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光通信OFDM技术

摘 要

正交频分复用（OFDM）是目前最新出现的宽带有线和无线通信系统中使用的一种调制技术，它是一种有效解决信道分散引起码间干扰的方法。最近，许多研究人员已经表明，OFDM也是一种很有前途的光通信技术。本文给出了OFDM的教程概述，重点介绍了在光学应用中可能重要的方面。为了在光学系统中获得良好的性能，OFDM必须以各种方式进行调整。讨论了单模光纤、多模光纤和无线光通信所带来的制约因素，并概述了近年来发展起来的光OFDM的新形式。OFDM的主要缺点是峰均比高，对相位噪声和频率偏移敏感。描述了这些原因造成的损伤及其对光学系统的影响。

索引项：调制，正交频分复用（OFDM），光通信

1 简介

正交频分复用（OFDM）在宽带有线和无线通信系统中得到了广泛的应用，因为它是解决由分散信道引起的码间干扰（ISI）的有效方法。当数据速率增加到使用正交幅度调制（QAM）或NRZ等传统串行调制方案时，接收信号在任何时候都依赖于多个传输符号，这一点变得越来越重要。在这种情况下，使用时域均衡的串行方案中均衡的复杂性迅速上升。相比之下，OFDM的复杂度，以及采用串行调制和频域均衡的系统的复杂度，规模以及数据速率和分散度都有所增加。OFDM的第二个主要优点是它将发送器和接收器的复杂性从模拟域转换到数字域。例如，虽然模拟滤波器的精确设计会对串行调制系统的性能产生重大影响，但在OFDM中，任何随频率变化的相位变化都可以在数字系统中以很小的成本或无成本进行校正。尽管OFDM具有这些重要的优点，但它只接收到光通信中所需要的信息。

虽然OFDM系统的许多细节非常复杂，但OFDM的基本概念非常简单。数据在多个不同的频率上并行传输，因此符号周期比具有指定总数据率的串行系统要长得多。由于符号周期较长，ISI最多影响一个符号，并简化了均衡。在大多数OFDM实现中，任何剩余的ISI都是通过使用一种循环前缀形式的保护间隔。

当频率分复用（FDM）被用于无干扰的无线通信系统，或在光学系统中使用波长分复用（WDM）时，信息也会同时在许多不同的频率上传输。然而，正交频分复用（OFDM）系统与传统的OFDM系统在理论和实践上存在着许多重要的区别。在OFDM中，选择副载波频率，以便在一个OFDM符号周期内，信号在数学上是正交的。调制和多路复用都是用一个快速傅立叶逆变换（IFFT）实现的，因此，所需的正交信号可以以非常精确的计算效率生成。在FDM/WDM中，副载波之间有频率保护带。在接收器上，使用模拟滤波技术恢复各个副载波。图1显示了fdm/wdm和ofdm的光谱。在OFDM中，单个子载波的频谱重叠，但由于正交性的原因，只要信道是线性的，副载波就可以在不受干扰的情况下被解调，并且不需要模拟滤波来分离接收到的副载波。解调和解复用由快速傅立叶变换（FFT）完成。单个OFDM副载波的频谱具有一种的形式，因此每个OFDM副载波在包括许多其他副载波的频率范围内都有明显的旁瓣。这就是OFDM主要缺点之一的原因：它对频率偏移和相位噪声非常敏感。

本文介绍了一个具有特殊相位特性的正交频分复用（OFDM）的教程概述，这种相位特性具有重要的光学应用可靠性。第二节概述了OFDM的历史。第三节介绍了一种典型的无线OFDM系统，描述了各个点的信号以及每个块的功能。解释了OFDM研究人员过去常见的误解，以便该领域的新研究人员能够避免这些误解。

图1 （a）WDM或FDM信号（b）OFDM信号的频谱。

图2 OFDM基础理论的历史发展及其实践。

第四节讨论了OFDM在光通信中的应用。阐述了OFDM在光通信中应用的特殊约束条件，介绍了近年来出现的OFDM的新形式。OFDM有许多缺点这些在第五节中进行了描述。在第六节中，讨论了未来商业光学应用中误用

因素。最后在第七节给出结论。

2 OFDM基本理论的历史发展及其实践

图2显示了OFDM理论基础的历史发展及其在一系列通信系统中的实际应用。1980年提出了几乎所有实际OFDM实现的一个重要方面。这些是构成大多数OFDM系统基础的三个关键方面。Telatar和Foschini在多天线系统上的突破性论文推动了OFDM的另一波研究浪潮。虽然这些多输入多输出（MIMO）系统的容量增益理论上不依赖于任何特定的调制方案，但是在这种情况下，对抗分散的能力和良好的OFDM可扩展性变得更加重要。

20世纪80年代中期，Ofdmegan-Tobe考虑了实用的无线信息应用。Bell Labs的Cimini于1985年发表了一篇关于移动通信用OFDM的论文，而1987年，法国的Lassalle和Alard考虑了将OFDM用于无线电广播，并指出了将前向纠错（FEC）与OFDM相结合的重要性。由于这种相互关系，OFDM通常被广播工程师称为编码OFDM（C-OFDM）。斯坦福大学的Cioffi等人率先将OFDM应用于有线通信，他们证明了其作为数字用户环路（DSL）应用的调制技术的潜力。OFDM现在是许多实用电信标准的基础，包括无线局域网（LAN）、固定无线和世界许多地方的电视和无线电广播。OFDM也是大多数DSL标准的基础，尽管在DSL应用中，基带信号没有调制到载波频率，在这种情况下，OFDM通常被称为离散多音（DMT）。

图3 射频无线OFDM通信系统的框图

OFDM在光通信中的应用只是最近才出现的，但是，有关微型光学系统的理论和实际性能的论文越来越多，其中包括光学无线系统。包括光无线，单模光学滤波器，多模光学滤波器，和塑料光学滤波器。在本节中，介绍了典型的无线OFDM系统的基本功能。图3显示了典型无线系统的发送和接收器的方框图。

3 OFDM系统的描述

3.1 FFT和IFFT

由于ifft块是发送器和接收器中的fft的主要组成部分，这些是区分ofdm和单载波系统的功能，我们将首先考虑ifft和fft的输入和输出信号，然后再考虑其他块。

对ifft的输入是复数向量，矢量的长度是ifft的大小。的每个元素表示要在相应的子载波上承载的数据，所以为了表示要在第个副载波上携带的数据。通常在OFDM中使用QAM调制，因此的每个元素都是表示特定QAM星座点的复数。在本文中，我们将使用大写字母来表示频率或离散频率域变量，而小写字母则表示时间域。粗体字体将用于矢量。IFFT的输出是复矢量，利用本文将要用到的离散傅立叶逆变换的定义。

当 （3.1）

请注意，在不同的出版物中，正向和反向离散傅立叶变换的定义方式略有不同。对应于（3.1）的前向FFT是

当 （3.2）

这种形式的ifft/fft变换对具有重要的优势，即输入和输出的离散信号在每个符号的变换中具有相同的总能量和平均功率相同。这简化了对许多OFDM功能的分析。图3中的插图显示了4 QAM调制和的IFFT输入和输出信号的示例。对ifft的输入是4qam星座中随机值的向量，输出是对应的时间域向量。虽然只取几个离散值，但从图上看，变量概率分布并不明显。事实上当时，正交频分复用（OFDM）时域信号的实部分量和虚部分量近似为高斯分量。对于已经标准化的无线OFDM系统，已经使用了从无线局域网系统中的64到数字电视系统中的8096的值。整个OFDM文献中的术语并不一致。在本文中，术语“符号”用于描述与一个IFFT操作相关的时间域或频率域序列。（在一些论文中，这被描述为块或框架。）

在接收端，FFT对接收到的每个符号的采样数据进行前向转换。

当 （3.3）

是表示采样时间域信号的向量是否位于输入端以接收端fft，而是离散频域矢量输出。请注意，每个OFDM符号（不包括CP）只需要采样。为了理解ifft的功能，首先考虑如果信道或发送器和接收器前端没有噪声或失真会发生什么，然后因为fft和ifft是变换对，所以。

如果将加性高斯白噪声（awgn）添加到信号中，但信号没有失真，则

（3.4）

其中是高斯白噪声的样本，用（3.3）中的（3.4）替换并重新排列给出 (3.5)

其中

当 （3.6）

是接收器FFT第 个输出的噪声分量。因为每一个的值都是个独立的高斯白噪声样本的总和，所以也是一个独立的高斯白噪声过程。即使时域噪声没有高斯分布，在大多数情况下，由于中心极限定理，频域会主要影响成为高斯噪声，这与FEC的使用相结合，意味着OFDM系统的性能通常取决于平均噪声功率，而传统的串行光学系统的噪声峰值往往限制性能。

3.2 符号序列和循环前缀

上面的描述展示了ifft如何生成每个OFDM符号。发送的信号由这些OFDM符号的序列组成。为了在考虑符号序列而不是单个符号时表示不同的OFDM符号，我们需要扩展符号以包含时间索引。让是第个符号周期内ifft的输出。在大多数OFDM系统中，在传输前在每个时域OFDM符号的起始处添加一个CP。换言之，从符号末尾开始的一些样本被附加到符号的开头。所以不是传送而是传送

（3.7）

其中是循环预配置的长度。虽然CP引入了一些冗余，并降低了整体数据速率，但我们将证明使用CP可以消除接收信号的ISI和载波间干扰（ICI），并且是OFDM中简单均衡的关键。图4。显示OFDM符号的时间域序列。

图4 显示循环前缀的OFDM符号的时域序列

3.3 单个OFDM副载波

通过考虑单个子载波在系统中的传输情况，可以对OFDM系统的运行情况有相当深入的了解。然而，值得注意的是，在OFDM系统中，由于同时进行调制和多路复用，因此在发送器或接收器中没有可能观察到单个时域副载波的点。单独的副载波只存在于频域中。然而，考虑由于单个子载波而产生的时域分量是很重要的，并且如果信道是线性的，整个系统的性能就可以通过这种方式来决定。为了简化讨论，我们首先不考虑CP，只考虑一个符号。

从（3.1）开始，与给定OFDM符号的第个子载波相关联的离散时间域分量是

当 （3.8）

图5 单个OFDM副载波的离散时间域信号 当N=32.（a）k=0 直流分量,(b)k=1,(c)k=2,(d)K=N/2, 奈奎斯特项，（e）k=N/2-2，和（f）k=N/2-1

图5绘制离散信号当N=32，时以及时。当时，这些样本有一个常量值。这表示在无线（或光学）系统中基带信号中的直流项和载波频率处的分量，其中OFDM基带信号被上转换为更高的频率。当时，序列表示频率正弦波的一个周期的样本，其中是符号周期（无CP），当时，（基带）频率增加了一倍，采样率现在已经增加了两个周期，如图5（d）所示。这被称为奈奎斯特项，对于这个副载波，基带信号被严格采样。大多数OFDM系统不使用多个频带边缘副载波，因此不使用奈奎斯特频率和接近奈奎斯特频率的其他频率，因为这简化了发射机和接收机的模拟滤波要求。

图5（f）显示了序列。由于fft and ifft的循环特性，序列具有一个循环。（而不是N-1个循环）。当样本转换为连续时间域时，这一点很重要，并且是OFDM文献中许多错误的来源。

3.4 分散环境中的OFDM：循环预失真、频率选择性衰落和单抽头均衡器

OFDM之所以被广泛使用，是因为，当使用CP时，只要使用一个“单抽头”均衡器，就可以校正由线性分散矢量通道引起的任何失真。为了理解为什么这是真的，请考虑一个简单的例子，其中存在完美的上转换和下转换，但是接收到的基带信号是具有不同增益和延迟的两个传输信号版本的总和。

（3.9）

对于OFDM传输在通带的情况，增益和信号将是复杂的；对于基带传输，增益和信号是真实的。图6显示了OFDM信号的两个延迟版本和接收器FFT的时间窗口。对于每个OFDM符号，接收器的FFT在所示的时间段内作为信号的输入采样。由图6所示。可以看出，只要接收器时间窗口的开始与文件传输信号的“主”符号的开始对齐，并且如果延迟（在本例中）小于CP的长度，则不存在码间干扰。在第i个th时间窗口中接收到的信号仅取决于第i个th窗口发送的符号。

图6 多径信道中的OFDM符号：具有不同延迟的接收信号的两个分量

符号间干扰也可以通过在每个OFDM符号前面加上一个无信号传输的保护间隔来消除，但这将导致一种称为载波间干扰（ICI）的现象。每一个的值将取决于输入值而不是 。当使用CP时，每一个OFDM子载波都由经过主符号周期和相关CP的适当频率的连续正弦来表示。这是图7所示。只要延迟排列不超过CP，并且接收器的FFT窗口与第一个到达信号的主符号周期的开始对齐，就不会出现ISI或ICI。

图7 一个副载波的时间域分量，表示两个符号的循环预失真图

现在分析地考虑分散信道对单个副载波的影响。为了简化讨论，我们将考虑范围内的副载波，忽略噪声的影响。

让发射机上与微波符号（包括CP）的副载波相关的连续基带信号设为：

当 （3.10）

然后（3.9）中所述的双路信道接收到的连续时间域信号是

(3.11)

其中的取值为。

理想情况下，接收器应同步，以便FFT窗口与发送信号的第一个到达版本的主符号周期的开始对齐。所以在这种情况下，接收器的FFT窗口应该被偏移。在这种情况下

（3.12）

因此

资料编号：[4798]