ACO-OFDM系统信道估计算法的研究 (2)

重庆邮电大学本科毕业设计（论文）

前 言

步入信息时代以来，随着信息化的步伐不断加快，各种信息技术日新月异，人们对传输速率的要求越来越高。在光通信领域中，无线光（Wireless Optical，WO）技术可以用于高速率数据传输，其通信设备结构简单、价格低，不受带宽限制，传输速率高，安全性好，更适合短距离高速无线接入，前景广阔，发展十分迅速。

正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技术由于方便地与多种多址接入技术相结合，可用高阶的数字调制方式，有高的数据传输速率，有效地克服信道延迟产生的符号间干扰等特点，被认为是无线光技术的核心之一。但是双极性复值的 OFDM 信号无法直接在强度调制直接检测（Intensity Modulated/Direct Detection，IM/DD) 系统中应用，所以非对称限幅光正交频分复用（Asymmetrically Clipped Optical-Orthogonal Frequency Division Multiplexing，ACO-OFDM）系统于2006年被提出，用于解决这一问题[1]。ACO-OFDM不需要添加直流偏移量，在对光源进行强度调制之前，调制信号的所有负值都被归零，通过载波频率的正确选择，传输数据完全可以从这种非对称削减的信号中恢复出来，并且不会产生信号频带内的削减噪声。基于非均匀限幅光正交频分复用调制的无线光通信技术实现了无线光通信技术与正交频分复用技术的完美结合。ACO-OFDM技术除具备OFDM 技术的特点外，还具有抗多径传输能力强，功率效率高和安全性好，星座选择灵活，系统容量大等优势，被广泛应用到无线光通信系统中。

在ACO-OFDM系统中对信道进行估计十分必要，信道估计的精度将直接影响整个系统的性能。根据是否需要利用额外的数据，信道估计可以分为：盲信道估计、导频辅助的信道估计及基于叠加序列的信道估计。但从总体上来说，基于导频的方法具有较高的估计精度，可以跟踪时变信道，但是导频占用了频谱资源，降低了系统容量；盲信道估计法由于不需要导频信息，很大程度上提高了系统传输效率，然而由于收敛速度慢，实际应用受到限制；基于叠加序列的信道估计法，不需要额外的频段和时隙传输已知导频，保证了系统的传输效率，同时算法复杂度低，具有显著优势。因此ACO-OFDM系统中基于叠加序列的信道估计技术的研究具有更重要的意义。

- 1 -

重庆邮电大学本科毕业设计（论文）

第一章 绪论

第一节 研究现状

一、无线光通信技术的发展

从古人的烽火台传递信息到现在的SONET/SDH，以及到将来的光孤子通信和全光通信，人类的光通信历史可谓是源远流长。随着信息化社会的到来，通信技术也得到了日新月异的发展，人们对传输速率的要求越来越高。许多带宽敏感型应用，如互联网流媒体等的出现，更是有效地促进了高速无线接入技术的发展。

无线光（Wireless Optical，WO）通信技术作为一种宽带无线接入技术，是光通信技术和无线通信技术相结合的产物，它以光信号为载体，通过大气空间传送信息。当前有两种不同的无线光通信技术：自由空间光通信FSO（Free Space Optical Communication）和可见光通信VLC（Visible Light Communication），其中FSO利用波长为850nm或1550nm的红外波，而VLC利用LED可见光。

在光通信中，无线光技术可以用于传输高速率数据，实现视距（Line-of-Sight，LOS）和散射即非视距（Non-Line-of-Sight，NLOS）链路的宽带接入。和射频（Radio Frequency，RF）系统相比，WO技术具有许多优势：不受频谱资源限制；不会与RF系统相互干扰；同时也不会对人体造成其他影响（当满足眼睛的安全规定时）。WO技术被广泛的的应用到我们的现实生活中，如飞机客舱、火车车厢以及巴士车厢等交通工具内和商店、机场以及博物馆等公共场所，通过红外线（Infrared Ray，IR）或LED可见光接入点为用户提供宽带接入。

WO通信是以大气作为传输媒质来进行光信号传送的，只要在收发两个端机之间存在无遮挡的视距路径和足够的光发射功率，通信就可以进行。由于WO通信设备结构简单、价格低，不受带宽限制，传输速率高，安全性好，更适合短距离高速无线接入，前景广阔，所以近年来，WO技术发展十分迅速。

二、OFDM技术研究概述

1、OFDM技术研究现状

OFDM技术属于更广一类的（一种特殊的）多载波调制（Multi-Carrier Modulation，MCM）技术，相对与其他调制技术，OFDM具有两大基本优势：对于信道色散的鲁棒性和易于在时变环境中实现相位级信道的估计[2]，从而被广泛地应用在各种有线或

- 2 -

重庆邮电大学本科毕业设计（论文）

无线宽带通信系统中。OFDM的子载波在一个OFDM符号周期内是数学正交的，可以通过快速傅立叶逆变换（Inverse Fast Fourier Transform，IFFT）和快速傅立叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）有效地实现复用和解复用。而在FDM/WDM系统中，各子载波之间存在频率保护带，接收端通过模拟滤波器提取各个子载波。在频谱宽度相同的情况下，OFDM系统比频分复用（Frequency Division Multiplexing ，FDM）技术和光系统中的波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）技术具有更多的子载波数目，因而具有更高的频谱利用率。

虽然OFDM技术具有许多优点，但是一直没有将其应用到光通信系统中。直到最近几年，随着人们对通信速率需求的增加，以及数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）技术发展，促进了OFDM技术在光通信系统中的应用。然而传统OFDM系统和光通信系统的差别，则成为了两个系统相结合的最大障碍。从表1.1中我们可以看出，在传统OFDM系统中，信息承载于电信号，该信号是双极性复信号，接收端利用本地振荡器产生本振信号进行相干接收；而在传统的强度调制直接检测光通信系统中，所需传输的信息由光信号的强度表示，这只能是非负单极性实信号，光接收机不需要激光器生成本振信号进行相干检测，而是利用平方律探测器直接检测光信号强弱即可。

表1.1 传统光通信系统与传统OFDM系统的比较

光通信系统 单极性实信号 信息承载与光强度信号 信息承载与电信号 接收端不需要本地振荡器 接收端需要本地振荡器 直接检测 OFDM系统 双极性复信号 相干接收 针对不同的应用，目前已提出的几种光OFDM技术大致可以分为两类：1、OFDM信号由光强度信号表示，主要应用于无线光通信系统、多模光纤通信系统以及塑料光纤通信系统；2、OFDM信号由光频信号表示，主要应用于单模光纤通信系统。

1966年，在Robert.W.Chang的一篇开创性论文[3]中首次提出了OFDM的概念，但由于当时条件有限，OFDM一直只被军事应用领域所关注，而且较多的研究都是围绕着传统的射频（Radio Frequency，RF）OFDM系统。

1997年，J. M. Kahn和J. R. Barry（改成“提出WO通信系统必须采用光强度调制/直接检测（附加英文拼写及缩写）”）解释了在无线光通信系统中必须采用光强度信号的原因[4]。在无线光通信系统中，OFDM信号也必须由光强度信号表示，这就意味着调制信号必须是非负的实信号。由于基带OFDM信号通常是双极性复信号，只有当发射端输入IFFT的复数向量具有复共轭对称特性时，才能生成实的OFDM基带信号。

- 3 -

重庆邮电大学本科毕业设计（论文）

2006年，J. M. Tang等人提出并验证了自适应调制光正交频分复用（Adaptively

[5]

Modulated Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing，AMOOFDM）技术的

可行性。AMOOFDM（不是ACO-OFDM吗）系统根据每个子载波上的频率响应情况，单独为其设置调制方式，以求获得更好的系统性能。

S. C. J. Lee等人于2007年和2008年通过实验分别实现了直流偏置光正交 频 分 复 用 （Direct Current-biased Optical- Orthogonal Frequency Division Multiplexing，DCO-OFDM）在多模光纤中以24Gbps的速率无中继传输730m[6]，在塑料光纤中的传输速率达到了1Gbps[7]。

2008年，N. Cvijetic等人通过实验实现了DCO-OFDM技术在无线光通信系统中的应用，传输速率达到了10Gbps[8]。

2、OFDM技术在光通信中的应用

由于各种数据、视频业务的蓬勃发展，人类社会对于信息传输带宽的需求以惊人的速度高速增长。为了满足网络带宽需求以及单信道速率的持续高增长，高速光通信系统正在告别以往的强度调制／直接检测(IM/DD)方式。将无线通信领域中成熟的OFDM技术引入到光通信中是目前实现高速光通信的一个研究热点。 光OFDM系统融合了无线OFDM技术和光通信的优点,具有高传输速率、高抗色散能力、高频谱效率等优势。

1999年，在IEEE802．1la通过的无线局域网标准中，OFDM技术开始作为调制技术应用于物理层。同时，OFDM技术作为一种标准的调制技术也应用在欧洲电信标准协会的宽带射频接入网中。OFDM技术引入到光通信中，融合了无线OFDM技术和光通信的优点，应用于无线光通信系统、多模光纤通信系统、塑料光纤通信系统以及单模光纤通信系统。可在现有光传输系统的基础上构建出高速率、低成本、长距离的光传输网络。

OFDM是一种无线环境下的多载波并行传输技术，具有高效的频谱利用率、优良的抗窄带干扰和多径衰落能力。相关领域对OFDM系统的研究已经进行了40多年，这种系统最早应用于军用无线高频通信链路中，是最早的关于OFDM技术的研究。这些年，由于数字信号处理技术取得了快速的发展，OFDM技术也取得了广泛的关注。因为它能有效得对抗多径传播所带来的ISI的特点。近年来，OFDM技术开始应用于双向无线数据领域，尤其是在广播方式下的音频和视频领域，并且得到了很好的发展。例如数字音频广播（DAV，Digital Audio Broadcast ）、数字视频广播（DVB，Digital Video Broadcast）、WLAN（IEEE802.11a和IEEE802.11g）以及WiMAX（IEEE802.16）等均使用了OFDM 技术，它是业界公认的第四代无线移动通信中的关键技术之。光OFDM系统可以在现有光传输系统的基础上构建出高速率、低成本、长距离的光传输网络,是实现下一代超高速长距离光传输的潜在技术之一。

- 4 -

重庆邮电大学本科毕业设计（论文）

三、ACO-OFDM技术研究现状

OFDM技术虽然具有很多的优势，但是（改成“基带OFDM信号是复信号”）双极性复值的 OFDM 信号无法直接在IM/DD系统中应用， ACO-OFDM系统于2006年被提出，用于解决这个问题[1]。从已经发表的论文来看，研究主要集中在以下两个方面。一是研究它在不同条件下的系统性能及优势；二是研究它的定时方法。当调制数据在逆快速傅里叶变换（ IFFT） 前具有 Hermitian 对称结构时，生成的 OFDM 信号全为实值信号，用于解决复值信号的问题。而将双极性信号变为单极性的方法通常有两种，一是加直流偏置；二是由 J. Armstriong于 2006 年提出的ACO-OFDM 方案，它限制调制数据具有Hermitian对称结构，并且只在奇载波上调制数据，偶载波上数据置零。这样可以将双极性的信号小于零的部分置零，解调后除有用信息的幅度变为原来的1/2外，其它信息不受任何影响。当然由于Herimitian对称的原因，使其相对直流偏置系统牺牲了一半的频谱效率。直流偏置的OFDM 意味着较高的平均光功率和较低的调制深度。非对称限幅(Asymmetrically Clipping，AC)具有更高的功率效率[9]。

2007 年，Xia Li 等人比较了 IM/DD 无线光系统下ACO-OFDM 与脉位调制(Pulse Position Modulation，PPM)，得出 ACO-OFDM 由于调制数据的相关性使信道容量稍小，但是它有很多优势，如功率效率及抗多径干扰的能力等[10]。

2008，年 J.Armstriong 等人又指出相比 DCO-OFDM 系统性能依赖于直流偏置（Direct Current，DC）的大小，对于使用数目较多的子载波时，DC较大，系统性能较差，而 ACO-OFDM 不受此限制且相比前者更适用于自适应的 OFDM系统中[11]。

2009 年，S.K.Wilosn 等人提出鉴于光无线信道具有低通滤波器的特性，提出了对于ACO-OFDM 在低频率上采用高阶映射，在高频率处采用低阶调制的位加载方案。并理论分析仿真证明了新的方案可以使误码率为10?3时所需要的 SNR 降低5dB[12]。

2010 年，M.S.Moreolo 提出了基于 Hartley 变换的的 AC 技术当在需要处理的信号全为实数信号时Harley 变换具有很大的优势[13]。

2010 年，Raed Mesleh 指出 ACO-OFDM 在室内光无线通信上有着广阔的前景，它不需要加 DC，因而光功率较小，有利于眼安全[14]。由于AC去掉了负极性信号，原有的信号时钟恢复方法如 Schmidl 定时和 Park 定时所构造的定时序列在 AC 的 OFDM 系统中性能有所下降，一些学者正在构造不同的新训练序列，来适应这种 AC 技术及研究利用AC特有的频域结构结合循环前缀（Cyclic Prefix，CP）来进行系统定时。

- 5 -

搜索“diyifanwen.net”或“第一范文网”即可找到本站免费阅读全部范文。收藏本站方便下次阅读，第一范文网，提供最新工程科技ACO-OFDM系统信道估计算法的研究 (2)全文阅读和word下载服务。