ACOOFDM系统信道估计算法的研究毕业设计论文.doc
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1、 设计(论文)题目:ACO-OFDM系统信道估计算法的研究摘 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
2、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
3、幅光正交频分复用 叠加训练序列 信道估计 算法ABSTRACTIn 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 traditi
4、onal 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-n
5、egative 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 matr
6、ix 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
7、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 dont need the extra frequency and time slot to transmit the known training sequence, that ensure the transmission efficiency of the system, also the compl
8、exity 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 p
9、ower 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 chan
10、nel 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目 录摘 要IABSTRACTII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
11、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5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22三、本地矩阵的生成24四、信道估计的算法24第三节 理论
12、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第一节 本文工作总结33第二节 下一步研究展望33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 Frequenc
13、y 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
14、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
15、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。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
16、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
17、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
18、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无线宽带通信系统中。OFDM的子载波在一个OF
19、DM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
20、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
21、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接收端不需要本地振荡器直接检测OFDM系统双极性复信号信息承载与电信号接收端需要本地振荡器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
22、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。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 Modulated Optical
23、 Orthogonal Frequency Division Multiplexing,AMOOFDM)5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730m6,在塑料光纤中的传输速率达到了1Gb
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