【導(dǎo)讀】行準(zhǔn)確的信道估計(jì)。針對(duì)ACO-OFDM系統(tǒng)中，系統(tǒng)信號(hào)均值大于零，不滿足傳統(tǒng)疊。基于疊加訓(xùn)練序列的信道估計(jì)方法。該方法首先通過(guò)對(duì)復(fù)數(shù)序列進(jìn)行共軛對(duì)稱(chēng)變換、一階統(tǒng)計(jì)平均處理，完成信道估計(jì)。復(fù)雜度較低，時(shí)間功率分配相對(duì)靈活，具有顯著的優(yōu)勢(shì)。結(jié)合理論分析，并通過(guò)計(jì)算。若功率分配因子保持不變，隨著系統(tǒng)子載波數(shù)目的增大，MSE逐漸。隨著功率分配因子的增大，訓(xùn)練序列的能量增大，信道估計(jì)。性能越好，精度越高，驗(yàn)證了該算法的有效性。

　　

【正文】 ? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ???? 重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 / 2 20( ) 01 2 2 ( / 2 )( ) e x p e x p2Nkskj n k N j k N ns k s kN N N???? ?? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ???? / 2 2 / 2 200( ) 0 ( ) 02 2 2 2( ) e x p ( ) e x pNNkks k s kj n k j n ks k s kN N N N??????????? ? ? ??? ? ? ? ?? ? ? ??? 2 ( ),cSn? 0 nN?? （ ） 由以上推導(dǎo)可見(jiàn)，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(lái)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(méi)有造成所傳數(shù)據(jù)的丟失。 相比 OFDM 技術(shù)的特點(diǎn)， ACOOFDM 技術(shù)除具備 OFDM 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)外，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，而倍受關(guān)注。還有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；光功率效率高；受非線性影響小 等。 與此同時(shí)，ACOOFDM 技術(shù)也有其不足，主要表現(xiàn)在：頻譜功率相對(duì)降低；需要新的定時(shí)算法。（加上“光在傳播過(guò)程中，受背景噪聲影響嚴(yán)重以及多徑散射效應(yīng)，導(dǎo)致接收端 光信噪比降低，影響 BER 性能，因此提出信道估計(jì)用于抵抗該干擾對(duì)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(jì)技術(shù)分析 信道估計(jì)技術(shù)用于估計(jì)信道時(shí)、頻特征參數(shù)，是信號(hào)檢測(cè)、均衡與解調(diào)的基礎(chǔ)，精度高、穩(wěn)定性好、代價(jià)低的信道估計(jì)算法對(duì) 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(jì)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)。 下面重點(diǎn)介紹導(dǎo)頻輔助和基于疊加序列的信道估計(jì)。 一、 導(dǎo)頻 輔助 信道估計(jì) 導(dǎo)頻輔助信道估計(jì)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(hào)和導(dǎo)頻信號(hào)估計(jì)出導(dǎo)頻位置的信道響應(yīng)，然后通過(guò)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(jì)方法大致可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是在頻域內(nèi)進(jìn)行信道估計(jì)，另一種是在時(shí)域內(nèi)進(jìn)行估計(jì)。根據(jù) OFDM 信號(hào)的基本構(gòu)成和時(shí)頻二維特性，可以選擇在時(shí)域和頻域內(nèi)進(jìn)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(hào)之間，可用于時(shí)頻同步的相關(guān)檢測(cè)，如信道估計(jì)和恢復(fù)，以及載波頻率偏移的估計(jì) 。 通常，按照導(dǎo)頻序列的插入方式不同可以分為重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 塊狀導(dǎo)頻和梳狀導(dǎo)頻，分別對(duì)應(yīng)于慢衰落信道估計(jì)和快衰落信道估計(jì) 。導(dǎo)頻序列應(yīng)該具有一定的相關(guān)特性，便于進(jìn)行相干檢測(cè)和相應(yīng)的運(yùn)算。常用的導(dǎo)頻序列是未經(jīng)調(diào)制的直接序列擴(kuò)頻信號(hào)。 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(rèn)為 此時(shí)OFDM 系統(tǒng)中的符號(hào)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(jìn)行的頻率插值，因此這種導(dǎo)頻對(duì)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。 如圖 和 所示，輸入 M 幀的數(shù)據(jù)，每一幀有 L 個(gè)符號(hào)，其中第一個(gè)為導(dǎo)頻符號(hào)。 （說(shuō)明一下哪個(gè)代表數(shù)據(jù)符號(hào)，那個(gè)代表導(dǎo)頻符號(hào)，下同） 0時(shí) 間頻率 圖 塊狀導(dǎo)頻下的 OFDM 符號(hào)結(jié)構(gòu) 1 幀 ： L 個(gè) 符 號(hào)P數(shù) 據(jù) 符 號(hào)（ L 1 ） 個(gè) 符 號(hào)P數(shù) 據(jù) 符 號(hào)（ L 1 ） 個(gè) 符 號(hào). . . P數(shù) 據(jù) 符 號(hào)（ L 1 ） 個(gè) 符 號(hào)導(dǎo) 頻 符 號(hào)1 個(gè) 符 號(hào) 圖 基于 塊狀 導(dǎo)頻插入的信道估計(jì) （刪掉，只要上面那個(gè)圖就可以了） 梳 狀 導(dǎo)頻 插入 移動(dòng)信道具有頻率選擇性和時(shí)變特性，也就是說(shuō)實(shí)際 OFDM 系統(tǒng)中信道的傳輸特性在時(shí)域和頻域內(nèi)都是時(shí)變的，即使在傳輸一幀 OFMD 數(shù)據(jù)時(shí)間內(nèi)，信道特性也重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 會(huì)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(jì)方法，跟蹤不同符號(hào)下信道狀態(tài)的變化，對(duì)快衰落信道做動(dòng)態(tài)估計(jì)。采用基于間隔式導(dǎo) 頻插入信道估計(jì)方法時(shí)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(jì)值來(lái)決定，因此該算法對(duì)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(jì)效果更好。但是，梳妝導(dǎo)頻在非載波上的信道特征，只對(duì)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(duì)頻率選衰落比較敏感。 如圖 和 所示，在每個(gè)符號(hào)數(shù)據(jù)中均勻地插入 pN 個(gè)導(dǎo)頻信號(hào)，這 pN 個(gè)導(dǎo)頻信號(hào)占據(jù)相應(yīng)的 pN 個(gè)子信道 。 0時(shí) 間頻率 圖 梳狀導(dǎo)頻 下的 OFDM 符號(hào)結(jié)構(gòu) 信 道內(nèi) 插導(dǎo) 頻子 信 道估 計(jì)導(dǎo) 頻信 號(hào)抽 取經(jīng) F F T后 的接 收信 號(hào)信 道響 應(yīng)的 估計(jì) 結(jié)果已 知 導(dǎo) 頻 圖 基于 梳狀 導(dǎo)頻插入的信道估計(jì) 二、 疊加訓(xùn)練序列 信道估計(jì) ACOOFDM 系統(tǒng)基于疊加訓(xùn)練序列的信道估計(jì)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(jī)模型。 在發(fā)送端，數(shù)據(jù) 信號(hào) 和訓(xùn)練序列重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 同時(shí)發(fā) 送。數(shù) 據(jù) ? ? , 0 ,1 , 2 , , 1b k k N??經(jīng)過(guò)串并轉(zhuǎn)換后 ? ?0 1 1, , , Nb b b b ?， b 為一個(gè)OFDM 信號(hào)內(nèi)承載的數(shù)據(jù)。其中， ??bk是映射到 OFDM 信號(hào)第 k 個(gè)子載波上的數(shù)據(jù)信息。 ? ? 10Nk kz ??為訓(xùn)練序列的頻域采樣，訓(xùn)練序列的時(shí)域采樣值為 ? ? 10Nn kc ??。 假設(shè)數(shù)據(jù)符號(hào) kb 和訓(xùn)練序列 kz 都具有單位功率，把這兩部分信號(hào)乘以不同的系 數(shù) ? 和 ? ，分別控制發(fā)射信號(hào)中數(shù)據(jù)符號(hào)和訓(xùn)練序列兩部分的發(fā)射功率，且滿足 221????，數(shù)據(jù)符號(hào)和訓(xùn)練序列進(jìn)行 IDFT 之后得到的信號(hào)分別為 bnx 和 nc ，它們的數(shù)學(xué)表達(dá)式為 ： 210 , 0 1nkN jb Nnkkx b e n NN?? ??? ? ? ?? （ ） 210 , 0 1nkN j Nnkkc z e n NN?? ??? ? ? ?? （ ） s/pIDFTIDFTs/p ?添加循環(huán)前綴R F數(shù) 據(jù)序 列訓(xùn) 練序 列??? ?kbnC nCbnx nxkz 圖 疊加訓(xùn)練序列的 OFDM 發(fā)射機(jī)模型 （錯(cuò)誤，不是射頻 而是光發(fā)射機(jī) ） 把 bnx 和 nc 相加后得到發(fā)送信號(hào) nx ，并添加循環(huán)前綴通過(guò)射頻部分發(fā)射出去。發(fā)送信號(hào) 的 nx 數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 2101 , 0 1nkN jb Nn n n kkx x c X e n NN???? ? ? ? ? ?? （ ） 其中： k k kX b z???? 訓(xùn)練序列與數(shù)據(jù)分離的 OFDM 接收機(jī)模型 如 圖 所示 ， 由于循環(huán)前綴的作用，接收信號(hào)去掉循環(huán)前綴后可表示為 ??xn與信道沖激響應(yīng)的圓周卷積。用表示 去掉循環(huán)前綴后的接收信號(hào) ??rn，則 ??rn可表示為： ? ?10 NLn m nnmmr h x w? ????? () 其中， ??N? 表示求模 (modulo)運(yùn)算， nw 表示加性復(fù)高斯白噪聲采樣，其雙邊功率譜密重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 度為 0N 。去掉循環(huán) 前綴并對(duì)信號(hào)進(jìn)行 DFT 后，第 k 個(gè)子載波上承載的信號(hào)為： ? ?221 1 10 0 0 , 0 1Nk n k nN N LjjNNk n m n k k k knmn n mR r e h x w e H X I W k N??? ? ????? ? ?? ?? ? ? ? ? ? ? ? ??? ??? ? ? （ ） 去 掉 循環(huán) 前 綴信 道 估 計(jì)D F T 判 斷 KZ??? ?kb?r kR ??kF 圖 訓(xùn)練序列與數(shù)據(jù)分離的 OFDM 接收機(jī)模型 導(dǎo)頻和訓(xùn)練 序列 的作用都是為了得到準(zhǔn)確符號(hào)同步和頻偏糾正。導(dǎo)頻 序列插入 是在 OFDM 符號(hào)的若干載波上傳輸?shù)氖且阎臄?shù)據(jù) ，將特定的序列按照一定的設(shè)計(jì)要求加在頻域上，即特定的子載波上 。 疊加 訓(xùn)練序列 則 是在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，發(fā)送的一串已知的數(shù)據(jù)。訓(xùn)練序列就是在發(fā)送的數(shù)據(jù)幀前面含有一部分已知 道的碼元，用于接 收端的同步和信道估計(jì)，它是在時(shí)域上的處理；導(dǎo)頻是在一個(gè)固定的頻率上一直發(fā)已知的信號(hào)，是頻域上的處理 。因此，兩種序列的插入方式不同。 綜上對(duì)兩種信道估計(jì)技術(shù)的分析， 基于導(dǎo)頻的方法 雖然 具有較高的估計(jì)精度，可以跟蹤時(shí)變信道，但是 加入了導(dǎo)頻輔助， 占用了頻譜資源，降低了系統(tǒng)容量；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 序列 ，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) 。 第 四 節(jié) 本章小結(jié) 本章首先介紹了 OFDM 系統(tǒng)的原理、模型以及該系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，然后對(duì)ACOOFDM 系 統(tǒng)的基本原理、系統(tǒng)模型以及該系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn) 進(jìn)行了詳細(xì)的分析 ；最后分析 比較 了兩種信道估計(jì) 即導(dǎo)頻輔助和疊加訓(xùn)練序列信道估計(jì) 技術(shù)以及它們 序列 的 插入方式。 重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 第三章 ACOOFDM 系統(tǒng)疊加序列信道估計(jì)技術(shù) 第一節(jié) 研究背景 ACOOFDM 系統(tǒng)的信道估計(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)，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?？紤]到估計(jì)精度和算法復(fù)雜度，在實(shí)際中應(yīng)用較多的通常是基于導(dǎo)頻輔助的信道估計(jì)。但導(dǎo)頻信息插入降低了系統(tǒng)傳輸效 率和頻譜利用率，尤其是在ACOOFDM 系統(tǒng)中。同時(shí)由于該系統(tǒng)要求發(fā)送端輸入 IFFT 的復(fù)向量具有共軛對(duì)稱(chēng)特征，同時(shí)偶載波為零，只有奇載波承載數(shù)據(jù)，使得傳統(tǒng)的基于導(dǎo)頻輔助的信道估計(jì)方法在 ACOOFDM 系統(tǒng)的應(yīng)用變得困難?；诏B加序列的信道估計(jì)技術(shù)不但算法簡(jiǎn)單、估計(jì)精度高，而且訓(xùn)練序列沒(méi)有單獨(dú)占用時(shí)隙或信道，具很高的系統(tǒng)傳輸效率，還具有帶寬、時(shí)間和功率分配的靈活性。因此 ACOOFDM 系統(tǒng)中基于疊加序列的信道估計(jì)技術(shù)的研究具有重要的意義。 1999 年， Peter Hoeher 和 Fredrik Tufvesson 將 偽隨機(jī) (Pseudo Noise， PN)（ 只在首次出現(xiàn)的時(shí)候這樣寫(xiě) ，后面直接寫(xiě)縮寫(xiě)就行了，其他地方一樣，檢查一下） 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]。 在疊加序列的信道估計(jì)技術(shù)中，最典型的是疊加周期序列的信道估計(jì)技術(shù)。 2020年， G. T. Zhou 最早提出采用周期沖激序列作為疊加序列，采用一階統(tǒng)計(jì)平均的方法進(jìn)行估計(jì) [16]。這種方法雖然允許較小的發(fā)射功率，但在頻域上會(huì)產(chǎn)生極大的峰均功率比，可能淹沒(méi)相關(guān)信道上的數(shù)據(jù)信號(hào)，不適合多載波調(diào)制系統(tǒng) 。 于是 2020 年， Aldo G. ，仍采用 一階統(tǒng)計(jì)平均的方法進(jìn)行估計(jì) [17]。這種方法可以在實(shí)現(xiàn)精確信道估計(jì)的同時(shí)，使峰均功率比最優(yōu)。 重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 2020 年， M. Ghogho 等人提出了一種基于數(shù)據(jù)依賴(lài)的疊加訓(xùn)練序列信道估計(jì)方法[18][19]。這種方法將數(shù)據(jù)符號(hào)中與訓(xùn)練序列頻率相同的子載波上的數(shù)據(jù)置零，從而完全消除了未知數(shù)據(jù)對(duì)訓(xùn)練序列的影響，接收端通過(guò)迭代判決的方法還原相應(yīng)的數(shù)據(jù)。這種方法類(lèi)似于傳統(tǒng)的基于導(dǎo)頻的信道估計(jì)方法，降低了系統(tǒng)傳輸效率，同時(shí)算法復(fù)雜度較高，而且也不可 用于 ACOOFDM 系統(tǒng)。 2020 年， Hashemi OFDM 系統(tǒng)的信道估計(jì)方法 [20]。該方法根據(jù)散射信道主反射面與接收機(jī)光電探測(cè)器之間夾角的變換，調(diào)整頻域插入導(dǎo)頻的數(shù)量，使得信道跟蹤支持移動(dòng)性。 本章根據(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，設(shè)計(jì)一種適用于該ACOOFDM 無(wú)線光通信系統(tǒng)的疊加周期序列的信道估計(jì)方法。 第二節(jié) ACOOFDM 系統(tǒng)信道估計(jì)方法 針對(duì)現(xiàn)有疊加周期序列的信道估計(jì)方法在 ACOOFDM無(wú)線光通信系統(tǒng)中應(yīng)用所遇到的問(wèn)題，本節(jié) 根據(jù)該系統(tǒng)信號(hào)的特點(diǎn)和接收到信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性，設(shè)計(jì)一種適用于該系統(tǒng)的疊加周期序列的信道估計(jì)方法，該方法主要包括 三 個(gè)方面：?jiǎn)螛O性非負(fù)周