光OFDM系统中光调制器非线性补偿的预失真算法研究

光OFDM系统中光调制器非线性补偿的预失真算法研究摘要摘要光正交频分复用技术(OOFDM)是近几年被提出的一种高频谱效率的光纤通信网络物理层传输技术,并且迅速成为国内外光纤通信领域中的研究热点之一。该技术利用数字信号处理将光信道分割成为相互正交的若干子载波,并将信息加载到这些正交的子载波上进行传输。这种光多载波调制技术源于无线通信,不仅能够在光传输中对抗光纤色散、偏振模色散等光信道损伤,而且其天生的软件定义方式使得其灵活性大大提高,因而成为下一代光网络中最有竞争力的传输技术之一。然而,OOFDM信号却对非线性失真敏感,非线性产生的多种交调信号项将对多频率载波的OOFDM系统性能严重恶化,而传统光调制器,如马赫-曾德调制器,电吸收调制激光器,其电光映射的非线性传输函数对于实现高阶调制OOFDM发射机性能来说将会是最大的瓶颈。为了减小非线性失真的影响,必须引起调制深度的回退,从而降低系统有效光信噪比。因而,光调制器的非线性补偿对于OOFDM系统,甚至可以是所有对非线性敏感的光传输系统来说都将是至关重要的。数字预失真算法是一种高效的调制器非线性补偿方法,该算法估计光调制器的非线性模型,然后将信号按照该模型的逆函数进行预失真,从而达到补偿目的。同时,数字预失真只需要少量的硬件便可以实现,因此拥有巨大的优势。关键词:光正交频分复用;光调制器;非线性补偿;数字预失真IAbstractAbstractOpticalorthogonalfrequencydivisionmultiplexingOOFDMisanovelfibertransmissiontechnologyproposedrecentlywithahighspectralefficiency.Quicklyithasbecomeoneoftheresearchtopicsintheopticalcommunicationsociety.Theopticalchannelisdividedintoseveralorthogonalsub-channelsintheOOFDMsystembyemployingpopulardigitalsignalprocessingtechnology.Thedataaretransmittedthroughthesesub-channelsbybeingcarriedonasetoforthogonalopticalsubcarriers.Thiskindofopticalmulticarriermodulationisinspiredbythewirelesscommunication.Thehightoleranceofthefiberchanneldistortionsuchaschromaticdispersion,polarizationmodedispersionandtheflexibilitiesofOOFDMduetoitsintrinsicsoftwaredefinitionmakeitoneofthemostcompetitivecandidatesinthenextgenerationofopticalnetworksHowever,theOOFDMsignalissensitivetothenonlineardistortion.TheintermodulationdistortionwillcausetheOOFDMsystemsevereperformancedegradation.ThebottleneckoftheOOFDMtransmitterswithhighermodulationformatswillbeconventionalopticalmodulators,suchasMach-Zehndermodulators,electro-absorptionmodulatedlasers,whichhavenonlineartransferfunctions.Toreducethenonlineareffect,theopticalmodulationdepthmusthaveaback-off,butthiswilllowertheeffectiveopticalsignal-to-noiseratioaswell.Therefore,thenonlinearcompensationtechniqueoftheopticalmodulatorsisveryimportanttotheOOFDMsystemsanditcanbebroadenedtoalltheopticaltransmissionsystemswhichhavepoortolerancetothenonlinearities.Digitalpre-distortionDPDalgorithmisonekindofeffectivemethodstocompensateforthenonlinearitiesinducedbytheopticalmodulatorsbyestimatingthenonlineartransferfunctionofthemodulatorswithamathmodelandpre-distortingtheinputsignalbytheinversefunctionofthemathmodel.Besides,theDPDschemeneedsafewcomponentsonlysothatithasahugeadvantageKeywords:OOFDM;opticalmodulator;nonlinearitycompensation;digitalpre-distortionII目录目录摘要IAbstractII目录III第一章绪论.11.1引言11.1.1光纤通信的发展.11.1.2光调制格式21.1.3光调制器.31.1.4光调制器非线性失真51.2光调制器非线性补偿研究现状及分析61.3本论文的研究工作和创新点.7第二章高速OOFDM系统82.1OOFDM技术简介.82.1.1OOFDM发射112.1.2OOFDM接收122.2实数调制OOFDM系统142.3复数调制OOFDM系统182.4本章小结23第三章基于多项式的光调制器非线性估计以及补偿243.1非线性模型.243.1.1Volterra模型.253.1.2广义记忆多项式模型263.2DPD算法框架与原理263.2.1直接训练式DPD算法.273.2.2间接训练式DPD算法.273.3基于DPD算法的OOFDM系统设计、优化以及针对波分OOFDM系统的改进.293.3.1基于DPD的高速OOFDM发射机框架.303.3.2系统噪声以及优化.303.3.3DPD补偿方案用于波分OOFDM系统的改进323.4实验结果333.4.130Gb/s基于EML的复数调制OOFDM系统的DPD算法移植343.4.220Gb/s基于MZM的实数调制OOFDM系统的DPD算法移植393.5本章小结41第四章总结和展望42参考文献44附录A缩略词50攻读硕士学位期间发表的论文.53致谢54III第一章绪论第一章绪论1.1引言1.1.1光纤通信的发展自从远古时代人类就已经开始利用光信号作为传递信息的一种方式。然而,人类真正将光视为一种通信载体则是开始于1960年代,当时激光的一些特性引起了一批非常有远[1]见的通信研究学者们的注意。随后低损耗单模光纤和半导体激光器的诞生使得现代光纤通信技术全面快速发展,并在最近的二三十年中迅速得以商用和产业化。除此之外,最令人振奋的是2009年诺贝尔物理学奖授予华裔科学家高锟(CharlesK.Kao)博士,以表彰[2]他在玻璃材料损耗方面的研究以及对整个光纤通信领域的卓越贡献,同时这也是对光纤通信技术在人类文明进步道路上的充分肯定。光纤通信系统最早开始于1980年代,当时达到顶峰的成果为1988年由AT&T公司搭建跨越大西洋的代号为“TAT-8”的光纤传输系统,传输5600公里,速率达到280Mb/s,[3]比当时铜缆传输速率快一个数量级。也是从1980年代开始,光纤通信技术的创新如同按照“摩尔定律”一般层出不穷,单根光纤的传输速率基本上以10年100倍的速度增长。商用系统一般只落后实验室研究成果5至7年,在这段光纤通信高速发展期间中诞生了许多最令人惊叹的新技术,包括低损耗单模光纤,单频激光器,掺铒光纤放大器以及波分复用技术。2000年之后,光通信领域开始朝着低成本,高速率,长距离,低功耗,更高功能性和[4]高稳定性的方向发展。随着以指数增长的信息流量对光纤骨干网容量要求的不断提高,[5]曾经使用在无线领域中的技术开始被提出使用到光纤通信中,如前向纠错编码(FEC)等。有些技术也给光纤通信系统容量带来了戏剧性的提升。在这些技术当中,最吸引人的就是无线领域中使用的高级调制格式以及相应的数字信号处理技术,它们对现在以及将来的光调制方式产生了深远的影响。然而直到最近,现有架设的光纤通信系统中大部分使用的仍然是最传统的光通断调制方式,这显然无法达到在不久将来400Gbps/1Tbps物理层传输的指标要求,因此高级的调制格式以及相应配套的数字信号处理技术逐渐成为光纤通信领域专家们的研究热点。同1暨南大学硕士学位论文时,光调制器作为实现新型光调制方式的关键器件,光调制器的性能以及其能否实现高级的调制格式在光纤通信技术的发展中也受到相当的重视。1.1.2光调制格式光纤通信以光作为载体,光的相位,幅度或者强度能够通过光调制器改变以携带高速比特信息。与其他通信形式如无线通信、卫星通信系统类似,光纤通信中的调制格式也经历了从最简单的通断键控On/offKeyingOOK码型发展到以高速数字信号处理技术为基础的正交频分复用OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexingOFDM等的复杂技术。高[6]阶光调制格式给光纤通信带来频谱效率巨大的提升,成倍扩大了在ITU-T规定的光纤通信波段上的容量。以下是现有光纤通信历史发展中按时间先后经历的最典型的四种调制格式:图1.1光调制格式的光场示意图(a)光OOK调制光场分布图;(b)光DQPSK调制光场分布图;(c)光16-QAM调制光场分布图;(d)OOFDM光子载波示意图。1光OOK调制光OOK调制是光纤通信中一种早期的光调制格式,即通过光信号的开关来进行比特传输,OOK调制的光场分布如图1.1(a)所示。这种调制格式具有频谱效率几乎是所有光调制格式中最低的缺点,但是系统结构简单。又由于早期光器件和电器件发展水平限制无法实现高级的调制格式,因此OOK成为了光通信发展历史中非常重要的一种技术。该调制格式对光调制器要求不高,因为它只需要在光载波的光场任意一个方向上调制通断信号。接收端也只需要一个PD(photodetector,光电探测器)进行解调,系统实现的成本相对低廉,也因此能够最早实现商用化。在目前光纤到户系统中光网络单元(ONU)用户节点处也常常采用这种可以最易实现的OOK格式来降低系统成本。2光DQPSK调制2第一章绪论光DQPSK(Differentialquadraturephaseshiftkeying,差分相移键控)相比于光OOK频谱效率则提升了一倍,1个DQPSK符号可以携带2个比特,光场分布如图1.1(b)所示。相比于OOK,光DQPSK发射机中通常需要更高级的光调制器,这是由于其需要在光载波的0?和90?两个方向上都进行调制,解调也不同于OOK,需[7]要平衡接收机(Balancedphotodetector,BPD)。因此从成本角度上看,光DQPSK不如OOK,然而光DQPSK技术由于高频谱效率在当时在光纤通信领域中引起了[8]广泛的兴趣,它也是当时世界上最早的实现单波长100Gb/s的解决方案之一。3光QAM调制光QAM(quadratureamplitudemodulation,正交幅度调制)是指在光载波的0?和90?方向上调制多电平信号(Multi-levelsignal)的调制格式,最常见的如光16-QAM,光64-QAM等,光16-QAM的光场分布如图1.1(c)所示。该调制格式相比于以上两种具有更高的频谱效率,发射端需要采用光IQ调制器,接收技术也比前两种[9]更为复杂,需要相干接收配合数字信号处理(DSP)技术。4OOFDMOOFDM(Opticalorthogonalfrequencydivisionmultiplexing,光正交频分复用)是近几年来最具突破的光调制格式之一,从物理角度而言这是一种可以实现在若干个[10][11]正交的光子载波上调制信息的技术,又由于其在频谱上有部分混叠,因此相比于以上提到的三种调制格式具有最高的频谱效率,因此也是下一代光网络物理传输层中最具竞争力的候选技术之一。由于OOFDM信号为多载波信号,其光场分布如同噪声,因此给出OOFDM光谱的子载波分布示意图,如图1.1(d)所示。OOFDM可以采用复杂灵活的DSP技术,抵抗主要由色度色散和偏振模色散带来的光纤信道传输失真,从而获得高质量的光纤信号传输。1.1.3光调制器实现大容量光纤通信技术除了采用新型光调制格式之外,另一个重要的因素就是光发射端的关键器件??光调制器的物理性能和器件发展水平。光调制器种类繁多,各种物理机制也不尽相同,本论文中主要介绍三种最典型最常用的光调制器。1直接调制激光器3暨南大学硕士学位论文PowerCurrenttimetimeDML图1.2直调激光器DML直接调制激光器(Directedmodulatedlaser,DML),如图1.2所示,是一种可以被直接加载其上的电流信号调制的激光器,驱动电流的变化会导致激光器输出功[12]率变化,该种调制方式又简称直调。除此之外,其他所有调制器实现的调制方式都属于外调制。DML具有线性度好、高输出光功率、成本低廉、体积小的优点,因此常用于短距离接入PON(Passiveopticalnetworks,无源光网络)发射机。然而,DML直调啁啾大,该特性严重限制了DML调制信号的传输距离。2电吸收调制器Voltage0VPower-2VtimeActivePInPInPtimeregionInPNInPWaveguideEAMDFBlaserEML图1.3电吸收调制器EAM以及与DFB激光器集成的电吸收调制激光器EML电吸收调制器(Electro-absorptionmodulator,EAM),如图1.3所示,可以与一个分布式反馈激光器(DFBlaser)集成在单片上成为电吸收调制激光器EML(Electro-absorptionmodulatedlaser)。其原理是利用半导体材料中Franz-Keldysh效应或者量子阱结构中的量子约束Stark效应(Quantum-confinedStarkeffect)来[13]实现对光信号强度的调制。通过改变EAM的外加电场,可以改变半导体材料对光子的吸收特性,进而改变光束的通断,如图1.3中所示,在PN结偏置电压为0时,有源区域的能隙(Bandgap)非常宽,以致光子可以透明通过,而当PN结的反向偏置电压足够大(约-2~-3V)时,其有效能隙小到能够使得有源区域吸收激光,4第一章绪论以致输出光强的减小。EAM具有低啁啾、低驱动电压的优点,但是其线性度不如直接通过电流直接改变光强的DML。3马赫-曾德调制器MicrowaveelectrodesLiNbOCrystal3GndOpticalinputOpticaloutputWaveguideGndCWlaserData图1.4MZM调制器结构图马赫-曾德调制器(Mach-Zehndermodulator,MZM)也是光纤通信中非常重要的一种调制器。该调制器结构如图1.4所示,基于马赫-曾德干涉仪,输入光信号首先被分为相同的两束进入由铌酸锂(LiNbO)晶体制备的光波导的两臂,光波导3两臂都处于电极(Electrodes)缝隙之中。在外加Data电信号的电场影响下,两臂的折射率发生相反的改变,两臂中光信号因此而产生光相位差,然后再将这两束[14]激光信号耦合在一起输出。由于干涉,输出端的光信号功率与光波导两臂中光信号相位差有关,而该相位差又与外加Data信号有关,从而实现电信号到光信号的调制。1.1.4光调制器非线性失真44MZM430.8EMLDMLEML2220.410abc000.0-4-3-2-10-3-3-2-2-1-10004812BiasedvoltageVBiasedvoltageVBiasedvoltageVBiasedvoltageV图1.5光调制器传输函数(a)DML(b)EML(c)MZM外调制器能够进行光调制均是由材料的电光效应决定的。但是通常情况下,材料的电光效应并不具有理想的线性特性,如图1.5a、b以及c所示,我们实际测量了三个商用5OutputpowermWOutputpowermWOutputpowermWOutputpowermW暨南大学硕士学位论文光调制器,分别为DML,EML以及MZM的功率传输函数。可以看到除了DML具有较为理想的电-光功率传输曲线之外,EML和MZM电光特性都是非线性的。可以说,这种非线性的传输函数几乎是所有光外调制器的共性。对于相对简单的光OOK调制格式而言,调制器非线性失真并不是限制其系统性能的主要因素。然而,对非线性失真敏感的高级光调制格式的通信系统,如高阶光QAM调制,OOFDM多载波系统,调制器非线性失真对系统性能的影响将不能被忽略,需要进行针对调制器非线性失真的补偿。1.2光调制器非线性补偿研究现状及分析在早期光调制器(主要是直接调制半导体激光器)的研究中,由于半导体激光器工艺不成熟,导致直接调制半导体激光器DML在高频处会产生谐波失真(Harmonics)和非线性交调失真(Intermodulationdistortion,IMD)。用于光纤通信直调系统的双异质结构发光[15][16][17][18]二极管,GaAlAs/InGaAsP激光器等非线性效应早在1980年代被贝尔实验室、丹麦理工大学的科学家们发现和研究,加州理工的A.Yariv教授以及其研究团队从理论上分[19]析了直调半导体激光器的等效电路特性以及解释了在高频产生严重非线性失真的原因[20]。同一时期,来自贝尔实验室的研究人员对直调GaAlAs激光器的制备和设计进行改进[21]以提高其线性度。随后,针对该类直调系统中激光器非线性的补偿技术开始出现,由贝尔实验室提出能够对大信号进行预失真的电路模型来降低激光器的非线性,该成果被应用[22][23]到卫星上。加拿大科学家提出使用Volterra模型分析和估计半导体激光器非线性,接[24][25]着前馈技术被提出应用于非线性补偿,该技术原理简单,效果明显,然而由于需要额外相同的一套发射机而导致实施成本较高。采用前馈电路进行补偿的方法被提出应用于有[26]线电视(CATV)系统中,并验证其能够消除光调制器产生的二次谐波非线性失真。2000年后,光载无线(Radiooverfiber,RoF)系统的发展促生了许多种类的光调制器非线性补[27]偿技术:双并行光调制;利用计算机辅助设计抑制RoF系统高阶谐波的模拟电路,支持[28][29]多服务的宽带前馈技术;日本工程师提出的一种具有鲁棒性的等路径线性装置;最近[30][31]有研究者提出一种低成本电路用于补偿EML和MZM非线性。然而,以上这些技术基本上利用光前馈技术或者模拟电路手段,前者成本太高,不利于实际应用,后者则不具备灵活性和对温度环境的自适应性,并且还缺乏鲁棒性,无法进行高效的大规模量产。而在当下或者前瞻未来的光纤通信技术,基于数字信号处理的光发射机将逐步取代现有光设备,更具灵活性和鲁棒性的光调制器非线性补偿机制会尤其重要。数字预失真(Digitalpre-distortion,DPD)便是一种满足需求的解决方案。从数字域上来降低光调制器非线性失6第一章绪论真的想法早在2009年被斯坦福大学的研究者提出,其采用降低峰均功率比(PAPR)的预[32]失真算法减小光调制器非线性对OOFDM系统的性能衰退,但这实际上并不能解决调制器固有非线性失真。最近,另一种基于多项式的DPD算法被提出应用在基于反射式半导[33][34]体光放大器(RSOA)的RoF系统以及基于OOFDM的接入网应用中,然而,这两种系统的波特率较低,预失真算法在高速光通信系统中的性能需要重新被评估。通过以上光调制非线性补偿研究现状可以分析得到,基于数字预失真技术的光调制器非线性补偿方案目前处于研究初始阶段,但是可以预见该技术对于未来高速数字光通信系统来说具有十分重要的意义。1.3本论文的研究工作和创新点本论文提出利用基于广义记忆多项式模型的DPD算法实现光调制器非线性失真的补偿,并通过实验评估所提出算法应用在对非线性失真敏感的高速OOFDM系统中的性能,具体的研究工作和创新点如下:(1)高速OOFDM系统平台的搭建通过使用高速任意波形发生器和实时示波器实现基于直接检测的高速OOFDM系统,解决OOFDM系统中的关键技术如同步,信道均衡,电混频器IQ不平衡的补偿问题等。系统设计包括20Gb/s基于MZM调制器的实数调制OOFDM系统和30Gb/s基于EML调制器的复数调制OOFDM系统,并通过离线实验验证两种高速OOFDM信号的传输,此系统是后续DPD算法应用的基础。(2)基于广义记忆多项式的DPD算法在OOFDM系统中的实现以及性能分析由于光调制器的非线性传输函数会使对非线性失真敏感的高速OOFDM发射机性能下降,因此补偿光调制器非线性失真对提升OOFDM系统性能具有重要意义。利用基于广义记忆多项式模型的DPD算法能够用于功率放大器非线性补偿的特点,提出将DPD算法移植到高速OOFDM系统进行光调制器的非线性补偿,同时分析DPD算法中的记忆性对算法性能的影响。除此之外,还首次针对波分复用系统提出了改进方案,大大降低了在波分复用系统中DPD技术的实施成本,最后通过离线实验的方式验证所提出的DPD解决方案在高速OOFDM环境中的性能。7暨南大学硕士学位论文第二章高速OOFDM系统本章主要介绍高速光正交频分复用(OOFDM)系统的架构以及系统搭建,可分为以下三个部分:第一部分介绍高速OOFDM技术,其中包括OOFDM技术诞生与发展过程,同时介绍了OFDM基本原理以及OFDM技术中的数字信号处理过程,OOFDM发射机模块,接收机模块也在此部分中作简单介绍;第二部分和第三部分分别介绍两种典型的OOFDM直接检测系统,一种为实数调制OOFDM系统,另一种为复数调制OOFDM系统。两种OOFDM系统由于不同的结构具有不同的应用场景。在本论文中,作者实际搭建了20Gb/s基于MZM调制器的实数调制OOFDM系统和30Gb/s基于EML的复数调制OOFDM系统,本章内容也包含了这两个系统测试得到的实验结果。2.1OOFDM技术简介OFDM原本是无线通信中的一种多载波调制技术,其由于能够出色地对抗无线环境中的多径、频率选择性衰落而被确立为无线网络标准IEEE802.11a/gWiFi,HiperLAN2,80216Wi以及欧洲、亚洲、澳大利亚和其他一些地方的数字广播技术(DAB和DVB-T)的物理层传输方式。2006年,由澳大利亚墨尔本大学WilliamShieh教授提出将OFDM技[35]术应用到相干光通信系统中,并且由其团队中的XingwenYi博士等研究者成功搭建了[36]世界上第一套相干OOFDM传输离线实验系统,该系统速率为8Gb/s,传输1000公里,并实验验证了相干OOFDM技术能够在接收端有效估计色度色散、偏振模色散等光纤信道损伤,并且能够在无色散补偿光纤配置下成功恢复信号。同时也验证了OOFDM系统能够达到比单载波系统更高的频谱效率,这是因为OOFDM信号子载波频谱之间相互有部分可以被交叠。随后,OOFDM技术迅速成为光通信领域内最受关注的研究热点。在2007年3月的美国光通信会议OFC上,来自日本KDDI研发实验室的S.L.Jansen等研究者报道了当时速率最高传输距离最远的相干OOFDM系统,速率为20Gb/s,传输4160公里光纤,[37]并采用射频导频方法消除了相干光通信系统中的本地激光振荡器的相位噪声。同样在2007年,由WilliamShieh教授,XingwenYi博士等研究人员又完成相干OOFDM系统的偏振分集技术,从而验证OOFDM技术能够获得当时世界上最大光纤偏振模色散的容忍度[38],也在此文中,OOFDM系统中的光纤非线性补偿技术被首次实验验证。虽然该文针对相干光通信技术,但是Shieh教授将其扩展到可以类推的直接检测OOFDM系统。随后,8第二章高速OOFDM系统关于OOFDM技术的研究如同雨后春笋一般被连续报道,新技术、新系统不断拓展OFDM[39][40]技术在光通信领域的应用场景,如多模光纤传输,短距离单模光纤传输,长距离光纤[41][10]传输等,世界纪录也不断被刷新。为了表彰WilliamShieh教授在OOFDM技术中的卓越贡献,美国光学学会(OpticalSocietyofAmerican,OSA)和电气电子工程师学会(IEEE)授予WilliamShieh教授为OSA会士,IEEE会士,同时Shieh教授也业内人士誉为“OOFDM之父”,足以可见OOFDM技术在光纤通信发展历史中具有里程碑式的重要意义。下面简单介绍OFDM正交频分复用技术的原理:OFDM是多载波调制方式当中一种特殊形式,其基本原理框图如图2.1所示。发射端首先将输入信号转换成为并行输入,将并行输入的信号(可以看成矩形脉冲)定义成s,kk0,±1,±2,??,表示为第k个子载波上携带的数据符号。将该并行信号s与一组相k应的子载波expj2πkΔft进行IQ调制,Δf为子载波间间隔,然后将所有输出相加得到频分复用信号。同时,这种频分复用信号的频谱在各个子载波之间虽然有部分交叠,但是依然保持正交,即子载波p对子载波q(p≠q)的影响为零。正是基于此正交性,这种频分复用方式被称为正交频分复用,其频谱效率比通常单载波调制的频谱效率要高很多。expj2k?ft矩形脉冲信号频谱正交子载波输出expj2kftrIQ解调s00IQ调制k0∫?fffk0rs+1+1k+1IQ调制∫?ffffk+1rs-1-1k-1IQ调制相加Hf∫?fff信道k-1rs-2-2k-2IQ调制∫?fffk+2k-2rs+2+2IQ调制∫?fffk+2图2.1OFDM基本原理框图发射产生的OFDM信号经历过信道响应Hf之后进入接收端,然后被一组解调器进行9暨南大学硕士学位论文IQ解调,先将信号从第k子载波下变频到基带,即使用IQ解调器对OFDM信号和与发射端共轭的子载波exp-j2πkΔft进行混频,然后通过积分,滤波将其余子载波上的信息抑制为零,只剩下基带信号,如图2.1所示。在发射端使用的IQ调制器在多载波系统中普遍使用,接收端的IQ解调使用的也可以为相同器件。以上部分为OFDM的物理机制或者说是模拟实现方法,但是实际中,如果真正采用多个子载波源和多个IQ调制器/调制器来实现OFDM,则会成本较高,而且子载波间正交性很难保证,将会导致载波间干扰ICI。然而,这种缺陷能够在数字方法实现的OFDM系统中被彻底消除。以下介绍OFDM的数字实现方法,发射端的OFDM信号可以用式2.1表示,N/2?1j2kf?tiTsstse式2.1OFDM,ikikN/2其中,st代表第i个OFDM符号,s为第i个OFDM符号中第k个子载波上的信息OFDM,iki符号,N为子载波个数,T为单个矩形脉冲宽度。由图2.1得知,OFDM中每个子载波带s*宽与子载波间间隔Δf必须相等才能满足子载波间严格的正交性,即:1f式2.2Ts由式2.2再次能够证明采用模拟电路的方式实现OFDM非常困难,几乎不可能通过分立的不同源子载波保证每个子载波间隔都满足式2.2。将式2.1转化到离散数字序列,可以得到:nN/2?1j2k?ffssnse式2.3OFDMkkN/2n为单个OFDM符号中的第n个采样点,f为采样频率,为满足Nyquist采样定理,最小s采样频率应满足,fNf式2.4s则式2.3变为,nN/2?1jk2Ns?n?se式2.5OFDMkkN/2式2.5即为逆离散傅里叶变换的数学表达式,子载波间隔由式2.4得到,*由矩形脉冲宽度T决定,算至矩形脉冲频谱能量衰减至零的位置。s10DACAddpre-TSP/SAddCPIFFTS/PMappingbitsinput第二章高速OOFDM系统fsf式2.6N同理,若采样率等其它参数不变的情况下,结合图2.1,接收端的数字信号处理过程为,nN/2?1?jk2Nrrne式2.7kOFDMkN/2式2.7为离散傅里叶变换的数学表达式。实际应用中,式2.5和式2.7均可以通过离散傅里叶变换的快速算法进行实现,这也是OFDM最受人欢迎的特点之一,基于OFDM的通信系统可以采用各种灵活甚至复杂的数学算法来改善系统性能和改变系统应用配置,这相对于灵活性较差的单载波通信方式来说具有相当大的优势。2.1.1OOFDM发射本小节介绍OOFDM信号的产生以及OOFDM发射机的组成部分。ElectricalDSPTxOFDMsignalEABias-TDCOpticalmodulatorOpticalOFDMsignalCWLaser图2.2OOFDM信号产生框图(DSP:digitalsignalprocessing,S/P:serialtoparallel,IFFT:inversefastFouriertransform,CP:cyclicprefix,P/S:paralleltoserial,pre-TS:pre-trainingsymbol,DAC:digital-to-analogconvertor,EA:electricalamplifier,DC:directcurrent)图2.2表示了一种典型的OOFDM信号的产生框图,可分为用于电OFDM序列产生的DSP模块和光调制模块。由图所示,DSP模块包括了比特输入接口(bitsinput),符号映射(Mapping),串并转换(S/P),逆快速傅里叶变换(IFFT),添加循环前缀(AddCP),并串转换(P/S),添加前导序列(Addpre-TS)。将每个OFDM符号最末尾的一部分序列添加到该OFDM符号的最开始,此部分冗余成为循环前缀(CP),其作用在于抵抗信11bitoutputP/SDemappingEqualizerADCChannelestimationFFTRemoveCPS/PSync暨南大学硕士学位论文道响应产生的符号间干扰ISI。前导序列(pre-TS)为一特殊设计的序列,用于OFDM符号同步。前导序列将在OFDM接收部分另作介绍,这里不展开讨论。DSP模块产生之后的OFDM序列经过数模转换器(DAC)转换成为模拟电OFDM信号。*光调制模块包括了电信号放大器(EA),直流偏置(Bias-T),连续波激光光源(CWlaser),光调制器(Opticalmodulator)。由于DAC产生的电OFDM信号幅度较小,一般情况下无法直接驱动光调制器,因此需要电放大器将OFDM电信号预先放大,然后再经过添加直流偏置将电信号偏置在光调制器工作区域送入光调制器。此直流偏置器的功能也可能在光调制器内部实现,如MZM调制器,无需外接直流偏置器,只需要将直流信号加载到MZM调制器留出的直流接口上即可。送入光调制器的光源为连续波激光光源,通常是用于通信C波段1550nm激光器或者O波段1310nm激光器。经过光调制器(如 基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究基于单片机系统的网络通信研究与应用基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究