【導(dǎo)讀】與我一同工作的同志對(duì)本研。究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。特授權(quán)天津理工大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入。有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編，以供查閱和借閱。同意學(xué)校向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)本和電子。統(tǒng)中有廣闊的應(yīng)用前景。本文對(duì)CO-OFDM單模光纖系統(tǒng)進(jìn)行研究，主要包括系統(tǒng)理論。碼率三者之間的關(guān)系，并給出了仿真結(jié)果。首先介紹了定時(shí)偏差對(duì)系。減小系統(tǒng)定時(shí)對(duì)色散的敏感度，并仿真實(shí)現(xiàn)。CO-MIMO-OFDM系統(tǒng)模型，從理

　　

【正文】 示子載波頻率； scN 表示 OFDM子載波的數(shù)量； sT ， G? 和 st 分別是 OFDM 符號(hào)周期 （包含循環(huán)前綴） ，保護(hù)間 隔長(zhǎng)度和觀察 周期 （即有用信號(hào)的長(zhǎng)度） ，此時(shí) 為了避免產(chǎn)生符號(hào)間干擾 (ISI)，保護(hù)間隔長(zhǎng)度必須 大 于最大多徑時(shí)延 。 基帶 OFDM 信號(hào)通過(guò)一個(gè)射頻同相正交混合器 將 進(jìn)一步轉(zhuǎn)換到射頻頻帶上 。 在 RTO 上變頻器中，采用光同相正交調(diào)制器將射頻 OFDM 信號(hào)轉(zhuǎn)換到光域上，此時(shí)，實(shí)現(xiàn)上變頻的功能 , RF OFDM 信號(hào) 轉(zhuǎn)變?yōu)楣?OFDM 信號(hào) ， 其中， 光同相正交調(diào)制器由 一對(duì) 由 90176。相位偏移的 馬 赫 — 曾德調(diào)制器 組成。 光 OFDM 信號(hào)可以用公式（ 22） 來(lái)表示 : 11( ) e xp( ) ( )L D L DE t j t s t???? (22) 這里 1LD? 和 1LD? 分別是發(fā)送端激光器的角頻率和相位， ()st 為基帶時(shí)域信號(hào)。 光 OFDM信號(hào) 進(jìn)入 在光傳輸鏈路中 進(jìn)行 傳輸，假設(shè)信道的傳輸函數(shù)為 ()ht ，則在接收端的光信號(hào)可以表示為： 11( ) e xp( ) ( ) ( )L D L DE t j t s t h t??? ? ? (23) 這里 ? 代表卷積。光域 OFDM信號(hào)進(jìn)入 OTR下變頻器， 采用光相干檢測(cè) ， 使用兩對(duì)平衡接收機(jī) 進(jìn)行 零差檢測(cè)， 光 OFDM信號(hào)轉(zhuǎn)換成射頻 OFDM信號(hào)， 完成光電轉(zhuǎn)換； 之后射頻第二章 COOFDM 單模光纖系統(tǒng)的傳輸性能研究及仿真 13 OFDM信號(hào)通過(guò)混頻后 ， 轉(zhuǎn)換為接近 直流（ DC）的中頻信號(hào)， 這個(gè)中頻信號(hào)可表示為： 0( ) e xp ( ) ( )offr t j t r t??? ? ?， 0( ) ( ) ( )r t s t h t?? (24) 12off LD LD? ? ???, 12LD LD? ? ?? ? ? ? ? (25) 其中 off?? 和 ?? 分別是發(fā)送和接收激光器之間的頻 率 偏 移 和相位偏移。在 RF OFDM接收端，這個(gè) 中頻 OFDM信號(hào)首先利用模數(shù) 轉(zhuǎn)換器 進(jìn)行 抽樣； 然后，在進(jìn)行符號(hào)判決之前，信號(hào)需 經(jīng)過(guò) 三 級(jí) 復(fù)雜的同步，這三 級(jí) 同步如下： 1） 定時(shí) 同步，確定 OFDM 符號(hào)的窗口起始位置； 2）頻率同步， 采用相干解調(diào)時(shí)，由于兩個(gè)激光器之間產(chǎn)生的光載波不可能完全一致，而且傳輸鏈路中的信道色散等因素的影響， 所以 此時(shí)要進(jìn)行頻率偏移估計(jì)，并且進(jìn)行補(bǔ)償 ； 3）子載波同步，在子載波恢復(fù)中， 對(duì) 每個(gè)子載波信道 進(jìn)行 估計(jì)和補(bǔ)償。 當(dāng)系統(tǒng)采用 精確的 同步處理后， RF OFDM信號(hào)通過(guò)傅里葉變換后 公式 (24)的抽樣值變?yōu)椋? iki ki ki kir e h c n??? (26) kir 為接收到的 信息碼元， i? 是 子載波相位 ， kih 為頻域信道傳輸函數(shù)， kin 是噪聲， 上面的第三次 同步包括 了 對(duì) 子載波 i? 和信道傳輸函數(shù) kih 的 估計(jì)，所以它們可以通過(guò)一定的方法求出， 這 樣 kic 和 kic? 的值就可以通過(guò) 迫零法來(lái)確定： 2? || iikiki kikihc e rh ?? ?? (27) kic? 用于 符號(hào)判決 或恢復(fù)發(fā)射值 kic ， kic? 隨后 恢復(fù)為原始信號(hào) 。 需要說(shuō)明的是，以上簡(jiǎn)短 描述 的 COOFDM 信號(hào)處理 過(guò)程中，并沒(méi)有提及到 導(dǎo)頻符 號(hào)和 插入到 OFDM 符號(hào)中的訓(xùn)練序列， 這些導(dǎo)頻 符號(hào)和訓(xùn)練序列 的 作用 是 用于 上面提到的 三級(jí) 同步。 另外，上述的 COOFDM 信號(hào)處理 過(guò)程中也沒(méi)有提及到 糾錯(cuò)編碼，糾錯(cuò)編碼 要 包括糾錯(cuò)編譯碼器和交織器 [4950]。 COOFDM 單模光纖系統(tǒng)的同步 定時(shí)同步 對(duì) COOFDM 系統(tǒng) 接收端而言，同步是必不可少的步驟。 前面已經(jīng)提到過(guò)了 三次同步： 定時(shí) 同步、載波頻偏同步和子載波同步 。 定時(shí) 同步 是為了找到 OFDM符號(hào)的起始位置，即 FFT的積分區(qū)間。每個(gè) OFDM符號(hào)是由一個(gè)循環(huán)前綴和一個(gè)觀察周期組成的。當(dāng)定時(shí)點(diǎn)不落在循環(huán) 前綴內(nèi)時(shí)，產(chǎn)生了不正確的 FFT積分窗口導(dǎo)致碼間干擾 （ ISI） 和載波間干擾 （ ICI） ，所以定時(shí)同步在同步中顯得尤為重要。在 COOFDM系統(tǒng)中沒(méi)有專門的定時(shí)同步算法，都是沿用了無(wú)線通信中的 經(jīng)典 定時(shí)同步算法，例如： Schmidlamp。Cox算法第二章 COOFDM 單模光纖系統(tǒng)的傳輸性能研究及仿真 14 等 。但是由于光纖信道和無(wú)線信道的差異性，導(dǎo)致定時(shí)不準(zhǔn)確，影響系統(tǒng)性能。 關(guān)于COOFDM單模光纖 系統(tǒng) 的同步在第三章會(huì)有詳細(xì)深入的介紹，在這里只是對(duì)Schmidlamp。Cox算法 做簡(jiǎn)單的介紹，其定時(shí)度量函數(shù)為： 2( ) / ,ddM d R S? （ 28） / 2 / 222/211 ,sc scscNNd m d m d NmmS r r? ? ???? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ??? （ 29） /2/21 ,scscNd m d m d NmR r r? ? ? ??? ? （ 210） 其中 /0( ) .o ff s scjw m t Nsm m mscmtr r r e nN? ? ? 其定時(shí)曲線如圖 所示。由于 Schmidlamp。Cox 算法 訓(xùn)練符號(hào)采用了后一半和前一半相同的時(shí)域結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致出現(xiàn)平波現(xiàn)象（在定時(shí)點(diǎn)附近出現(xiàn)一個(gè)平臺(tái)），然而，當(dāng)存在色散時(shí)，該平臺(tái)消失，這 表明大部分循環(huán)前綴 受到了來(lái)自相鄰 OFDM 符號(hào)的串?dāng)_影響，此時(shí)，雖然平波現(xiàn)象消失，但是時(shí)間度量曲線峰值也不明顯，出現(xiàn)多個(gè)峰值共同存在，難以準(zhǔn)確定時(shí)，所以必須將此算法進(jìn)行改進(jìn)，具體方法將會(huì)在第三章中重點(diǎn)介紹。 2 0 0 1 0 0 0 100 200 30000 . 10 . 20 . 30 . 40 . 50 . 60 . 70 . 80 . 91T i m e ( s a m p l e ) o f S c h m i d l amp。 C o x a l g o r i t h mTiming Metric CDw i t h o u t C D 圖 Schmidlamp。Cox 算法的定時(shí)測(cè)度曲線 The timing metric of Schmidlamp。Cox algorithm 頻率同步 OFDM 系統(tǒng)中的頻率偏移 破壞 了 各個(gè)子 載波之間的正交性，引起 碼間干擾（ ISI） 。第二章 COOFDM 單模光纖系統(tǒng)的傳輸性能研究及仿真 15 在 COOFDM 系統(tǒng) 中可以 將頻率同步過(guò)程分為兩個(gè)階段：頻率 捕獲 和 頻率跟蹤。 1. 頻率捕獲 頻率捕獲 就是要盡快的進(jìn)行偏差估計(jì)，既要在比較寬的范圍內(nèi)捕捉到頻偏，又要使補(bǔ)償后的各偏差變量的偏差限定在一個(gè)比較小的范圍內(nèi)。 如圖 所示， 表示的是接收到的 COOFDM 信號(hào)頻譜與本振（ LO）頻率 之間的關(guān)系 。圖中 offf 為頻偏 ， 1LOf 和 2LOf 分別是發(fā)送激光器和 接收 激光器的頻率 。 圖 接收 COOFDM 信號(hào)頻譜與本振（ LO）頻率 示意圖 The diagram of received COOFDM signal spectrum and the local oscillator laser COOFDM 系統(tǒng)的頻偏會(huì)帶來(lái)了兩個(gè)問(wèn)題：第一，在直接下變頻后，由大量頻偏引起的 RF OFDM 信號(hào)的最大射頻 值增大；第二，由于直接下變頻的中頻信號(hào)損失 ，子載波信號(hào)和本地激光器頻率重疊導(dǎo)致系統(tǒng)性能 下降 。前一個(gè)問(wèn)題導(dǎo)致射頻帶寬過(guò)度擴(kuò)張，因此使接收成本增加 ； 后一 個(gè) 問(wèn)題對(duì)于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)也許不是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，因?yàn)辄c(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中允許性能下降的子載波 空載 。但是，對(duì)光廣播網(wǎng)來(lái)說(shuō)則不容忽視 ，光廣播網(wǎng)中一個(gè) COOFDM 信號(hào)流將 被 廣播到多個(gè)點(diǎn)上。由于多用戶本地的接收激光器頻率是不同的，如果它們不跟蹤發(fā)射激光器的頻率， 則 沒(méi)有相同頻率的子載波 來(lái) 對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行解調(diào)了。頻率捕獲的目的是首先粗略的對(duì)頻率偏移進(jìn)行估計(jì)，對(duì)頻率偏移估計(jì)在一定范圍之內(nèi)，然后可以利用粗估計(jì)以簡(jiǎn)化 COOFDM 系統(tǒng)的接收信號(hào)處理過(guò)程。在 COOFDM系統(tǒng)中，頻率捕獲可通過(guò)發(fā)送一個(gè) CW 信號(hào)（幾十或幾百個(gè) OFDM 符號(hào)）來(lái)測(cè)量出頻偏，如果信號(hào)發(fā)生錯(cuò)誤，則錯(cuò)誤信號(hào)會(huì)控制本振 ， 使它的頻率接近發(fā)送激光器的頻 率。接下來(lái)，就 進(jìn)行 第二階段 的頻率同步 頻率跟蹤。 2. 頻率跟蹤 頻率跟蹤通常 是建立在已取得粗略的頻率估計(jì) 基礎(chǔ)上 的 ， 頻率 跟蹤 的目的是確定頻偏的值并進(jìn)行補(bǔ)償，也稱為細(xì)估計(jì)。我們?nèi)匀灰?Schmidlamp。Cox算法來(lái)進(jìn)行頻率跟蹤，公式 （ 210） 可以表示成： /2 2 ( / )? ?1 ,sc offN j f fd m dmR r e ? ???? ? （ 211） 從上式中可以估計(jì)頻偏為：?? ( ),off dffR???? （ 212） d? 代表定時(shí)估計(jì)時(shí)的滑動(dòng)窗口， ?()dR? 表示相關(guān)函數(shù) ?dR 的角度。頻偏的精確度可以通過(guò)發(fā)送多個(gè) 訓(xùn)練符號(hào)來(lái)增加。 第二章 COOFDM 單模光纖系統(tǒng)的傳輸性能研究及仿真 16 一旦頻偏確定 則 接收抽樣 值 將會(huì)補(bǔ)償如下： ?e x p ( 2 ) ( ).c offr j f t r t??? （ 213） 得到 頻偏補(bǔ)償信號(hào) ??crt后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償便可得到 公式（ 26）中接收信息 符號(hào) kir 。接下來(lái)，就要進(jìn)行 子載波 同步 。 子載波同步 載波頻偏不僅會(huì)引起信號(hào)的幅度變化，還會(huì)使其相位發(fā)生旋轉(zhuǎn)，同時(shí)引入 ICI。公式（ 26） 的信道模型中有三個(gè)因素導(dǎo)致接收信號(hào) kir 星座圖的旋轉(zhuǎn)，它們是： 1）信道色散引起的 頻率選擇性依賴 橫跨了 OFDM 頻譜； 2） FFT 采樣時(shí)間偏移產(chǎn)生一個(gè)與子載波頻率呈線性關(guān)系 的 相位； 3）來(lái)自發(fā)射和接收激光器的相位噪聲。 三個(gè)因素的解決方法不同，前兩個(gè)可以通過(guò)信道估計(jì)解決 ,第三 個(gè)通過(guò)相位估計(jì)和補(bǔ)償解決。 我們假設(shè)信號(hào)處理在數(shù)據(jù)塊中進(jìn)行，每個(gè)數(shù)據(jù)塊可以容納大量 OFDM 符號(hào)。在每個(gè)數(shù)據(jù)塊中，假設(shè)光纖信道不變，則子載波同步 包含 兩個(gè) 基帶信號(hào) 處理過(guò)程：信道估計(jì)和相位估計(jì)。信道估計(jì)有很多種方法，例如：時(shí)域?qū)ьl輔助和頻域?qū)ьl輔助方法 [5153]。這里我們主要介紹基于頻域?qū)ьl輔助方法來(lái)恢復(fù)子載波。圖 是一個(gè) OFDM 數(shù)據(jù)塊的時(shí)域和頻域結(jié)構(gòu)，該數(shù)據(jù)塊中含有在頻域上的 scN 個(gè)子載波和在時(shí)域上的 fN 個(gè) OFDM碼元。 在有用符號(hào)的前面插入前導(dǎo)序列用來(lái)進(jìn)行定時(shí)同步和信道 估計(jì)。信道傳輸函數(shù)可以 表示為 ： 11? /,kip jrk ki kiih e r c???? ? （ 214） kic 和 kir 分別是發(fā)送和接收的導(dǎo)頻符號(hào)， 1kir? 是在第 i 個(gè) OFDM符號(hào) 上 第 ik 個(gè)載波的角度；p 是 導(dǎo)頻 符號(hào)的數(shù)量 ， 增加的相位補(bǔ)償 1kir? 用來(lái)消除 CPE誤差的影響。相位估計(jì)就是估計(jì)由于激光器引起的相位噪聲，即公式（ 26）中的 i? 。我們假設(shè) pN 個(gè)導(dǎo)頻符號(hào)來(lái)進(jìn)行相位估計(jì)，則 i? 最大似然估計(jì)為： 21a r g ( / ) .pNi ki k ki kk c h c????? ?? ? （ 215） 其中 k? 是第 k 個(gè)子載波的星座標(biāo)準(zhǔn)偏差。假設(shè)當(dāng) k? 在所有子載波上保持不變時(shí)，公式（ 215） 將簡(jiǎn)化為最小平方法（ LS）。在信道估計(jì)（公式 214）和相位估計(jì)（公式 215）之后，再使用公式（ 27），則子載波恢復(fù)完成，實(shí)際上即重建每個(gè)子載波的星座圖。 第二章 COOFDM 單模光纖系統(tǒng)的傳輸性能研究及仿真 17 圖 OFDM 數(shù)據(jù)塊的時(shí)域和頻域結(jié)構(gòu) Time and frequency representation of a block of COOFDM signal COOFDM 單模光纖系統(tǒng)組成 通過(guò) 前面對(duì) COOFDM 系統(tǒng)的 理論 分析，我們對(duì) COOFDM 系統(tǒng)的 信號(hào)處理過(guò)程 有了比較全面的認(rèn)識(shí)， 因此 ，在 此 基礎(chǔ)上我們進(jìn)一步研究 系統(tǒng)。圖 為 。 圖 The diagram of 系統(tǒng)是一致的，只是該系統(tǒng)從二進(jìn)制數(shù)據(jù)流到基帶 OFDM 信號(hào)的處理過(guò)程和從基帶OFDM 信號(hào)到二進(jìn)制數(shù)據(jù)流處理過(guò)程是由計(jì)算機(jī)來(lái)完成的。 如圖 所示，在發(fā)送端，第二章 COOFDM 單模光纖