除。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x(n)的希尔伯特变换为x(n)，则x(n)可以认为是x(n)通过单位抽样相应为h(n)滤波器的输出。根据连续时间信号的希尔伯特变换定义为xn=1-x()t-d=xt*1t

16、(2.1)x(n)可以认为是x(n)通过一个滤波器的输出，该滤波器单位冲击响应为ht=1t。由傅立叶的理论可知，jht=jt的傅立叶变换是符号函数sgn()，所以可以得出离散时间信号的频率响应函数Hej=-j, 0<< j, -<<0 (2.2)通过傅立叶你变换可以得到H(n)=0, &n为偶数2n, n为奇数 (2.3)然后可以有xn=xn*hn=2m=-x(n-2m-1)2m+1 (2.4)得到xn后，就可以构造解析信号了zn=xn+jxn (2.5)信号xn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xn与xn是相互正交的。DDO-FOFDM

17、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

18、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 193.1THzMZM调制电压2 3V激光线宽 10MHzMZM偏置电压1 -8V激光输出功率 1dBmMZM偏置电压2 8V激光初始相角