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相干光OFDM系统中定时同步和载波频偏估计算法的研究

任凯旋  
【摘要】:近年来,随着互联网业务需求的日益增长,光纤通信网络对传输速率和信道容量的要求越来越高。相干光正交频分复用(CO-OFDM)技术以其高频谱效率、抗色散性良好和便于信道补偿等显著优点而被认为是未来高容量光纤传输系统的一种有效解决方案。然而相干检测的OFDM技术很容易受到同步误差的影响,载波频率偏移和定时同步误差会造成符号间干扰(ISI)和载波间干扰(ICI),导致系统性能严重下降。因此,本文将主要针对定时同步和载波频偏估计算法展开研究。首先,本文在阐述CO-OFDM系统基本原理和关键技术的基础上,完成了对CO-OFDM同步模型的构建。通过对定时同步和载波频偏的公式推导和原理分析,详细论述了定时误差和载波频偏对CO-OFDM系统性能的影响,并基于MATALB平台进行仿真结果验证,为后续对定时同步和频偏估计算法的研究奠定了理论基础。其次,本文深入研究了基于训练序列的定时同步算法,分别对SchmidlCox算法、Minn算法和Park算法等三种经典算法进行公式推导和原理分析,并仿真分析了这三种算法在CO-OFDM系统中的定时性能。同时,本文在三种经典算法的基础上取长补短,提出一种改进的定时同步算法,很好的解决了传统算法定时测量函数曲线不够尖锐以及存在旁瓣的问题。仿真结果表明,改进的算法不仅可以在信噪比低至2 dB的光纤信道中准确定时,同时在1600 km的CO-OFDM系统中定时性能优于上述三种传统算法。再次,本文深入研究了基于训练序列的载波频偏估计算法,详细阐述了P.H.Moose算法、SchmidlCox算法和MolrelliMengali算法等经典算法的频偏估计原理,并对这三种算法的性能进行了仿真验证。针对于这三种算法的优缺点,本文提出了一种基于恒模算法(CMA)的载波频偏估计算法,该算法利用两个特定的训练序列完成了±N/2个子载波频率间隔的频偏估计且计算复杂度较低。最后,本文基于MATLAB仿真平台搭建了偏振复用(PDM)CO-OFDM系统,在QPSK和16-QAM两种调制格式下,针对所提出的定时同步和载波频偏估计算法分别以95.77 Gbit/s和191.54 Gbit/s的传输速率完成了PDM-CO-OFDM系统的设计。仿真结果表明,在保证误码率达到1×10~(-3)的前提下,采用QPSK调制信号在OSNR为16 dB时可传输1600 km,采用16-QAM调制信号在OSNR为26 dB时可传输800 km,同时归一化频偏估计误差在上述条件中均低于12×10~(-3)。


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