IM/DD光通信系统中基于Fast-OFDM的DSP技术研究

摘要

日益发展的高带宽应用导致接入网流量的爆炸式增长。接入网肩负着连接用户的使命，其通信速率制约了终端用户最终所能获取的带宽资源。结构简单、成本低廉的强度调制直接检测(Intensity Modulation Direct Detection，IM/DD)光通信系统很适合应用于对成本非常敏感的接入网中，先进的调制格式和相关的数字信号处理技术(digital signal processing，DSP)能大大提高光通信系统的传输速率。因此，通过研究适用于IM/DD光通信系统的先进调制和DSP技术来克服系统传输中的损伤，改善系统传输的质量和提高系统的传输容量对未来光接入网的升级具有重大研究意义。基于离散余弦变换(Discrete Cosine Transformation，DCT)和一维符号映射的快速正交频分复用(Fast Orthogonal Frequency Division Multiplexing，FOFDM)是一种适合IM/DD光通信系统的调制方式。　　本论文在IM/DD光通信系统中对FOFDM调制格式进行了深入的研究，基于FOFDM调制格式，提出了一系列数字信号处理技术，主要开展了以下研究工作：　　第一，基于FOFDM调制格式的静态自适应调制和重叠频域均衡(overlapping frequency domain equalization，OFDE)的研究。为了在光电器件带宽受限的情况下尽可能的提高系统的传输速率，在有效获取光纤信道状态信息的情况下，提出了自适应的FOFDM方案。为了进一步减小FOFDM系统中的开销，提出了适用于FOFDM的OFDE技术。与单一调制的FOFDM方案相比，自适应调制的FOFDM方案在传输质量上有很大提高。在20km的标准单模光纤(standard single mode fiber，SSMF)传输后误码率为2.4×10-2时，使用自适应16/8/4级脉冲幅度调制(16/8/4-pulse amplitude modulation，16/8/4-PAM)的光FOFDM系统比纯16PAM的光FOFDM系统接收机灵敏度可以提高2.3dB。在50km的SSMF中传输后，自适应16/8/4-PAM的光FOFDM系统仍能获得很好的性能，然而纯16PAM的光FOFDM系统却会受到非常严重的性能损伤。另外，基于OFDE技术的FOFDM方案可以在不使用循环前缀(cyclic prefix，CP)的情况下完成频域均衡，能在获得与基于CP的频域均衡相当性能的情况下将系统传输效率提高12.37%。　　第二，基于FOFDM调制格式的采样频率偏差(sampling frequency offset， SFO)估计和补偿技术研究。为了减小光收发机中由于采样时钟频率不同步所引起的SFO的影响，提出了适用于FOFDM调制格式的SFO估计和补偿技术。通过在帧头和帧尾插入训练符号并结合FOFDM的单抽头均衡过程，可以在200ppmSFO的情况下，将SFO的估计误差控制在±0.1ppm以内，从而实现对SFO所引起的子载波相位偏差(subcarrier phase offset, SPO)进行非常有效的补偿。实验研究中发现，在经过20km标准单模光纤传输且接收光功率为-1dBm的情况下，当系统中存在200ppmSFO时，FOFDM各个子载波上的平均误差矢量幅度(error vector amplitude，EVM)比OFDM各个子载波上的平均EVM提高了3.3dB。这表明，对于系统中由残留SFO所引起的子载波间干扰，FOFDM能比OFDM表现出更强的耐受性。　　第三，基于FOFDM调制格式的实值预编码技术的研究。这一部分的研究工作可以分为两个部分：　　1)基于FOFDM调制格式的实值预编码技术在光载无线电(Radio over Fiber, RoF)系统中的应用研究。为了降低RoF系统中的非线性效应对FOFDM信号的影响，提出了采用DCT预编码的方法来降低FOFDM信号的峰均功率比(Peak to Average Power Ratio，PAPR)。实验结果表明，DCT预编码可以在有效降低FOFDM信号PAPR的同时平衡各个子载波上的信噪比，从而极大的改善RoF系统的传输性能。　　2)基于FOFDM调制格式的实值预编码技术在可见光通信(Visible light communication，VLC)系统中的应用研究。为了在没有信道先验信息的条件下有效地提高系统的传输容量，提出了适用于FOFDM的实值预编码方法，并在光无线信道中进行了仿真和实验的验证。仿真和实验结果都表明，通过采用DCT和沃尔什-哈达玛变换(Walsh-Hadamard Transformation，WHT)这两种实值预编码技术，FOFDM能有效克服光无线信道的频率选择性衰落。而且，使用WHT预编码还能进一步抵抗FOFDM系统中由SFO所引起的子载波间干扰。

目录

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第 1 章 绪论

1.1 选题背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1先进调制格式及其相关数字信号处理的研究现状

1.2.2 Fast-OFDM 研究现状

1.3 本论文的研究工作和结构安排

第 2 章 FOFDM 原理及常用 DSP 技术

2.1引言

2.2 FOFDM 基本原理

2.3 IM/DD 光通信系统的常用 DSP 技术

2.3.1基于训练符号互相关的符号同步方法

2.3.2基于最小二乘的信道估计方法

2.3.3 ISFA 算法

2.4小结

第 3 章 静态自适应调制和重叠频域均衡

3.1引言

3.2 基于静态自适应和重叠频域均衡的 FOFDM 方案

3.2.1总体方案

3.2.2自适应调制方案

3.2.3重叠频域均衡方案

3.3 实验结果分析

3.4小结

第 4 章 基于两个训练符号的采样频偏估计和补偿

4.1引言

4.2 SFO 对 OFDM/FOFDM 的影响

4.2.1 SFO-induced ICI

4.2.2 不产生 SFO-indcued ISI 的条件

4.2.3 SFO-indcued SPO 对星座点的影响

4.3基于两个训练符号的SPO估计和补偿原理

4.3.1OFDM的联合信道估计和SPO补偿

4.3.2 FOFDM 的联合信道估计和 SPO 补偿

4.4基于两个训练符号的SPO估计和补偿实验

4.4.1实验设置

4.4.2四种方案的计算复杂度比较

4.4.3实验结果与讨论

4.5小结

第 5 章 预编码技术在 W 波段 RoF 系统中的应用研究

5.1引言

5.2降低PAPR的DCT预编码技术研究

5.2.1 系统模型

5.2.2 实验设置

5.2.3 实验结果

5.3抵抗SFO的预编码技术研究

5.3.1原理介绍

5.3.2实验装置与参数设置

5.3.3实验结果与分析

5.4小结

第 6 章 预编码技术在可见光通信系统中的应用研究

6.1引言

6.2基于FOFDM的实值预编码技术研究

6.2.1系统模型

6.2.2仿真设置与结果

6.2.3实验装置和实验结果分析

6.3基于DFT的奈奎斯特整形技术

6.3.1 系统模型和实验设置

6.3.2 实验结果与分析

6.4小结

结 论

参考文献

致 谢

附录 A 攻读博士学位期间已发表与待发表的论文

附录 B 攻读博士学位期间参与的科研课题与获得的奖励