基于光OFDM信号导频功率分配优化的信道估计研究

第31卷第4期 湖南文理学院学报(自然科学版) Vol. 31 No. 4 2019年12月 Journal of Hunan University of Arts and Science(Science and Technology) Dec. 2019 doi: 10.3969/j.issn.1672–6146.2019.04.003

基于光OFDM信号导频功率分配优化的信道估计研究

秦坚, 袁越, 付金磊, 尚玺

(湖南科技大学 资源环境与安全工程学院 南方煤矿瓦斯与顶板灾害预防控制安全生产重点实验室 煤矿安全

开采技术湖南省重点实验室, 湖南 湘潭, 411201)

摘要: 针对光通信传输时会受到色散和衰减的影响, 传输过程中融合拥有高频谱率和抗干扰色散等特性的新技术—正交频分复用(OFDM)技术, 可以有效地减弱各种干扰影响。结合Matlab、OptiSystem仿真平台与导频信道估计技术, 建立直接检测光OFDM系统仿真模型, 设计5种功率分配优化方案并开展仿真试验研究。结果表明: 当导频功率随频率增加而递增时, OFDM信号的误码率(BER)性能最优, 功率随频率增加而递减时OFDM信号的BER性能最差; 频率增加而导频功率先递减后递增的分配方式最佳, 等功率的分配方式最差。导频功率分配时, 在信道状况相对较差的高频和低频处适当增加导频功率可有效抑制衰减和干扰, 系统性能处于最佳状态。

关键词: 光通信; 光正交频分复用; 直接检测; 导频; 信道估计 中图分类号: TN 91 文献标志码: A 文章编号: 1672–6146(2019)04–0013–07

Channel estimation based on optical OFDM signal pilot power allocation

optimization

Qin Jian, Yuan Yue, Fu Jinlei, Shang Xi

(School of Resources, Environment and Safety Engineering, Hunan University of Science and Technology, Work Safety Key Lab on Prevention and Control of Gas and Roof Disasters for Southern Coal Mines, Hunan Key Laboratory of Safe Mining Techniques of Coal Mines, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan

411201, China)

Abstract: For optical communication transmission will be affected by dispersion and attenuation. In the transmission process, a new technology with high spectral rate and anti-interference dispersion, Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) technology, can effectively reduce various interference effects. Combined with Matlab, OptiSystem simulation platform and pilot channel estimation technology, the simulation model of direct detection optical OFDM system is established, five power allocation optimization schemes are designed and simulation experiments are carried out. The results showed that: When the pilot power increases with increasing frequency, the error rate (BER) performance of the OFDM signal is optimal. BER performance of OFDM signal is the worst when power decreases with increasing frequency. The best way to distribute as the pilot power is first decremented and then incremented as frequency increases. And the equal power distribution is the worst. When the pilot power is allocated, the attenuation and interference can be effectively suppressed by appropriately increasing the pilot power at the high frequency and low frequency of the channel, and the system performance is in an optimal state.

Key words: optical communication; optical orthogonal frequency division multiplexing; direct detection; pilot frequ- ency; channel estimation

通信作者: 秦坚, 27866726@qq.com; 袁越, yuanyuekafu@163.com。收稿日期: 2019–08–24 基金项目: 湖南省教育厅科研资助项目(15C0551)。

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信道估计技术是正交频分复用技术(OFDM)中关键的环节和步骤, 信道估计能更好地减弱光纤色散对正交频分复用系统的影响, 通过信道估计技术获得这些物理信息, 均衡消除影响, 保证数据的恢复程度[1]。信道估计可分为盲估计、半盲估计和数据辅助估计3类, 对非盲的信道估计方法来讲, 其现有的方法有最小二乘方法, 最小均方误差估计方法(MMSE)和最大似然估计方法(ML)等[2]。一般盲估计和半盲估计方法的计算复杂程度高, 且可能发生判决反馈不及时、局部出现极小或收敛慢等问题, 而基于导频的信道估计其计算的复杂度就要小得多, 现实系统中应用的实用性也较强[3]。由于前两类存在以上问题, 需要重点探讨最后一类。Armstrong[4]等对O-OFDM进行了研究, Shieh[5]等首次提出了相干光OFDM技术的理论, 随后OOFDM才真正得到广泛研究。在无线OFDM系统中, Z. Taheri[6]提出了利用频域导频进行时域信号处理的信道估计方法; Linglong Dai[7]提出了发送训练序列和导频信号, 获得信道时频域的信道信息进行联合估计。在无线OFDM技术方面中研究成果颇丰, 对光OFDM技术方面关于时频域信道估计的关注却较少。目前相关研究者大多是运用基于导频辅助或训练序列符号的信道估计方法, 而对光OFDM系统中导频之间功率的分配优化问题研究甚少[8]。本文通过Matlab与OptiSystem进行联合仿真, 讨论5种不同的导频功率分配对系统的影响, 利用仿真结果进行分析找出该系统的最佳导频功率优化方案, 对光通信系统中减小损耗和抑制衰落具有非常重要的作用。

1 光OFDM技术原理和基于导频的信道估计技术

1.1 光OFDM原理及其关键技术

正交频分复用(OFDM)技术将高速数据信号分配到若干个子信道上变成低速数据流, 从而消除符号间干扰[9–11]。因此可用无线频分复用技术来减弱光纤色散的影响, 即把光纤通信和OFDM技术相结合, 这样就能发挥两者优势, 产生一种新技术: 光正交频分复用(O-OFDM)技术。图1为直接检测光系统DDO-OFDM的结构框图。在系统发送端将输入的数据经过串并变换把串行信号变成并行信号, 再进行IFFF和并串变换得到串行输出信号, 数模转换后变为模拟信号, 再通过调制器和带通滤波器等一系列过程将信号传输到光纤链路上。系统接收端接收数据信号过程与发送过程互为可逆, 接收过程中在进行模数转换后将光纤通信中的数据信号转变为数字信号, 最后进行数字解调和串并变换等一系列过程把传输的信号变成原始数据信号。

串并变换数据 数据并串变换OFDM信号接收模块 数字解调串并变换FFT 数字调制并串变换 插 入 去 除 模数变换 LPF IQ解调OBPF 光纤链路OBPF MZMM数模变换 LPF CP数模变换 LPFIQ调制IFFTOFDM信号发送模块 LDI PD 图1 DDO-OFDM 系统结构框图

CP 模数变换 LPF

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1.2 基于导频的信道估计技术

光纤通信传输时受材料色散、模式色散和波导色散等影响, 信道估计技术能减少色散影响以保证良好的信号传输性能。采用自动适应算法的信道均衡器, 根据信道估计技术可有效地抑制符号间干扰, 设计出最佳匹配的接收机。采用最大似然估计(ML)算法, 再加上信道估计技术的辅助能使设计的接收机信号误码率最小; 通过信道估计法能让相位和幅度性能得到大幅度提高, 从而使系统更加稳定。导频优化设计包括频域间隔和导频功率两方面。在频域中将导频以均匀间隔放置能使得信道估计的均方误差(MSE)和误符号率(SER)达到最小, 当传输信道为时变信道时, 使用等功率的导频会使得信道估计的MSE值降到最低[12–14]。本文着重研究导频功率的分配优化试验设计方案。

2 数值仿真模型构建及试验方案

2.1 系统仿真模型

使用光通信系统中的仿真软件Matlab[15]和OptiSystem[16], 组建了直接检测光OFDM系统的仿真模型, 如图2所示。

图2 DDO-OFDM系统仿真模型

在直接检测光OFDM仿真系统中, 发送端的光数据信号先要在二进制随机序列模块产生随机序列, 再与正弦发生器模块合并产生数字信号, 经过Matlab模块进行调制, 把数字信号调制成OFDM信号, 下一步经过低通滤波器把多余频率段信号过滤掉, 然后数据信号通过光电调制器后将原始数据信号加载到光发射机产生的光载波上, 也就是把电信号转换成光信号, 最后还要经过正交变换后把信号放大才能在光纤中传输。

在接收端, 接收过程中对传输过来的光信号进行直接检测, 检测后的光数据信号先经过滤波器, 滤掉多余的带外干扰后, 还要通过掺铒光纤放大器将衰减的数据信号放大, 之后光电检测器把光信号转化为电信号, 最后通过解调把数据恢复为原始信号。Matlab编程设计仿真过程的信号, 其中仿真系统中的仿真参数可以查阅资料在OptiSystem软件的各个模块里进行设置。在该系统的仿真模型中一共创建了5组基于导频功率分配优化的试验设计方案。

2.2 导频功率的分配优化方案

图3为5组具有普遍性的基于导频功率分配优化的试验设计方案原理柱状图。图4为5种不同设

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计方案在通过电OFDM信号BTB传输之后的频谱图。

1.2 1.2

1.0 1.0

0.8 0.8 0.60.6 0.4 0.4功率/dBm 功率/dBm

0.2 −0 2.0 −1.0 0 1.02.0

频率/GHz

(a) 等功率 1.2 1.0 0.8 mmB d0.6 Bd//率 0.4 率功功

0.2

−0 2.0 −1.0 0 1.0 2.0频率

/GHz (c) 功率随频率增加而递增 1.2 1.0 0.8 mBd0.6 /率功0.4 0.2 −0 2.0 −1.0 0 1.0 2.0频率/GHz

(e) 功率随频率增加而先减后增

图3 不同的导频功率分配优化方案原理柱状图

(b) 功率随频率增加而递减 0.2

−0

2.0−1.0 01.0 2.0 频率/GHz

(b) 功率随频率增加而递减

1.21.00.80.60.40.2−0

2.0−1.0 01.0 2.0 频率/GHz

(d) 功率随频率增加而先增后减

(a) 等功率

(c) 功率随频率增加而递增

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(d) 功率随频率增加而先增后减

(e) 功率随频率增加而先减后增

图4 不同导频功率分配优化设计方案传输后的频谱图

3 仿真试验结果及分析

在仿真中设计50 000个数据信号传输点, 其中有OFDM信号数据点46 080个, 288个训练序列点和3 632个保护零点。由采样定理可知信号带宽为1.75 GHz, 所以OFDM信号的频带利用率

n = (2N + 1)/(N + 1)。 (1)

式中: n为带宽利用率, N为IFFT的长度, 通过QPSK调制, 总OFDM信号的数据利用率

R = B × n × 2 = 7 Gb/s。 (2)

式中: R为数据率, B为带宽, n为带宽利用率。经过一系列过程如去掉多余的循环前缀和零点等, 最后可求得OFDM信号的有效数据率

Reffective = R × R1 × (160/161) ×(96/288) ≈ 2.15 Gb/s。 (3)

式中: Reffective为有效数据率, R为数据率, R1为数据OFDM符号所占传输点比率。在光发射端, 由反馈式激光器发射功率为16.5 dBm的光波在光纤链路中进行传输, 光发射频谱图如图5所示。位于图5中间区域的峰值显示的是光载波, 可看到在最高点的中心波长长度是1 560.12 nm, 峰值两边的光波为子载波。在接收端接收过程中, 传输信号通过光电检测器把传输中的OFDM信号由光数据信号转变为电数据信号, 最后通过Matlab软件程序恢复得到的数据再进行系统分析。图6是(红色曲线)电OFDM信号频谱图。电OFDM数据信号在传输后, 其信号中的子载波在2.5G附近出现较严重的功率衰减, 这一现象可能由光纤色散引起, 而光信号在光纤链路传输前就有衰减。综合表明系统损伤主要是高频处的衰落, 而低频处也有部分。

图5 光发射端频谱图

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图7给出的是不同导频功率分配方式OFDM信号的0.4 BER(即误码率)曲线, 其中绿线为表1中的设计方案(a), 蓝

0.3 线为设计方案(b), 红线为设计方案(c), 紫线为设计方案(d),

黑线为设计方案(e), 这些曲线是基于不同光接收功率测

0.2

量。由图7可知, 在低频和高频处运行设计方案(e)时的表现(黑线)最佳, 平均分配(绿线)的方式即设计方案(a)表现0.1 最差。其他的设计方式中, 对高频处补偿较好的设计方案

0 (c)的功率分配方式(红线)性能仅次于最优方案, 然后是设

2 4 6 8 10 12 14 16

计方案(b)的功率分配方式(蓝线)。 带宽/(G·s−1)

在接收端, 利用Matlab软件对OFDM解调之后, 对整图7 5种不同导频功率分配

优化方案的BER曲线 个系统的BER等方面的性能进行了分析, 结果表明, 设计

方案(c)的总接收灵敏度最佳, 表1中设计方案(e)的BER性能与设计方案(c)相近, 设计方案(b)的BER性能最差。设计方案(c)在导频子载波上分配了非常多的功率, 因此设计方案(c)的抗衰落(FF)性能最优越; 相反设计方案(b)在导频子载波分配了非常少的功率, 因此其总体性接收能很差。

图6 DDO-OFDM系统中电OFDM信号传输后频谱图

4 结论

通过Matlab和OptiSystem仿真试验平台, 对5种具有代表性的功率分配优化方案进行仿真, 仿真结果和分析表明: (1) 在频率增加而导频功率先递减后递增这一设计方案中的功率分配方式最佳, 平均功率的分配方式最差。余下的设计方式中, 频率增加而导频功率递增的分配方式仅次于先递减后递增的分配方式, 然后是频率增加而导频功率递减的分配方式; (2) 导频功率分配优化试验设计方案中, 在低频和高频处添加合适的导频功率, 系统的性能可得到最大程度的优化。通过对导频功率的分配优化, 仿真试验系统的灵敏度可得到明显上升; (3) 导频功率随频率增加而递增时OFDM信号的误码率(BER)性能最佳, 在频率增加而导频功率先递减后递增这一设计方案中, OFDM信号的误码率性能仅次于最佳性能, 而导频功率随频率增加而递减时OFDM数据信号的BER性能最差。

误码率

第4期 秦坚: 基于光OFDM信号导频功率分配优化的信道估计研究 19 参考文献:

[1] 董光辉. 光纤通信[M]. 哈尔滨: 东北林业大学出版社, 2016: 109–115. [2] 孙学康, 张金菊. 光纤通信技术[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2016: 103–107. [3] 原荣. 光纤通信网络[M]. 北京: 电子工业出版社, 2012: 137–141.

[4] 顾畹仪. 光纤通信系统(第3版)[M]. 北京: 北京邮电大学出版社, 2013: 275–279.

[5] 舒清龙. 兼容单边带直接检测光OFDM系统基于导频的信道估计研究[D]. 长沙: 湖南大学, 2013. [6] 邸敬, 蒋占军. OFDM系统中基于变换域的信道估计[J]. 通信技术, 2011, 44(5): 34–36. [7] 温广倩. 光OFDM系统中基于导频的信道估计技术研究[D]. 长沙: 湖南大学, 2012. [8] 孔敏. 直接检测光OFDM系统中信道估计算法的研究[D]. 长沙: 湖南大学, 2013. [9] 毛京丽, 董跃武. 数据通信原理[M]. 北京: 北京邮电大学出版社, 2015: 6–10. [10] 王封. OFDM技术在光纤通信系统中的研究[D]. 长春: 长春理工大学, 2014. [11] 柯熙政, 邓莉君. 无线光通信[M]. 北京: 科学出版社, 2016: 115–117.

[12] Long Chen, Jing He, Yi Liu, et al. Comparison of interpolation algorithms for pilot-aided estimation of orthogonal

frequency division multiplexing transmission in reversely modulated optical single sideband system [J]. Optical Engineering, 2014, 53(5): 3–6.

[13] Dat Pham Tien, Kanno Atsushi, Yamamoto Naokatsu, et al. 190-Gb/s CPRI-Equivalent Rate Fiber-Wireless Mobile

Fronthaul for Simultaneous Transmission of LTE-A and F-OFDM Signals [C]// ECOC 2016; 42nd European Conference on Optical Communication. Dusseldorf, Germany: VDE, 2016: 1–3.

[14] Chen Long, Xiao Jiangnan, Yu Jianjun. Application of Volterra Nonlinear Compensation in 75-GHz mm-Wave

Fiber-Wireless System [J]. IEEE Photonics Journal, 2017, 9(1): 1–7.

[15] 温欣研. MatlabR2016a从入门到精通[M]. 北京: 清华大学出版社, 2017: 3–10.

[16] 赵同刚. 通信光电子器件与系统的测量及仿真[M]. 北京: 科学出版社, 2010: 314–318.

(责任编校: 毅)