OFDM专业知识讲座

电子工程学院1第六章O-OFDM第1页电子工程学院2

本章主要内容：无线通信系统中OFDMO-OFDM光纤非线性影响O-OFDM传输容量提升第2页电子工程学院3第一节无线通信系统中OFDM第3页电子工程学院4在无线通信系统中，伴随传输信号数据速率不停提升，无线信道时延扩展特性引发了严重码间干扰，造成系统性能急剧下降。为了克服码间干扰影响，能够利用信道均衡技术，不过该技术硬件复杂度高；另一项高效低复杂度技术就是正交频分复用（OFDM).OFDM基本思绪：将高速数据信号提成多路低速数据信号，并调制一组正交子载波上进行并行传输。在确保总数据速率不变情况下，各个子载波所承载数据速率会大大减小，即符号周期大幅度展宽，因此码间干扰会显著减少。第4页电子工程学院5一、OFDM基本原理OFDM原理：将数据速率为Rt高速数据信号变换成n路数据速率ri(Rt

=r1+

r2+…+rn)低速数据信号，并调制一组正交子载波上进行并行传输。在高速数据单载波调制器情况下，发送信号符号周期也许与时延扩展相比拟，会产生严重码间干扰；在OFDM情况下，各个子载波数据速率会大大减小，即符号周期大幅度展宽，多径效应引发时延展宽相对变小，因此码间干扰会显著减少。当每个OFDM符号中插入一定保护时间之后，码间干扰影响几乎就能够忽视。第5页电子工程学院6关键参数：子载波数目、符号周期、载波间隔、每个载波调制格式、保护时间、前向纠错码选择假设：OFDM链路子载波N，数据速率为R（bit/s）串并变换：将数据进行分块，每块比特数为B，第i路信号比特数为bi，并且有B=b-N/2+…+b2+b3+…+bN/2-1。每路信号根据bi大小进行M=2bi进制编码。经编码后信息符号影射二维星座图上，对应第i路基带复信号为cki（k为OFDM块编号）子载波-N/2子载波-N/2+1子载波-N/2+2子载波N/2-1块第6页电子工程学院7二、OFDM信号生成对应每路数据速率为ri，因此，R=r-N/2+r-N/2+1+…+rN/2-1。码周期由本来二进制T0=1/R变为OFDMT=T0B。对每路信号选择M-QAM等调制格式调制到对应子载波上：

Ts为符号周期，N为子载波数目。对具有相同块编号k符号cki组成一种OFDM符号

∏(t)为码型函数。对OFDM信号时域表达为第7页电子工程学院8子载波选择：

为互相正交，即

这里ts为符号宽度，一般情况下码型函数选择：矩形函数为OFDM符号保护时间长度，一般情况下有第8页电子工程学院9由于OFDM信号子载波互相正交，其抽样能够利用离散傅里叶变换（DFT）表达。不过DFT算法复杂度为O（N*N），直接进行IDFT/DFT运算量很大；假如采取IFFT/FFT（基2算法复杂度为O(0.5N*log2N)），能够显著减少运算复杂度。由于第9页电子工程学院10假如子载波所承载信号码型为矩形，每个子载波信号频谱为Sinc(x)抽样函数。在矩形脉冲宽度ts满足情况下，在各个子载波频点处没有互相干扰，如下列图所示。在非抱负采样情况下，一般系统中时域码间干扰（ISI）转换成了OFDM系统中子载波之间干扰（ICI），为了消除该干扰，要求OFDM系统在频域采样点没有失真。第10页电子工程学院11三、保护时间与循环前缀

当OFDM信号在多径衰落信道中传输时，会引发码间干扰（ISI）。为了消除ISI，需要在OFDM每个符号中插入保护时间，只要保护时间大于多径时延扩展，则多径就不会引发相邻符号间干扰。假如保护时间内不发送信号，多经效应使FFT积分时间内两个子载波周期不再是整数倍，从而子载波不能保持互相正交，引发载波间干扰（ICI）。如下列图所示。第11页电子工程学院12为了减小ICI，OFDM符号能够在保护时间内发送循环扩展信号，如循环前缀（CP）。CP是OFDM符号尾部信号搬移到头部组成，这样可确保经时延OFDM信号在FFT积分周期内总是整数倍周期。在多径时延不大于保护时间情况下，不会造成ICI，同步还确保了各个子载波之间互相正交。由于CP引入会使符号边界处出现显著相位跳变，使OFDM信号频谱带外衰减变慢，对单个OFDM符号加窗能够加快带外衰减。第12页电子工程学院13电域OFDM实现总结：OFDM调制技术能够显著减少无线信道多径效应对高速数据信号劣化。第13页电子工程学院14第二节O-OFDM第14页电子工程学院15在光纤通信系统中，光纤色度色散和偏振模色散严重限制了高速数据信号传输距离。由于光纤色散影响和无线信道中多径效应影响有类似效果，即色散使不一样频率成份光波具有不一样传输速度，而无线信道中多径效应使通过不一样途径传输信号成份达到接收端时间不一样，因此，OFDM调制技术同样能够用来克服光纤色度色散和偏振模色散以及多模光纤模间色散影响。将OFDM技术引入到光通信中，使高速数据信号能够在大色散信道中远距离传输技术，即O-OFDM。第15页电子工程学院16最早将OFDM引入到光通信领域是Dixon(2001),他首先提到用多模光纤传输OFDM信号；随后在2023年以来，O-OFDM研究大量涌现。无线通信系统中OFDM信号为电域信号，能够直接在电域进行处理；而O-OFDM需要在发射端将电信号调制到光波上，在光纤中传输，在接收端再将光信号转换为电信号。O-OFDM研究重点是E/O和O/E转换及光纤传输问题。由于光谱构造不一样，在接收端O/E转换实现方案也不一样，根据接收器原理，O-OFDM大体上能够分为两类：相干光OFDM（CO-OFDM）：这种形式OFDM信号和无线通信中OFDM形式同样，不过光载波替代RF载波。由于包括到相干探测，对发送和接收端本振激光器要求很高。第16页电子工程学院17直接探测OFDM（DD-O-OFDM）：或称非费相干光OFDM（IO-OFDM），由于发射端注入到光纤信号中包括光本振信号，在接收端直接由光电探测器就能够将OFDM信号恢复到电域，因此接收端比较简单。不过发射DD-O-OFDM信号中光本振信号功率占很大百分比；另外，光谱利用率也由于本振信号影响而减少。O-OFDM应用：

CO-OFDM主要用于远距离传输

DD-O-OFDM主要用于接入网，包括MMF、POF和SMF链路，也有用于长距离传输。第17页电子工程学院18较早从事O-OFDM研究单位有：

国外：澳大利亚Melbourne大学、Monash大学；英国Wales大学；美国Arizona大学、Kansas大学；日本KDDI、NTT、NEC；

国内：湖南大学、上海大学、北邮。第18页电子工程学院19一、CO-OFDM假如将OFDM信号RF载波直接用光载波替代，即电OFDM信号体现式中载波频率fc由RF变为光频即可，得到CO-OFDM。在电域中IFFT输出为梳状频谱，通过DAC即可转换为载波频率为fRF实值波形，如下列图所示。第19页电子工程学院20第20页电子工程学院21第21页电子工程学院22由于将基带OFDM信号调制到光频本振实现难度较大，一般情况下，先将基带OFDM信号调制到一种中频（IF），然后再将中频OFDM信号通过光调制器调制到光波上。由于光调制过程中会产生多种频率成份，一般情况下需要通过滤波除去某些多出频谱成份。第22页电子工程学院23在接收端，假如光频本振信号频率等于CO-OFDM信号中心频率fc，光探测为同差探测，产生光电流为基带信号；假如光频本振信号频率和CO-OFDM信号中心频率fc存在一定频率偏移，设为Δf

，光探测为外差探测，产生光电流是一种频率为Δf射频信号。由于信号光和本振光偏振方向决定相干探测输出光电流，当二者偏振平行时输出光电流最大，因此需要偏振控制器调整二者偏振方向使输出光电流最大。另外，为了减少激光器光强波动等同性干扰或噪声影响，一般使用平衡检测法，如上图所示。CO-OFDM中仍然存在本证信号频率俘获、跟踪，以及相位估计、校正问题。第23页电子工程学院24二、DD-OFDM由于CO-OFDM信号解调需要本振光源，并且对发射器和接收器光源带宽要求很高（<100MHz），实现成本很高。假如射频OFDM信号通过光调制器调制到光波上，使光波中包括光载波和O-OFDM信号，在接收端就能够直接用光电探测器探测，光电流中即可包括射频OFDM信号，通过滤波即可提取出所需射频OFDM信号。DD-OFDM使O-OFDM信号O/E转换大大简化，不但能够用于长距离传输，还能够应用于接入网。第24页电子工程学院25长距离传输接入网第25页电子工程学院26三种OFDM信号光调制方案：（1）直流偏置OFDM（B-OFDM)在激光器或外调制器调制为光强度调制情况下，假如没有电压偏置，负值部分由于强度调制会变为正值，从而引发BER增加。

为了使信号中相位信息能够在接收端有效恢复出来，需要将OFDM信号时域波形加一种偏置电压，使双极性信号波形向上平移，变为单极性。缺陷：功率效率很低。第26页电子工程学院27（2）钳位OFDM（C-OFDM)，基于SSB调制，在对具有一定偏置电压下OFDM信号负值部分进行钳位。对固定发射功率下偏置电压进行优化，在光载波能量为信号总能量50%情况下，为最佳状态。时域波形如右图所示。第27页电子工程学院28（3）非钳位OFDM（U-OFDM)，基于SSB调制，利用外调制器（MZM），用OFDM信号调制光波光场，而不是光强，通过滤波能够使O-OFDM信号中负值成份在平方律探测器中恢复出来，由此排除调制干扰。第28页电子工程学院29SSB频谱构造

电光调制产生O-OFDM信号光谱也许是双边带，由于双边带光谱光载射频信号不但受到光纤色散引发幅度衰落，还会引发码形畸变。为了克服光纤色散这些影响，通过单边带滤波办法产生SSB构造O-OFDM信号光谱。这样光载波和一阶OFDM信号边带之间色散影响即可克服；而一阶边带内OFDM各个子载波之间色散影响，能够通过CP减小。

SSB频谱构造能够通过滤波实现，也能够通过调制格式实现，下面详细讨论:第29页电子工程学院30(1)数据Hermitian对称+DSB光滤波假如将IFFT输入构造成具有Hermitian对称构造，IFFT变换输出只有实部部分，而虚部全为零，通过DACOFDM信号调制光信号产生光谱具有DSB构造，通过一种光滤波器将下边带抑制掉即可得到SSB光谱。其中光载波和OFDM信号之间保护间隔Wg是通过输入信号数据块构造实现，将对应低频载波数据信号位置零实现。本方案实现比较简单，不过以牺牲IFFT模块利用率实现。另外,DAC取样速率较高。第30页电子工程学院31(2)OFDM频率上变换+DSB光滤波IFFT模块N个输入端口到充足利用，输出Re和Im调制到同频正交两个RF本振信号上，实现频率上转换，然后调制到光波上，保护间隔Wg由RF本振频率大小决定。OFDM信号带宽Wu等于可达成IFFT最大带宽。输出OFDM信号具有DSB光谱构造，通过一种光滤波器将下边带抑制掉即可得到SSB光谱。该方案DAC取样速率减少，不过需要正交频率上转换模块。第31页电子工程学院32将IFFT输入端二分之一端口置零，其输出Re和Im即互为Hilbert变换，用Re和Im作为光I/Q调制器输入驱动，直接就能够产生SSBO-OFDM信号，保护间隔Wg实现和方案（1）相同，即通过数据部分插零实现。(3)数据Hilbert变换+光I/Q调制第32页电子工程学院33DD-OFDM信号探测DD-OFDM信号在接收端注入到平方律光电探测器之后，各频率成份之间发生同差和外差拍频：同差拍频产生直流光电流，光载波和OFDM一阶边带拍频产生所需要RF光电流，OFDM一阶边带各频率成份之间拍频产生干扰，光载波和其他光噪声成份也会拍频产生干扰信号。第33页电子工程学院34由于OFDM一阶边带各频率成份之间拍频产生干扰信号在0—Wu之间，为了便于将此类干扰和涌涌信号分离，一般情况下选择保护带宽Wg≥Wu。第34页电子工程学院35第35页电子工程学院36第三节光纤非线性影响第36页电子工程学院37由于O-OFDM信号用于长距离传输，光纤色散能够通过OFDM调制方案得到处理，EDFA等放大器能够赔偿光纤损耗引发能量衰减。光纤非线性在长距离传输情况下会体现非常显著。第37页电子工程学院38其中光纤非线性Kerr效应会引发不一样光频成份之间四波混频（FWM）效应，由于各个OFDM信号负载波之间频率间隔很小，产生新频率成份比较显著，FWM输出功率为这里三个偏振平行入射光频信号频率为λi、λj、λk,功率分别为Pi、Pj、Pk

，Dijk为FWM简并度，α为非线性系数，γ为衰减系数，D为色散系数。假如光纤损耗被EDFA赔偿话，FWM混频输出可近似为第38页电子工程学院39由FWM产生频率成份个数为：带内简并FWM：带内非简并FWM：第39页电子工程学院40下列图为在FWM效应对OFDM信号不一样负载波影响。第40页电子工程学院41由于光纤非线性在不一样传输距离下，存在不一样最佳注入光功率第41页电子工程学院42第四节O-OFDM传输容量提升第42页电子工程学院43为了提升O-OFDM系统传输容量首先是考虑到在电域中提升各个负载波调制阶数，不过高阶调制QAM信号需要高信噪比和接收机敏捷度；增加负载波N个数，这受限于IFFT/FFT和DAC/ADC模块规模；光域中WDM技术和PDM技术。第43页电子工程学院44一、AMO/ACP-OFDM(1)对利用MMF或POF传输OFDM信号链路，传输函数频率非常敏感。一般说来链路对该频率响应特性越好，其能够支持调制阶数越高。AMO-OFDM：为了提升链路传输容量，和信号传输质量，我们根据光纤链路O-OFDM信号不一样副载波频率响应特点确定对应调制阶数。根据BER特性确定各载波调制格式。在这种情况下，总数据速率为总BER为这里rk和Enk分别为第k各子信道数据速率和误码个数。第44页