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
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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。
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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
1. 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：
T=0.0005;
t=-0.01:T:0.01;
fs=2e3; %抽样频率
sdt=1/fs;
t1=-0.01:sdt:0.01;
8导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));
2. 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
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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：
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');
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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。机箱怎么防尘
- 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。
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。
在单载波频域均衡(SC-FDE)系统中是在未知数据中间插⼊已知的训练序列，通过上述的估计算法估计出已知训练序列处的信道，再通过⼀定的插值算法插出未知数据处的信道。这种系统的信道估计⼀般都是在时域完成的。因此已知序列的选取就需要⼀定的要求，通常选取⾃相关性能好的序列。
还可以在未知数据中插⼊导频，通过频域的插值，完成信道估计。每个OFDM帧通常包含⼤量OFDM symbol。 在每个帧内，可以假设光学信道是不变的。下图为OFDM的⼀个帧结构。其中加⼊了训练信号和导频⼦载波。
⼩结
以上我总结了⼀些⾮常重要的基础概念，⽬前还在跟MATLAB死磕，希望能早⽇编写出⼀套相对完整的发射端和接收端的代码，同时将实验setup和DSP相关算法原理进⾏熟悉。
感觉写的很乱然后详略也不太得当，但我是认真的！第⼀次写，今后学习上的⼼得和困惑应该也会继续更新=v=希望⼤家监督指正（催更），然后求点赞啊啊啊啊！！（趴
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