OFDM專業(yè)知識講座

電子工程學(xué)院1第六章O-OFDM第1頁電子工程學(xué)院2

本章主要內(nèi)容：無線通信系統(tǒng)中OFDMO-OFDM光纖非線性影響O-OFDM傳輸容量提升第2頁電子工程學(xué)院3第一節(jié)無線通信系統(tǒng)中OFDM第3頁電子工程學(xué)院4在無線通信系統(tǒng)中，伴隨傳輸信號數(shù)據(jù)速率不停提升，無線信道時延擴(kuò)展特性引發(fā)了嚴(yán)重碼間干擾，造成系統(tǒng)性能急劇下降。為了克服碼間干擾影響，能夠利用信道均衡技術(shù)，不過該技術(shù)硬件復(fù)雜度高；另一項高效低復(fù)雜度技術(shù)就是正交頻分復(fù)用（OFDM).OFDM基本思緒：將高速數(shù)據(jù)信號提成多路低速數(shù)據(jù)信號，并調(diào)制一組正交子載波上進(jìn)行并行傳輸。在確?？倲?shù)據(jù)速率不變情況下，各個子載波所承載數(shù)據(jù)速率會大大減小，即符號周期大幅度展寬，因此碼間干擾會顯著減少。第4頁電子工程學(xué)院5一、OFDM基本原理OFDM原理：將數(shù)據(jù)速率為Rt高速數(shù)據(jù)信號變換成n路數(shù)據(jù)速率ri(Rt

=r1+

r2+…+rn)低速數(shù)據(jù)信號，并調(diào)制一組正交子載波上進(jìn)行并行傳輸。在高速數(shù)據(jù)單載波調(diào)制器情況下，發(fā)送信號符號周期也許與時延擴(kuò)展相比擬，會產(chǎn)生嚴(yán)重碼間干擾；在OFDM情況下，各個子載波數(shù)據(jù)速率會大大減小，即符號周期大幅度展寬，多徑效應(yīng)引發(fā)時延展寬相對變小，因此碼間干擾會顯著減少。當(dāng)每個OFDM符號中插入一定保護(hù)時間之后，碼間干擾影響幾乎就能夠忽視。第5頁電子工程學(xué)院6關(guān)鍵參數(shù)：子載波數(shù)目、符號周期、載波間隔、每個載波調(diào)制格式、保護(hù)時間、前向糾錯碼選擇假設(shè)：OFDM鏈路子載波N，數(shù)據(jù)速率為R（bit/s）串并變換：將數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊，每塊比特數(shù)為B，第i路信號比特數(shù)為bi，并且有B=b-N/2+…+b2+b3+…+bN/2-1。每路信號根據(jù)bi大小進(jìn)行M=2bi進(jìn)制編碼。經(jīng)編碼后信息符號影射二維星座圖上，對應(yīng)第i路基帶復(fù)信號為cki（k為OFDM塊編號）子載波-N/2子載波-N/2+1子載波-N/2+2子載波N/2-1塊第6頁電子工程學(xué)院7二、OFDM信號生成對應(yīng)每路數(shù)據(jù)速率為ri，因此，R=r-N/2+r-N/2+1+…+rN/2-1。碼周期由本來二進(jìn)制T0=1/R變?yōu)镺FDMT=T0B。對每路信號選擇M-QAM等調(diào)制格式調(diào)制到對應(yīng)子載波上：

Ts為符號周期，N為子載波數(shù)目。對具有相同塊編號k符號cki組成一種OFDM符號

∏(t)為碼型函數(shù)。對OFDM信號時域表達(dá)為第7頁電子工程學(xué)院8子載波選擇：

為互相正交，即

這里ts為符號寬度，一般情況下碼型函數(shù)選擇：矩形函數(shù)為OFDM符號保護(hù)時間長度，一般情況下有第8頁電子工程學(xué)院9由于OFDM信號子載波互相正交，其抽樣能夠利用離散傅里葉變換（DFT）表達(dá)。不過DFT算法復(fù)雜度為O（N*N），直接進(jìn)行IDFT/DFT運(yùn)算量很大；假如采取IFFT/FFT（基2算法復(fù)雜度為O(0.5N*log2N)），能夠顯著減少運(yùn)算復(fù)雜度。由于第9頁電子工程學(xué)院10假如子載波所承載信號碼型為矩形，每個子載波信號頻譜為Sinc(x)抽樣函數(shù)。在矩形脈沖寬度ts滿足情況下，在各個子載波頻點(diǎn)處沒有互相干擾，如下列圖所示。在非抱負(fù)采樣情況下，一般系統(tǒng)中時域碼間干擾（ISI）轉(zhuǎn)換成了OFDM系統(tǒng)中子載波之間干擾（ICI），為了消除該干擾，要求OFDM系統(tǒng)在頻域采樣點(diǎn)沒有失真。第10頁電子工程學(xué)院11三、保護(hù)時間與循環(huán)前綴

當(dāng)OFDM信號在多徑衰落信道中傳輸時，會引發(fā)碼間干擾（ISI）。為了消除ISI，需要在OFDM每個符號中插入保護(hù)時間，只要保護(hù)時間大于多徑時延擴(kuò)展，則多徑就不會引發(fā)相鄰符號間干擾。假如保護(hù)時間內(nèi)不發(fā)送信號，多經(jīng)效應(yīng)使FFT積分時間內(nèi)兩個子載波周期不再是整數(shù)倍，從而子載波不能保持互相正交，引發(fā)載波間干擾（ICI）。如下列圖所示。第11頁電子工程學(xué)院12為了減小ICI，OFDM符號能夠在保護(hù)時間內(nèi)發(fā)送循環(huán)擴(kuò)展信號，如循環(huán)前綴（CP）。CP是OFDM符號尾部信號搬移到頭部組成，這樣可確保經(jīng)時延OFDM信號在FFT積分周期內(nèi)總是整數(shù)倍周期。在多徑時延不大于保護(hù)時間情況下，不會造成ICI，同步還確保了各個子載波之間互相正交。由于CP引入會使符號邊界處出現(xiàn)顯著相位跳變，使OFDM信號頻譜帶外衰減變慢，對單個OFDM符號加窗能夠加快帶外衰減。第12頁電子工程學(xué)院13電域OFDM實(shí)現(xiàn)總結(jié)：OFDM調(diào)制技術(shù)能夠顯著減少無線信道多徑效應(yīng)對高速數(shù)據(jù)信號劣化。第13頁電子工程學(xué)院14第二節(jié)O-OFDM第14頁電子工程學(xué)院15在光纖通信系統(tǒng)中，光纖色度色散和偏振模色散嚴(yán)重限制了高速數(shù)據(jù)信號傳輸距離。由于光纖色散影響和無線信道中多徑效應(yīng)影響有類似效果，即色散使不一樣頻率成份光波具有不一樣傳輸速度，而無線信道中多徑效應(yīng)使通過不一樣途徑傳輸信號成份達(dá)到接收端時間不一樣，因此，OFDM調(diào)制技術(shù)同樣能夠用來克服光纖色度色散和偏振模色散以及多模光纖模間色散影響。將OFDM技術(shù)引入到光通信中，使高速數(shù)據(jù)信號能夠在大色散信道中遠(yuǎn)距離傳輸技術(shù)，即O-OFDM。第15頁電子工程學(xué)院16最早將OFDM引入到光通信領(lǐng)域是Dixon(2001),他首先提到用多模光纖傳輸OFDM信號；隨后在2023年以來，O-OFDM研究大量涌現(xiàn)。無線通信系統(tǒng)中OFDM信號為電域信號，能夠直接在電域進(jìn)行處理；而O-OFDM需要在發(fā)射端將電信號調(diào)制到光波上，在光纖中傳輸，在接收端再將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。O-OFDM研究重點(diǎn)是E/O和O/E轉(zhuǎn)換及光纖傳輸問題。由于光譜構(gòu)造不一樣，在接收端O/E轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)方案也不一樣，根據(jù)接收器原理，O-OFDM大體上能夠分為兩類：相干光OFDM（CO-OFDM）：這種形式OFDM信號和無線通信中OFDM形式同樣，不過光載波替代RF載波。由于包括到相干探測，對發(fā)送和接收端本振激光器要求很高。第16頁電子工程學(xué)院17直接探測OFDM（DD-O-OFDM）：或稱非費(fèi)相干光OFDM（IO-OFDM），由于發(fā)射端注入到光纖信號中包括光本振信號，在接收端直接由光電探測器就能夠?qū)FDM信號恢復(fù)到電域，因此接收端比較簡單。不過發(fā)射DD-O-OFDM信號中光本振信號功率占很大百分比；另外，光譜利用率也由于本振信號影響而減少。O-OFDM應(yīng)用：

CO-OFDM主要用于遠(yuǎn)距離傳輸

DD-O-OFDM主要用于接入網(wǎng)，包括MMF、POF和SMF鏈路，也有用于長距離傳輸。第17頁電子工程學(xué)院18較早從事O-OFDM研究單位有：

國外：澳大利亞Melbourne大學(xué)、Monash大學(xué)；英國Wales大學(xué)；美國Arizona大學(xué)、Kansas大學(xué)；日本KDDI、NTT、NEC；

國內(nèi)：湖南大學(xué)、上海大學(xué)、北郵。第18頁電子工程學(xué)院19一、CO-OFDM假如將OFDM信號RF載波直接用光載波替代，即電OFDM信號體現(xiàn)式中載波頻率fc由RF變?yōu)楣忸l即可，得到CO-OFDM。在電域中IFFT輸出為梳狀頻譜，通過DAC即可轉(zhuǎn)換為載波頻率為fRF實(shí)值波形，如下列圖所示。第19頁電子工程學(xué)院20第20頁電子工程學(xué)院21第21頁電子工程學(xué)院22由于將基帶OFDM信號調(diào)制到光頻本振實(shí)現(xiàn)難度較大，一般情況下，先將基帶OFDM信號調(diào)制到一種中頻（IF），然后再將中頻OFDM信號通過光調(diào)制器調(diào)制到光波上。由于光調(diào)制過程中會產(chǎn)生多種頻率成份，一般情況下需要通過濾波除去某些多出頻譜成份。第22頁電子工程學(xué)院23在接收端，假如光頻本振信號頻率等于CO-OFDM信號中心頻率fc，光探測為同差探測，產(chǎn)生光電流為基帶信號；假如光頻本振信號頻率和CO-OFDM信號中心頻率fc存在一定頻率偏移，設(shè)為Δf

，光探測為外差探測，產(chǎn)生光電流是一種頻率為Δf射頻信號。由于信號光和本振光偏振方向決定相干探測輸出光電流，當(dāng)二者偏振平行時輸出光電流最大，因此需要偏振控制器調(diào)整二者偏振方向使輸出光電流最大。另外，為了減少激光器光強(qiáng)波動等同性干擾或噪聲影響，一般使用平衡檢測法，如上圖所示。CO-OFDM中仍然存在本證信號頻率俘獲、跟蹤，以及相位估計、校正問題。第23頁電子工程學(xué)院24二、DD-OFDM由于CO-OFDM信號解調(diào)需要本振光源，并且對發(fā)射器和接收器光源帶寬要求很高（<100MHz），實(shí)現(xiàn)成本很高。假如射頻OFDM信號通過光調(diào)制器調(diào)制到光波上，使光波中包括光載波和O-OFDM信號，在接收端就能夠直接用光電探測器探測，光電流中即可包括射頻OFDM信號，通過濾波即可提取出所需射頻OFDM信號。DD-OFDM使O-OFDM信號O/E轉(zhuǎn)換大大簡化，不但能夠用于長距離傳輸，還能夠應(yīng)用于接入網(wǎng)。第24頁電子工程學(xué)院25長距離傳輸接入網(wǎng)第25頁電子工程學(xué)院26三種OFDM信號光調(diào)制方案：（1）直流偏置OFDM（B-OFDM)在激光器或外調(diào)制器調(diào)制為光強(qiáng)度調(diào)制情況下，假如沒有電壓偏置，負(fù)值部分由于強(qiáng)度調(diào)制會變?yōu)檎?，從而引發(fā)BER增加。

為了使信號中相位信息能夠在接收端有效恢復(fù)出來，需要將OFDM信號時域波形加一種偏置電壓，使雙極性信號波形向上平移，變?yōu)閱螛O性。缺陷：功率效率很低。第26頁電子工程學(xué)院27（2）鉗位OFDM（C-OFDM)，基于SSB調(diào)制，在對具有一定偏置電壓下OFDM信號負(fù)值部分進(jìn)行鉗位。對固定發(fā)射功率下偏置電壓進(jìn)行優(yōu)化，在光載波能量為信號總能量50%情況下，為最佳狀態(tài)。時域波形如右圖所示。第27頁電子工程學(xué)院28（3）非鉗位OFDM（U-OFDM)，基于SSB調(diào)制，利用外調(diào)制器（MZM），用OFDM信號調(diào)制光波光場，而不是光強(qiáng)，通過濾波能夠使O-OFDM信號中負(fù)值成份在平方律探測器中恢復(fù)出來，由此排除調(diào)制干擾。第28頁電子工程學(xué)院29SSB頻譜構(gòu)造

電光調(diào)制產(chǎn)生O-OFDM信號光譜也許是雙邊帶，由于雙邊帶光譜光載射頻信號不但受到光纖色散引發(fā)幅度衰落，還會引發(fā)碼形畸變。為了克服光纖色散這些影響，通過單邊帶濾波辦法產(chǎn)生SSB構(gòu)造O-OFDM信號光譜。這樣光載波和一階OFDM信號邊帶之間色散影響即可克服；而一階邊帶內(nèi)OFDM各個子載波之間色散影響，能夠通過CP減小。

SSB頻譜構(gòu)造能夠通過濾波實(shí)現(xiàn)，也能夠通過調(diào)制格式實(shí)現(xiàn)，下面詳細(xì)討論:第29頁電子工程學(xué)院30(1)數(shù)據(jù)Hermitian對稱+DSB光濾波假如將IFFT輸入構(gòu)造成具有Hermitian對稱構(gòu)造，IFFT變換輸出只有實(shí)部部分，而虛部全為零，通過DACOFDM信號調(diào)制光信號產(chǎn)生光譜具有DSB構(gòu)造，通過一種光濾波器將下邊帶抑制掉即可得到SSB光譜。其中光載波和OFDM信號之間保護(hù)間隔Wg是通過輸入信號數(shù)據(jù)塊構(gòu)造實(shí)現(xiàn)，將對應(yīng)低頻載波數(shù)據(jù)信號位置零實(shí)現(xiàn)。本方案實(shí)現(xiàn)比較簡單，不過以犧牲IFFT模塊利用率實(shí)現(xiàn)。另外,DAC取樣速率較高。第30頁電子工程學(xué)院31(2)OFDM頻率上變換+DSB光濾波IFFT模塊N個輸入端口到充足利用，輸出Re和Im調(diào)制到同頻正交兩個RF本振信號上，實(shí)現(xiàn)頻率上轉(zhuǎn)換，然后調(diào)制到光波上，保護(hù)間隔Wg由RF本振頻率大小決定。OFDM信號帶寬Wu等于可達(dá)成IFFT最大帶寬。輸出OFDM信號具有DSB光譜構(gòu)造，通過一種光濾波器將下邊帶抑制掉即可得到SSB光譜。該方案DAC取樣速率減少，不過需要正交頻率上轉(zhuǎn)換模塊。第31頁電子工程學(xué)院32將IFFT輸入端二分之一端口置零，其輸出Re和Im即互為Hilbert變換，用Re和Im作為光I/Q調(diào)制器輸入驅(qū)動，直接就能夠產(chǎn)生SSBO-OFDM信號，保護(hù)間隔Wg實(shí)現(xiàn)和方案（1）相同，即通過數(shù)據(jù)部分插零實(shí)現(xiàn)。(3)數(shù)據(jù)Hilbert變換+光I/Q調(diào)制第32頁電子工程學(xué)院33DD-OFDM信號探測DD-OFDM信號在接收端注入到平方律光電探測器之后，各頻率成份之間發(fā)生同差和外差拍頻：同差拍頻產(chǎn)生直流光電流，光載波和OFDM一階邊帶拍頻產(chǎn)生所需要RF光電流，OFDM一階邊帶各頻率成份之間拍頻產(chǎn)生干擾，光載波和其他光噪聲成份也會拍頻產(chǎn)生干擾信號。第33頁電子工程學(xué)院34由于OFDM一階邊帶各頻率成份之間拍頻產(chǎn)生干擾信號在0—Wu之間，為了便于將此類干擾和涌涌信號分離，一般情況下選擇保護(hù)帶寬Wg≥Wu。第34頁電子工程學(xué)院35第35頁電子工程學(xué)院36第三節(jié)光纖非線性影響第36頁電子工程學(xué)院37由于O-OFDM信號用于長距離傳輸，光纖色散能夠通過OFDM調(diào)制方案得到處理，EDFA等放大器能夠賠償光纖損耗引發(fā)能量衰減。光纖非線性在長距離傳輸情況下會體現(xiàn)非常顯著。第37頁電子工程學(xué)院38其中光纖非線性Kerr效應(yīng)會引發(fā)不一樣光頻成份之間四波混頻（FWM）效應(yīng)，由于各個OFDM信號負(fù)載波之間頻率間隔很小，產(chǎn)生新頻率成份比較顯著，F(xiàn)WM輸出功率為這里三個偏振平行入射光頻信號頻率為λi、λj、λk,功率分別為Pi、Pj、Pk

，Dijk為FWM簡并度，α為非線性系數(shù)，γ為衰減系數(shù)，D為色散系數(shù)。假如光纖損耗被EDFA賠償話，F(xiàn)WM混頻輸出可近似為第38頁電子工程學(xué)院39由FWM產(chǎn)生頻率成份個數(shù)為：帶內(nèi)簡并FWM：帶內(nèi)非簡并FWM：第39頁電子工程學(xué)院40下列圖為在FWM效應(yīng)對OFDM信號不一樣負(fù)載波影響。第40頁電子工程學(xué)院41由于光纖非線性在不一樣傳輸距離下，存在不一樣最佳注入光功率第41頁電子工程學(xué)院42第四節(jié)O-OFDM傳輸容量提升第42頁電子工程學(xué)院43為了提升O-OFDM系統(tǒng)傳輸容量首先是考慮到在電域中提升各個負(fù)載波調(diào)制階數(shù)，不過高階調(diào)制QAM信號需要高信噪比和接收機(jī)敏捷度；增加負(fù)載波N個數(shù)，這受限于IFFT/FFT和DAC/ADC模塊規(guī)模；光域中WDM技術(shù)和PDM技術(shù)。第43頁電子工程學(xué)院44一、AMO/ACP-OFDM(1)對利用MMF或POF傳輸OFDM信號鏈路，傳輸函數(shù)頻率非常敏感。一般說來鏈路對該頻率響應(yīng)特性越好，其能夠支持調(diào)制階數(shù)越高。AMO-OFDM：為了提升鏈路傳輸容量，和信號傳輸質(zhì)量，我們根據(jù)光纖鏈路O-OFDM信號不一樣副載波頻率響應(yīng)特點(diǎn)確定對應(yīng)調(diào)制階數(shù)。根據(jù)BER特性確定各載波調(diào)制格式。在這種情況下，總數(shù)據(jù)速率為總BER為這里rk和Enk分別為第k各子信道數(shù)據(jù)速率和誤碼個數(shù)。第44頁