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光正交频分复用技术及其的应用 　　编者按　正交频分复用(OFDM)是一种多载波调制技术，用来解决各种无线和有线通信系统中因信道色散引起的符号间干扰问题。近年来的研究表明OFDM在光纤通信方面也极有前途，可以用于超大容量的长距离光纤传输、可变带宽光交换和100Gbit／s高速光接入。本讲座将分3期对该技术进行介绍：第1期讲述光正交频分复用的发展历史、基本原理和在光传输方面的应用；第2期将介绍基于光正交频分复用的高速光接入；第3期将介绍利用光正交频分复用实现的可变带宽光交换。 　　 　　1　光正交频分复用的发展 　　 　　正交频分复用(OFDM)是多载波调制技术的一种，可以有效地解决由色散信道引起的符号间干扰(ISI)问题，能够广泛地用于各种宽带无线和有线通信中。这种抗色散能力在强调高速、宽带能力的今天显得尤为重要。 　　OFDM的概念最早是贝尔实验室的R.W.Chang于1966年提出的。其他的一些OFDM关键技术包括：1969年Weinsten等提出的用逆离散傅里叶变换(IDFT)／傅里叶变换(DFT)实现OFDM的调制和解调；1980年提出的循环前缀技术。这3个关键概念构成了OFDM的基础，后两项技术对于OFDM的实用化非常关键。1995年Telatar和Foschini关于多天线系统的工作为现行OFDM所具有的良好抗色散能力和扩展能力奠定了基础。 　　OFDM技术早期主要限于军事通信系统，在宽带应用方面发展很缓慢，原因在于OFDM所需的高速、复杂计算能力是当时的集成电路难以做到的。从20世纪80年代起，人们开始考虑将OFDM用于无线系统和宽带有线系统，例如1985年贝尔实验室的Cimini建议将OFDM用于移动通信，1987年法国的Lassalle和Alard提出将OFDM用于无线电广播，1991年斯坦福大学的Cioffi等人证明OFDM在数字用户线路(DSL)方面很有潜力。同时，随着超大规模集成电路的发展，OFDM终于开始进入应用。1995年OFDM首先成为欧洲数字音频广播(DAB)标准。目前，采用了OFDM调制技术的重要标准包括欧洲数字视频广播(DVB)、无线局域网(Wi-Fi)(IEEE 802.11a／g)、无线城域网络(WiMAX)(802.16e)、非对称数字用户线(ADSL)(ITU G.992.1)和第四代移动通信的长期演进(LTE)技术。 　　但是OFDM在光通信方面的应用却很晚。最早的工作出现在1996年，但一直到2001年人们才注意到OFDM最重要的优点是抗色散能力在光纤通信中的价值。因为多模光纤的色散与无线通信系统中多径衰落类似，它使人们首先想到的是将OFDM移植到多模光纤中来抵抗色散的影响。在单模光纤系统中，OFDM主要用来实现超大容量长距离传输，包括采用直接光检测的光OFDM和基于相干光检测的光OFDM(CO-OFDM)。最近NEC美国实验室实现了101 Tbit／s OFDM系统，在单模光纤上传输了165km，其中采用了偏振复用和128QAM调制，谱效率高达11BPS／Hz。北京大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室利用OFDM的一个变种，即单载波频分复用(SCFDM)，实现了1Tbit／s超级通道信号可以在单模光纤上传输160km。近来基于多输入多输出(MIMO)技术的相关研究也取得进展，它可以同时利用多模光纤或少模光纤中的不同空间模式(相当于增加了一个自由度)，进一步增大OFDM传输容量。例如，澳大利亚墨尔本大学的谢伟教授实验室在双模光纤上实现了107Gbit／s相干光通信。这里需要说明的是：光纤通信里广泛使用的光频分复用(FDM)／波分复用(WDM)技术与文章介绍的OFDM是有区别的。 　　OFDM在光通信的另一个重要应用是高速光接入。无源光网络(PON)是最主要和最有潜力的光接入方式，主流的技术包括以太无源光网络(EPON)和千兆无源光网络(GPON)，同时10Gbit／s PON已经开始大规模商用，更高速率的下一代PON标准在研究制订中。NEC提出一种基于OFDM的无源光网络(OFDM-PON)，利用数字信号处理(DSP)的优势，可以实现很灵活的100Gbit／s超高速光接入，包括动态的带宽指配、高度可重构性、更低的成本。 　　在光网络方面，NTT提出一种可以实现高谱效率和带宽灵活可变的弹性光网络，其中两项核心技术是采用基于光OFDM的可变速率收发器，以及利用波长选择性开关(WSS)和多个光子载波之间的正交性实现带宽可变交叉连接。这种带宽可变交换网络可以实现从亚波长粒度到超波长粒度的动态带宽交换，这是过去波分复用光网络中波长交换难以达到的目标。相比之下，OFDM在光纤传输和高速光接入的应用前景已经很明朗，但在可变带宽交换方面还有较长的路要走。