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为什么OFDM要用于光传输之中呢？有什么好处？需要处理哪些关键技术？

2024-12-04 19:13:35

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回答1：

1.1 OFDM 1.1.1 OFDM背景 OFDM(正交频分复用)的概念于20世纪50～60年代提出，1970年OFDM的专利被发表，其基本思想通过采用允许子信道频谱重叠，但相互间又不影响的频分复用（FDM）方法来并行传送数据。该技术由于其频谱利用率高、抗多径干扰等特点，在国际上受到了广泛的关注。1971年Weinstein和Ebert提出了使用离散傅立叶变换实现OFDM系统中的全部调制和解调功能的建议，简化了系统的调制解调，为实现OFDM的全数字化方案作了理论上的准备。80年代以后，OFDM的调制技术再一次成为研究热点。如在有线信道的研究中，Hirosaki于1981年用离散傅里叶变换（DFT）完成的OFDM调制技术，试验成功了16QAM多路并行传送19.2kbit/s的电话线MODEM。随着技术的成熟和成本的下降，OFDM已被广泛的应于地面数字音视频广播（DAB、DVB-T）、非对称的数据用户环路(asymmetric DSL)、而且已经成为无线局域网标准(如IEEE802.11a/g /n,WiFi)和3G标准（WiMAX)的一部分并且很多专家都预计在4G标准中OFDM将是核心技术。近年来，随着光通信系统向长距离大容量方向发展，很多科研机构和大学开始把目光转向相干光通信系统。由于相干光探测技术有着很高的探测灵敏度，系统有很长的传输距离。而且相干光通信系统在理论上可以对很多线性失真都可以完全补偿。加上OFDM技术自有的高频谱效率和抗色散特性，于是有人提出了把正交频分复用技术应用于相干探测的光通信系统。国际上有许多研究机构和大学纷纷展开了对光OFDM技术的研究。光正交频分复用在国际上已成为光通信的研究热点。国外的主要研究小组有美国的University of Arizona、英国的Bangor University、朗讯－贝尔实验室、日本的KDDI实验室、澳大利亚的University of Monas等，这些研究组对OOFDM系统进行了探索研究，包括OOFDM中的非线性问题、性能评价、频谱效率等方面。国内有电子科技大学、吉林大学等单位对多模光纤下OOFDM的实现进行了仿真研究。 1.1.2 OFDM的基本思想正交频分复用(OFDM)技术实际上是一种特殊的多载波传输技术，它既可以看作一种调制技术，也可以看作一种复用技术。OFDM与传统的频分复用（FDM）基本原理类似，即把高速的数据流通过串并变换分配到速率相对较低的若干个频率子信道中进行传输。不同的是，OFDM技术更好地利用了控制方法，使得频谱利用率有所提高。OFDM技术的最大特点是各副载波相互正交。 OFDM载波的正交性 OFDM的这种结构并不完全同于以前说的频分复用，频分复用是用不同频率来传输信号，各个被调制的子载波的频谱不能重合，各个子载波间要加入保护间隔，这样在接收端才能正确解调。而OFDM技术中，利用了各个子载波间的正交性，各个已调制的子载波的频谱重叠在一起，当然中间没有加入保护频带。利用这种正交性，尽管频谱重叠，但仍能在接收端解调出原信号。子载波间的正交性可以通过时域和频域两方面进行讨论。从时域来看，每个子载波在一个OFDM符号周期内都包含整数倍个周期，而且各个相邻的子载波之间相差一个周期。从频域来看，就是在OFDM信号中各子载波的频谱图中，在每个子载波频率的最大值处，所有其他子信道的频谱值恰好为0。因为在对OFDM符号进行解调的过程中，需要计算这些点上所对应的每个子载波频率的最大值，所以可以从多个相互重叠的子信道符号中提取每个子信道的符号，而不会受到其他子信道的干扰。 1.1.3 OFDM系统的优缺点分析 OFDM的优点（1）将高速数据流串并转换使子载波的数据符号持续长度相对增加，从而有效的减小符号间干扰，进而减小均衡的复杂度；（2）由于各子载波之间相互正交，允许子信道的频谱相互重叠，因而相对常规的频分复用系统有非常高的频谱利用率；（3）各子信道的正交调制和解调可以分别用IDFT和DFT来实现，在子载波数很多的系统中，可以用IFFT和FFT来实现；（4）通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率，从而实现业务的非对称性传输；（5）易于和其他多种接入方法结合使用。 OFDM的缺点（1）易受频率偏差的影响；（2）较高的峰值平均功率比。 1.1.4 OFDM系统的关键技术（1）时域同步和频域同步 OFDM系统对定时和频率偏移敏感，特别是在实际应用中与FDMA、TDMA和CDMA等多址方式结合使用时，时域和频率同步显得尤为重要。（2）信道估计在OFDM系统中，信道估计器的设计主要有两个问题：一是导频信息的选择，二是复杂度较低的和导频跟踪能力较好的信道估计器的设计。在实际设计中，导频信息的选择和最佳估计器的设计通常又是相互关联的，因为估计器的性能与导频信息的传输方式有关。（3）信道编码与交织为了提高数字通信系统的性能，信道编码和交织是普遍采用的方法。对于衰落信道中的随机错误，可以采用信道编码；对于衰落信道中的突发错误，可以采用交织技术。实际应用中，通常同时采用信道编码和交织，进一步改善整个系统的性能。（4）降低峰值平均功率比由于OFDM信号在时域上表现为N个正交子载波信号的叠加，当这N个信号恰好均以峰值出现时，OFDM信号也将产生最大峰值，该峰值功率是平均功率的N倍。尽管峰值功率出现的概率较低，但是为了不失真的传输这些高PAPR的OFDM信号，发送端对高功率放大器的线性要求也很高，从而导致了发送效率极低，接收端对前端放大器以及A/D变换器的线性度要求也很高。因此，高的PAPR使得OFDM系统的性能大大下降甚至直接影响实际应用。为了解决这一问题，人们提出了基于信号畸变技术、信号扰码技术和基于信号空间扩展等降低OFDM系统的PAPR的方法。（5）均衡在一般的衰落环境下，OFDM系统中均衡不是有效改善系统性能的方法，因为均衡的实质是补偿多径信道引起的码间干扰，而OFDM技术本身已经利用了多径信道的分集特性，所以就没有必要再做均衡了。在高度散射的信道中，信道记忆长度很长，循环前缀CP的长度必须很长，才能使ISI尽量不出现。但是，CP长度过长必然导致能量的大量损失，尤其对子载波个数不是很大的系统。这时，可以考虑加均衡器以使CP的长度适当减小，即通过增加系统的复杂性来换取系统频带利用率的提高。 1.2．OOFDM 1.2.1 OOFDM的基本思想光正交频分复用（Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OOFDM）技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，各子载波并行传输。由于色散容限的平方与光纤带宽成反比，信道带宽越小，色散容限就越大，能够容忍色散的能力就强，OOFDM技术将光纤频带分成许多相互正交的子频带，这些子频带作为传输信息的子信道，从而使色散容限变高。应用OOFDM技术可以做到无色散补偿的高速光纤传输，同时对光放大器的要求又有所降低，既可以大量节省器件费用又能保管传输品质。在OOFDM系统中，接收侧可以采用相干检测或直接检测，直接检测相对相干检测，实现简单，较容易实现色散补偿，其简单的结构更易使得OOFDM系统升级到100Gb/s。所以基于直接检测的OOFDM系统（DD-OOFDM（Direct-Detection OOFDM））具有一定的发展潜力。 1.2.2 OOFDM的基本原理 OOFDM的基本原理和OFDM相似，唯一的区别就是将信号由电域的无线信道传输变为光域上的光纤信道传输，原理图如下：用户数据首先通过串并转换变成N路，N为OFDM系统中子载波的个数。这些数据对各自的子载波进行调制，调制方式可以相同或不同。然后，多路信号通过IFFT实现OFDM调制，OFDM调制后的多路信号再通过一个并串转换和一个数字模拟转换，变成直接调制（内调制）激光器的调制电流信号。在接收端，经过光纤信道传输的光OFDM信号，首先经过光电转换成电信号，模拟数字转换以后经串并转换进入FFT完成OFDM解调，恢复出每个子载波的调制信号，之后再经过相应的解调恢复出发送的数据。最后通过一个并串转换后恢复发端传来的数据流。二.PON 2.1 PON简介根据OLT（光线路终端）到各ONU（光网络单元）之间是否存在有源设备可以将光接入网分为PON（无源光网络）和AON（有源光网络）。PON(无源光网络)是指ODN(光配线网)中不含有任何电子器件，ODN全部由光分路器(Splitter)等无源器件组成，不需要贵重的有源电子设备。 PON网络的突出优点是消除了户外的有源设备，所有的信号处理功能均在交换机和用户宅内设备完成。而且这种接入方式的前期投资小，大部分资金可以等到用户真正接入时才投入。它的传输距离比有源光纤接入系统的短，覆盖的范围较小，但它造价低，无需另设机房，维护容易。因此这种结构可以经济地为居家用户服务。 PON的复杂性在于信号处理技术。在下行方向上，交换机发出的信号是按广播式发给所有的用户。在上行方向上，各ONU必须采用某种多址接入协议，如TDMA(Time Division Multiple Access)协议，才能完成共享传输通道信息访问 PON的基本组成包括OLT（光线路终端）、ODN（光分配网络）、ONU（光网络单元），其中OLT具有与交换机接口的功能，完成下行电到光、上行光到电的转换，以及分配和控制各信道的连接，对各个光电接口实施监控、提供操作、维护及管理功能；ODN的功能是在OLT和ONU之间建立光传输通道，完成光信号功率分配、波长复用等，完全由光纤无源器件组成；ONU提供与ODN之间的光接口，实现用户侧的接口功能。PON的基本结构图如下： PON的网络结构示意图就这么多了，希望采纳
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回答2：

OFDM的优势与不足
优势：OFDM存在很多技术优点见如下，在3G、4G中被运用，作为通信方面其有很多优势：
(1) OFDM技术在窄带带宽下也能够发出大量的数据,能同时分开至少1000个数字信号，而且在干扰的信号周围可以安全运行的能力将直接威胁到目前市场上已经开始流行的CDMA技术的进一步发展壮大的态势，正是由于具有了这种特殊的信号“穿透能力”使得OFDM技术深受欧洲通信营运商以及手机生产商的喜爱和欢迎，例如加利福尼亚Cisco系统公司、纽约工学院以及朗讯工学院等开始使用，在加拿大WiLAN工学院也开始使用这项技术。
(2) OFDM技术能够持续不断地监控传输介质上通信特性的突然变化，由于通信路径传送数据的能力会随时间发生变化，所以OFDM能动态地与之相适应，并且接通和切断相应的载波以保证持续地进行成功的通信.该技术可以自动地检测到传输介质下哪一个特定的载波存在高的信号衰减或干扰脉冲，然后采取合适的调制措施来使指定频率下的载波进行成功通信。
(3) OFDM技术特别适合使用在高层建筑物、居民密集和地理上突出的地方以及将信号散播的地区。高速的数据传播及数字语音广播都希望降低多径效应对信号的影响。
(4) OFDM技术的最大优点是对抗频率选择性衰落或窄带干扰。在单载波系统中，单个衰落或干扰能够导致整个通信链路失败，但是在多载波系统中，仅仅有很小一部分载波会受到干扰。对这些子信道还可以采用纠错码来进行纠错。
(5) OFDM技术可以有效地对抗信号波形间的干扰，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。当信道中因为多径传输而出现频率选择性衰落时，只有落在频带凹陷处的子载波以及其携带的信息受影响，其他的子载波未受损害，因此系统总的误码率性能要好得多。
(6) OFDM技术通过各个子载波的联合编码，具有很强的抗衰落能力。OFDM技术本身已经利用了信道的频率分集，如果衰落不是特别严重，就没有必要再加时域均衡器。通过将各个信道联合编码，则可以使系统性能得到提高。
(7) OFDM技术可使信道利用率很高，这一点在频谱资源有限的无线环境中尤为重要；当子载波个数很大时，系统的频谱利用率趋于2Baud/Hz。
存在不足：虽然OFDM有上述优点，但是同样其信号调制机制也使得OFDM信号在传输过程中存在着一些劣势：
(1)对相位噪声和载波频偏十分敏感
这是OFDM技术一个非常致命的缺点，整个OFDM系统对各个子载波之间的正交性要求格外严格，任何一点小的载波频偏都会破坏子载波之间的正交性，引起ICI，同样，相位噪声也会导致码元星座点的旋转、扩散，从而形成ICI。而单载波系统就没有这个问题，相位噪声和载波频偏仅仅是降低了接收到的信噪比SNR，而不会引起互相之间的干扰。
(2)峰均比过大
OFDM信号由多个子载波信号组成，这些子载波信号由不同的调制符号独立调制。同传统的恒包络的调制方法相比，OFDM调制存在一个很高的峰值因子。因为OFDM信号是很多个小信号的总和，这些小信号的相位是由要传输的数据序列决定的。对某些数据，这些小信号可能同相，而在幅度上叠加在一起从而产生很大的瞬时峰值幅度。而峰均比过大，将会增加A/D和D/A的复杂性，而且会降低射频功率放大器的效率。同时，在发射端，放大器的最大输出功率就限制了信号的峰值，这会在OFDM频段内和相邻频段之间产生干扰。
(3)所需线性范围宽
由于OFDM系统峰值平均功率比(PAPR)大，对非线性放大更为敏感，故OFDM调制系统比单载波系统对放大器的线性范围要求更高。

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