【文章內(nèi)容簡介】 主要內(nèi)容安排如下：第一章為緒論部分，介紹了無線光通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀；OFDM技術(shù)研究現(xiàn)狀以及其在光通信中的應(yīng)用；ACOOFDM技術(shù)、該系統(tǒng)信道估計技術(shù)的研究現(xiàn)狀和該課題的研究意義。第二章分析了OFDM系統(tǒng)的基本原理和模型和技術(shù)特點；詳細介紹了ACOOFDM系統(tǒng)的基本原理、模型和關(guān)鍵技術(shù)特點；分析了兩種ACOOFDM常用的信道估計技術(shù)，即基于導(dǎo)頻的信道估計和基于疊加訓(xùn)練序列的信道估計技術(shù)，對它們的實用性進行了對比。第三章介紹了疊加訓(xùn)練序列的信道估計技術(shù)的研究背景和原理，分析了ACOOFDM系統(tǒng)信道模型。根據(jù)ACOOFDM無線光通信系統(tǒng)的特點，研究了基于疊加訓(xùn)練序列的信道估計方法；通過MATLAB仿真分析了功率分配因子對系統(tǒng)性能和信道估計性能的影響，比較了不同SNR條件下的系統(tǒng)性能。第四章對本文提出的信道估計方法進行總結(jié)，給出結(jié)論。同時對本文的具體工作進行總結(jié)，給出現(xiàn)有的ACOOFDM系統(tǒng)信道估計的研究熱點以及下一步的工作和研究的展望。第二章 ACOOFDM系統(tǒng)概述第一節(jié) OFDM系統(tǒng)原理及技術(shù)特點OFDM技術(shù)早在60年代就已被提出，但由于當(dāng)時的技術(shù)有限使得實現(xiàn)困難，長期以來一直僅被軍事應(yīng)用領(lǐng)域所關(guān)注，直到利用IFFT/FFT實現(xiàn)復(fù)用與解復(fù)用技術(shù)、大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)以及DSP技術(shù)的發(fā)展，才引起人們的普遍關(guān)注，使得OFDM由理論走向?qū)嶋H應(yīng)用。如今OFDM技術(shù)已被廣泛用于各種有線和無線寬帶通信系統(tǒng)中。OFDM主要思想：將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個子信道上進行傳輸。正交信號可以通過在接收端采用相關(guān)技術(shù)來分開，這樣可以減少子信道之間的相互干擾 ICI 。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個子信道上的可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號間干擾。而且由于每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對容易。，普通的FDM系統(tǒng)為了分離各予信道的信號，需要在相鄰的信道間設(shè)置一定的保護頻帶，以便接收端能用帶通濾波器分離出各子信道的信號。 單載波系統(tǒng)頻譜圖（該圖與下圖沒有可比性，要不刪掉，或者多加幾個載波，體現(xiàn)相鄰載波間不能正交的關(guān)系），OFDM系統(tǒng)各子信道間不但沒有保護頻帶，而且相鄰信道間信號的頻譜的主瓣還相互重疊，各個子載波是相互交叉存在的。下面對二者的頻譜利用率進行對比： 正交頻分復(fù)用信號的頻譜示意圖（在該圖的描述里面沒有體現(xiàn)：與上圖相比，OFDM節(jié)省帶寬）若取調(diào)制點位N，n為子載波的個數(shù)則：普通單載波系統(tǒng)，頻譜利用率僅為： （）而OFDM的頻譜利用率為： （）OFDM系統(tǒng)的載波間隔已達最小，所選擇的子載波間隔使得不同子載波在時域上相互正交，在頻域上相互重疊。OFDM符號長度比系統(tǒng)采樣間隔長很多，從而極大地降低了時間彌散信道引入的符號間干擾(ISI)對信號的影響。OFDM的頻譜利用率要高于普通的單載波頻譜利用率。 OFDM基本模型（圖不規(guī)整，美化一下）。二進制數(shù)據(jù)流經(jīng)編碼后，由PSK、QPSK或nQAM星座映射為串行復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)流；該串行復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)流經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換生成復(fù)向量 輸入 IFFT 模塊；對經(jīng)過 IFFT 的數(shù)據(jù)進行數(shù)模轉(zhuǎn)換和串并變換，生成基帶OFDM時域信號；在接收端，經(jīng)過FFT變換模塊，節(jié)省了大量的運算時間，在通過一系列與發(fā)送端相反的操作，將接收到的同相正交矢量解調(diào)為數(shù)據(jù)信息。在實際系統(tǒng)中， IFFT/FFT模塊通常被用來完成信號的復(fù)用和解復(fù)用，實現(xiàn)信號的時頻轉(zhuǎn)換。我們可以得到OFDM系統(tǒng)中的頻域信號與其基帶時域信號具有如下關(guān)系： （） （）其中 為 IFFT 點數(shù)，即子載波數(shù)目；為第 n 個子載波的頻率。IFFT/FFT技術(shù)和循環(huán)前綴是OFDM技術(shù)在實際應(yīng)用中的關(guān)鍵。雖然符號周期的增長，減小了多徑衰落引起的ISI對系統(tǒng)的影響，但并未將其完全消除。因此必須在每個時域OFDM符號前插入保護間隔。通常是將時域OFDM數(shù)據(jù)符號后一部分復(fù)制到該數(shù)據(jù)符號之前，將這部分數(shù)據(jù)稱為循環(huán)前綴，其長度通常決定于無線信道的最大延時擴展。循環(huán)前綴與數(shù)據(jù)部分組成一個完整的OFDM符號。盡管循環(huán)前綴引入了冗余信息，降低了系統(tǒng)傳輸效率和帶寬，但它能有效地消除ISI和子載波間干擾（Intercarrier Interference，ICI），是簡化OFDM系統(tǒng)均衡的關(guān)鍵。OFDM系統(tǒng)技術(shù)具有以下優(yōu)點：（1）頻譜利用率高。在OFDM系統(tǒng)中，子載波頻譜相互重疊且數(shù)學(xué)正交，在頻譜寬度相同的情況下，能夠容納更多的子載波，因而頻譜利用率高。（2）可以使用IFFT/FFT技術(shù)完成信號的正交復(fù)用與解復(fù)用。DSP技術(shù)的應(yīng)用，使得這一過程變得簡單而快速，無需復(fù)雜的調(diào)制、解調(diào)和濾波設(shè)備。（3）具有很強的抗多徑衰落能力。符號周期比串行系統(tǒng)長得多，使得系統(tǒng)對信道延時擴展的敏感度降低，多徑衰落引起的ISI和ICI對系統(tǒng)的影響就更??；而CP的使用則進一步消除了這種不良影響。（4）能夠靈活地與其他技術(shù)相結(jié)合，如TDMA、FDMA和MIMO等。（5）可以實現(xiàn)非對稱數(shù)據(jù)傳輸，以及實現(xiàn)可變動態(tài)上下路復(fù)用技術(shù)。但OFDM系統(tǒng)技術(shù)也有以下不足的地方：（1）高峰均功率比（Peak Average Power Ratio，PAPR）。作為多載波調(diào)制系統(tǒng)，如果多子載波都在同一時刻處在波峰或波谷的位置，此時信號功率將遠大于或小于信號平均功率，具有高的PAPR。為使信號不失真，則要求發(fā)射機和接收機內(nèi)部各個器件具有一個很寬的線性動態(tài)范圍，如數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、功率放大器、濾波器等，增大了系統(tǒng)的復(fù)雜度。（2）對時間同步敏感。（3）對載波頻偏和相偏敏感。在無線信道中，信號經(jīng)歷了多徑衰落、多普勒頻移等影響，使得接收端的本振信號與接收到信號的載波存在著頻率和相位的偏差，破壞了子載波間的正交性，引起ISI、ICI，嚴重影響系統(tǒng)性能。第二節(jié) ACOOFDM系統(tǒng)原理及技術(shù)特點在無線光通信系統(tǒng)中，須要通過光強度調(diào)制將所傳輸信息承載于光強度信號，因此所傳輸?shù)男盘柋仨殲榉秦摰膯螛O性實信號。然而在傳統(tǒng)的RF系統(tǒng)中，OFDM信號為雙極性復(fù)信號，不能直接實現(xiàn)在無線光鏈路的傳輸。針對OFDM技術(shù)在強度調(diào)制的無線光通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，目前已有兩種典型的調(diào)制方：ACOOFDM；DCOOFDM。相比DCOOFDM 技術(shù)，ACOOFDM技術(shù)由于具有星座選擇的靈活性和較高的功率效率而備受關(guān)注。ACOOFDM 系統(tǒng)的（去掉）不需要添加直流偏移量，對光源進行強度調(diào)制前，調(diào)制信號的所有負值都被歸零，通過載波頻率的正確選擇，傳輸數(shù)據(jù)完全可以從這種非對稱削減的信號中恢復(fù)出來，并且不會產(chǎn)生信號頻帶內(nèi)的削減噪聲。 ACO OFDM系統(tǒng)模型ACOOFDM 。其原理的相關(guān)過程為：首先將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)經(jīng)過nQAM星座映射為復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)，經(jīng)過串并變換后，生成長度為 N/4 的復(fù)向量，N 為系統(tǒng)子載波的數(shù)目。然后將該負向量映射為長度為N的復(fù)向量，將進行IFFT運算，具有這樣的特點：當(dāng) n 為偶數(shù)時，即只有奇載波用來傳輸數(shù)據(jù)，偶載波所傳數(shù)據(jù)為零；當(dāng) n 為奇數(shù)時 ，“*”表示共軛，即具有復(fù)共軛對稱特性，以保證IFFT后得到時域OFDM向量為實向量。所以經(jīng)過IFFT變換后，得到長度為N的向量，由IFFT之后基帶OFDM時域信號的 N個采樣點組成的向量。為向量添加CP后，進行串并轉(zhuǎn)換，得到雙極性信號采樣序列。以零為基準將中小于零的信號置零，得到單極性序列。經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換、濾波后，調(diào)制光源強度，得到光強度信號。接收端通過光電探測器檢測接收到的光信號。接下來的解調(diào)過程與RFOFDM系統(tǒng)類似，其中是模數(shù)變換后得到的基帶信號的采樣序列，是去掉循環(huán)前綴后得到的序列，是FFT之后解調(diào)出的復(fù)數(shù)向量。其中可以表示為 （）其中“?”表示卷積運算，h(n)為光信道有限脈沖響應(yīng)系數(shù)，w(n)為加性高斯白噪聲（Additive White Gaussian Noise，AWGN），181。 為常數(shù)，表示光探測器的靈敏度。為不缺乏一般性，現(xiàn)在假設(shè)181。=1。于是，接收到的信號 r(n)可以表示為： （）我們注意到是單極性信號，而噪聲是在電域中引入，因此是雙極性信號。雖然對信號進行了限幅，但是這并不會造成所傳輸數(shù)據(jù)的丟失，因為由限幅而引入的噪聲都落在了偶載波上，對奇載波上的數(shù)據(jù)不會造成影響。由于發(fā)送端輸入IFFT的復(fù)向量S具有共軛對稱特性，同時只有奇載波承載數(shù)據(jù)，偶載波上的數(shù)據(jù)為零，這樣 s(n)中第 m 個子載波上的數(shù)據(jù)可表示為： （）由式（）可以容易地看到，當(dāng) m 為奇數(shù)時， （）因此在ACOOFDM系統(tǒng)中，IFFT后得到的基帶OFDM信號的采樣序列具有這樣的特征： （）即的前半部分與后半部分是相反數(shù)的關(guān)系。這樣限幅之后，在一個數(shù)據(jù)符號內(nèi)，相差 N/2 采樣點的兩個數(shù)據(jù)中，至少有一個為零。接收端將進行FFT變換： （）由（）可得： （）由以上推導(dǎo)可見，限幅使得奇載波上所承載的數(shù)據(jù)的幅值減半，而由此帶來的限幅噪聲則全部落在了偶載波上，因此數(shù)據(jù)能夠被精確地解調(diào)，限幅沒有造成所傳數(shù)據(jù)的丟失。相比OFDM技術(shù)的特點， ACOOFDM技術(shù)除具備OFDM 技術(shù)的優(yōu)勢外，抗多徑傳輸能力強，功率效率高和安全性好，星座選擇靈活，系統(tǒng)容量大，而倍受關(guān)注。還有其獨特的優(yōu)點：收發(fā)機結(jié)構(gòu)簡單；光功率效率高；受非線性影響小等。與此同時，ACOOFDM技術(shù)也有其不足，主要表現(xiàn)在：頻譜功率相對降低；需要新的定時算法。（加上“光在傳播過程中，受背景噪聲影響嚴重以及多徑散射效應(yīng)，導(dǎo)致接收端光信噪比降低，影響B(tài)ER性能，因此提出信道估計用于抵抗該干擾對系統(tǒng)性能的影響?！?方便與下一節(jié)承接）第三節(jié) 信道估計技術(shù)分析信道估計技術(shù)用于估計信道時、頻特征參數(shù)，是信號檢測、均衡與解調(diào)的基礎(chǔ)，精度高、穩(wěn)定性好、代價低的信道估計算法對OFDM系統(tǒng)至關(guān)重要。根據(jù)是否需要利用額外的數(shù)據(jù)，信道估計可以分為：盲信道估計、導(dǎo)頻輔助的信道估計及基于疊加序列的信道估計。下面重點介紹導(dǎo)頻輔助和基于疊加序列的信道估計。一、導(dǎo)頻輔助信道估計 導(dǎo)頻輔助信道估計方法是在數(shù)據(jù)流中等間隔地插入一定數(shù)量的導(dǎo)頻序列，利用接收到的信號和導(dǎo)頻信號估計出導(dǎo)頻位置的信道響應(yīng)，然后通過內(nèi)插濾波等方法得到全部信道的響應(yīng)。基于訓(xùn)練序列的信道估計方法大致可以分為兩類：一類是在頻域內(nèi)進行信道估計，另一種是在時域內(nèi)進行估計。根據(jù)OFDM信號的基本構(gòu)成和時頻二維特性，可以選擇在時域和頻域內(nèi)進行導(dǎo)頻的插入。導(dǎo)頻序列是OFDM技術(shù)中的重要組成部分，它插在不同的OFDM符號之間，可用于時頻同步的相關(guān)檢測，如信道估計和恢復(fù)，以及載波頻率偏移的估計。通常，按照導(dǎo)頻序列的插入方式不同可以分為塊狀導(dǎo)頻和梳狀導(dǎo)頻，分別對應(yīng)于慢衰落信道估計和快衰落信道估計。導(dǎo)頻序列應(yīng)該具有一定的相關(guān)特性，便于進行相干檢測和相應(yīng)的運算。常用的導(dǎo)頻序列是未經(jīng)調(diào)制的直接序列擴頻信號。塊狀導(dǎo)頻插入集中式導(dǎo)頻插入，即塊狀導(dǎo)頻插入適應(yīng)于信道為慢衰落的情況，我們認為此時OFDM系統(tǒng)中的符號的幀結(jié)構(gòu)變化較慢或者基本不變。由于省去了在接收端進行的頻率插值，因此這種導(dǎo)頻對頻率選擇不敏感，因此一般應(yīng)用于比較單一的信道環(huán)境中。，輸入M幀的數(shù)據(jù)，每一幀有L個符號，其中第一個為導(dǎo)頻符號。（說明一下哪個代表數(shù)據(jù)符號，那個代表導(dǎo)頻符號，下同） 塊狀導(dǎo)頻下的OFDM符號結(jié)構(gòu) 基于塊狀導(dǎo)頻插入的信道估計（刪掉，只要上面那個圖就可以了）梳狀導(dǎo)頻插入移動信道具有頻率選擇性和時變特性，也就是說實際OFDM系統(tǒng)中信道的傳輸特性在時域和頻域內(nèi)都是時變的，即使在傳輸一幀OFMD數(shù)據(jù)時間內(nèi)，信道特性也會發(fā)生明顯的變化，因此應(yīng)該采用基于間隔式導(dǎo)頻插入，即梳狀導(dǎo)頻插入的信道估計方法，跟蹤不同符號下信道狀態(tài)的變化，對快衰落信道做動態(tài)估計。采用基于間隔式導(dǎo)頻插入信道估計方法時只有部分子載波含有導(dǎo)頻信息，非導(dǎo)頻子載波上的信道信息要依靠導(dǎo)頻子載波的估計值來決定，因此該算法對頻偏的影響更敏感梳妝導(dǎo)頻是在OFDM塊中均勻的插入導(dǎo)頻。在相同導(dǎo)頻載荷的條件下，梳妝導(dǎo)頻比塊狀導(dǎo)頻有更高重傳率，因此梳妝導(dǎo)頻在快衰落信道下估計效果更好。但是，梳妝導(dǎo)頻在非載波上的信道特征，只對導(dǎo)頻子載波上的信道特征的插值才能得到，所以這種導(dǎo)頻對頻率選衰落比較敏感。，在每個符號數(shù)據(jù)中均勻地插入個導(dǎo)頻信號，這個導(dǎo)頻信號占據(jù)相應(yīng)的個子信道。 梳狀導(dǎo)頻下的OFDM符號結(jié)構(gòu) 基于梳狀導(dǎo)頻插入的信道估計二、疊加訓(xùn)練序列信道估計ACOOFDM系統(tǒng)基于疊加訓(xùn)練序列的信道估計算法與OFDM系統(tǒng)相似，圖（）為疊加訓(xùn)練序列OFDM系統(tǒng)的發(fā)射機模型。在發(fā)送端，數(shù)據(jù)信號和訓(xùn)練序列同時發(fā)送。數(shù)據(jù)經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后，b為一個OFDM信號內(nèi)承載的數(shù)據(jù)。其中，是映射到OFDM信號第k個子載波上的數(shù)據(jù)信息。為訓(xùn)練序列的頻域采樣，訓(xùn)練序列的時域采樣值為。假設(shè)數(shù)據(jù)符號和訓(xùn)練序列都具有單位功率，把這兩部分信號乘以不同的系數(shù)和，分別控制發(fā)射信號中數(shù)據(jù)符號和訓(xùn)練序列兩部分的發(fā)射功率，且滿足，數(shù)據(jù)符號和訓(xùn)練序列進行I