论文部分内容阅读
摘要：随着Internet商用化所带动的视频、音频及数字通信的发展，人们对光纤通信寄予了更高的希望，渴望能发现一种无论是在速率方面还是在容量方面都优于传统无线网络的技术，OFDM技术所具备的各项优点让其在光通信领域中脱颖而出，被视作光通信领域的未来之光。但OFDM技术并不局限于此，而是一直向新领域扩展并尝试与各个领域结合。光正交频分复用技术（Optical orthogonal Frequency Division Multiplexing Technology，O-OFDM）便是OFDM技术向其他领域扩展的成果之一，OFDM技术与光通信的结合可谓是天作之合，不足的是光正交频分复用技术具有较高的峰均功率比。不仅如此，频率偏移和相位噪声对系统的影响也较大。该文分析了光正交频分复用技术的原理、优缺点、高峰均比对光正交频分复用系统的影响和措施以及频谱偏移对系统的影响和抑制措施。
关键词：正交频分复用;光正交频分复用;峰均功率比;频率偏移
Abstract： As Internet commercially by the development of video， audio， and digital communication， people had higher hopes for optical fiber communication， eager to find a kind of both in terms of speed and in capacity is superior to the traditional wireless network technology， OFDM technology has the advantages of let it stand out in the field of optical communication， is seen as the light of the future in the field of optical communication. However， OFDM technology is not limited to this， but has been expanding into new fields and trying to combine with various fields. Optical orthogonal Frequency Division Multiplexing Technology （Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing Technology， O - OFDM） is extended to other fields of one OFDM Technology， the combination of OFDM Technology and Optical communication is a match made in heaven， high speed and large capacity of OFDM Technology in the field of Optical communication is play incisively and vividly， is the lack of Optical orthogonal Frequency Division Multiplexing Technology has high peak power ratio. Not only that， frequency offset and phase noise have great influence on the system. In this paper， the principle， advantages and disadvantages of OFDM technology are analyzed， and the method to solve the high peak-to-average ratio of the system and the measures to suppress the influence of spectrum offset on the system are studied.
Key words： orthogonal frequency division multiplexing; optical orthogonal frequency division multiplexing; peak to average power ratio; frequency deviation
1引言
在20世紀初，科研人员发现OFDM技术与光通信两者相辅相成，在光通信中OFDM技术的优点被发挥得淋漓尽致，当时“OFDM技术与光通信的融合”的研究与开发热潮席卷全世界。OFDM技术在光通信中的运用，不仅让OFDM技术得到了新的发展，也让“信息地球村”项目变得越来越清晰。正交频分复用技术由于它自身所具有的优点被广泛应用于各个领域，使它在移动通信中的地位变得非常重要，成为不可缺少的一部分，以至于在未来移动通信的标准中它依然是首选传输技术。不足的是，O-OFDM系统传输存在两个主要的问题等待着后人的解决，即对频谱偏移的敏感性和峰均比（Peak-to-Average Power Ratio，PAPR）很高。
2 O-OFDM系统原理
O-OFDM系统基本结构如图1所示。通过星座映射将信号反射到信号相对应的复数形式，之后对映射的信号进行IFFT，这就是O-OFDM的调制部分，之后这些并行的子载波经过PS以及数模转换即为O-OFDM信号，该信号通过光电转换之后变成电信号，又利用模数转换以及串并转换之后再通过傅里叶变换就完成了解调，解调之后每一个子载波的调制信号即可恢复，最后通过串并转换恢复到最开始的数据流，并且恢复到二进制的数据。解调是调制的逆过程，它利用FFT将一个O-OFDM信号分解成许多个子载波信号，调制则是利用IFFT将许多个子载波信号合并为一个O-OFDM信号。O-OFDM和OFDM有着相同的基本思想内容，都是将实验中要传输的数据流通过若干个载波信号分解为多个比特流。这些被子载波分解后的子数据被用于调节很多个载波，但是被分解后的子数据都有着很低的传输比特速率。若要完成多载波调制，可以通过多载波调制技术概念的基础上完成OFDM技术的实现，这种技术让各个不同的子载波相互正交，从而克服多载波通信技术中频谱利用率较低的缺陷。 3 PAPR对系统的影响与抑制措施
3.1 PAPR对系统的影响
OFDM系统中的PAPR表达式如（1）所示：
可以看出PAPR跟峰值功率比和平均功率比有关，当平均功率稳定的时候，峰值功率越高，PAPR越高。高峰均比会带来如下几个影响：
在O-OFDM系统通过调制技术将电域OFDM信号合成到光载波的这个过程中，若载波信号都呈现为峰值状态，则违背放大器的线性需求，从而信号放大时出现非线性，破坏载波间的正交性，直接造成接收端解调不良和系统性能下降。虽然这种概率较小，但是一旦出现，不仅会损伤系统的性能，而且使信号在电放大时出现非线性导致信号传输率极低，造成的损失是不可逆的，因此抑制PAPR是非常有必要的。
DAC和ADC是光通信系统中对线性要求最高的组成部分，在DAC模数转换设备组成元件中，运放与滤波对信号带宽都有着极高的要求，但家庭用户的信号速率和峰均比都较高，这不仅会发生抖动而引入噪声，还会产生非线性失真。
3.2 降低O-OFDM系统高峰均比的措施
PAPR抑制技术的详细介绍如图2所示。
4 频率偏移对O-OFDM系统的影响及抑制措施
4.1 频率偏移对O-OFDM系统的影响
没有频率偏移的影响，O-OFDM 传输信号的一个周期内子载波信道就不会发生时变，那么循环前缀技术的加入就可以维持子载波之间的正交性。子载波信道的正交性不被破坏那也就不会导致信号畸形，便也不会造成码间干扰和信道间干扰。有了频谱偏移，信道子载波的正交性很难不被破坏，必定会产生码间干扰和噪声干扰、信道间干扰。系统的性能会受到很大的影响。
4.2 抑制频率偏移对O-OFDM系统影响的措施
4.2.1 同步技术法
O-OFDM系统对时间和频率偏差非常敏感。因此，时域和频率的同步变得特别重要。同步在系统中的位置如图3所示。O-OFDM系统中的同步技术由三部分组成：时间同步、频率同步和采样频率同步。时间同步的主要作用是确定没有接收端循环前缀的O-OFDM符号的起始位置。频率同步主要是保证同步接收器的局部振动频率和接收信号的载波频率均有相同的频率和相位，用来保持系统的正交性稳定。采样同步则要求DAC/ADC采样频率在接收机和发送机之间都保持一致。
4.2.2 基于导频的频偏估计算法
基于导频的频偏估计算法核心思想是利用导频来估计频谱偏移，算法相较于训练序列补偿算法更为简单，知道所有的星座点的值之后就能算出噪声是多大，就能减小频偏估计误差带来的影响，但不能完全消除只能是减小，估计算法始终会存在误差。相较于频率同步，不会叠加噪声，并且该算法对滤波器的要求太高算法简单，但是在硬件方面实现过于困难。该方法适用于在O-OFDM频谱图存在的情况下，人工找出频偏的位置，然后完成频偏估计，在实际应用中，频偏不是研究重点，但是却是一个系统问题，通过该方法不需要大量操作，能简单快捷的完成频谱偏移估计。
5 总结与展望
5.1 总结
OFDM技术由于其自身的频谱利用率高、抗多径能力强等诸多优点，在无线道信当中得到了很好的应用。同时，在光通信系统当中应用O-OFDM技术成为了最近几年研究的热点，两种技术的结合即可以发挥O-OFDM技术的频谱利用率高、抗色散能力强的特点，又能拥有光通信提供的大带宽、低损耗、体积小、抗电磁干扰等优点。这就使得O-OFDM技术成为了实现下一代超高速长距离光通信的潜在技术之一，但是对频谱偏移敏感以及峰均比较高始终是抑制O-OFDM技术发展的两大绊脚石，因此本文重点研究了这两大缺陷对系统的影响以及分析了现在科研人员研发的一些应对措施。
5.2 展望
OFDM技术被用于光纤通信技术中是最近才兴起的，两者都发展了很久，在科技高速发展的今天，这两种技术不再獨立，而是融为一体构造成当今通信技术的核心O-OFDM技术。欧洲很多国家现在依旧使用的是第二代的光纤，这种第二代光纤在传输速率上已经远远不能满足人们的需求，O-OFDM的引入，使得其传输速率大大提升，并且不需要重新铺设光纤，这将成为未来的趋势。在另外一个方面，目前的局域网的光纤通信系统大部分使用的都是传统系统，速率比较低，基本会小于1Gb/s，这种速率已经不能满足如今的正常需求，所以多模光OFDM传输系统是一个很好的升级方式。
参考文献：
[1] 蒲怀果，王洪梅，王永祥.正交频分复用技术在4G移动通信中的应用[J].电子技术与软件工程，2015（17）：35.
[2] 伍伟池，张多英.光正交频分复用的关键技术研究[J].光通信技术，2013，37（11）：5-8.
[3] Wang T，Ren Y，Li C K，et al.A PAPR reduction scheme combining superimposed O-OFDM and μ-law mapping for VLC-OFDM systems[J].Optics Communications，2020，460：125190.
[4] 李勇志.基于光正交频分复用系统峰均比抑制技术的研究[D].长沙：湖南大学，2013.
[5] Optical Research;Research Conducted at Tianjin University Has Updated Our Knowledge about Optical Research （A PAPR reduction scheme combining superimposed O-OFDM and m-law mapping for VLC-OFDM systems）[J]. Journal of Technology，2020.
【通联编辑：代影】
关键词：正交频分复用;光正交频分复用;峰均功率比;频率偏移
Abstract： As Internet commercially by the development of video， audio， and digital communication， people had higher hopes for optical fiber communication， eager to find a kind of both in terms of speed and in capacity is superior to the traditional wireless network technology， OFDM technology has the advantages of let it stand out in the field of optical communication， is seen as the light of the future in the field of optical communication. However， OFDM technology is not limited to this， but has been expanding into new fields and trying to combine with various fields. Optical orthogonal Frequency Division Multiplexing Technology （Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing Technology， O - OFDM） is extended to other fields of one OFDM Technology， the combination of OFDM Technology and Optical communication is a match made in heaven， high speed and large capacity of OFDM Technology in the field of Optical communication is play incisively and vividly， is the lack of Optical orthogonal Frequency Division Multiplexing Technology has high peak power ratio. Not only that， frequency offset and phase noise have great influence on the system. In this paper， the principle， advantages and disadvantages of OFDM technology are analyzed， and the method to solve the high peak-to-average ratio of the system and the measures to suppress the influence of spectrum offset on the system are studied.
Key words： orthogonal frequency division multiplexing; optical orthogonal frequency division multiplexing; peak to average power ratio; frequency deviation
1引言
在20世紀初，科研人员发现OFDM技术与光通信两者相辅相成，在光通信中OFDM技术的优点被发挥得淋漓尽致，当时“OFDM技术与光通信的融合”的研究与开发热潮席卷全世界。OFDM技术在光通信中的运用，不仅让OFDM技术得到了新的发展，也让“信息地球村”项目变得越来越清晰。正交频分复用技术由于它自身所具有的优点被广泛应用于各个领域，使它在移动通信中的地位变得非常重要，成为不可缺少的一部分，以至于在未来移动通信的标准中它依然是首选传输技术。不足的是，O-OFDM系统传输存在两个主要的问题等待着后人的解决，即对频谱偏移的敏感性和峰均比（Peak-to-Average Power Ratio，PAPR）很高。
2 O-OFDM系统原理
O-OFDM系统基本结构如图1所示。通过星座映射将信号反射到信号相对应的复数形式，之后对映射的信号进行IFFT，这就是O-OFDM的调制部分，之后这些并行的子载波经过PS以及数模转换即为O-OFDM信号，该信号通过光电转换之后变成电信号，又利用模数转换以及串并转换之后再通过傅里叶变换就完成了解调，解调之后每一个子载波的调制信号即可恢复，最后通过串并转换恢复到最开始的数据流，并且恢复到二进制的数据。解调是调制的逆过程，它利用FFT将一个O-OFDM信号分解成许多个子载波信号，调制则是利用IFFT将许多个子载波信号合并为一个O-OFDM信号。O-OFDM和OFDM有着相同的基本思想内容，都是将实验中要传输的数据流通过若干个载波信号分解为多个比特流。这些被子载波分解后的子数据被用于调节很多个载波，但是被分解后的子数据都有着很低的传输比特速率。若要完成多载波调制，可以通过多载波调制技术概念的基础上完成OFDM技术的实现，这种技术让各个不同的子载波相互正交，从而克服多载波通信技术中频谱利用率较低的缺陷。 3 PAPR对系统的影响与抑制措施
3.1 PAPR对系统的影响
OFDM系统中的PAPR表达式如（1）所示：
可以看出PAPR跟峰值功率比和平均功率比有关，当平均功率稳定的时候，峰值功率越高，PAPR越高。高峰均比会带来如下几个影响：
在O-OFDM系统通过调制技术将电域OFDM信号合成到光载波的这个过程中，若载波信号都呈现为峰值状态，则违背放大器的线性需求，从而信号放大时出现非线性，破坏载波间的正交性，直接造成接收端解调不良和系统性能下降。虽然这种概率较小，但是一旦出现，不仅会损伤系统的性能，而且使信号在电放大时出现非线性导致信号传输率极低，造成的损失是不可逆的，因此抑制PAPR是非常有必要的。
DAC和ADC是光通信系统中对线性要求最高的组成部分，在DAC模数转换设备组成元件中，运放与滤波对信号带宽都有着极高的要求，但家庭用户的信号速率和峰均比都较高，这不仅会发生抖动而引入噪声，还会产生非线性失真。
3.2 降低O-OFDM系统高峰均比的措施
PAPR抑制技术的详细介绍如图2所示。
4 频率偏移对O-OFDM系统的影响及抑制措施
4.1 频率偏移对O-OFDM系统的影响
没有频率偏移的影响，O-OFDM 传输信号的一个周期内子载波信道就不会发生时变，那么循环前缀技术的加入就可以维持子载波之间的正交性。子载波信道的正交性不被破坏那也就不会导致信号畸形，便也不会造成码间干扰和信道间干扰。有了频谱偏移，信道子载波的正交性很难不被破坏，必定会产生码间干扰和噪声干扰、信道间干扰。系统的性能会受到很大的影响。
4.2 抑制频率偏移对O-OFDM系统影响的措施
4.2.1 同步技术法
O-OFDM系统对时间和频率偏差非常敏感。因此，时域和频率的同步变得特别重要。同步在系统中的位置如图3所示。O-OFDM系统中的同步技术由三部分组成：时间同步、频率同步和采样频率同步。时间同步的主要作用是确定没有接收端循环前缀的O-OFDM符号的起始位置。频率同步主要是保证同步接收器的局部振动频率和接收信号的载波频率均有相同的频率和相位，用来保持系统的正交性稳定。采样同步则要求DAC/ADC采样频率在接收机和发送机之间都保持一致。
4.2.2 基于导频的频偏估计算法
基于导频的频偏估计算法核心思想是利用导频来估计频谱偏移，算法相较于训练序列补偿算法更为简单，知道所有的星座点的值之后就能算出噪声是多大，就能减小频偏估计误差带来的影响，但不能完全消除只能是减小，估计算法始终会存在误差。相较于频率同步，不会叠加噪声，并且该算法对滤波器的要求太高算法简单，但是在硬件方面实现过于困难。该方法适用于在O-OFDM频谱图存在的情况下，人工找出频偏的位置，然后完成频偏估计，在实际应用中，频偏不是研究重点，但是却是一个系统问题，通过该方法不需要大量操作，能简单快捷的完成频谱偏移估计。
5 总结与展望
5.1 总结
OFDM技术由于其自身的频谱利用率高、抗多径能力强等诸多优点，在无线道信当中得到了很好的应用。同时，在光通信系统当中应用O-OFDM技术成为了最近几年研究的热点，两种技术的结合即可以发挥O-OFDM技术的频谱利用率高、抗色散能力强的特点，又能拥有光通信提供的大带宽、低损耗、体积小、抗电磁干扰等优点。这就使得O-OFDM技术成为了实现下一代超高速长距离光通信的潜在技术之一，但是对频谱偏移敏感以及峰均比较高始终是抑制O-OFDM技术发展的两大绊脚石，因此本文重点研究了这两大缺陷对系统的影响以及分析了现在科研人员研发的一些应对措施。
5.2 展望
OFDM技术被用于光纤通信技术中是最近才兴起的，两者都发展了很久，在科技高速发展的今天，这两种技术不再獨立，而是融为一体构造成当今通信技术的核心O-OFDM技术。欧洲很多国家现在依旧使用的是第二代的光纤，这种第二代光纤在传输速率上已经远远不能满足人们的需求，O-OFDM的引入，使得其传输速率大大提升，并且不需要重新铺设光纤，这将成为未来的趋势。在另外一个方面，目前的局域网的光纤通信系统大部分使用的都是传统系统，速率比较低，基本会小于1Gb/s，这种速率已经不能满足如今的正常需求，所以多模光OFDM传输系统是一个很好的升级方式。
参考文献：
[1] 蒲怀果，王洪梅，王永祥.正交频分复用技术在4G移动通信中的应用[J].电子技术与软件工程，2015（17）：35.
[2] 伍伟池，张多英.光正交频分复用的关键技术研究[J].光通信技术，2013，37（11）：5-8.
[3] Wang T，Ren Y，Li C K，et al.A PAPR reduction scheme combining superimposed O-OFDM and μ-law mapping for VLC-OFDM systems[J].Optics Communications，2020，460：125190.
[4] 李勇志.基于光正交频分复用系统峰均比抑制技术的研究[D].长沙：湖南大学，2013.
[5] Optical Research;Research Conducted at Tianjin University Has Updated Our Knowledge about Optical Research （A PAPR reduction scheme combining superimposed O-OFDM and m-law mapping for VLC-OFDM systems）[J]. Journal of Technology，2020.
【通联编辑：代影】