光纤通信的架构光纤通信系统组成框图

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数据大侠客 2024-01-14 14:52:27

文章标签 光纤通信的架构通信光纤通信 OFDM CO-OFDM 文章分类 架构后端开发

光纤通信系统组成总结及相干光通信基础

第一次写博客，主要想总结一下如何将光纤通信中的重要硬件组成和软件实现相结合，还有相干光通信的一些概念。主要包括光纤通信系统的主要组成，如何用MATLAB对信号的产生和接收进行模拟，CO-OFDM系统setup和DSP的模块组成。主要目的为总结和复习基础知识，有错误欢迎各位大佬进行指正。

光纤通信系统基本组成

三个低损耗窗口和损耗值：850nm 3db/km; 1310nm 0.4db/km; 1550nm 0.2db/km

（一）光发送机
光发送机是实现电-光转换的设备。组成部分包括光源、驱动器和调制器。
主要工作过程为将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。
（二）光接收机
光收信机是实现光-电转换的设备。组成部分包括光检测器和光放大器。
主要工作过程为将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，然后，再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的数字信号处理（DSP）模块。
（三）光学信道
光学信道指光纤或者光缆，是光信号传输的载体。
（四）中继器
主要指中继放大器EDFA等。作用为将经过一段光纤线路传输后产生失真的光信号进行放大及再生后送入下一段光纤中传送从而延长光信号传输距离。
（五）其余无源器件
主要指光纤连接器，耦合器等。要注意这些无源器件产生的功率损耗。

光发送机和光接收机的结构

光发送机

与数字通信系统不同的是，光纤通信系统的光发送机调制器输出的信号为数字信号，经过D-A转换后转换成可以进入MZM（Mach-Zehnder Modulator）电信号。
MZM电光调制器的工作原理为输入的光载波（Optical Carrier）经过Y分支后变为两路，由于两臂所加电压不同，导致两臂由Pocket效应引入的折射率变化不同，再经过一个Y分支将信号合为一路输出。输出的光功率可以由两臂的电压共同控制。

DAC抽样过程在MATLAB中实现非常简单：

//DAC抽样
T=0.0005;
t=-0.01:T:0.01;
fs=2e3;                %抽样频率
sdt=1/fs;
t1=-0.01:sdt:0.01;
xt=cos(2*pi*30*t)+sin(2*pi*120*t);      %原始信号
st=cos(2*pi*30*t1)+sin(2*pi*120*t1);    %抽样信号
max = max(abs(st));

光接收机

上图为数字相干接收机（digital coherent receiver）的基本结构。
在数字相干接收机中共有四个主要的子系统：光学前端Optical front end，ADC，数字解调器和外部接收机。

子系统	主要功能
光学前端	将光域信号线性映射为电信号，便于接下来处理
ADC	以采样率从连续电信号转换成一组离散数字量化信号
数字解调器	对离散数字信号进行解调，转化成以符号率输出的一组信号（converts the digital samples into a set of signals at the symbol rate.）
外部接收机	将解调信号进行解码，包括纠错，从而尽可能降低误码率

ADC的步骤：
1.采样：将连续信号变为离散信号
2.量化：将离散化后的模拟信号有限值集的数字信号

下面为ADC量化的实现程序：

// ADC量化
bit=5;
range=2^5;
interval=(a*2)/(range-1);
partition = [-a:interval:a];
interval2 = (a*2)/(range)
codebook=[-a:interval2:a];
[index quantized]= quantiz(x1,partition,codebook);
figure;
plot(T,x1,'x',T,quantized,'.');
legend('Original signal','Quantized signal');
title('量化后的信号');
quantized_ten=quantized./0.0625;                     %将量化后的信号转换成[-16.16]中的整数

光纤通信的受限条件(也是优化方向)

限制光纤通信的两大特性是：损耗和色散。
- 损耗：光在光纤中传输，随着传输距离的增加，光功率逐渐减小的现象。有三种损耗，分别是散射损耗、吸收损耗、弯曲损耗。光纤损耗直接影响传输距离。中继放大器EDFA可用于放大再生光信号，从而延长传输距离。
- 色散：色散是由于光波中的不同频率分量以不同的速度传输而产生不同的时间延迟的一种物理效应。有模式色散（多模光纤），波导色散、材料色散三种（其中波导色散&材料色散合称为色度色散（单模光纤））。影响传输容量。

相干光通信和CO-OFDM原理

相干光通信的优势：

由于充分利用了光信号的可调制维度（幅度、相位、偏振态）来承载数据，以相干光代替普通光源可以极大地提高频谱效率，在可用频带资源不变的情况下进一步提升单根光纤的传输容量。总结起来，相干光通信技术的主要优势有：可以使用PSK、DPSK、QAM等多种调制格式，利于灵活的工程应用；在相同的通信条件下，相干检测接受机比普通的接收机的灵敏度可提高大约20dB，进而可延长光传输系统的中继距离；相干检测具有优良的波长选择性，相干接收机可以使频分复用系统的频率间隔大大缩小，即密集波分复用（DWDM），取代传统光复用技术的大频率间隔，具有以频分复用实现更高传输速率的潜在优势。

上段摘自原文：

光纤通信的架构光纤通信系统组成框图_光纤通信

上图为CO-OFDM系统的实验设计结构图。由于相干光通信的诸多优点和OFDM系统的诸多优点，将二者结合可以有效的提高光纤通信系统的传输性能。

RF OFDM transmitter：
首先，串行的数据流通过串并转换，转换成多个并行的数据分支。并行的数据分支的数目等于载波数（包括导频载波）。之后对数据进行调制，调制方式例如PSK，QAM等。IFFT将频域的调制信号转换为时域信号。复信号的实部和虚部都用来携带信息，并在加入循环前缀之后进入DAC，并进入低通滤波器滤除无用的边带信号。

RTO up-converter：
将基带OFDM电信号转化成光域信号，使用两个MZM。原理我们上文有提到。

Optical-to-RF down-converter
在此步骤，经过了光纤的光信号与本地激光器LD2混合，从而将传输信号的频率和相位进行改变。再经过光电二极管的探测，将电信号传输到RF receiver。

RF OFDM receiver
在经过低通滤波和ADC之后，此时的数字信号将进行OFDM的典型DSP处理，主要包括五个步骤。在此只进行简要介绍，之后会再进行详细的原理解释。

OFDM的DSP步骤

1.窗同步 Window synchronization
窗口同步旨在正确定位OFDM符号的开头和结尾。DSP过程的第一步就是进行OFDM接收中的窗口同步。它的准确性会影响整体性能。若DFT窗口在OFDM信号上的不正确位置，将引起符号间干扰（ISI）和ICI。最常用的窗同步方法是Schmidl-Cox方法。在该方法中，在多个OFDM符号的开头插入由两个相同模式组成的前导码，即OFDM帧。
2.频率同步 Frequency synchronization
在无线通信中，已经提出了许多估计发射机和接收机之间的频率偏移的方法。在CO-OFDM系统中，我们使用来自窗口同步的相关关系（如相位信息）来获得频率偏移信息，从而实现频率同步。
3.离散傅里叶变换 Discrete Fourier transform
4.信道估计 Channel estimation
5.相位噪声估计 Phase noise estimation
可以使用训练符号和导频子载波在频域或时域中执行信道和相位噪声估计。