高性能實(shí)時(shí)光纖OFDM通信系統(tǒng)及其相關(guān)算法研究.pdf

1、為滿足人們?nèi)找嬖鲩L的寬帶業(yè)務(wù)需求，光正交頻分復(fù)用(Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OOFDM)已被視為應(yīng)用于未來高速光網(wǎng)絡(luò)中最有前景的關(guān)鍵技術(shù)之一。近幾年來，OOFDM技術(shù)在學(xué)術(shù)界得到了大量而深入的研究，為該技術(shù)未來的應(yīng)用奠定了深厚的理論基礎(chǔ)。然而，大部分相關(guān)的研究成果均是基于離線數(shù)字信號處理(Digital Signal Processing，DSP)方式獲得的，沒

2、有考慮基帶 OFDM收發(fā)機(jī)中基于硬件實(shí)現(xiàn)過程中諸如算法實(shí)現(xiàn)形式與復(fù)雜度、數(shù)據(jù)計(jì)算精度、系統(tǒng)工作頻率以及片上資源開銷等一系列問題。與此同時(shí)，傳統(tǒng)的成熟OFDM通信系統(tǒng)由于其傳輸速率相比高速光纖通信系統(tǒng)較低，可以采用串行結(jié)構(gòu)予以實(shí)現(xiàn)，因此直接將相關(guān) DSP算法移植到光纖通信系統(tǒng)中是不可行的。本論文基于直接檢測光 OFDM系統(tǒng)(Direct Detection Optical OFDM，DDO-OFDM)中多種損傷的理論分析，研究適合于硬件高

3、效實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵 DSP算法，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了基帶OFDM收發(fā)機(jī)，并對實(shí)時(shí) DDO-OFDM系統(tǒng)的傳輸性能進(jìn)行了相關(guān)研究，以推動(dòng)光纖 OFDM技術(shù)的規(guī)范化與實(shí)用化進(jìn)程。本論文主要研究內(nèi)容及取得的相關(guān)成果如下：
　　第一、提出一種簡化了的基于單個(gè)訓(xùn)練序列的符號定時(shí)同步與信道估計(jì)算法以降低硬件實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度與系統(tǒng)開銷，并在實(shí)時(shí) DDO-OFDM系統(tǒng)中進(jìn)行了性能驗(yàn)證。通過計(jì)算接收數(shù)據(jù)與本地訓(xùn)練序列符號位的互相關(guān)性實(shí)現(xiàn)了符號定時(shí)同步。該方法不需要任

4、何乘法運(yùn)算，僅通過簡單的邏輯運(yùn)算與比特求和便可得到定時(shí)度量，經(jīng)過門限判決方法確定接收訓(xùn)練序列的起始位置。相比使用傳統(tǒng)基于訓(xùn)練序列的互相關(guān)性的符號定時(shí)同步算法，該方法具備較低的計(jì)算復(fù)雜度，有利于硬件的高效實(shí)現(xiàn)。經(jīng)時(shí)頻變換后得到該訓(xùn)練序列上頻域數(shù)據(jù)，采用最小二乘法獲得奇數(shù)子載波上信道估計(jì)，然后使用線性插值得到偶數(shù)子載波上信道估計(jì)，這種估計(jì)方法可以有效地避免子載波間的互拍干擾，提高估計(jì)的準(zhǔn)確度。除此之外，通過合理設(shè)計(jì) OFDM幀結(jié)構(gòu)，則因使用

5、該訓(xùn)練序列給系統(tǒng)帶來的開銷可以忽略不計(jì)。
　　第二、研究了一種基于導(dǎo)頻的采樣時(shí)鐘頻率偏差估計(jì)與補(bǔ)償算法，以及基于該算法提出了一種采樣時(shí)鐘頻率同步方案來解決大范圍采樣時(shí)鐘頻率偏差惡化接收機(jī)性能的問題。當(dāng)采樣時(shí)鐘頻率偏差較小時(shí)，僅使用該估計(jì)與補(bǔ)償算法便可有效補(bǔ)償信道均衡后由采樣頻率偏差引入的殘留相位；當(dāng)采樣時(shí)鐘頻率較大時(shí)，使用所提出的采樣時(shí)鐘頻率同步方案以避免嚴(yán)重的子載波間干擾。與此同時(shí)，該方案可以結(jié)合采樣時(shí)鐘頻率偏差估計(jì)與補(bǔ)償算法，

6、從而降低采樣時(shí)鐘頻率同步精度的要求。通過理論與實(shí)驗(yàn)證明了本文所采用的方法可以在較低硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度的前提下提高 DDO-OFDM系統(tǒng)的傳輸性能，降低對采用壓控振蕩器實(shí)現(xiàn)采樣時(shí)鐘頻率同步的精度與穩(wěn)定性要求，從而可節(jié)約系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成本。
　　第三、為提高無源光網(wǎng)絡(luò)(Passive Optical Network，PON)中單波長的傳輸速率，基于現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)芯片

7、以及高速數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了高階QAM調(diào)制的基帶 OFDM收發(fā)機(jī)，并研究與優(yōu)化了其在基于直接檢測方式的光纖傳輸系統(tǒng)中的性能。采用自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)分別在1.1GHz與2.15GHz帶寬內(nèi)成功實(shí)現(xiàn)了256/64/16QAM調(diào)制、有效傳輸速率分別為6.3Gb/s OFDM收發(fā)機(jī)與10.4Gb/s OFDM-PON接收機(jī)。為進(jìn)一步提升系統(tǒng)的頻譜利用率，通過在接收端使用過采樣方式并結(jié)合數(shù)字低通濾波方法成功設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了頻譜效率高達(dá)8.88bit/s

8、/Hz1024QAM調(diào)制的OFDM收發(fā)機(jī)。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的誤碼率，動(dòng)態(tài)優(yōu)化了馬赫曾德爾調(diào)制器直流偏置電壓與實(shí)時(shí)光 OFDM信號的入纖光功率。數(shù)值仿真分析了不同 DAC/ADC轉(zhuǎn)換精度下最佳限幅率，在平衡限幅噪聲與量化噪聲的前提下優(yōu)化了接收機(jī)靈敏度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所有高階QAM調(diào)制的實(shí)時(shí) OFDM信號經(jīng)20km單模光纖傳輸后的誤碼率均小于采用7％開銷的硬判決前向糾錯(cuò)技術(shù)要求的誤碼率門限值(3.8?10-3)。
　　第四、使用Xili

9、nx吉比特收發(fā)器接口設(shè)計(jì)了基于OFDM調(diào)制與解調(diào)技術(shù)的高清視頻光纖單向傳輸系統(tǒng)，以進(jìn)一步驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的基帶 OFDM收發(fā)機(jī)的可行性以及搭建的實(shí)時(shí)DDO-OFDM傳輸系統(tǒng)的可靠性。該系統(tǒng)可分別將1.485Gb/s的720p與2.97Gb/s的1080p高清視頻信號經(jīng)實(shí)時(shí)光 OFDM發(fā)射機(jī)調(diào)制得到的雙邊帶光OFDM信號成功傳輸20km標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，經(jīng)基帶接收機(jī)實(shí)時(shí)處理后輸出至顯示器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，接收機(jī)恢復(fù)出來的視頻信號可以幾乎無失真的在顯示