【正文】 Multiplexing，WDM）技術(shù)具有更多的子載波數(shù)目，因而具有更高的頻譜利用率。雖然OFDM技術(shù)具有許多優(yōu)點(diǎn)，但是一直沒(méi)有將其應(yīng)用到光通信系統(tǒng)中。直到最近幾年，隨著人們對(duì)通信速率需求的增加，以及數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Processing，DSP）技術(shù)發(fā)展，促進(jìn)了OFDM技術(shù)在光通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。然而傳統(tǒng)OFDM系統(tǒng)和光通信系統(tǒng)的差別，則成為了兩個(gè)系統(tǒng)相結(jié)合的最大障礙。，在傳統(tǒng)OFDM系統(tǒng)中，信息承載于電信號(hào)，該信號(hào)是雙極性復(fù)信號(hào)，接收端利用本地振蕩器產(chǎn)生本振信號(hào)進(jìn)行相干接收；而在傳統(tǒng)的強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)光通信系統(tǒng)中，所需傳輸?shù)男畔⒂晒庑盘?hào)的強(qiáng)度表示，這只能是非負(fù)單極性實(shí)信號(hào)，光接收機(jī)不需要激光器生成本振信號(hào)進(jìn)行相干檢測(cè)，而是利用平方律探測(cè)器直接檢測(cè)光信號(hào)強(qiáng)弱即可。 傳統(tǒng)光通信系統(tǒng)與傳統(tǒng)OFDM系統(tǒng)的比較光通信系統(tǒng)單極性實(shí)信號(hào)信息承載與光強(qiáng)度信號(hào)接收端不需要本地振蕩器直接檢測(cè)OFDM系統(tǒng)雙極性復(fù)信號(hào)信息承載與電信號(hào)接收端需要本地振蕩器相干接收針對(duì)不同的應(yīng)用，目前已提出的幾種光OFDM技術(shù)大致可以分為兩類(lèi)：OFDM信號(hào)由光強(qiáng)度信號(hào)表示，主要應(yīng)用于無(wú)線光通信系統(tǒng)、多模光纖通信系統(tǒng)以及塑料光纖通信系統(tǒng)；OFDM信號(hào)由光頻信號(hào)表示，主要應(yīng)用于單模光纖通信系統(tǒng)。1966年，[3]中首次提出了OFDM的概念，但由于當(dāng)時(shí)條件有限，OFDM一直只被軍事應(yīng)用領(lǐng)域所關(guān)注，而且較多的研究都是圍繞著傳統(tǒng)的射頻（Radio Frequency，RF）OFDM系統(tǒng)。1997年，J. M. Kahn和J. R. Barry（改成“提出WO通信系統(tǒng)必須采用光強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(cè)（附加英文拼寫(xiě)及縮寫(xiě)）”）解釋了在無(wú)線光通信系統(tǒng)中必須采用光強(qiáng)度信號(hào)的原因[4]。在無(wú)線光通信系統(tǒng)中，OFDM信號(hào)也必須由光強(qiáng)度信號(hào)表示，這就意味著調(diào)制信號(hào)必須是非負(fù)的實(shí)信號(hào)。由于基帶OFDM信號(hào)通常是雙極性復(fù)信號(hào)，只有當(dāng)發(fā)射端輸入IFFT的復(fù)數(shù)向量具有復(fù)共軛對(duì)稱(chēng)特性時(shí)，才能生成實(shí)的OFDM基帶信號(hào)。2006年，J. M. Tang等人提出并驗(yàn)證了自適應(yīng)調(diào)制光正交頻分復(fù)用（Adaptively Modulated Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing，AMOOFDM）[5]技術(shù)的可行性。AMOOFDM（不是ACOOFDM嗎）系統(tǒng)根據(jù)每個(gè)子載波上的頻率響應(yīng)情況，單獨(dú)為其設(shè)置調(diào)制方式，以求獲得更好的系統(tǒng)性能。S. C. J. Lee等人于2007年和2008年通過(guò)實(shí)驗(yàn)分別實(shí)現(xiàn)了直流偏置光正交 頻 分 復(fù) 用 （Direct Currentbiased Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing，DCOOFDM）在多模光纖中以24Gbps的速率無(wú)中繼傳輸730m[6]，在塑料光纖中的傳輸速率達(dá)到了1Gbps[7]。2008年，N. Cvijetic等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了DCOOFDM技術(shù)在無(wú)線光通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，傳輸速率達(dá)到了10Gbps[8]。OFDM技術(shù)在光通信中的應(yīng)用由于各種數(shù)據(jù)、視頻業(yè)務(wù)的蓬勃發(fā)展，人類(lèi)社會(huì)對(duì)于信息傳輸帶寬的需求以驚人的速度高速增長(zhǎng)。為了滿足網(wǎng)絡(luò)帶寬需求以及單信道速率的持續(xù)高增長(zhǎng)，高速光通信系統(tǒng)正在告別以往的強(qiáng)度調(diào)制／直接檢測(cè)(IM/DD)方式。將無(wú)線通信領(lǐng)域中成熟的OFDM技術(shù)引入到光通信中是目前實(shí)現(xiàn)高速光通信的一個(gè)研究熱點(diǎn)。 光OFDM系統(tǒng)融合了無(wú)線OFDM技術(shù)和光通信的優(yōu)點(diǎn),具有高傳輸速率、高抗色散能力、高頻譜效率等優(yōu)勢(shì)。1999年，在IEEE802．1la通過(guò)的無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中，OFDM技術(shù)開(kāi)始作為調(diào)制技術(shù)應(yīng)用于物理層。同時(shí)，OFDM技術(shù)作為一種標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制技術(shù)也應(yīng)用在歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)的寬帶射頻接入網(wǎng)中。OFDM技術(shù)引入到光通信中，融合了無(wú)線OFDM技術(shù)和光通信的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于無(wú)線光通信系統(tǒng)、多模光纖通信系統(tǒng)、塑料光纖通信系統(tǒng)以及單模光纖通信系統(tǒng)?？稍诂F(xiàn)有光傳輸系統(tǒng)的基礎(chǔ)上構(gòu)建出高速率、低成本、長(zhǎng)距離的光傳輸網(wǎng)絡(luò)。OFDM是一種無(wú)線環(huán)境下的多載波并行傳輸技術(shù)，具有高效的頻譜利用率、優(yōu)良的抗窄帶干擾和多徑衰落能力。相關(guān)領(lǐng)域?qū)FDM系統(tǒng)的研究已經(jīng)進(jìn)行了40多年，這種系統(tǒng)最早應(yīng)用于軍用無(wú)線高頻通信鏈路中，是最早的關(guān)于OFDM技術(shù)的研究。這些年，由于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)取得了快速的發(fā)展，OFDM技術(shù)也取得了廣泛的關(guān)注。因?yàn)樗苡行У脤?duì)抗多徑傳播所帶來(lái)的ISI的特點(diǎn)。近年來(lái)，OFDM技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于雙向無(wú)線數(shù)據(jù)領(lǐng)域，尤其是在廣播方式下的音頻和視頻領(lǐng)域，并且得到了很好的發(fā)展。例如數(shù)字音頻廣播（DAV，Digital Audio Broadcast ）、數(shù)字視頻廣播（DVB，Digital Video Broadcast）、WLAN（）以及WiMAX（）等均使用了OFDM 技術(shù)，它是業(yè)界公認(rèn)的第四代無(wú)線移動(dòng)通信中的關(guān)鍵技術(shù)之。光OFDM系統(tǒng)可以在現(xiàn)有光傳輸系統(tǒng)的基礎(chǔ)上構(gòu)建出高速率、低成本、長(zhǎng)距離的光傳輸網(wǎng)絡(luò),是實(shí)現(xiàn)下一代超高速長(zhǎng)距離光傳輸?shù)臐撛诩夹g(shù)之一。三、ACOOFDM技術(shù)研究現(xiàn)狀OFDM技術(shù)雖然具有很多的優(yōu)勢(shì)，但是（改成“基帶OFDM信號(hào)是復(fù)信號(hào)”）雙極性復(fù)值的 OFDM 信號(hào)無(wú)法直接在IM/DD系統(tǒng)中應(yīng)用， ACOOFDM系統(tǒng)于2006年被提出，用于解決這個(gè)問(wèn)題[1]。從已經(jīng)發(fā)表的論文來(lái)看，研究主要集中在以下兩個(gè)方面。一是研究它在不同條件下的系統(tǒng)性能及優(yōu)勢(shì)；二是研究它的定時(shí)方法。當(dāng)調(diào)制數(shù)據(jù)在逆快速傅里葉變換（ IFFT） 前具有 Hermitian 對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)時(shí)，生成的 OFDM 信號(hào)全為實(shí)值信號(hào)，用于解決復(fù)值信號(hào)的問(wèn)題。而將雙極性信號(hào)變?yōu)閱螛O性的方法通常有兩種，一是加直流偏置；二是由 J. Armstriong于 2006 年提出的ACOOFDM 方案，它限制調(diào)制數(shù)據(jù)具有Hermitian對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，并且只在奇載波上調(diào)制數(shù)據(jù)，偶載波上數(shù)據(jù)置零。這樣可以將雙極性的信號(hào)小于零的部分置零，解調(diào)后除有用信息的幅度變?yōu)樵瓉?lái)的1/2外，其它信息不受任何影響。當(dāng)然由于Herimitian對(duì)稱(chēng)的原因，使其相對(duì)直流偏置系統(tǒng)犧牲了一半的頻譜效率。直流偏置的OFDM 意味著較高的平均光功率和較低的調(diào)制深度。非對(duì)稱(chēng)限幅(Asymmetrically Clipping，AC)具有更高的功率效率[9]。2007 年，Xia Li 等人比較了 IM/DD 無(wú)線光系統(tǒng)下ACOOFDM 與脈位調(diào)制(Pulse Position Modulation，PPM)，得出 ACOOFDM 由于調(diào)制數(shù)據(jù)的相關(guān)性使信道容量稍小，但是它有很多優(yōu)勢(shì)，如功率效率及抗多徑干擾的能力等[10]。2008，年 等人又指出相比 DCOOFDM 系統(tǒng)性能依賴(lài)于直流偏置（Direct Current，DC）的大小，對(duì)于使用數(shù)目較多的子載波時(shí)，DC較大，系統(tǒng)性能較差，而 ACOOFDM 不受此限制且相比前者更適用于自適應(yīng)的 OFDM系統(tǒng)中[11]。2009 年， 等人提出鑒于光無(wú)線信道具有低通濾波器的特性，提出了對(duì)于ACOOFDM 在低頻率上采用高階映射，在高頻率處采用低階調(diào)制的位加載方案。并理論分析仿真證明了新的方案可以使誤碼率為時(shí)所需要的 SNR 降低5dB[12]。2010 年， 提出了基于 Hartley 變換的的 AC 技術(shù)當(dāng)在需要處理的信號(hào)全為實(shí)數(shù)信號(hào)時(shí)Harley 變換具有很大的優(yōu)勢(shì)[13]。2010 年，Raed Mesleh 指出 ACOOFDM 在室內(nèi)光無(wú)線通信上有著廣闊的前景，它不需要加 DC，因而光功率較小，有利于眼安全[14]。由于AC去掉了負(fù)極性信號(hào)，原有的信號(hào)時(shí)鐘恢復(fù)方法如 Schmidl 定時(shí)和 Park 定時(shí)所構(gòu)造的定時(shí)序列在 AC 的 OFDM 系統(tǒng)中性能有所下降，一些學(xué)者正在構(gòu)造不同的新訓(xùn)練序列，來(lái)適應(yīng)這種 AC 技術(shù)及研究利用AC特有的頻域結(jié)構(gòu)結(jié)合循環(huán)前綴（Cyclic Prefix，CP）來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)定時(shí)。四、ACOOFDM系統(tǒng)信道估計(jì)技術(shù)研究現(xiàn)狀 信道估計(jì)是從接收數(shù)據(jù)中將假定的某個(gè)信道模型的模型參數(shù)估計(jì)出來(lái)的過(guò)程。如果信道是線性的話，那么信道估計(jì)就是對(duì)系統(tǒng)沖激響應(yīng)進(jìn)行估計(jì)。需強(qiáng)調(diào)的是信道估計(jì)是信道對(duì)輸入信號(hào)影響的一種數(shù)學(xué)表示，而“好”的信道估計(jì)則是使得某種估計(jì)誤差最小化的估計(jì)方法。是ACOOFDM系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)是否需要利用額外的數(shù)據(jù)，信道估計(jì)則可以分為：盲信道估計(jì)、導(dǎo)頻輔助的信道估計(jì)及基于疊加序列的信道估計(jì)。基于導(dǎo)頻的信道估計(jì)方法通過(guò)在時(shí)域或頻域插入收發(fā)雙方都已知的塊狀或梳狀導(dǎo)頻信息，接收端首先利用導(dǎo)頻恢復(fù)出導(dǎo)頻位置的信道狀態(tài)信息，然后通過(guò)內(nèi)插、濾波及變換等方法獲得所有頻段和時(shí)段的信道信息；盲信道估計(jì)法則不插入導(dǎo)頻信息，僅利用系統(tǒng)本身信號(hào)的相關(guān)特性獲得信道信息，如相關(guān)函數(shù)、相關(guān)矩陣、線性編碼等統(tǒng)計(jì)特性以及發(fā)送信號(hào)的固有特性；基于疊加序列的信道估計(jì)方法，將一個(gè)特殊的序列時(shí)域疊加在數(shù)據(jù)序列上，與數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)送，接收端經(jīng)過(guò)特殊處理，提取出所疊加的序列，估計(jì)信道狀態(tài)信息（Channel State Information，CSI）?？偟膩?lái)說(shuō)，基于導(dǎo)頻的方法具有較高的估計(jì)精度，可以跟蹤時(shí)變信道，但是導(dǎo)頻占用了頻譜資源，降低了系統(tǒng)容量；盲信道估計(jì)法由于不需要導(dǎo)頻信息，很大程度上提高了系統(tǒng)傳輸效率，然而由于收斂速度慢，實(shí)際應(yīng)用受到限制；基于疊加序列的信道估計(jì)法，不需要額外的頻段和時(shí)隙傳輸已知導(dǎo)頻，保證了系統(tǒng)的傳輸效率，同時(shí)算法復(fù)雜度低，具有顯著優(yōu)勢(shì)，因而倍受關(guān)注。1999年，Peter Hoeher和Fredrik Tufvesson將偽噪聲(Pseudo Noise，PN)序列作為訓(xùn)練序列，時(shí)域疊加在數(shù)據(jù)上，利用Viterbi算法首次實(shí)現(xiàn)了基于疊加序列的信道估計(jì)[15]。疊加序列技術(shù)是一種擴(kuò)展頻譜技術(shù)，其中最典型的是疊加周期序列的信道估計(jì)技術(shù)。疊加周期序列的信道估計(jì)基于兩個(gè)假設(shè)條件：系統(tǒng)傳輸?shù)奈粗獢?shù)據(jù)序列滿足均值為零的獨(dú)立統(tǒng)計(jì)分布；系統(tǒng)的加性噪聲為均值為零的高斯白噪聲，其統(tǒng)計(jì)獨(dú)立于數(shù)據(jù)信息序列。由于數(shù)據(jù)序列和噪聲序列的均值都為零，這樣接收端對(duì)接收到的數(shù)據(jù)序列進(jìn)行一階統(tǒng)計(jì)平均處理之后，可以消除數(shù)據(jù)序列和噪聲序列對(duì)所疊加訓(xùn)練序列的影響，將所疊加的訓(xùn)練序列提取出來(lái)；然后利用由訓(xùn)練序列構(gòu)造的本地循環(huán)矩陣對(duì)信道參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。疊加周期序列的信道估計(jì)技術(shù)算法簡(jiǎn)單，精度高。由于ACOOFDM系統(tǒng)發(fā)送端輸入IFFT的復(fù)向量具有特殊的要求，使得基于導(dǎo)頻的信道估計(jì)技術(shù)在ACOOFDM系統(tǒng)中的應(yīng)用將面臨著許多困難。相對(duì)而言，基于疊加序列的信道估計(jì)技術(shù)將更具競(jìng)爭(zhēng)力。但由于光強(qiáng)度信號(hào)為非負(fù)的單極性實(shí)信號(hào)，系統(tǒng)傳輸?shù)男畔⑿蛄芯挡粸榱?，那么接收端?duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行一階統(tǒng)計(jì)平均處理之后，不能將所疊加的序列提取出來(lái)，致使無(wú)法完成對(duì)無(wú)線光信道的估計(jì)。目前這方面研究仍然較少。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，本課題根據(jù)光強(qiáng)度信號(hào)的特點(diǎn)合理地構(gòu)造周期序列和本地矩陣，提出一種適用于（ACOOFDM）該系統(tǒng)的疊加周期序列的信道估計(jì)方法。第二節(jié) 研究意義無(wú)線光通信技術(shù)發(fā)展十分迅速，OFDM系統(tǒng)由于具有許多的優(yōu)勢(shì)而被認(rèn)為是無(wú)線光技術(shù)的核心之一。但是無(wú)線光通信系統(tǒng)傳輸?shù)男盘?hào)必須為非負(fù)的單極性實(shí)信號(hào)，雙極性復(fù)值的 OFDM 信號(hào)不能直接在無(wú)線光鏈路中傳輸，無(wú)法直接在強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)（Intensity Modulated/Direct Detection，IM/DD) 系統(tǒng)中應(yīng)用，然而 ACOOFDM系統(tǒng)的提出正好用于解決這個(gè)問(wèn)題。因?yàn)锳COOFDM系統(tǒng)不需要添加直流偏移量，在對(duì)光源進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制之前，調(diào)制信號(hào)的所有負(fù)值都被歸零，通過(guò)載波頻率的正確選擇，傳輸數(shù)據(jù)完全可以從這種非對(duì)稱(chēng)削減的信號(hào)中恢復(fù)出來(lái)，并且不會(huì)產(chǎn)生信號(hào)頻帶內(nèi)的削減噪聲。目前已有兩種形式的單極性O(shè)FDM調(diào)制方式被提出：ACOOFDM；DCOOFDM。在DCOOFDM系統(tǒng)中，通過(guò)將直流偏置加在實(shí)OFDM基帶信號(hào)上，產(chǎn)生單極性信號(hào)；在ACOOFDM系統(tǒng)中，則對(duì)該雙極性O(shè)FDM實(shí)信號(hào)以零值為基準(zhǔn)進(jìn)行限幅，所有小于零的信號(hào)都被置零，只保留大于零的信號(hào)。由于ACOOFDM除了要求發(fā)射端輸入IFFT的復(fù)數(shù)向量具有共軛對(duì)稱(chēng)性，而且要求IFFT的輸入端的偶數(shù)子載波為零（只有奇數(shù)子載波承載數(shù)據(jù)，偶數(shù)子載波不承載數(shù)據(jù)），只有這樣限幅才不會(huì)造成傳輸數(shù)據(jù)的丟失。這是因?yàn)橛上薹a(chǎn)生的噪聲只落在了偶數(shù)子載波上，所以奇數(shù)子載波上的數(shù)據(jù)不受影響。在系統(tǒng)誤碼率（Bit Error Rate，BER）和信息傳輸速率相同的情況下，ACOOFDM則具有較高的光功率效率；DCOOFDM的性能決定于直流偏置的大小，星座的規(guī)模越大，要求直流偏置也越大，因而增大了功率消耗，限制了其在實(shí)際系統(tǒng)的應(yīng)用。所以ACOOFDM具有星座選擇的靈活性，在無(wú)線光系統(tǒng)中具有更好的適應(yīng)性。同時(shí)ACOOFDM技術(shù)除具備OFDM 技術(shù)的特點(diǎn)外，還具有抗多徑傳輸能力強(qiáng)，功率效率高和安全性好，星座選擇靈活，系統(tǒng)容量大等優(yōu)勢(shì)。 DCOOFDM系統(tǒng)時(shí)域信號(hào)波形 ACOOFDM系統(tǒng)時(shí)域信號(hào)波形ACOOFDM技術(shù)因?yàn)橛兄@著的優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用與無(wú)線光通信系統(tǒng)中。在基于ACOOFDM的新一代無(wú)線通信系統(tǒng)中，傳輸速率較高，需要使用相干檢測(cè)技術(shù)獲得較高的性能，因此必須選擇好的估計(jì)方法來(lái)獲得較好的估計(jì)效果。然而，無(wú)線通信系統(tǒng)的性能很大程度上受到無(wú)線信道的影響，如陰影衰落和頻率選擇性衰落等，使得發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的信道非常復(fù)雜。無(wú)線信道具有很大的隨機(jī)性，所以在ACOOFDM系統(tǒng)中需要對(duì)信道進(jìn)行估計(jì)，信道估計(jì)的精度將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。隨著無(wú)線光通信技術(shù)的發(fā)展，信道參數(shù)估計(jì)變得十分必要，也是實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。信道估計(jì)技術(shù)用于估計(jì)時(shí)域信道有限脈沖響應(yīng)系數(shù)，是信號(hào)檢測(cè)、均衡與解調(diào)的基礎(chǔ)，是ACOOFDM系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，精度高、穩(wěn)定性好、代價(jià)低的信道估計(jì)算法對(duì)ACOOFDM系統(tǒng)至關(guān)重要。所以，現(xiàn)在對(duì)ACOOFDM系統(tǒng)信道估計(jì)算法研究是很有必要的，也是非常有意義的。第三節(jié) 本文的主要內(nèi)容及工作安排本文主要研究ACOOFDM系統(tǒng)原理及其基于疊加訓(xùn)練序列的信道估計(jì)算法，具體的