【正文】 本章根據(jù)光強(qiáng)度信號的特點(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 無線光通信系統(tǒng)的疊加周期序列的信道估計(jì)方法。 2020 年， Hashemi OFDM 系統(tǒng)的信道估計(jì)方法 [20]。這種方法將數(shù)據(jù)符號中與訓(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)對訓(xùn)練序列的影響，接收端通過迭代判決的方法還原相應(yīng)的數(shù)據(jù)。這種方法可以在實(shí)現(xiàn)精確信道估計(jì)的同時，使峰均功率比最優(yōu)。這種方法雖然允許較小的發(fā)射功率，但在頻域上會產(chǎn)生極大的峰均功率比，可能淹沒相關(guān)信道上的數(shù)據(jù)信號，不適合多載波調(diào)制系統(tǒng) 。 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)。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。同時由于該系統(tǒng)要求發(fā)送端輸入 IFFT 的復(fù)向量具有共軛對稱特征，同時偶載波為零，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?？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)。 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。因此，兩種序列的插入方式不同。 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)。去掉循環(huán) 前綴并對信號進(jìn)行 DFT 后，第 k 個子載波上承載的信號為： ? ?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)確符號同步和頻偏糾正。發(fā)送信號 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。 ? ? 10Nk kz ??為訓(xùn)練序列的頻域采樣，訓(xùn)練序列的時域采樣值為 ? ? 10Nn kc ??。數(shù) 據(jù) ? ? , 0 ,1 , 2 , , 1b k k N??經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后 ? ?0 1 1, , , Nb b b b ?， b 為一個OFDM 信號內(nèi)承載的數(shù)據(jù)。 0時 間頻率 圖 梳狀導(dǎo)頻 下的 OFDM 符號結(jié)構(gòu) 信 道內(nèi) 插導(dǎo) 頻子 信 道估 計(jì)導(dǎo) 頻信 號抽 取經(jīng) F F T后 的接 收信 號信 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。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。采用基于間隔式導(dǎo) 頻插入信道估計(jì)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(jì)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。 如圖 和 所示，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。 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OFDM 系統(tǒng)中的符號的幀結(jié)構(gòu)變化較慢或者基本不變。導(dǎo)頻序列應(yīng)該具有一定的相關(guān)特性，便于進(jìn)行相干檢測和相應(yīng)的運(yùn)算。 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(jì)和恢復(fù)，以及載波頻率偏移的估計(jì) 。 基于訓(xùn)練序列的信道估計(jì)方法大致可以分為兩類：一類是在頻域內(nèi)進(jìn)行信道估計(jì)，另一種是在時域內(nèi)進(jìn)行估計(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)?！? 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、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(jià)低的信道估計(jì)算法對 OFDM 系統(tǒng)至關(guān)重要。 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。 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。這樣限幅之后，在一個數(shù)據(jù)符號內(nèi)，相差 N/2 采樣點(diǎn)的兩個數(shù)據(jù)中，至少有一個為零。 雖然對信號進(jìn)行了限幅，但是這并不會造成所傳輸數(shù)據(jù)的丟失，因?yàn)橛上薹氲脑肼暥悸湓诹伺驾d波上，對奇載波上的數(shù)據(jù)不會造成影響。=1。 為常數(shù)，表示光探測器的靈敏度。接下來的解調(diào)過程與 RFOFDM 系統(tǒng)類似，其中 ()rn 是模數(shù)變換后得到的基帶信號的采樣序列， ()csn是 ()rn 去掉循環(huán)前綴后得到的序列， cS 是 FFT之后解調(diào)出的復(fù)數(shù)向量。 ()cxn經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換、濾波后，調(diào)制光源強(qiáng)度，得到光強(qiáng) 度信號。為向量 s 添加 CP 后，進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，得到雙極性信號采重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 樣序列 ()xn 。然后將該負(fù)向量映射為長度為 N 的復(fù)向量 S ，將 S 進(jìn)行 IFFT 運(yùn)算， S 具有這樣的特點(diǎn)： 當(dāng) n 為偶數(shù)時， ( ) 0Sn? ，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 S 具有復(fù)共軛對稱特性，以保證 IFFT 后得到時域 OFDM 向量為實(shí)向量。 串 并 變 換星 座 映 射去 C P串 并 變 換光 解 調(diào) 器模 數(shù) 變 換N 點(diǎn) F F T逆 映 射并 串 變 換限 幅添 加 C P并 串 變 換N 點(diǎn) I F F T共 軛 對 稱數(shù) 據(jù)N()SnN()xn()rnN數(shù) 據(jù)N / 4()sn ()cxn光 強(qiáng) 度調(diào) 制無 線 光信 道()csnN()cSn 圖 ACO OFDM 系統(tǒng)模型 ACOOFDM 無線光通信 系統(tǒng) 的系統(tǒng)框圖模型如圖 所示。 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 。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(shí)現(xiàn)在無線光鏈路的傳輸。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(yán)重影響系統(tǒng)性能 。 重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 （ 2）對時間同步敏感。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(yuǎn)大于 或小于信號平均功率，具有高的 PAPR。 （ 5）可以實(shí)現(xiàn)非對稱數(shù)據(jù)傳輸，以及實(shí)現(xiàn)可變動態(tài)上下路復(fù)用技術(shù)。符號周期比串行系統(tǒng)長得多，使得系統(tǒng)對信道延時擴(kuò)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?。欢?CP 的使用則進(jìn)一步消除了這種不良影響。 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。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。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 。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?jǐn)?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(kuò)展。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。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： 1012( ) ( ) e x p ,Nnj n ks k S nNN ?????? ????? 0 kN?? （ ） 102( ) ( ) e x p ,Nnj n kS n s k N??????? ????? 0 nN?? （ ） 其中 N 為 IFFT 點(diǎn)數(shù)，即子載波數(shù)目； /nN為第 n 個子載波的頻率 。 二進(jìn)制數(shù)據(jù)流經(jīng)編碼后，由 PSK、 QPSK重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 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 ()Sn 輸入 IFFT 模塊；對經(jīng)過 IFFT 的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換和串并變換，生成基帶OFDM 時域信號 ()sn ； 在接收端， 經(jīng)過 FFT 變換模塊 ， 節(jié)省了大量的運(yùn)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 。 OFDM 的頻譜利用率要高于普通的單載波頻譜利用率。下面對二者的頻譜利用率進(jìn)行對比： 重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 圖 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(diǎn)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 ： 21 l o g2bF D M F D MR NB? ? （ ） 而 OFDM 的頻譜利用率為： 2l o g1bO F D M O F D MR n NBn? ? ? （ ） OFDM 系統(tǒng)的載波間隔已達(dá)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。 如圖 所示，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(hù)頻帶，以便接收端能用帶通濾波器分離出各子信道的信號。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。 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(jìn)行傳輸。 重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 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(diǎn) 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(shí)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(shí)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。 第四章對本文 提出的信道估計(jì)方法進(jìn)行總結(jié)，給出結(jié)論。 第三章 介紹了 疊加訓(xùn)練序列的信道估計(jì)技術(shù) 的研究背景 和原理 ，分析了ACOOFDM 系統(tǒng)信道模型 。 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(jì)技術(shù)的研究現(xiàn)狀和 該課題的研究 意義。 信道估計(jì)技術(shù)用于估計(jì)時域信道有限脈沖響應(yīng)系數(shù)，是信號檢測、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)算重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 法對 ACOOFDM 系統(tǒng)至關(guān)重要 。無線信道具有很大的隨機(jī)性，所以在 ACOOFDM系統(tǒng)中需要對信道進(jìn)行估計(jì)，信道估計(jì)的精度將直接影響整個系統(tǒng)的性 能。 在基于ACOOFDM 的新一代無線通信系統(tǒng)中，傳輸速率較高，需要使用相干檢測技術(shù)獲得較高的性能，因此必須選擇好的估計(jì)方法來獲得較好的估計(jì)效果。 同時 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。 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； DCO