无线光正交频分复用原理及应用 9787030550880 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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柯熙政 著

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出版社： 科学出版社

ISBN：9787030550880

商品编码：29624606051

包装：平装

出版时间：2018-05-01

基本信息

书名:无线光正交频分复用原理及应用

定价：138.00元

售价：131.1元,便宜6.9元,折扣95

作者:柯熙政

出版社：科学出版社

出版日期：2018-05-01

ISBN：9787030550880

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版次：31

装帧：平装

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商品重量：0.4kg

编辑推荐

光通信,无线电通信

内容提要

正交频分复用是多载波通信的一种，可以提高光通信的频谱效率，抑制信道干扰。《无线光正交频分复用原理及应用》论述无线光通信中的正交频分复用理论及应用, 系统介绍无线光通信中的正交频分复用传输体系，对光正交频分复用涉及的高峰均比、时间同步、信道估计及信道分配进行深入系统分析；对大气湍流及大气环境对正交频分复用信号的影响进行详细分析，对比分析光正交频分复用抑制大气湍流的特性。通过数值仿真及实验验证相关理论，触及本领域的**进展。

目录

作者介绍

文摘

序言

光通信中的高效传输新范式：OFDM技术解析与前景展望 摘要 本书聚焦于当前光通信领域中最具革命性的技术之一——光正交频分复用（Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing，O-OFDM）。OFDM作为一种高效的数据传输技术，在射频领域已取得了巨大成功。将其应用于光通信，旨在克服现有光信号传输面临的诸多挑战，如色散、非线性效应以及频谱效率低下等问题，从而实现更高的数据速率、更远的传输距离以及更强的抗干扰能力。本书深入探讨了O-OFDM的基本原理、核心算法、关键器件、系统架构以及实际应用，并对未来发展趋势进行了展望，为光通信领域的研究人员、工程师及相关专业学生提供一份详实的技术参考。 引言 随着信息技术的飞速发展，全球数据流量呈爆炸式增长，对光通信系统的带宽、容量和传输效率提出了前所未有的需求。传统的单载波传输技术（如调幅-调频-调相），在高速率、长距离传输中，会受到色散和非线性效应的严重限制，导致信号失真、误码率上升，最终限制了网络容量的提升。为了突破这些瓶颈，研究人员一直在探索更加先进的调制和复用技术。 正交频分复用（OFDM）技术，作为一种将高速数据流分割成多个低速子载波并行传输的多载波调制技术，在无线通信领域已得到了广泛应用，并极大地提高了频谱利用率和抗多径衰落的能力。近年来，OFDM技术也被成功引入光通信领域，形成了光OFDM（O-OFDM）技术。O-OFDM通过将高速光信号分割成大量低速的、频率正交的子载波进行传输，有效缓解了色散和非线性效应的影响，并显著提高了频谱效率。它不仅能够支持超高速率的光信号传输，还为实现灵活的光网络和下一代光通信系统奠定了基础。 本书旨在全面、深入地解析O-OFDM技术，从其基本原理出发，逐步深入到具体的算法实现、关键技术挑战，以及在不同光通信场景下的应用潜力。我们希望通过本书的阐述，能够清晰地勾勒出O-OFDM技术的发展脉络，展示其独特的优势，并为推动该技术的进一步发展和广泛应用提供理论支持和实践指导。 第一部分：O-OFDM技术基础 第一章：光通信面临的挑战与OFDM的诞生 1.1 光通信系统的性能瓶颈： 1.1.1 符号间干扰（ISI）与码间串扰（CSI）： 详细分析在高速光信号传输中，由于光纤色散（包括模间色散、材料色散和波导色散）以及偏振模色散（PMD）等因素造成的符号展宽，导致相邻符号重叠，引发ISI和CSI，严重影响信号的解调和误码率。 1.1.2 非线性效应： 深入探讨光纤中的受激拉曼散射（SRS）、受激布里渊散射（SBS）、自相位调制（SPM）、交叉相位调制（XPM）以及四波混频（FWM）等非线性效应，分析其如何在高功率、高速率传输下引入信号失真，限制传输距离和系统容量。 1.1.3 频谱效率低下： 讨论现有调制技术在频谱利用率方面的局限性，尤其是在需要更高带宽和容量的场景下，传统方法难以满足需求。 1.2 OFDM技术在无线通信中的崛起： 1.2.1 OFDM的基本原理： 详细介绍OFDM如何将高速数据流分割成若干个低速的、相互正交的子载波进行并行传输。强调子载波之间的正交性是OFDM的核心，避免了ISI。 1.2.2 OFDM的优势： 分析OFDM在对抗多径衰落、简化均衡器设计、提高频谱效率等方面的突出优点。 1.2.3 OFDM在无线通信中的成功案例： 简要回顾OFDM在Wi-Fi、LTE、5G等无线通信标准中的应用，说明其技术的成熟性和可靠性。 1.3 将OFDM引入光通信的必然性： 1.3.1 光OFDM（O-OFDM）的定义与目标： 明确O-OFDM就是将OFDM技术应用于光信号的调制和传输。其核心目标是利用OFDM的优势来克服光通信面临的挑战。 1.3.2 O-OFDM相较于传统技术的潜在优势： 阐述O-OFDM如何通过将高速信号分割成低速子载波，从而有效减轻色散和非线性效应的危害。预示其在提高传输速率、距离和抗干扰能力方面的巨大潜力。 第二章：O-OFDM的核心原理与数学模型 2.1 O-OFDM的信号模型： 2.1.1 数据比特到子载波的映射： 详细阐述将原始数据比特通过星座映射（如QPSK、16QAM等）转化为复数符号，并将这些符号分配到不同的子载波上。 2.1.2 傅里叶变换与IFFT/FFT： 深入讲解OFDM信号的生成过程，即对分配到各个子载波上的符号进行逆快速傅里叶变换（IFFT），将其时域上叠加，形成OFDM符号。反之，在接收端，通过快速傅里叶变换（FFT）将接收到的OFDM符号分解回各个子载波上的数据。 2.1.3 循环前缀（CP）： 解释循环前缀的作用，即在每个OFDM符号前添加一部分其尾部信号，以消除符号间干扰，并简化接收端的均衡。 2.2 子载波的正交性： 2.2.1 正交性的数学推导： 从数学上严格证明不同子载波之间的正交关系，即在一个子载波的整数周期内，其他子载波的信号积分平均值为零。 2.2.2 正交性与抗ISI的关系： 详细分析正交性如何使得在接收端，即使存在色散等效应使得每个子载波上的信号有所展宽，但只要展宽小于子载波间隔，就不会干扰到其他子载波，从而避免了ISI。 2.3 O-OFDM的频谱特性： 2.3.1 频谱的旁瓣与主瓣： 分析OFDM信号的频谱形状，及其旁瓣泄漏的特性。 2.3.2 频谱效率的提升： 说明通过紧凑地排列子载波，OFDM能够实现比单载波更高的频谱效率，尤其是在需要传输大量数据时。 2.4 O-OFDM的调制与解调过程： 2.4.1 发送端流程： 从串行到并行的转换、星座映射、IFFT、循环前缀添加、并行到串行的转换，以及最终的光调制过程。 2.4.2 接收端流程： 从光电转换、串行到并行的转换、循环前缀去除、FFT、星座解映射，到最终的串行数据恢复。 第三章：O-OFDM的关键技术与实现挑战 3.1 光载波的生成与调制： 3.1.1 载波信号的生成： 讨论如何生成大量的、频率间隔精确且稳定的光载波，以及相干光或外差/零差探测的原理。 3.1.2 电到光（E/O）转换： 介绍当前主流的光调制技术，如强度调制、相位调制、正交调制（IQ调制）等，并分析它们在O-OFDM系统中的应用。 3.1.3 数字信号处理（DSP）在E/O转换中的作用： 强调DSP在生成OFDM信号、控制调制参数、以及补偿系统损耗等方面的重要作用。 3.2 接收端的光电转换与信号处理： 3.2.1 光电探测器（PD）： 介绍不同类型PD的性能特点（如PIN PD、APD），以及其在O-OFDM接收中的响应速度和灵敏度要求。 3.2.2 数字信号处理（DSP）在接收端的核心地位： 详细阐述DSP在接收端执行FFT、循环前缀处理、均衡（包括色散补偿和非线性效应补偿）、载波相位恢复、定时恢复等关键任务。 3.2.3 实时DSP处理的挑战： 分析高速、低延迟DSP处理对硬件（ADC、FPGA、ASIC）和算法效率的要求。 3.3 频率和相位同步： 3.3.1 子载波频率同步： 解释在接收端如何精确地同步所有子载波的频率，以确保FFT的准确性，避免由于频率偏移导致的子载波间干扰（ICI）。 3.3.2 载波相位同步： 讨论如何在接收端恢复OFDM符号的相位信息，这对于相干解调至关重要。 3.3.3 循环前缀在同步中的作用： 再次强调CP在简化同步算法和提高鲁棒性方面的贡献。 3.4 色散与非线性效应的补偿： 3.4.1 O-OFDM对色散的缓解机制： 再次阐述O-OFDM通过将高速信号分割成低速子载波，从而显著减小了色散对每个子载波的影响。 3.4.2 DSP在色散补偿中的应用： 详细介绍如何通过数字滤波器对各个子载波上的色散进行补偿。 3.4.3 O-OFDM对非线性效应的补偿： 分析O-OFDM在一定程度上如何减轻非线性效应，并讨论DSP在补偿剩余非线性效应方面的挑战。 3.5 硬件实现与成本考量： 3.5.1 高速ADC/DAC： 分析实现O-OFDM系统所需的高速模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC）的性能指标和技术瓶颈。 3.5.2 FPGA/ASIC设计： 探讨可编程逻辑器件（FPGA）和专用集成电路（ASIC）在实现复杂DSP算法中的应用和权衡。 3.5.3 光器件的集成与小型化： 讨论与O-OFDM技术相匹配的光器件（如光调制器、光探测器、波分复用器/解复用器）的发展需求。 3.5.4 成本效益分析： 探讨O-OFDM系统在大规模部署中的成本可行性。 第二部分：O-OFDM的应用与发展 第四章：O-OFDM系统架构与关键器件 4.1 相干O-OFDM系统： 4.1.1 相干接收的原理： 详细介绍相干光接收的工作原理，即本地振荡器（LO）光与接收信号光混合，以提取信号的幅度和相位信息。 4.1.2 相干O-OFDM的优势： 分析相干O-OFDM系统如何通过灵活的数字信号处理能力，实现高效的信号检测、补偿和复用。 4.1.3 相干O-OFDM的关键器件： 介绍相干光模块、激光器、光电探测器、DSP芯片等在相干O-OFDM系统中的作用。 4.2 无载波O-OFDM（CP-OFDM）与带载波OFDM（SC-OFDM）： 4.2.1 CP-OFDM原理： 讨论CP-OFDM如何通过直接生成OFDM信号，并通过DSP进行处理，简化了系统复杂度。 4.2.2 SC-OFDM原理： 介绍SC-OFDM如何在OFDM框架下，通过将数据映射到独立的子载波上，从而在一定程度上降低峰均功率比（PAPR）。 4.2.3 两者在光通信中的优劣势比较： 分析CP-OFDM和SC-OFDM在光通信场景下的适用性，如对PAPR的要求、系统复杂度等。 4.3 混合O-OFDM（Hybrid OFDM）： 4.3.1 混合O-OFDM的概念： 介绍如何将OFDM与其他调制技术（如PAM）结合，以进一步提升系统性能。 4.3.2 混合O-OFDM的应用场景： 探讨混合O-OFDM在不同网络层级和应用场景下的潜在优势。 4.4 关键器件的演进： 4.4.1 高速光调制器： 讨论电吸收调制器（EAM）、铌酸锂（LN）调制器等在O-OFDM系统中的最新进展。 4.4.2 高速光电探测器： 介绍PIN PD、APD、相干光接收器（Coherent Receiver）等器件的发展。 4.4.3 数字信号处理芯片（DSP）： 强调DSP芯片性能的不断提升对O-OFDM系统速率和功能的支撑。 4.4.4 集成光电子器件（PICs）： 展望PICs在O-OFDM系统中的集成和小型化趋势。 第五章：O-OFDM在不同光通信场景下的应用 5.1 数据中心互连（DCI）： 5.1.1 DCI的需求与挑战： 分析数据中心日益增长的带宽需求、短距离高速传输的特点，以及对低功耗、低成本的要求。 5.1.2 O-OFDM在DCI中的优势： 探讨O-OFDM如何通过高频谱效率和灵活的调制方式，满足DCI的高带宽需求，同时降低对光纤质量的要求。 5.1.3 O-OFDM在DCI中的具体实现： 介绍基于O-OFDM的DCI光模块设计和性能优化。 5.2 城域网（MAN）与接入网： 5.2.1 MAN/接入网的特点： 分析MAN/接入网的网络结构复杂、传输距离适中、用户密度高等特点。 5.2.2 O-OFDM在MAN/接入网中的应用： 讨论O-OFDM如何通过其灵活性和抗干扰能力，支持PON（Passive Optical Network）等接入技术，以及为用户提供更高带宽的服务。 5.2.3 O-OFDM与WDM/DWDM技术的结合： 探讨O-OFDM如何与波分复用技术融合，实现更高效的网络容量提升。 5.3 长途传输网络： 5.3.1 长途传输的挑战： 强调长距离传输中色散和非线性效应的累积效应。 5.3.2 O-OFDM在长途传输中的优势： 详细分析O-OFDM通过DSP进行色散和非线性补偿的能力，如何显著扩展了传输距离。 5.3.3 O-OFDM与其他长途传输技术的比较： 对比O-OFDM与传统单载波超长距离传输技术的性能差异。 5.4 无线光通信（Free-Space Optical Communication）： 5.4.1 无线光通信的挑战： 分析大气湍流、视线遮挡、光束漂移等对无线光通信信号传输的影响。 5.4.2 O-OFDM在无线光通信中的优势： 探讨O-OFDM的抗多径和抗衰落能力，如何提高无线光通信的可靠性。 5.4.3 O-OFDM在高速无线回传中的应用： 展望O-OFDM在5G/6G基站回传等场景下的应用前景。 5.5 光网络中的灵活性与可编程性： 5.5.1 O-OFDM与软件定义网络（SDN）： 探讨O-OFDM如何通过灵活的调制方式和可编程的DSP，支持SDN的动态资源分配和网络优化。 5.5.2 动态频谱分配： 分析O-OFDM如何实现对频谱资源的按需分配，提高网络效率。 第六章：O-OFDM的未来发展趋势与挑战 6.1 更高的比特率与更紧凑的频谱： 6.1.1 超高速率O-OFDM： 展望未来O-OFDM系统向Tb/s甚至Pb/s级别传输速率的发展。 6.1.2 更高阶的调制格式： 探讨如何利用更复杂的星座图（如256QAM、1024QAM等）和多维调制（如极化、模式复用）来进一步提升频谱效率。 6.1.3 频谱利用率的极限探索： 分析O-OFDM在理论频谱利用率上的进一步提升空间。 6.2 智能化与机器学习在O-OFDM中的应用： 6.2.1 智能均衡与补偿： 探讨如何利用机器学习算法来优化DSP中的均衡和补偿算法，以更有效地应对复杂的信道损伤。 6.2.2 动态资源管理： 分析机器学习在O-OFDM网络中的动态资源分配、故障预测与诊断等方面的应用。 6.2.3 AI驱动的信号设计与优化： 展望AI在O-OFDM信号生成和优化过程中的作用。 6.3 新型O-OFDM技术的研究： 6.3.1 极化O-OFDM（P-OFDM）： 介绍如何利用光信号的极化维度来增加信息传输通道。 6.3.2 模式复用O-OFDM（MF-OFDM）： 探讨如何利用多模光纤中的不同空间模式来复用数据。 6.3.3 速率自适应O-OFDM（RA-OFDM）： 研究系统如何根据信道条件动态调整调制格式和子载波分配，实现最优性能。 6.4 功耗与成本的持续优化： 6.4.1 低功耗DSP设计： 探讨如何设计更节能的DSP芯片和算法，以满足未来数据中心和移动通信的需求。 6.4.2 光器件的集成与制造工艺： 关注光器件的集成化、小型化和低成本制造技术的突破。 6.4.3 标准化与互操作性： 强调O-OFDM技术在行业内的标准化和互操作性对于其大规模部署的重要性。 6.5 面临的挑战与研究方向： 6.5.1 DSP的计算复杂度： 随着速率的提升，DSP的计算量呈指数级增长，需要更强大的计算能力和更高效的算法。 6.5.2 硬件的极限： 高速ADC/DAC、光调制器等硬件器件的性能提升是关键制约因素。 6.5.3 新型信道损伤的建模与补偿： 随着传输速率和距离的增加，一些新型的、更复杂的信道损伤需要被深入研究和有效补偿。 6.5.4 功耗瓶颈： 在追求更高速率的同时，如何有效控制系统的整体功耗是一个持续的挑战。 结论 光OFDM（O-OFDM）技术以其强大的信号处理能力和灵活的传输机制，正深刻地改变着现代光通信的面貌。它不仅成功地应对了传统光通信系统面临的色散和非线性效应等严峻挑战，更以前所未有的方式提高了频谱利用率和系统容量。从数据中心到长途骨干网，从城域接入到无线回传，O-OFDM的应用场景正在不断拓展，展现出巨大的技术潜力和商业价值。 本书系统地阐述了O-OFDM的基本原理、核心技术、系统架构以及在各种应用场景下的表现。我们深入分析了其在高速数据传输、长距离通信、网络灵活性和智能化等方面的优势，并对未来的发展趋势进行了展望。尽管O-OFDM技术在硬件实现、DSP复杂度、功耗优化等方面仍面临诸多挑战，但随着技术的不断进步和研究的深入，我们有理由相信，O-OFDM将继续引领光通信技术的发展方向，为构建更快速、更可靠、更智能的下一代信息社会奠定坚实的基础。 本书旨在为读者提供一个全面而深入的O-OFDM技术视角，希望能激发更多研究者和工程师投身于这一激动人心的领域，共同推动光通信技术的革新与发展。

评分☆☆☆☆☆

我是一名在光通信领域工作了多年的资深工程师，阅读这本书主要是想看看它如何整合当前光网络与高速无线技术的最新交叉点。这本书在阐述核心原理方面确实无可挑剔，它对光正交频分复用（O-OFDM）中时频同步的细节讨论，比我以前读过的任何材料都要深入。然而，在“应用”这一环节，我感觉略有不足。尽管提到了几个典型的应用场景，但更多的是对技术潜力的描述，而非实际部署的案例分析。例如，在介绍与5G/6G蜂窝网络的融合时，我更想看到的是，在特定的光纤回传或前传场景中，这种技术相比于传统解决方案，在端到端的延迟、能耗或频谱效率上，到底能带来多大数量级的提升，并附上实际的仿真或现场测试结果。目前的叙述更像是对未来蓝图的勾勒，而我更希望看到一些已经走出实验室，正在解决实际工程难题的“硬核”应用实例，哪怕是小规模的试点项目分析也好。

评分☆☆☆☆☆

这本书的行文风格给我的感觉是严谨而略带学者的内敛。作者的表达非常精准，几乎没有使用任何浮夸或煽情的词汇，所有论述都建立在坚实的数学推导和物理模型之上。这使得它非常适合作为研究生教材或科研人员的案头参考书。特别是关于噪声和干扰建模的部分，处理得非常细致入微，考虑到了现实系统中各种复杂的耦合效应。但坦率地说，这种高度的学术性也带来了一定的阅读挑战。对于习惯了更具启发性和对话式写作风格的读者来说，可能需要更高的专注度才能完全吸收其中的精髓。我个人建议，如果未来有修订版，可以考虑在关键概念的介绍部分，增加一些历史背景的铺垫，或者用更具象的类比来帮助初学者跨越最初的认知障碍。目前来看，它更偏向于一本“深度挖掘机”，而不是一本“入门领航员”，这在特定受众群体中是优点，但在拓宽读者群方面可能略显保守。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧和印刷质量相当不错，拿到手里沉甸甸的，感觉很专业。内页的排版也比较清晰，公式和图表的呈现都很规范，这对于阅读技术类书籍来说至关重要。我比较关注的是它在理论深度上的表现。读了一些章节后，感觉作者在对基本概念的阐述上非常到位，没有那种为难初学者或者过于简化的倾向。比如在介绍OFDM的经典结构时，那种层层递进的逻辑推导，让人对背后的数学原理有更扎实的理解，而不是仅仅停留在公式的表面。当然，对于像我这样已经接触过一些无线通信基础的人来说，更期待的是它在最新技术前沿的突破性见解。希望它能在一些更深层次的性能分析，例如信道估计的精度限制，或者在特定复杂环境下的鲁棒性设计等方面，能提供更具洞察力的分析视角和仿真案例。整体上，这本书的学术基调是令人信服的，是一本值得长期参考的工具书，而不是那种快速入门的“速成宝典”。

评分☆☆☆☆☆

初读这本书，最让人眼前一亮的是它在组织结构上的匠心独运。它没有将所有内容一股脑地堆砌在一起，而是非常自然地将理论基础、关键技术和实际应用场景巧妙地串联起来。我特别欣赏作者处理复杂系统模型时所采取的渐进式方法。例如，在阐述多址接入技术与光接入网络融合的章节中，作者并非简单地罗列各种方案的优缺点，而是通过对不同资源分配策略进行详尽的性能对比，清晰地展示了每种选择背后的权衡取舍，这对于指导工程实践非常有帮助。不过，作为一个在实际部署中遇到过硬件瓶颈的工程师，我希望能看到更多关于系统实现层面的“陷阱”和“避坑指南”。例如，在光器件的非线性效应如何具体影响到高阶调制格式的性能，以及如何通过实时数字信号处理（DSP）来补偿这些影响的实例，如果能增加一些实际测量数据或FPGA实现概述，那就更完美了。这本书无疑为理论研究者奠定了坚实的基础，但对于一线研发人员来说，一些“接地气”的细节会更受欢迎。

评分☆☆☆☆☆

这本书的参考文献列表非常扎实，看得出作者在资料搜集和知识体系构建上下了巨大的功夫。这本身就为这本书增添了极高的可信度。我注意到书中对一些关键算法的流程描述非常详尽，图示清晰地展现了数据流向，这对理解复杂的编码、解码和调制解调过程非常有帮助。不过，在探讨前沿挑战时，我感觉内容略显保守，似乎对一些正在快速发展的、可能颠覆现有范式的技术讨论不够深入。例如，当前人工智能和机器学习在优化光通信系统资源分配和信道均衡中的应用正日益热门，这本书中对这些新兴工具的引入和讨论相对有限。如果能增加一个专门章节，系统地探讨如何利用AI/ML技术来提升O-OFDM在动态环境下的适应性和性能，那这本书的价值将得到进一步的提升，使其更能适应未来技术的发展趋势，而不只是巩固现有技术体系的经典地位。