ACO-OFDM系统信道估计算法的研究

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设计（论文）题目： ACO-OFDM系统信道估计算法的研究

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摘 要

在ACO-OFDM无线光通信系统中，为了能达到系统需要的解码要求，必须要进行准确的信道估计。针对ACO-OFDM系统中，系统信号均值大于零，不满足传统叠加周期序列信道估计方法所要满足的数据信号序列均值为零的条件的问题，本文通过对传统方法在训练序列和本地矩阵的生成等方面进行改进，提出一种适用于该系统的基于叠加训练序列的信道估计方法。该方法首先通过对复数序列进行共轭对称变换、IFFT、并串变换、限幅和拆分组合，生成单极性非负周期实序列；然后根据接收信号的时域统计特性和功率分配因子的取值，合理地设计本地矩阵；通过对接收信号进行一阶统计平均处理，完成信道估计。

与传统的叠加周期序列的信道估计方法相比，本文提出的方法能直接应用于光强度调制的ACO-OFDM系统中，并且通过将训练序列与数据在一段时间间隔内同时传送，不需要额外的频段和时隙传输已知训练序列，保证了系统的传输效率，同时算法复杂度较低，时间功率分配相对灵活，具有显著的优势。结合理论分析，并通过计算机仿真表明，该信道估计方法的性能与系统子载波数目、功率分配因子以及信噪比有着密切的关系。若功率分配因子保持不变，随着系统子载波数目的增大，MSE逐渐减小，估计性能就越好。随着功率分配因子的增大，训练序列的能量增大，信道估计性能越好，精度越高，验证了该算法的有效性。

【关键词】非对称限幅光正交频分复用 叠加训练序列 信道估计 算法

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ABSTRACT

In ACO-OFDM wireless optical communication system, it is necessary for achieving good decode performance to estimate accurately channel characteristic parameters. In ACO-OFDM system, the mean of the data is not zero. That cannot satisfy the qualification in the traditional channel estimation method using superimposed periodic training, which is zero-mean of the data sequence. Via the improvement on the training sequence and the local matrix, a channel estimation method for ACO-OFDM based superimposed training is proposed in this paper. Firstly, the unipolar non-negative periodic real sequence is generated through doing the conjugate symmetry transform, IFFT, parallel-to-serial conversion, clipping, splitting and composing complex sequence. Secondly, according to statistics of the received signal in time domain and the power allocation factor, the local matrix is designed rationally. Thirdly, the first-order statistic of the received signal in time domain is used to estimate the channel finite-impulse response.

Compared with the channel estimation methods of traditional superposition of periodic sequences, the proposed method can be applied directly to optical intensity modulation ACO-OFDM systems. It transmits the training sequence and data over a period of time interval at the same time. It is don't need the extra frequency and time slot to transmit the known training sequence, that ensure the transmission efficiency of the system, also the complexity of algorithm is low, the time power allocation is relatively flexible. It has significant advantages. Combined with the theoretical analysis and computer simulation, it shows that the performance of channel estimation method has a close relationship among the number of system subcarrier, the power allocation factor and SNR. If the power allocation factor remain the same, with the increase of system subcarrier number, the MSE decreasing, the estimation performance better. With the increment of power allocation factor and the energy of training sequences, the better the performance of channel estimation, the higher accuracy, and proving the effectiveness of the proposed algorithm.

【Key words】asymmetrically clipped optical-orthogonal frequency division multiplexing superimposed training sequence channel estimation arithmetic

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目 录

摘 要 .................................................................................................................................... I ABSTRACT ......................................................................................................................... II 目 录 ................................................................................................................................. III 前 言 ................................................................................................................................... 1 第一章 绪论 ....................................................................................................................... 2 第一节 研究现状 ........................................................................................................... 2 一、无线光通信技术的发展 ........................................................................................ 2 二、OFDM技术研究概述 ........................................................................................... 2 三、ACO-OFDM技术研究现状 ................................................................................. 5 四、ACO-OFDM系统信道估计技术研究现状 ......................................................... 6 第二节 研究意义 ........................................................................................................... 7 第三节 本文的主要内容及工作安排 ........................................................................... 9 第二章 ACO-OFDM系统概述 ....................................................................................... 10 第一节 OFDM系统原理及技术特点 ......................................................................... 10 第二节 ACO-OFDM系统原理及技术特点 ............................................................... 13 第三节 信道估计技术分析 ......................................................................................... 15 一、导频辅助信道估计 .............................................................................................. 15 二、叠加训练序列信道估计 ...................................................................................... 17 第四节 本章小结 ......................................................................................................... 19 第三章 ACO-OFDM系统叠加序列信道估计技术 ....................................................... 20 第一节 研究背景 ......................................................................................................... 20 第二节 ACO-OFDM系统信道估计方法 ................................................................... 21 一、ACO-OFDM系统信道模型分析 ....................................................................... 22 二、训练序列的生成 .................................................................................................. 23 三、本地矩阵的生成 .................................................................................................. 24 四、信道估计的算法 .................................................................................................. 24 第三节 理论分析 ......................................................................................................... 26 第四节 仿真分析 ......................................................................................................... 29 第五节 本章小结 ......................................................................................................... 31 第四章 总结及展望 ......................................................................................................... 33

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第一节 本文工作总结 ................................................................................................. 33 第二节 下一步研究展望 ............................................................................................. 34 致 谢 ................................................................................................................................. 35 参考文献 ............................................................................................................................. 36 附 录 ................................................................................................................................. 38 一、英文原文： ............................................................................................................. 38 二、英文翻译： ............................................................................................................. 39 三、工程设计图纸： ..................................................................................................... 40 四、源程序： ................................................................................................................. 41 五、其他： ..................................................................................................................... 42

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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。

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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

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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。

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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。

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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。

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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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图2.2 正交频分复用信号的频谱示意图（在该图的描述里面没有体现：与上图相比，OFDM节省带

宽）

若取调制点位N，n为子载波的个数则： 普通单载波系统，频谱利用率仅为： ?FDM?而OFDM的频谱利用率为： ?OFDM?nlog2N （2.2）

BOFDMn?1Rb1log2N （2.1）

BFDM2RbOFDM系统的载波间隔已达最小，所选择的子载波间隔使得不同子载波在时域上相互正交，在频域上相互重叠。OFDM符号长度比系统采样间隔长很多，从而极大地降低了时间弥散信道引入的符号间干扰(ISI)对信号的影响。OFDM的频谱利用率要高于普通的单载波频谱利用率。

ej?0tx0e?j?0t积分x0??串并变换x1ej?1txN?1?ej?N?1t信道?e?j?1t积分x1?e?j?t?N?1积分图2.3 OFDM基本模型（图不规整，美化一下）

xN?1 ??并串变换图2.3为OFDM系统的基本模型框图。二进制数据流经编码后，由PSK、QPSK

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或n-QAM星座映射为串行复数数据流；该串行复数数据流经过串并转换生成复向量

S(n)输入 IFFT 模块；对经过 IFFT 的数据进行数模转换和串并变换，生成基带

OFDM时域信号s(n)；在接收端，经过FFT变换模块，节省了大量的运算时间，在通过一系列与发送端相反的操作，将接收到的同相正交矢量解调为数据信息。在实际系统中， IFFT/FFT模块通常被用来完成信号的复用和解复用，实现信号的时频转换。我们可以得到OFDM系统中的频域信号与其基带时域信号具有如下关系：

1 s(k)?N?j2?nk?S(n)exp???, 0?k?N （2.3）

N??n?0N?1??j2?nk? S(n)??s(k)e?xp? , 0?n?N （2.4）

N??n?0N?1其中N 为 IFFT 点数，即子载波数目；n/N为第 n 个子载波的频率。

IFFT/FFT技术和循环前缀是OFDM技术在实际应用中的关键。虽然符号周期的增长，减小了多径衰落引起的ISI对系统的影响，但并未将其完全消除。因此必须在每个时域OFDM符号前插入保护间隔。通常是将时域OFDM数据符号后一部分复制到该数据符号之前，将这部分数据称为循环前缀，其长度通常决定于无线信道的最大延时扩展。循环前缀与数据部分组成一个完整的OFDM符号。尽管循环前缀引入了冗余信息，降低了系统传输效率和带宽，但它能有效地消除ISI和子载波间干扰（Intercarrier Interference，ICI），是简化OFDM系统均衡的关键。

OFDM系统技术具有以下优点：

（1）频谱利用率高。在OFDM系统中，子载波频谱相互重叠且数学正交，在频谱宽度相同的情况下，能够容纳更多的子载波，因而频谱利用率高。

（2）可以使用IFFT/FFT技术完成信号的正交复用与解复用。DSP技术的应用，使得这一过程变得简单而快速，无需复杂的调制、解调和滤波设备。

（3）具有很强的抗多径衰落能力。符号周期比串行系统长得多，使得系统对信道延时扩展的敏感度降低，多径衰落引起的ISI和ICI对系统的影响就更小；而CP的使用则进一步消除了这种不良影响。

（4）能够灵活地与其他技术相结合，如TDMA、FDMA和MIMO等。 （5）可以实现非对称数据传输，以及实现可变动态上下路复用技术。 但OFDM系统技术也有以下不足的地方：

（1）高峰均功率比（Peak Average Power Ratio，PAPR）。作为多载波调制系统，如果多子载波都在同一时刻处在波峰或波谷的位置，此时信号功率将远大于或小于信号平均功率，具有高的PAPR。为使信号不失真，则要求发射机和接收机内部各个器件具有一个很宽的线性动态范围，如数/模转换器、模/数转换器、功率放大器、滤波器等，增大了系统的复杂度。

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（2）对时间同步敏感。

（3）对载波频偏和相偏敏感。在无线信道中，信号经历了多径衰落、多普勒频移等影响，使得接收端的本振信号与接收到信号的载波存在着频率和相位的偏差，破坏了子载波间的正交性，引起ISI、ICI，严重影响系统性能。

第二节 ACO-OFDM系统原理及技术特点

在无线光通信系统中，须要通过光强度调制将所传输信息承载于光强度信号，因此所传输的信号必须为非负的单极性实信号。然而在传统的RF系统中，OFDM信号为双极性复信号，不能直接实现在无线光链路的传输。针对OFDM技术在强度调制的无线光通信系统中的应用，目前已有两种典型的调制方：1、ACO-OFDM；2、DCO-OFDM。相比DCO-OFDM 技术，ACO-OFDM技术由于具有星座选择的灵活性和较高的功率效率而备受关注。

ACO-OFDM 系统的（去掉）不需要添加直流偏移量，对光源进行强度调制前，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。

数据串并变换星座映射S(n)N/4共轭对称NN点IFFTs(n)N添加CP并串变换x(n)限幅xc(n)光强度调制Sc(n)数据逆映射并串变换NN点FFTsc(n)N去CP串并变换r(n)模数变换光解调器无线光信道 图2.4 ACO -OFDM系统模型

ACO-OFDM 无线光通信系统的系统框图模型如图2.4所示。其原理的相关过程为：首先将要传输的数据经过n-QAM星座映射为复数数据，经过串并变换后，生成长度为 N/4 的复向量，N 为系统子载波的数目。然后将该负向量映射为长度为N的复向量S，将S进行IFFT运算，S具有这样的特点：1、当 n 为偶数时，S(n)?0，即只有奇载波用来传输数据，偶载波所传数据为零；2、当 n 为奇数时 ，“*”表示共轭，即S具有复共轭对称特性，以保证IFFT后得到时域OFDM向量为实向量。所以经过IFFT变换后，得到长度为N的向量s，s由IFFT之后基带OFDM时域信号的 N个采样点组成的向量。为向量s添加CP后，进行串并转换，得到双极性信号采

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样序列x(n)。以零为基准将x(n)中小于零的信号置零，得到单极性序列xc(n)。xc(n)经过数模转换、滤波后，调制光源强度，得到光强度信号。接收端通过光电探测器检测接收到的光信号。接下来的解调过程与RF-OFDM系统类似，其中r(n)是模数变换后得到的基带信号的采样序列，sc(n)是r(n)去掉循环前缀后得到的序列，Sc是FFT之后解调出的复数向量。其中r(n)可以表示为

)h(n?) r(n)??cx(n?w ( n （2.5）

其中“?”表示卷积运算，h(n)为光信道有限脉冲响应系数，w(n)为加性高斯白噪声（Additive White Gaussian Noise，AWGN），μ 为常数，表示光探测器的灵敏度。为不缺乏一般性，现在假设μ=1。于是，接收到的信号 r(n)可以表示为：

)h(n?) r(n)?cx(n?w ( n （2.6）

我们注意到xc(n)是单极性信号，而噪声是在电域中引入，因此w(n)是双极性信号。

虽然对信号进行了限幅，但是这并不会造成所传输数据的丢失，因为由限幅而引入的噪声都落在了偶载波上，对奇载波上的数据不会造成影响。由于发送端输入IFFT的复向量S具有共轭对称特性，同时只有奇载波承载数据，偶载波上的数据为零，这样 s(n)中第 m 个子载波上的数据可表示为： 1 s(m,n)?S(m)exp(j2?nm/N) （2.7）

N由式（2.7）可以容易地看到，当 m 为奇数时， s(m,n)??s(m,?n （2.8） N/ 2因此在ACO-OFDM系统中，IFFT后得到的基带OFDM信号的采样序列s具有这样的特征：

s(n)??s(n?N/2) （2.9） 即s的前半部分与后半部分是相反数的关系。这样限幅之后，在一个数据符号内，相差 N/2 采样点的两个数据中，至少有一个为零。接收端将sc(n)进行FFT变换：

??j2?nk?Sc(n)??sc(k)exp??

?N?k?0N?1 ?由（2.4）可得：

k?0s(k)?0?N?1??j2?nk? s(k)exp??, 0?n?N （2.10）

N??1S(n)?NN/2?2k?0s(k)?0??N???j2?nk????j2?(k?N/2)n??s(k)exp?sk?exp??????? ?N2N????????- 14 -

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1?NN/2?2k?0s(k)?0??N???j2?nk????j2?(k?N/2)n??s(k)exp?sk?exp??????? ?N2N????????2?NN/2?2k?0s(k)?0???j2?nk?2s(k)exp????N?NN/2?2k?0s(k)?0???j2?nk?s(k)exp??

?N??2Sc(n), 0?n?N （2.11）

由以上推导可见，限幅使得奇载波上所承载的数据的幅值减半，而由此带来的限幅噪声则全部落在了偶载波上，因此数据能够被精确地解调，限幅没有造成所传数据的丢失。

相比OFDM技术的特点， ACO-OFDM技术除具备OFDM 技术的优势外，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，而倍受关注。还有其独特的优点：收发机结构简单；光功率效率高；受非线性影响小等。与此同时，ACO-OFDM技术也有其不足，主要表现在：频谱功率相对降低；需要新的定时算法。（加上“光在传播过程中，受背景噪声影响严重以及多径散射效应，导致接收端光信噪比降低，影响BER性能，因此提出信道估计用于抵抗该干扰对系统性能的影响。” 方便与下一节承接）

第三节 信道估计技术分析

信道估计技术用于估计信道时、频特征参数，是信号检测、均衡与解调的基础，精度高、稳定性好、代价低的信道估计算法对OFDM系统至关重要。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。下面重点介绍导频辅助和基于叠加序列的信道估计。

一、导频辅助信道估计

导频辅助信道估计方法是在数据流中等间隔地插入一定数量的导频序列，利用接收到的信号和导频信号估计出导频位置的信道响应，然后通过内插滤波等方法得到全部信道的响应。基于训练序列的信道估计方法大致可以分为两类：一类是在频域内进行信道估计，另一种是在时域内进行估计。根据OFDM信号的基本构成和时频二维特性，可以选择在时域和频域内进行导频的插入。导频序列是OFDM技术中的重要组成部分，它插在不同的OFDM符号之间，可用于时频同步的相关检测，如信道估计和恢复，以及载波频率偏移的估计。通常，按照导频序列的插入方式不同可以分为

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