【正文】 FDM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)周期實(shí)序列的生成、本地矩陣的生成和信道估計(jì)算法。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。這種方法類似于傳統(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)。2005年，M. Ghogho等人提出了一種基于數(shù)據(jù)依賴的疊加訓(xùn)練序列信道估計(jì)方法[18][19]。于是2004年，Aldo G. ，仍采用一階統(tǒng)計(jì)平均的方法進(jìn)行估計(jì)[17]。2003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]。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]?；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。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。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。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)。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。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。用表示去掉循環(huán)前綴后的接收信號(hào)，則可表示為： () 其中，表示求模(modulo)運(yùn)算，表示加性復(fù)高斯白噪聲采樣，其雙邊功率譜密度為。假設(shè)數(shù)據(jù)符號(hào)和訓(xùn)練序列都具有單位功率，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，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)分別為和，它們的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： （） （） 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)）把和相加后得到發(fā)送信號(hào)，并添加循環(huán)前綴通過(guò)射頻部分發(fā)射出去。其中，是映射到OFDM信號(hào)第k個(gè)子載波上的數(shù)據(jù)信息。在發(fā)送端，數(shù)據(jù)信號(hào)和訓(xùn)練序列同時(shí)發(fā)送。，在每個(gè)符號(hào)數(shù)據(jù)中均勻地插入個(gè)導(dǎo)頻信號(hào)，這個(gè)導(dǎo)頻信號(hào)占據(jù)相應(yīng)的個(gè)子信道。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。（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） 塊狀導(dǎo)頻下的OFDM符號(hào)結(jié)構(gòu) 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)。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。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)。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(duì)應(yīng)于慢衰落信道估計(jì)和快衰落信道估計(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。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)。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)。（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B(tài)ER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。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。接收端將進(jìn)行FFT變換： （）由（）可得： （）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。由于發(fā)送端輸入IFFT的復(fù)向量S具有共軛對(duì)稱特性，同時(shí)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(gè)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(shí)， （）因此在ACOOFDM系統(tǒng)中，IFFT后得到的基帶OFDM信號(hào)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。于是，接收到的信號(hào) r(n)可以表示為： （）我們注意到是單極性信號(hào)，而噪聲是在電域中引入，因此是雙極性信號(hào)。為不缺乏一般性，現(xiàn)在假設(shè)181。其中可以表示為 （）其中“?”表示卷積運(yùn)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。接收端通過(guò)光電探測(cè)器檢測(cè)接收到的光信號(hào)。以零為基準(zhǔn)將中小于零的信號(hào)置零，得到單極性序列。所以經(jīng)過(guò)IFFT變換后，得到長(zhǎng)度為N的向量，由IFFT之后基帶OFDM時(shí)域信號(hào)的 N個(gè)采樣點(diǎn)組成的向量。其原理的相關(guān)過(guò)程為：首先將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)經(jīng)過(guò)nQAM星座映射為復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)串并變換后，生成長(zhǎng)度為 N/4 的復(fù)向量，N 為系統(tǒng)子載波的數(shù)目。ACOOFDM 系統(tǒng)的（去掉）不需要添加直流偏移量，對(duì)光源進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制前，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。針對(duì)OFDM技術(shù)在強(qiáng)度調(diào)制的無(wú)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。第二節(jié) ACOOFDM系統(tǒng)原理及技術(shù)特點(diǎn)在無(wú)線光通信系統(tǒng)中，須要通過(guò)光強(qiáng)度調(diào)制將所傳輸信息承載于光強(qiáng)度信號(hào)，因此所傳輸?shù)男盘?hào)必須為非負(fù)的單極性實(shí)信號(hào)。（3）對(duì)載波頻偏和相偏敏感。為使信號(hào)不失真，則要求發(fā)射機(jī)和接收機(jī)內(nèi)部各個(gè)器件具有一個(gè)很寬的線性動(dòng)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。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）。（4）能夠靈活地與其他技術(shù)相結(jié)合，如TDMA、FDMA和MIMO等。（3）具有很強(qiáng)的抗多徑衰落能力。（2）可以使用IFFT/FFT技術(shù)完成信號(hào)的正交復(fù)用與解復(fù)用。OFDM系統(tǒng)技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）頻譜利用率高。循環(huán)前綴與數(shù)據(jù)部分組成一個(gè)完整的OFDM符號(hào)。因此必須在每個(gè)時(shí)域OFDM符號(hào)前插入保護(hù)間隔。IFFT/FFT技術(shù)和循環(huán)前綴是OFDM技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的關(guān)鍵。在實(shí)際系統(tǒng)中， IFFT/FFT模塊通常被用來(lái)完成信號(hào)的復(fù)用和解復(fù)用，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的時(shí)頻轉(zhuǎn)換。 OFDM基本模型（圖不規(guī)整，美化一下）。OFDM符號(hào)長(zhǎng)度比系統(tǒng)采樣間隔長(zhǎng)很多，從而極大地降低了時(shí)間彌散信道引入的符號(hào)間干擾(ISI)對(duì)信號(hào)的影響。 單載波系統(tǒng)頻譜圖（該圖與下圖沒(méi)有可比性，要不刪掉，或者多加幾個(gè)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(méi)有保護(hù)頻帶，而且相鄰信道間信號(hào)的頻譜的主瓣還相互重疊，各個(gè)子載波是相互交叉存在的。而且由于每個(gè)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(duì)容易。正交信號(hào)可以通過(guò)在接收端采用相關(guān)技術(shù)來(lái)分開(kāi)，這樣可以減少子信道之間的相互干擾 ICI 。如今OFDM技術(shù)已被廣泛用于各種有線和無(wú)線寬帶通信系統(tǒng)中。同時(shí)對(duì)本文的具體工作進(jìn)行總結(jié)，給出現(xiàn)有的ACOOFDM系統(tǒng)信道估計(jì)的研究熱點(diǎn)以及下一步的工作和研究的展望。根據(jù)ACOOFDM無(wú)線光通信系統(tǒng)的特點(diǎn)，研究了基于疊加訓(xùn)練序列的信道估計(jì)方法；通過(guò)MATLAB仿真分析了功率分配因子對(duì)系統(tǒng)性能和信道估計(jì)性能的影響，比較了不同SNR條件下的系統(tǒng)性能。第二章分析了OFDM系統(tǒng)的基本原理和模型和技術(shù)特點(diǎn)；詳細(xì)介紹了ACOOFDM系統(tǒng)的基本原理、模型和關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)；分析了兩種ACOOFDM常用的信道估計(jì)技術(shù)，即基于導(dǎo)頻的信道估計(jì)和基于疊加訓(xùn)練序列的信道估計(jì)技術(shù)，對(duì)它們的實(shí)用性進(jìn)行了對(duì)比。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。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)。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。 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。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。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)。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。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。目前這方面研究仍然較少。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。疊加周期序列的信道估計(jì)技術(shù)算法簡(jiǎn)單，精度高。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。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]。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）。是ACOOFDM系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。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)。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)。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]。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。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]。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。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)調(diào)制數(shù)據(jù)在逆快速傅里葉變換（ IFFT） 前具有 Hermitian 對(duì)稱結(jié)構(gòu)時(shí)，生成的 OFDM 信