ACO-OFDM系统信道估计算法的研究 (3)

重庆邮电大学本科毕业设计（论文）

四、ACO-OFDM系统信道估计技术研究现状

信道估计是从接收数据中将假定的某个信道模型的模型参数估计出来的过程。如

果信道是线性的话，那么信道估计就是对系统冲激响应进行估计。需强调的是信道估计是信道对输入信号影响的一种数学表示，而“好”的信道估计则是使得某种估计误差最小化的估计方法。是ACO-OFDM系统的关键技术。根据是否需要利用额外的数据，信道估计则可以分为：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。

基于导频的信道估计方法通过在时域或频域插入收发双方都已知的块状或梳状导频信息，接收端首先利用导频恢复出导频位置的信道状态信息，然后通过内插、滤波及变换等方法获得所有频段和时段的信道信息；盲信道估计法则不插入导频信息，仅利用系统本身信号的相关特性获得信道信息，如相关函数、相关矩阵、线性编码等统计特性以及发送信号的固有特性；基于叠加序列的信道估计方法，将一个特殊的序列时域叠加在数据序列上，与数据同时发送，接收端经过特殊处理，提取出所叠加的序列，估计信道状态信息（Channel State Information，CSI）。总的来说，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，因而倍受关注。

1999年，Peter Hoeher和Fredrik Tufvesson将伪噪声(Pseudo Noise，PN)序列作为训练序列，时域叠加在数据上，利用Viterbi算法首次实现了基于叠加序列的信道估计[15]。叠加序列技术是一种扩展频谱技术，其中最典型的是叠加周期序列的信道估计技术。叠加周期序列的信道估计基于两个假设条件：1、系统传输的未知数据序列满足均值为零的独立统计分布；2、系统的加性噪声为均值为零的高斯白噪声，其统计独立于数据信息序列。由于数据序列和噪声序列的均值都为零，这样接收端对接收到的数据序列进行一阶统计平均处理之后，可以消除数据序列和噪声序列对所叠加训练序列的影响，将所叠加的训练序列提取出来；然后利用由训练序列构造的本地循环矩阵对信道参数进行估计。叠加周期序列的信道估计技术算法简单，精度高。

由于ACO-OFDM系统发送端输入IFFT的复向量具有特殊的要求，使得基于导频的信道估计技术在ACO-OFDM系统中的应用将面临着许多困难。相对而言，基于叠加序列的信道估计技术将更具竞争力。但由于光强度信号为非负的单极性实信号，系统传输的信息序列均值不为零，那么接收端对接收到的信号进行一阶统计平均处理之后，不能将所叠加的序列提取出来，致使无法完成对无线光信道的估计。目前这方

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面研究仍然较少。针对这个问题，本课题根据光强度信号的特点合理地构造周期序列和本地矩阵，提出一种适用于（ACO-OFDM）该系统的叠加周期序列的信道估计方法。

第二节 研究意义

无线光通信技术发展十分迅速，OFDM系统由于具有许多的优势而被认为是无线光技术的核心之一。但是无线光通信系统传输的信号必须为非负的单极性实信号，双极性复值的 OFDM 信号不能直接在无线光链路中传输，无法直接在强度调制直接检测（Intensity Modulated/Direct Detection，IM/DD) 系统中应用，然而 ACO-OFDM系统的提出正好用于解决这个问题。因为ACO-OFDM系统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。

目前已有两种形式的单极性OFDM调制方式被提出：1、ACO-OFDM；2、DCO-OFDM。DCO-OFDM与ACO-OFDM时域信号波形如图1.1和1.2所示。在DCO-OFDM系统中，通过将直流偏置加在实OFDM基带信号上，产生单极性信号；在ACO-OFDM系统中，则对该双极性OFDM实信号以零值为基准进行限幅，所有小于零的信号都被置零，只保留大于零的信号。由于ACO-OFDM除了要求发射端输入IFFT的复数向量具有共轭对称性，而且要求IFFT的输入端的偶数子载波为零（只有奇数子载波承载数据，偶数子载波不承载数据），只有这样限幅才不会造成传输数据的丢失。这是因为由限幅而产生的噪声只落在了偶数子载波上，所以奇数子载波上的数据不受影响。在系统误码率（Bit Error Rate，BER）和信息传输速率相同的情况下，ACO-OFDM则具有较高的光功率效率；DCO-OFDM的性能决定于直流偏置的大小，星座的规模越大，要求直流偏置也越大，因而增大了功率消耗，限制了其在实际系统的应用。所以ACO-OFDM具有星座选择的灵活性，在无线光系统中具有更好的适应性。同时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。

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6光4功率20246810121416数据个数

图1.1 DCO-OFDM系统时域信号波形 6光4功率20246810121416数据个数

图1.2 ACO-OFDM系统时域信号波形

ACO-OFDM技术因为有着显著的优势被广泛应用与无线光通信系统中。在基于ACO-OFDM的新一代无线通信系统中，传输速率较高，需要使用相干检测技术获得较高的性能，因此必须选择好的估计方法来获得较好的估计效果。然而，无线通信系统的性能很大程度上受到无线信道的影响，如阴影衰落和频率选择性衰落等，使得发射机和接收机之间的信道非常复杂。无线信道具有很大的随机性，所以在ACO-OFDM系统中需要对信道进行估计，信道估计的精度将直接影响整个系统的性能。随着无线光通信技术的发展，信道参数估计变得十分必要，也是实现无线通信系统的一项关键技术。信道估计技术用于估计时域信道有限脉冲响应系数，是信号检测、均衡与解调的基础，是ACO-OFDM系统的关键技术，精度高、稳定性好、代价低的信道估计算

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法对ACO-OFDM系统至关重要。

所以，现在对ACO-OFDM系统信道估计算法研究是很有必要的，也是非常有意义的。

第三节 本文的主要内容及工作安排

本文主要研究ACO-OFDM系统原理及其基于叠加训练序列的信道估计算法，具体的主要内容安排如下：

第一章为绪论部分，介绍了无线光通信技术的发展现状；OFDM技术研究现状以及其在光通信中的应用；ACO-OFDM技术、该系统信道估计技术的研究现状和该课题的研究意义。

第二章分析了OFDM系统的基本原理和模型和技术特点；详细介绍了ACO-OFDM系统的基本原理、模型和关键技术特点；分析了两种ACO-OFDM常用的信道估计技术，即基于导频的信道估计和基于叠加训练序列的信道估计技术，对它们的实用性进行了对比。

第三章介绍了叠加训练序列的信道估计技术的研究背景和原理，分析了ACO-OFDM系统信道模型。根据ACO-OFDM无线光通信系统的特点，研究了基于叠加训练序列的信道估计方法；通过MATLAB仿真分析了功率分配因子对系统性能和信道估计性能的影响，比较了不同SNR条件下的系统性能。

第四章对本文提出的信道估计方法进行总结，给出结论。同时对本文的具体工作进行总结，给出现有的ACO-OFDM系统信道估计的研究热点以及下一步的工作和研究的展望。

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第二章 ACO-OFDM系统概述

第一节 OFDM系统原理及技术特点

OFDM技术早在60年代就已被提出，但由于当时的技术有限使得实现困难，长期以来一直仅被军事应用领域所关注，直到利用IFFT/FFT实现复用与解复用技术、大规模集成电路的出现以及DSP技术的发展，才引起人们的普遍关注，使得OFDM由理论走向实际应用。如今OFDM技术已被广泛用于各种有线和无线宽带通信系统中。

OFDM主要思想：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰 ICI 。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。

如图2.1所示，普通的FDM系统为了分离各予信道的信号，需要在相邻的信道间设置一定的保护频带，以便接收端能用带通滤波器分离出各子信道的信号。

图2.1 单载波系统频谱图（该图与下图没有可比性，要不删掉，或者多加几个载波，体现相邻载

波间不能正交的关系）

如图2.2所示，OFDM系统各子信道间不但没有保护频带，而且相邻信道间信号的频谱的主瓣还相互重叠，各个子载波是相互交叉存在的。下面对二者的频谱利用率进行对比：

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