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OFDM技术在无源光网络及光无线系统中的应用与研究

作　者: 邓磊
导　师: 刘德明
学　校: 华中科技大学
专　业: 电子科学与技术
关键词: 正交频分复用多入多出偏振模复用虚拟局域网相位噪声恒包络OFDM 无源光网络光载无线
分类号: TN919.3
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着电信网、广播电视网和互联网的融合,以及一些高带宽业务如高清电视、网络会议和视频游戏的开展与普及,IP化、宽带化和无线化已经成为下一代光通信网的研究热点。而正交频分复用(OFDM)技术以其灵活的调制方式、更高的信道及频谱利用率和更好的色散及多径衰落容忍度,引起了全球各大电信运营商越来越多的关注,已经被广泛应用在数字音频广播(DAB)、数字视频广播(DVB)、IEEE802.11无线局域网和下一代移动通信系统(4G)中。为了满足未来接入网高速率、大带宽和宽覆盖的需求,发展新型的下一代光接入网技术和光纤无线融合技术已势在必行,因此,研究OFDM技术在下一代光接入网络和光纤无线融合网络中的应用具有很高的理论和实用价值。本论文在系统地分析了OFDM基本原理及OFDM信号在光纤与无线信道中传输所面临问题的基础上,通过仿真和实验研究,实现了OFDM技术在下一代无源光网络和光纤与无线融合网络中的应用,并取得了若干创新成果。具体研究内容包括：(1)通过理论研究和实验分析,结合正交频分多址(OFDMA)技术的优势,提出了支持光网络单元(ONU)之间高效互连互通的新型时分复用无源光网络(TDM-PON)、波分复用无源光网络(WDM-PON)以及时分波分混合无源光网络(HPON)系统。仿真和实验结果表明在这些基于OFDMA技术的ONU互通系统中通过优化OFDM信号和PON业务信号的功率比、OFDM信号频率间隔及子载波个数,可以有效减小噪声及色散对混传业务性能的影响,使系统具备动态灵活的互通业务带宽分配机制、互通业务完全不占用PON业务带宽及支持多个互通业务并发等优势,为下一代无源光网络中高效虚拟局域网(VPN)研究提供了技术支持。(2)实验分析和探讨了光纤与无线融合系统中调制器啁啾及信道色散和非线性对高阶调制格式OFDM信号传输性能的影响,通过优化设计OFDM接收端时钟同步、频率相位估计以及信道估计和均衡算法,实现了基于低成本VCSEL的光载无线系统内5.5GHz载频300.144Mb/s QPSK-OFDM信号在100m多模光纤和900.432Mb/s64QAM-OFDM信号在1km弯曲不敏感光纤中的传输。此外,还创新地提出融合了偏振模复用(PDM)技术和无线多入多出(MIMO)技术的高频谱利用率、高速率光载无线系统,设计了基于Zero Forcing(ZF)的信道估计算法以补偿光纤中偏振的旋转及无线中信号的多径衰落,实现了2×2MIMO光载无线系统内5.65GHz载频1.59Gb/s16QAM-OFDM信号在22.8km单模光纤和1m无线距离中的传输。(3)搭建了光载高速W-band (75-110GHz) OFDM无线信号的测试平台,创新地使用光IQ调制器、光频梳产生器及光外差拍频的方式产生了速率为42.13Gb/s、频谱利用率为2.808bits/s/Hz的86GHz载频16QAM-OFDM信号。理论推导和实验分析了激光器相位噪声、OFDM信号峰均比及光纤非线性效应对W-band无线传输性能的影响,提出了高效的激光器、频率源相位噪声补偿算法及基于OFDM信元频域平均法(ISFA)和数字锁相环(DPLL)的增强型信道估计和均衡算法,成功将42.13Gb/s86GHz载频16QAM-OFDM信号传输了0.6m无线距离。此外,设计了基于光相位调制器的恒包络OFDM传输系统,极大地减弱了系统对高线性放大器和调制器的需求。理论推导和实验结果证明,在此系统中激光器和频率源的相位噪声对信号只是一个加性分量,通过滤波器极易滤除,极大地降低了系统复杂度。系统实验成功地实现了8Gb/s81.5GHz载频16QAM-OFDM信号在22.8km单模光纤和2.3m无线距离中的传输。这些研究成果为下一代高速无线光通信系统的发展提供了技术支持。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
1 绪论  11-22
  1.1 课题研究背景及意义  11-12
  1.2 课题研究现状  12-20
  1.3 论文主要内容及创新点  20-22
2 OFDM技术理论基础  22-39
  2.1 引言  22-23
  2.2 光纤与无线信道特性  23-28
  2.3 正交频分复用技术  28-33
  2.4 OFDM系统模型  33-38
  2.5 本章小结  38-39
3 基于OFDMA技术的PON内ONU互通系统研究  39-62
  3.1 引言  39-41
  3.2 基于OFDMA技术的TDM-PON内ONU互通系统实验分析  41-47
  3.3 基于OFDMA技术的WDM-PON内ONU互通系统实验分析  47-53
  3.4 基于OFDMA技术的HPON内ONU互通系统研究分析  53-61
  3.5 本章小结  61-62
4 楼内/室内低载频OFDM-RoF系统研究  62-77
  4.1 引言  62-64
  4.2 基于VCSEL的室内OFDM-RoF系统研究  64-69
  4.3 MIMO、PDM和OFDM技术在Femtocell系统中的应用研究  69-76
  4.4 本章小结  76-77
5 W-band毫米波OFDM-RoF系统研究  77-103
  5.1 引言  77-80
  5.2 W-band(75-110 GHz)光生毫米波RoF系统研究  80-94
  5.3 恒包络W-band(75-110 GHz)光生毫米波RoF系统研究  94-102
  5.4 本章小结  102-103
6 总结与展望  103-106
致谢  106-108
参考文献  108-119
附录1 攻读博士学位期间发表论文目录  119-125
附录2 攻读博士学位期间申请专利  125

OFDM技术在无源光网络及光无线系统中的应用与研究

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