（通信与信息系统专业论文）ofdmrof光传输系统限幅滤波信号特性的研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 o f d m 技术为系统在传输高速率业务时带来更为严重的符号间干扰以及 系统的扩容问题提供了良好的解决方案，被公认为4 g 的核心技术：光载无 线电技术( r o f ) ，能为4 g 无线通信系统提供超大带宽、低损耗的传输信道 以及良好的无线接入方案，被认为是4 g 的组网技术之一。因此，o f d m 和 r o f 的结合无疑成为未来通信的发展方向之一。 目前对o f d m r o f 系统的研究主要集中在光源、调制器、光纤等对 o f d m 信号造成波形的失真上，而针对o f d m 信号本身特性对系统性能产生 的影响很少。因此，本文建立了用于无线通信系统的o f d m r o f 下行链路模 型，探讨了影响系统性能的多个关键参数。 首先，对于o f d m 信号过高的峰值功率所造成的o f d m r o f 光传输系 统性能的劣化问题，提出了采用限幅滤波方法降低信号p a p r 的方案，从而 减小信号过大的p a p r 对系统内非线性器件的影响。相对o f d m 信号限幅后 插值而言，此方案对信号进行限幅前插值能更好的降低p a p r 。给出了不同 p a p r 门限、不同调制方式以及进行多次限幅滤波下的仿真及分析，得到了 可降低o f d m 信号峰均比特性的优化参数；给出了在不同限幅比下的系统性 能仿真曲线，仿真结果验证了上述结论。其次，研究了r o f 链路的传输特性， 给出了多模光纤传输特性和r o f 链路的非线性表达式。最后将限幅前、后的 o f d m 信号放入o f d m r o f 光传输系统中进行传输，仿真得出系统b e r 性 能，从而综合地验证了限幅滤波方案在o f d m r o f 光传输系统中的可行性。 限幅滤波的方案具有设计简单、实现复杂度低、容易实现等优点，而且 采用限幅滤波法降低o f d m 信号的p a p r 是在物理层进行的。因此，本文建 立的o f d m r o f 光传输系统下行链路模型具有较强的兼容性和实用性。 关键词：o f d m r o f ；峰均功率比；限幅滤波；光纤；非线性r o f 链路 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a bs t r a c t o f d mt e c h n o l o g yh a sas t r o n ga n t i - j a m m i n gc a p a b i l i t ya n dp r o v i d e sag o o d s o l u t i o nf o rs y s t e me x t e n s i o nw h i c hi sr e c o g n i z e da so n eo ft h ec o r et e c h n o l o g i e s o f4 g s r a d i oo v e rf i b e rt e c h n o l o g yw h i c hi sa g o o dw i r e l e s sa c c e s ss c e n a r i oc a n p r o v i d eal a r g eb a n d w i d t h , l o w - l o s st r a n s m i s s i o nc h a n n e lw i t h4 ga n di s a l s o b e l i e v e dt ob eo n eo ft h en e t w o r kt e c h n o l o g i e so ft h e4 gn e t w o r lt h e r e f o r e ，t h e c o m b i n a t i o no fo f d ma n dr o ft e c h n o l o g ys h o u l db et h ef u t u r ed i r e c t i o no f c o m m u n i c a t i o nd e v e l o p m e n t i t ss h o w e db ye x t e n s i v ei n v e s t i g a t i o nt h a tt h es t u d yo fo f d m r o fs y s t e m i sc u r r e n t l ym a i n l yc o n c e n t r a t e do nt h eo f d m s i g n a lw a v e f o r m d i s t o r t i o nc a u s e d b yt h el i g h ts o u r c e ，f i b e r ，o p t i cm o d u l a t o r sa n ds oo n t h e r ea r ef e wr e p o r t st h a t d i s c u s s e dh o wt h eo f d ms i g n a lh a v ee f f e c t so nt h es y s t e mp e r f o r m a n c e t h e r e f o r e ，i t sp r o p o s e do f d m r o fo p t i c a lt r a n s m i s s i o nd o w n l i n km o d e l i nt h i s p a p e r a n dt h o s ek e yp a r a m e t e r st h a tc o u l dh a v ei n f l u e n c eo nt h ew h o l es y s t e m p e r f o r m a n c e f i r s t l y ，i t sp r e s e n t e dt h es o l u t i o n t ol o w e rp a p ro ft h eo f d ms i g n a l a d o p t i n gt h et e c h n i q u eo fc l i p p i n ga n df i l t e r i n gt or e d u c et h ea f f e c t i o no f t o ol a r g e p a p ro nt h en o n l i n e a rc o m p o n e n t sa n ds e t t l ed o w nt h ep r o b l e mo fd e g r a d a t i o no f t h ep e r f o r m a n c eo fo f d m r o fo p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e mc a u s e db yt h et o o h i g hp e a kp o w e r o p t i m a lp a r a m e t e r sh a v eb e e nd e r i v e di nd i f f e r e n tt h r e s h o l d ， d i f f e r e n tm o d u l a t i o nt e c h n i q u e sa n dm u l t i p l ec l i p p i n ga n df i l t e r i n go p e r a t i o n s ，t h e s i m u l a t i o nb ys i m u l a t i o n si ns e v e r a lr a t i oo fc l i p p i n g s e c o n d l y ，t h en o n l i n e a r i t y o fr o fl i n kh a sb e e ns t u d i e d t h ef u n c t i o no fm u l t i m o d ef i b e rt r a n s m i s s i o n c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ee x p r e s s i o no ft h en o n l i n e a r i t yo fr o fl i n ka r eg i v e n u l t i m a t e l y ，t a k i n ga l lo ff a c t o r si n t oa c c o u n t ，s i m u l a t i o no ft r a n s m i t i n gc l i p p i n g 哈尔滨下程大学硕士学位论文 a n df i l t e r i n go f d ms i g n a li nt h en o n l i n e a r i t yo fo f d m r o fl i n kh a sb e e n s i m u l a t e da n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h eb i te r r o rr a t eo ft h eo f d m - r o fs y s t e mh a s b e e ni n v e s t i g a t e d t h u s ，t h ef e a s i b i l i t yo ft h ec l i p p i n ga n df i l t e r i n gt e c h n i q u ei n t h eo f d m r o fs y s t e mh a sb e e np r o v e d c o m p a r e dw i t h o t h e rm e t h o d s ，t h ec l i p p i n ga n df i l t e r i n g t e c h n i q u ei s s i m p l i l yd e s i g n e da n de a s i l yc o m p l e t e d t h ep r o p o s e do f d m - r o fm o d e lw i l l h a v et h em e r i t so fc o m p a t i b i l i t ya n dp r a c t i c a b i l i t ys i n c et h ec l i p p i n ga n df i l t e r i n g t e c h n i q u e w o n t c h a n g e t h e p h y s i c a ll a y e rs p e c i f i c a t i o n t h e n , f u r t h e r i n v e s t i g a t i o n sc a l lb ec a r r i e do i lt oi m p r o v es y s t e m sp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：o f d m r o f ；p a p r ；c l i p p i n ga n df i l t e r i n g ；f i b e r ；n o n l i n e a rr o f l i n k 哈尔滨工程大学 学位论文原创性l 声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其它个人或集体己 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：继 日期：挪分年 弓月 哈尔滨工程大学硕十学位论文 第l 章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 移动通信的发展历程 在过去的十多年闻，世界范围内通信产业经历着一个前所未有的高速发 展阶段。无线与有线手段的结合、宽带网络和信息高速公路的建设，一张致 力于覆盖全球的网络己将触角伸入到世界任何一个边远的角落。移动通信系 统已经历了多次技术革新。第一代的模拟蜂窝系统容量小，不能提供非话音 业务，语音传输质量差，保密性差，制式不统一，难于与综合业务数字网接 口。市场需求促进了第二代蜂窝移动通信系统的研制成功。1 9 9 1 年底，g s m 系统在欧洲投入商用。第二代( 2 g ) 移动通信系统克服了第一代的缺点，满足 了用户的语音和低速数据通信的需求，支持短信、图文、传真等电信业务、 数据承载业务及各种补充业务。但2 g 系统的制式的不统一使用户无法实现 真正的全球漫游，随着用户数的迅猛增加，该系统不能满足用户容量的发展 需要，同时随着互联网技术的飞速发展，市场对移动系统的数据传输速率提 出了更高的要求。所有这些催生了第三代移动通信系统( 3 g ) 的发展。3 g 最初 标准的起草可追溯到近十年前，然而令当时人们始料不及的是当今通信产业 发展速度惊人这一现状。 3 g 的推出引起通信领域的一场革命，同时也推动其它领域相应技术的发 展。世界电信业在2 0 0 0 年前后掀起了3 g 狂潮，2 0 0 1 年，日本的n t t d o c o m 。 公司在世界上开通了第一个3 g 网络，利用w c d m a 提供多媒体业务服务， 同时，中国前所未有的拥有了自己的3 g 国际标准：t d s c d m a ( 时分同步 码分多址) 。但3 g 却未能承载人们对它的太多的期望，近年来商用进程步 履艰难，究其原因，主要表现在以下几方面： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 1 ) 不能支持较高的通信速率。3 g 虽然标称能达到2 m b i t s 的速率，但 平均速率只能达到3 8 4 k b i t s 。尽管目前3 g 增强型技术不断发展，但其传输 速率还有差距。 ( 2 ) 不能提供动态范围多速率业务。由于3 g 空中接口主流的三种体制 w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 ，t d s c d m a 所支持的核心网不具有统一的标准，难 以提供具有多种q o s 及性能的多速率业务。 ( 3 ) 不能真正实现不同频段的不同业务环境间的无缝漫游。由于采用不 同频段的不同业务环境，需要移动终端配置有相应不同的软、硬件模块，而 3 g 移动终端目前尚不能实现多业务环境的不同配置。 从技术角度看，3 g 系统有很多需要改进的地方，如不是纯p 方式，所 能提供的最高速率只有3 8 4 k b i t s ( 标称最高速率为2 m b i t s ) ，不能满足用户 对移动通信系统的速率需求，不能充分满足移动流媒体通信的需求，没有达 到全球统一的标准等。从业务层面看，3 g 网络上能提供的业务在2 g 网络或 者通过其他的辅助手段，用户都可以在手机等便携终端上得以实现，短信、 w a p 上网等在3 g 业务中依然占据主要地位。目前提到所谓3 g 业务，其实 更多强调的是对原有业务的一种新体验一原有业务的升级或延伸。所有这些 不足，使得在3 g 还没有大规模投入商用、距离完全实用化尚有一段时间。 与此同时，全球一些具有前瞻性发展眼光的研究机构以及电信设备制造商则 将发展方向与研究日标锁定在第四代移动通信系统简称4 g 系统或后3 g 系统 的研发上【m 】。其目的就是要解决目前3 g 系统所遗留的问题，并满足未来若 干年后社会发展对移动通信业务的需求。 2 0 0 0 年1 0 月6 号，国际电信联盟( i t u ) 在加拿大蒙特利尔市成立了 i m t 2 0 0 0a n db e y o n d 工作组，开始了对4 g 的研究。同时，欧洲、日本、韩 国对4 g 的研究也陆续展开，我国在2 0 0 1 年也启动了面向后三代四代 ( b 3 g 4 g ) 移动通信发展的未来通用无线环境研究计划( f u t u r e 计划) 。在 2 0 0 2 年5 月i t u 召开的i m t 2 0 0 0a n ds y s t e mb e y o n d 研讨会上，m l t f 系统子 委员会主席w a t a n a b e 先生将未来的通信系统描述为具备以下特征的系统： 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 1 ) 用户可以在任何地点、任何时间以任何方式不受限地接入网络中来； ( 2 ) 移动终端可以是任何类型的； ( 3 ) 用户可以自由地选择业务、应用和网络； ( 4 ) 可以实现非常先进的移动电子商务； ( 5 ) 新的技术可以非常容易地被引入到系统和业务中来。 无论就用户、终端、网络和应用任何一个方面而言，4 g 的目标就是以一 种最经济、最可靠、最理想的方式，最大限度地满足需求，创造一个更为智 能化、灵活性、动态化、人性化的通信网络系统。4 g 融合了无线通信与有线 通信技术。目前，4 g 的技术标准还没有成型，4 g 的开拓者纷纷提出各自对 4 g 系统的构想和期望目标。业界人士认为，未来的4 g 系统应具备以下的基 本条件： ( 1 ) 具有很高的数据传输速率。对于大范围高速移动用户( 2 5 0 k m h ) ， 数据速率为2 m b i t s ；对于中速移动用户( 6 0 k i n h ) ，数据速率为2 0 m b b i t s ； 对于低诉移动用户( 室内或步行者) ，数据速率为1 0 0 m b it s 。 ( 2 ) 实现真正的无缝漫游。4 g 移动通信系统实现全球统一的标准，能使 各类媒体、通信主机及网络之间进行“无缝连接”，真正实现一部手机在全 球的任何地点都能进行通信。 ( 3 ) 高度智能化的网络。采用智能技术的4 g 通信系统将是一个高度自 治、自适应的网络。采用智能信号处理技术对信道条件不同的各种复杂环境 进行结合的正常发送与接收，有很强的智能性、适应性和灵活性。 ( 4 ) 良好的覆盖性能。4 g 通信系统应具有良好的覆盖并能提供高速可变 速率传输。对于室内环境，由于要提供高速传输，小区的半径会更小。 ( 5 ) 基于i p 的网络。4 g 通信系统将会采用i p v 6 。i p v 6 将能在i p 网络上 实现话音和多媒体业务。 ( 6 ) 实现不同q o s 的业务。4 g 通信系统通过动态带宽分配和调节发射功 率来提供不同质量的业务。 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 7 ) 先进的技术应用。4 g 移动通信系统以几项突破性技术为基础，如： 智能天线和空时编码技术、无线链路增强技术、软件无线电技术、高效的调 制解调技术、高性能的收发信机和多用户检测技术、无线接入网技术、o f d m 多址接入方式等。 基于以上研究，1 1 t u 制订的4 g 移动通信标准，要求把移动通信系统同 其他系统结合起来，2 0 1 0 年前实现无线通信系统峰值传输速率在用户高速移 动时达到1 0 0 m b p s ，在用户静止或者低速移动时( 无线局域网或游牧用户) 达到1 g b p s ；同时提供更有效的多种业务。 未来通信的目标是实现全球范围内的个人通信。随着人们对声音、数据、 图像以及交互式等宽带业务的需求，为了能使移动通信多媒体化，通信系统 必须能高速地传送数据和图像。为提供超大带宽和支持更高的信息传输速率、 更高的用户移动速度，4 g 移动通信系统必须采用大带宽、低损耗的网络以及 频谱效率更高、抗多径干扰能力更强的新型传输技术，正交频分复用( o f d m ) 技术以其抗干扰能力强、频谱效率高、传输容量大等特点也被公认为4 g 的 核心技术。在4 g 移动通信系统所采用的重要的技术中，r o f 技术成为实现 无线接入网的重要技术之一。随着移动用户量的急速增加，系统不但要满足 实时( r e a l - t i m e ) 、无缝隙( s e a m l e s s ) 和不间断( c o n t i n u o u s ) 通信，同时也要有承载 宽带和多业务的能力。r o f 系统无疑为满足这些要求提供了一个实现模型。 因此，r o f 和o f d m 技术都成为4 g 研究的热点，o f d m r o f 系统也就应运 而生【7 1 。o f d m r o f 光传输系统能够满足4 g 通信系统的要求，实现高速率、 超大带宽的实时移动多媒体通信业务；同时系统融合了光纤通信和移动通信 两种技术，实现了多种业务的传输。 1 1 2 未来4 g 的无线接入网结构 传统的蜂窝通信系统主要由交换网络子系统( n s s ) 、无线基站子系统 ( b s s ) 、和移动台( m s ) 三部分组成。蜂窝系统使用小区分裂的方法来扩容，即 通过增加基站数量把现有小区划分为若干更小的小区。由于频带资源的有限， 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 传统蜂窝系统采用频率复用技术，从而产生小区间的干扰；此外，c d m a 蜂 窝系统由于码址间互相关性不理想，具有白干扰性。当小区半径缩小时，干 扰将随之增强，严重制约了系统容量，同时基站将急剧加大。若小区半径减 小为原来的1 2 。基站数量将是原来的4 倍，系统成本和复杂性将呈指数增加。 目前，3 g 系统仍然采用传统蜂窝结构，传输速率能达到2 m b p s ，和较大 的系统容量，实现无缝覆盖。4 g 的设计速率在1 0 0 m b p s 以上，预计用户也 比3 g 系统高出一个数量级。因此若4 g 无线接入网沿用传统的蜂窝移动无线 结构，很难以合理的比特成本同时满足高速和大容量与高覆盖率的要求。所 以4 g 无线接入网( r a d i oa c c e s sn e t w o r k , r a n ) 必须对蜂窝结构进行改进或采 用新的结构( 8 1 。 r o f 技术将传统的蜂窝结构，改为分布式结构，基站与中心站之间使用 光纤连接，因此基站可以利用现有光纤主干网纵横交错的现状，实现任意远 端站的延伸设计，从而实现无缝接入，单个r o f 小区的集中控制模式能够有 效减少切换数量，并且方便升级和改造，多个r o f 小区基站间分布式控制， 可以支持宏分集，可以方便的进行动态无线资源配置和容量分配，缓和小区 规划问题。如图1 1 为改进的分布式r o f 无线接入网结构。r o f 技术应用于 无线接入网，利用光纤通信技术的低损耗、不受电磁干扰和海量传输的特点， 将使目前的移动通信系统达到更高的传输容量，同时r o f 技术的应用使调制 解调及控制电路移至中心站，与基站分离。天线的模式从集中式改为分布式， 可以有效均匀化下行发送功率并缩短移动台到天线的距离，从而减小发送功 率，此时系统可以采用大量成本低、体积小、射频功率小的远程天线单元提 供大范围的视线内通信，加大覆盖范围，提高频谱利用效率和系统容量，系 统部署由此变得简单而且容易进行集中升级。同时，由于系统层次结构没有 变化，所以r o f 可以很好地接入各个标准各个频段的无线网络，从而实现光 纤和无线网络地融合。移动通信是未来个人通信的重要组成部分，其灵活、 机动、高效的特点很好地满足了信息社会发展的需求。移动通信是指交换信 息的通信双方至少有一方在运动状态中进行信息传递的通信方式。移动通信 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 不受时间和空间的限制，交流信息机动灵活，迅速可靠。 未来4 g 系统的无线接入网部分，不仅能提供高速，大容量和低比特成 本的服务，能够支持2 0 1 0 年后的业务。这些要求将使4 g 的r a n 不同于目 前的r a n ，在结构上必然是革命性的。在无线接入网部分，r o f 技术的引入 将推动这场革命。 图1 1 分布式r o f 无线接入网结构 1 1 34 g 的核心技术o f d m 技术 根据4 g 通信系统高速数据的传输要求，信道的多径效应所引起的频率 选择性衰落将表现出越来越大的符号间干扰。传统的均衡器和直接序列扩频 加r a k e 接收的方法将在实现复杂度和性能方面面临更多障碍。同时，针对 目前频谱资源紧张的情况，良好的频谱利用技术也将成为人们研究的热点。 o f d m 技术以其良好的抗多径衰落能力、极高的频谱效率成为新一代无线通 信核心技术。 o f d m 是一种无线环境下的高速传输技术。无线信道的频率响应曲线大 多是非平坦的，而o f d m 技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多 正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行 传输。 o f d m 技术具有以下优点： 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 1 ) 可以有效克服符号间干扰( i s i ) ，适用于多径环境和衰落信道中的高速 数据传输： ( 2 ) 通过各个子载波间的联合编码，具有很强的抗衰落能力； ( 3 ) 由于在o f d m 系统中各个子信道的载波相互正交，频谱相互重叠， 因此具有极高的频谱利用率。 o f d m 信号也有一些缺陷： ( 1 ) 峰值功率与平均功率比过大，对系统的非线性敏感； ( 2 ) 对频率偏移和相位噪声敏感。 o f d m 信号较高的峰值功率与平均功率之比( p a p r ) 问题极大的影响了 o f d m 技术应用于r o f 网络：r o f 网络中各种非线性器件如放大器、调制器、 光纤等将会限制信号峰值功率，在o f d m 频段内和相邻频段之间产生干扰。 综上所述，o f d m 与r o f 技术应用于未来通信领域内有着巨大的优势和 美好的发展前景，但o f d m 信号的自身缺陷和r o f 链路的非线性越来越限 制了链路的传输距离和传输容量，成为了要提高系统性能就必须解决的一个 问题。 1 2o f d m r o f 国内外研究现状 早在二十世纪八十年代末、九十年代初，国外科研人员在各种国际会议 以及学术刊物上发表了有关r o f 光无线传输技术的研究报告，其研究成果受 到各国研究者的广泛关注。随着r o f 技术的深入研究，及移动通信的进一步 发展，世界各先进国家都争先恐后的提出并开展了将r o f 技术与o f d m 技 术相结合的o f d m r o f 光传输技术的研究。 英国剑桥大学的m 。r d ro d r i g u e s 等几位研究者，2 0 0 0 年开始发表了有 关o f d m - r o f 光无线传输技术的研究报告，其研究成果受到各国研究者的关 注【9 】；2 0 0 3 年r y a ng l e n nw a t s o n 等人通过理论仿真和实验研究了光调制器对 o f d m 信号非线性影响的研究( 1o l ；p7 e t e rh o r v7 a t h 等人研究r o f 链路中应用 m z m 调制器对o f d m 信号的传输影响i ：o g o n z a 7l e z 等人进行了o f d m 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 信号在r o f 系统中受信道噪声、传输时延性能影响的相关研刭1 2 l 。目前在各 国研究成果中，不少研究内容都涉及到o f d m 信号波形失真产生的原因以及 对系统性能如何进行评估等方面【1 3 1 。2 0 0 6 年t o l g ak u r t ，a b b a sy o n g 哪。斟u 等研究了在多径衰落信道中o f d m 循环前缀对多模光纤色散的影响的研究 【1 4 1 。韩国的a j u n gk i m 等人从o f d m 信号同步方面进行了应用前向纠错编码 和同步及信道估计算法改善了6 0 g h z o f d m 信号在r o f 链路中的信噪比的研 究【1 5 1 。日本松下集团麾下的h i r o y u k is a s a i 等人则提出了双波段w l a n 系统 中o f d m 信号在r o f 链路中的传输性能【嗡1 。 目前在各国研究成果中，研究内容大部分都涉及到o f d m r o f 系统由 r o f 的非线性器件引起的o f d m 信号的波形失真以及光纤链路非线性效应对 + 系统性能影响等方面。国外大多发表的文章研究大多围绕r o f 系统中各种非 线性器件对o f d m 信号传输的影响问题而进行：例如m z m 调制器、光纤等 非线性器件以及放大器对o f d m 无线信号传输质量的影响。 国内有关4 g 通信技术的研究，近几年已卓有成效地开展了起来，然而 在o f d m r o f 光无线传输技术的研究方面，其研究成果报道还比较少。2 0 0 2 年起上海大学就开展了o f d m r o f 光无线传输技术的研究，一些研究成果已 经在国际会议以及国内相关学术杂志上发表。上海大学针对r o f 系统光纤的 色散和非线性特性等链路性能对o f d m 信号造成的波形失真进行了调查，调 查了来自光纤信道的频率色散、偏振模色散以及过大光功率所引起的非线性 效应对o f d m 无线信号传输质量的影响问题 7 , 1 7 】。北京邮电大学的张波等近 期研究了由于r o f 链路中半导体激光器引起的o f d m 信号的非线性失真【1 8 l 。 通过大量的调查发现：在o f d m r o f 光传输系统的研究中，国内外的研 究成果主要集中在非线性器件对o f d m r o f 系统性能造成的影响，然而对 o f d m 信号自身特性对影响o f d m r o f 光传输系统性能方面的研究还比较 少。 1 3 课题意义 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 无线化和宽带化是当今通信业乃至整个信息业的热点。无线通信使得人 们能够随时随地跟任何人进行通信。而宽带通信可以将数据、i n t e m e t 、话音、 视频和多媒体应用传送到商业和家庭用户。o f d m 和r o f 的结合无疑是未来 通信的发展方向。r o f 技术能为4 g 无线通信系统提供了超大带宽、低损耗 的传输能力和良好的无线接入方案：o f d m 技术的应用为系统在传输高速率 业务时带来的更为严重的符号间干扰问题提供了良好的解决方案，同时， o f d m 技术的应用也大大提高了系统的容量，进一步降低了业务的成本。随 着r o f 技术的不断发展，r o f 技术改进了传统的蜂窝结构，将传统基站集成 的天线改为分布式结构，基站与中心站之间使用光纤连接，因此基站可以利 用现有光纤主干网纵横交错的现状，实现任意远端站的延伸设计，从而实现 无缝接入，从而减小了r o f 系统的成本和复杂度，使得网络具备了良好的延 伸特性和抗小区干扰的能力。r o f 与无线技术结合，尤其是与将来的4 g 移 动通信系统结合，更能充分发挥其优势。r o f 以其固有的特点将光通信网络 所具有的巨大传输容量与无线网络的灵活性和移动性能结合得天衣无缝。 根据r o f 的定义，把无线信号o f d m 放在光纤上传输它仍然为r o f 技 术。这样o f d m r o f 信号具备了r o f 技术的优点。在移动通信网络中引入 r o f 技术，能减化基站的复杂性、并使其结构小型化、微型化，实现长距离 的传输；还能实现基站群的集中控制，并对每个基站能单独且灵活地分配基 于不同编码方式、调制方式、传输速率、载波频率等参量的传输策略；而且 实现透明传输，系统具有充分扩展性。这对4 g 系统要求的低成本高性能基 站建设提供了一种解决方案。因此r o f 一方面解决了对日益增长的通信容量 和移动性的潜在需求，同时降低了接入网的成本。r o f 技术利用光波频带极 宽、低损耗等特点，承载高频o f d m 无线信号( 频段可从几g h z 至几十g h z ) ， 为无线信号有线传输提供了一个全新的途径。随着4 g 研究的逐渐深入，r o f 系统将会在未来的移动通信领域占有很大的市场份额。 因此，本文通过建立o f d m r o f 光传输系统下行链路模型，对整个系统 性能进行了探讨，着重研究了o f d m 信号过高的峰值功率造成的o f d m r o f 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 光传输系统性能的劣化问题，针对方案中的各种影响因素进行了深入的分析 研究：同时，还对r o f 的非线性链路进行了建模分析，并给出了该系统的非 线性表达式和光纤信道的传递函数，最后论文综合仿真了在r o f 下行链路非 线性失真的信道中限幅滤波前后的o f d m r o f 光传输系统的性能，并进行了 可行性分析，本论文的研究成果对研究o f d m r o f 系统的进一步研究具有一 定的指导意义。 1 4 论文结构安排 本文共有五章。 第一章介绍了课题背景。结合移动通信的发展历程，说明了目前我国移 动通信领域内面临的不足，初步介绍了未来4 g 移动通信系统的无线接入网 结构及其核心技术，同时引出了o f d m r o f 光传输系统，并给出了课题的研 究意义和课题的国内外研究动态及本文章节安排。 第二章讨论了4 g 移动通信系统采用的两种关键性技术：r o f 和o f d m 技术。对于r o f 技术，论文主要从r o f 系统概述和系统结构，及r o f 系统 中光纤的特性进行了介绍，由于r o f 中存在着各种色散、非线性效应的影响， 这些影响无疑都是导致无线信号传输性能降级的潜在因素。对于o f d m 技 术，介绍了o f d m 基本原理和o f d m 的峰均功率比的定义( p a p r ) 以及通过 分析了o f d m 技术的优、缺点，引出了降低峰均功率比p a p r 是o f d m r o f 光传输系统中必须要解决的问题。 第三章建立了适应下一代无线通信系统的o f d m r o f 光传输系统下行 链路模型，并对o f d m r o f 系统各个部分进行了详细的介绍，最后指出了制 约o f d m r o f 光传输系统性能的两大因素。 第四章从降低o f d m 信号的p a p r 入手，综合地比较了降低p a p r 的方 法，选取比较简单有效的限幅滤波方案降低o f d m r o f 光传输系统的p a p r 。 深入研究了其中的关键性技术，并应用m a t l a b 进行了仿真验证，取得了 比较积极的结果。 i o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第五章分别对光纤传输特性和非线性部分进行了较深入的分析，通过建 立r o f 下行链路模型，给出了三阶非线性表达式，并在此基础之上对采用限 幅滤波方案后对o f d m r o f 系统整体链路性能的影响进行了仿真验证。 结论总结了论文的研究成果和创新，同时给出了课题进一步研究的方向。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章r o f 技术和o f d m 技术 2 1r o f 技术 2 1 1r o f 技术介绍 r o f 是英文r a d i oo v e rf i b e r 或r a d i oo nf i b e r 的缩写，即“光载无线电 信号 ，具体表述为以光纤为传输媒介，以光波为载波，以高频微波、厘米 波或毫米波为调制波，传输信息的一种技术。 r o f 技术的研究始于二十世纪八十年代末、九十年代初【1 9 1 ，它是一种结 合无线通信与光通信两个领域的综合技术。我们知道，传统光通信系统都是 以光波作为载波，传输模拟基带信号或数字基带信号。然而对于采用r o f 技 术的传输系统( 以下简称r o f 系统) ，调制信号的频率可达几g h z 或几十 g h z ，系统性能必然与普通光传输系统不同。同时，由于无线技术诱人的市 场前景，促使r o f 技术也成为无线领域研究不可忽视的一部分。 r o f 结合了微波通信和光纤通信的优势，使得射频信号在光纤中实现了 无衰减。目前，r o f 技术主要应用于固定无线接入( f i x e dw i r e l e s sa c c e s s ，f w a ) 系统中，又称无线本地环( w i e r l e s sl o c a ll o o p ，w l l ) t 2 0 1 ，为p s t n ( p u b l i c s w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k ) n 络提供最后一公里无线方式接入，它的优点是 远端单元避免庞大的体积，只需要很少的供电，结构简单，可靠性高，易于 维护，本地交换中心高效地按需分配无线资源。据a b ir e s e a r c h 的市场预测， 到2 0 0 9 年，世界上超过一半以上的使用无线局域网的办公楼将使用r o f 。 r o f 技术可以适用于不同频段的无线接入系统，随着宽带和多业务信息追求 的增加，基于6 0 g h z 频段的r o f 无线接入网将成为未来研究热点之一。 另外，r o f 技术还用于无线个人通信网络、室内信号覆盖、基站客栈、 车载无线通信系统、军事系统以及一些专用小范围通信系统 2 1 - 2 3 】。r o f 技术 能够为道路沿线提供有效的无线覆盖，提供灵活的业务频率、调制方式等。 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 r o f 系统有其自身特点，它即不同于无线信号的自由空间传播，也不同 于基带信号的光纤链路传输。一方面，r o f 系统是典型的光传输系统的一个 特例，在传统光纤链路中所具有的诸特性，如损耗、噪声等各种线性与非线 性因素，都会对信号传输性能有影响。另一方面，r o f 系统中又存在着与无 线信号某些具体特征相关的因素，因此使其在研究分析上还必须同时兼顾无 线信号诸特点。当前在r o f 技术研究领域中，载波多集中在5 0 6 0 g h z 毫米 波频段。近1 0 年来，无线通信和光纤通信技术发展迅猛，光纤干线容量不断 提升，无线通信用户急速扩大，服务也日益多样化。然而，国际上越来越多 的研究学者注意n - 虽然光纤通信技术提供了海量的带宽和超高速的速率， 却存在缺乏灵活的分配方式、以及电的“瓶颈 问题。无线通信可以提供灵 活的接入，却受到带宽的必然约束。因此，从未来超大容量、超高速通信的 需求和发展上来看，以光纤作为的媒质，传送高频率带宽无线信号，结合光 纤和无线各自长处的r o f 技术，成为一种有效的解决方案。 将无线电通信和有线光纤通信之优点有效结合的r o f 通信系统正在受到 越来越多的关注，有可能在不远的未来成为现代通信系统的一个重要组成部 分，比如在h d t v 、交互式多媒体游戏和高速无线数据接入，特别是高速移 动通信( 飞机、高速列车上的宽带接入) 等领域，r o f 技术都将具有很大的 吸引力。现在，日本的r o f 技术在1 - 2 g h z 带宽已达到实用，主要解决无线 电波信号无法接收或极弱的地带( 如隧道内、地铁内、巨型建筑物内) ，我国 r o f 技术应用于铁路专网中的研究也有了初步的成果 2 4 , 2 5 。随着网络与业务 融合的不断加剧，r o f 技术也许在不久的将来就将迎来更大的发展。 2 1 2r o f 的系统结构 r o f 系统基本结构由中心站( c e n t e rs t a t i o n ，c s ) 、基站( b a s es t a t i o n ，b s ) 和 连接两者的光纤链路三部分组成，如图2 1 所示。在整个系统中，为了简化 基站结构，几乎所有的信号处理工作都在中心站完成，包括编码、复用、无 线信号产生和光调制等。基站只有简单的电光( e o ) 与光电( o e ) 转换器件和天 哈尔滨工程大学硕士学位论文 线，有的基站还具有放大器。光电转换一般利用p d ( p h o t o d e t e e t o r ) 实现，转 换后的无线电信号由天线发射，天线同时接收无线信号，并利用光调制器调 制到光信号上。被无线信号调制的光信号利用光纤链路构成的光传输网络在 基站和中心站之间互相传递。中心站至基站传输方向称为光纤下行链路 ( d o w r d i n k ) ，反之称为光纤上行链路o d p l i n k ) ，分别与无线信号的下行链路与 上行链路相对应。r o f 通信系统将基站( b s ) 的复杂的信号和逻辑处理移到中 心站( c s ) ，用光纤透明的传送射频信号，从而使基站成为简单的光信号射频 信号的转发单元。一方面降低了基站的成本，另一方面使得各种无线服务可 以透明地在中心站集中处理，进一步分摊了成本，甚至可能实现只需在中心 站升级，而无需更换基站设备而完成通信系统的完全升级。 下行链路天线 上行链路 图2 1r o f 系统基本结构 在r o f 系统中，根据光纤中传输信号的不同可以将它分为三种。它们分 别是射频光纤传输方案( r f o v e r - f i b e r ) 、中频光纤传输方案( i f o v e r - f i b e r ) 和基 带光纤传输方案( b a s e b a n d o v e r - f i b e r ) t 2 6 1 。 c s 图2 2 基带光纤传输方案 1 4 ，l ， 、f 、 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 1 ) 基带光纤传输方案 该传输方案的特点是光纤中传输的是基带信号。如图2 2 所示。它为基 带光纤传输方案的r o f 系统的信号传输结构框图。 ( 2 j 中频光纤传输方案 中频光纤传输方案的特点是光纤中传输的信号是基带信号调制到中频频 率上的调制后的信号。图2 3 为中频光纤传输方案的r o f 系统的信号传输结 构框图。 c s 图2 3 中频光纤传输方案的 ( 3 ) 射频光纤传输方案 在射频光纤传输方案中，基站发射、接受射频信号无需任何的频率转换， 所有的频率变换和调制都集中在中心节点来完成，光纤中传输的信号是调制 在射频频率上的调制后的信号。图2 4 为射频光纤传输方案的r o f 系统的信 号传输结构框图。 。 图2 4 射频光纤传输方案 ，i ， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 综上所述，基带光纤传输方案可以利用现有的成熟的射频和数字硬件，而且 中心局的实现也比较简单。但是，随着所需无线信号频率的增大，该方案中 需要在基站进行频率转换的需求将会使得该系统的结构变得越来越复杂。所 以，它比较适合于采用较低的无线信号频率的系统的搭建上。中频光纤传输 方案需要额外的电子硬件( 如：毫米波本地振荡源( l o ，l o c a lo s c i l l a t i o n ) 来实 现向上向下的频率变换( u p c o n v e r s i o n d o w n c o n v e r s i o n ) 。这会限制无线网络 的重构和升级。射频光