高速光纤OFDM通信系统设计和研究

顾志华

【摘要】 本文以高速光纤通信系统的OFDM通信系统（光正交频分复用通信系统）为研究对象，通过总结OEDM系统的研究现状，并对该通信系统的设计方案、仿真模型和设计及其实现过程中的各个环节的分析，力图探索出相对完善的高速光正交频分复用通信系统实现方案，推动我高速通信系统的研究和发展。

【关键词】 光纤通信 通信系统 光正交频分复用

一、光正交频分复用通信系统研究现状

（1）光复用技术的运用。普通光纤通信系统的调制技术很难满足，光复用技术在建设高速光纤通信系统中研究发展起来，例如WDM技术、OFDM技术和OTDM技术等，其中OFDM调制技术因为其在频谱效率、运算效率、设计的灵活程度上以及信道和相位估计的容易度上特有的优势，而迅速被科研人员开发出来。

（2）OFDM技术的潜力巨大。光正交频分复用光纤通信系统采用了高效的FFT（傅里叶变化）算法、利用子载波和子带信号进行调制、利用训练子载波或训练符号来进行相位和信道估计，因此技术有系列的独特优点，目前OFDM技术虽然是热点领域但是还没有完全体现出其巨大优势，需要科研人员进一步研发努力。

二、OFDM光纤通信系统基本原理

（1）光纤通信系统基本原理。光纤通信系统一般指的是以光纤为传播途径，光信号作为数据载体的信息通信系统。与一般的通信系统一样主要由信号发射端、数据传输信道以及信号接收端三部分组成。光纤通信系统一般有传输数据量大、传输距离远、信号损耗小且才建设成本相对低等优点。但也有拉抗强度低、光纤连接技术和设备要求高、怕水并且分路和耦合不太方便等缺点。但是仍然比以前的电信号通信系统亚有质的优势。一般的判断光纤通信系统性能主要有三个指标“误码性能、抖动性能和漂移性能，只有平衡考虑三大主要指标才能设计出性能完备的光纤通信系统。

（2）OFDM通信系统原理。基本原理和通信系统原理基本相同，但是OFDM系统提升了数据传输质量。OFDM技术在这一过程中利用了数字信号处理技术，通过将需要发送的单信道高速信号数据转换成多径传输的低速信号，并调制为一组正交子载波，然后进行数据传输，该调制技术可以有效降低无线信道数据传输的损耗，且提高了全网通信系统的频谱利用率。例如，数据信号d经过串行并换以后化为不同的d1到dn多径传输低速信号流，随后低速信号流经过专门处理的子载波信道进行传输，信号再次逆多径并串转换重新恢复为D数据信号流。信号数据在处理过程中会用到类似数字信号的IDFT变换的FFT变换（快速离散傅里叶变换）。S（t）=dn·exp（j·2π·fn·t）， S（t）为模拟信号，N为抽样的分路信号，t为时间间隔。

在经过转换后的信号数据D只与原来的d信号数据相差一个常数因子倍数，因此在OFDM系统可以向将数据进行编码，利用数字调制将数据进行串并转换为多径信号，经过IFFT转换后加CP完成數模转换，信号在模数转换后去CP和FFT转换，通过逆多径信号传输，经过数字解调完成解码，最终实现数据传输。

（3）制约OFDM光纤通信系统的发展因素。第一，电信号处理器元件的制约，在电信号处理上因为电子迁移有迁移速率限制，因此电信号处理元器件理论上达不到光信号传输要求的处理速率。因此涉及到数模转换环节时，电信号处理的限制会制约OFDM系统的实现。第二，数字信号处理的制约。在IFFT—FFT并串相互转换运算相对复杂，要求有相应的FPGA硬件资源的配置，尤其是D/A转换器和接口处理器的配置要求较高。如果要达到数字信号的高速处理需求，必须采用流水线的并行处理方案，因此整个转换运算必须集中在同一块FPGA芯片上，然而目前的FPGA配置智能实现256点以内的IFFT运算。除此之外，FPGA的运算接口也有限制因素，例如完成每秒传输10G比特的运算，利用64子载波数据传输和16-QAM数据调制，需要64点的IFFT到FFT的运算，如果进一步将64路信号重复上述IFFT运算则会成倍扩大运算负担，因此要想实现更高速的传输速率，FPGA信号输出输入环节需要打破存在的运算限制。

三、结语

高速光纤OFDM通信系统因其频谱效率、运算效率、设计的灵活程度上以及信道和相位估计的容易度的优势而成为了未来的系统的希望，也面临着更高的信号处理器元件和更完善的硬件资源的配置的限制，笔者希望OFDM引领的光纤通信系统在科研人员的努力之中最终建构起来。