CN103986681A - 一种采用削波搬移的低峰均比无线光传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用削波搬移的低峰均比无线光传输方法，利用ACO-OFDM时域信号的成对信号中有一个必为0的特点，如果这个成对信号中的正值信号超过了设定的门限值，就对它削波，消掉的量放在这个成对信号中为0的位置上，从而达到降低PAPR的作用。本发明实现简单，能够有效降低ACO-OFDM无线光通信系统的峰均功率比，减少系统功耗，并且降低了对功率放大器和LED灯线性度的要求，减小了信号在电、光域的非线性失真，从而提高系统接收性能。

Description

一种采用削波搬移的低峰均比无线光传输方法

技术领域

本发明涉及一种采用削波搬移的低峰均比无线光传输方法，属于无线光通信技术。

背景技术

无线光通信(OWC)因其频谱资源丰富且不受限制、发射功率大可提高接受信噪比、电磁辐射水平低、安全性好等优势而获得通信领域研究人员的关注，并逐渐成为研究热点。为了提高无线光通信系统的传输速率，对抗多径干扰，OFDM调制方式被引入其中，研究人员从理论及实验中发现OFDM是一种有效提高无线光通信系统性能的方式。

由于目前的无线光通信系统普遍采用强度调制/直接检测(IM/DD)，因此要保证OFDM时域信号的正实性。现在被广泛采用的两个光通信OFDM结构是非对称削波光OFDM(ACO-OFDM)和直流偏置光OFDM(DCO-OFDM)。ACO-OFDM是对传统OFDM在光通信特殊信道传输的改良，由澳大利亚科学家Jean Armstrong在2006年提出，它基本的思路就是用更多的子载波通过Fourier变换的一些性质来换取发射符号在时域满足光信道的特性，它的频域符号满足共轭对称性且偶数子载波上的值全为0，只有1/4的子载波用于发送有效符号，因此频谱利用率比较低；但它不要加直流偏置，可以提高能量利用率。DCO-OFDM的频域符号也满足共轭对称性，但不要求偶数子载波上的值为0，有1/2的子载波用于传输有效符号，频谱利用率高，但是其为了使时域信号是正值，需要对IFFT输出的信号加额外的直流偏置，降低了能量利用率。

峰均比(PAPR)过高的问题一直是OFDM系统的主要缺点，这个问题同样存在于无线光通信的OFDM系统中，PAPR过高会使信号通过功放或LED驱动电路时进入非线性区，从而导致信号失真，这样会对系统的整体性能产生很大影响，所以有必要对无线光通信OFDM系统进行降低PAPR的优化。

目前抑制PAPR的方法大致可以被分为三类。第一类是预畸变技术，即在信号经过放大之前对功率大于门限值的信号进行非线性畸变，包括限幅、峰值窗以及压缩扩展等；第二类是编码，即避免采用那些会生成大峰均比的编码图样，如采用M序列、循环编码、分组编码等；第三类方法是概率类方法，利用不同的加扰序列对OFDM信号进行加权处理，从而选择PAPR较小的码字来传输，如选择性映射部分传输序列(PTS)和(SLM)。这些方法都能在一定程度上降低OFDM系统的PAPR，但他们计算量很大。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种采用削波搬移的低峰均比无线光传输方法，在ACO-OFDM系统中利用其时域信号的成对信号有一个必为0的特点，如果这个成对信号中的正值信号超过了系统对发送信号最大峰值的限制，就对它削波；但与现有的削波方法不同，削掉的信号部分不是直接扔掉，而是放在这个成对信号中为0的位置上，这种方法可以在尽量保留有效信号的同时，有效降低系统的PAPR，从而提高传输性能。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种采用削波搬移的低峰均比无线光传输方法，利用ACO-OFDM时域信号的成对信号中有一个必为0的特点，如果这个成对信号中的正值信号超过了设定的门限值，就对它削波，但是消掉的量不是直接丢弃，而是放在这个成对信号中为0的位置上，从而达到降低PAPR的作用，同时对通信可靠性没有造成太大的伤害。该方法实现简单，PAPR的改善降低了系统对功放和LED灯线性度的要求，减少了信号在电、光域的非线性失真，提高了系统接收性能。

上述方法的具体实现包括如下步骤：

(1)在发射端，无线光通信系统采用ACO-OFDM进行信号传输，其中OFDM系统的子载波数为N；已知ACO-OFDM特征，系统所有子载波中只有N/4个子载波传输有效数据；发射端产生的二进制数据源经过多进制正交幅度调制(M-QAM)，形成待发送的频域信号 $X_s=[X_s\left(0\right),X_s\left(1\right)...,X_s(\frac{N}{4}-1)];$

(2)在ACO-OFDM中，子载波上数据映射按照下面公式进行，满足共轭对称性并且所有偶数子载波上的信号设为0：

其中，(·)^*表示取复数共轭；

(3)频域信号经过N点IFFT后转为实值时域OFDM信号如下：

$x\left[n\right]=\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}X\left(k\right)e^{j2\mathrm{\πkn}/N}$

其中，n表示OFDM时域符号的位置；

(4)对时域OFDM信号按照如下公式进行负值削波，得到信号x_c：

$x_c\left[n\right]=\left\{\begin{array}{cc}x\left[n\right]& x\left[n\right]\&GreaterEqual;0\\ 0& x\left[n\right]<0\end{array}\right.$

(5)根据系统功率放大器线性要求，系统设定发送信号的最大峰值不超过功率放大器线性放大区域最大值η_c；对x_c进行上限削波及削波搬移，按如下公式进行：

$\left(x_{\mathrm{uc}}\right[n],x_{\mathrm{uc}}[n+\frac{N}{2}\left]\right)=\left\{\begin{array}{cc}\left(x_c\right[n],0)& x_c\left[n\right]\&le;{\mathrm{\&eta;}}_c,x_c[n+\frac{N}{2}]=0\\ (0,x_c[n+\frac{N}{2}\left]\right)& x_c\left[n\right]=0,x_c[n+\frac{N}{2}]\&le;{\mathrm{\&eta;}}_c\\ ({\mathrm{\&eta;}}_c,x_c[n]-{\mathrm{\&eta;}}_c)& x_c\left[n\right]>{\mathrm{\&eta;}}_c,x_c[n+\frac{N}{2}]=0\\ \left(x_c\right[n+\frac{N}{2}]-{\mathrm{\&eta;}}_c,{\mathrm{\&eta;}}_c)& x_c\left[n\right]=0,x_c[n+\frac{N}{2}]>{\mathrm{\&eta;}}_c\end{array}\right.$

从上面的公式可以看出发送端的发射信号有4种取值可能，分别记为：H₁:(x_c[n],0)；H₃:(η_c,x_c[n]-η_c)；

(6)经过调整后的信号x_uc＝(x_uc[0],x_uc[1],…,x_uc[N-1])送往光通信发射模块，驱动LED灯发射；

(7)在接收端，光电二极管将光信号转换为时域电信号y_uc，分别针对每一组对称的信号组合采用最大后验准则(MAP)进行信号检测；通过信号检测估计出该信号组合在发射端是步骤(5)所述四种可能中的哪一种，然后根据步骤(5)中上削波公式的逆过程进行削波恢复，得到恢复后的时域信号y_c；对y_c作N点FFT变换后得到频域接收信号Y_c，去掉共轭子载波数据获得解调信号。

有益效果：本发明提供的采用削波搬移的低峰均比无线光传输方法，具有如下优势：1、不需要传输额外的边带信息，不浪费频率资源即可有效的降低系统峰均功率比；2、充分利用光无线通信ACO-OFDM技术特点，在尽量保留原始信号信息的前提下进行削波搬移处理，降低系统的峰均比；3、无论是发射机还是接收机的实现都非常简单；4、低PAPR可以降低系统对功放和LED灯线性度的要求，降低发射机的实现难度，并且降低由于功放和LED灯非线性特性而导致的非线性失真，提高系统的接收性能。

附图说明

图1为本发明提出的采用削波搬移的低峰均比无线光传输方法的系统框图；其中1(a)为系统框图，1(b)为系统框图中的负值削波模块的具体框图，1(c)为系统框图中的上削波及削波搬移模块的具体框图；

图2为采用削波搬移的低峰均比无线光传输方法的发射端时域信号处理示意图；其中2(a)为原始的OFDM光传输系统时域信号，2(b)为ACO-OFDM光传输系统时域信号，2(c)为经过削波搬移后的ACO-OFDM光传输系统时域信号；

图3为本发明与原始的光通信ACO-OFDM的PAPR互补累计概率分布曲线图；

图4为本发明与原始的光通信ACO-OFDM、直接削波ACO-OFDM的误比特率-信噪比(BER-SNR)性能比较图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

一种采用削波搬移的低峰均比无线光传输方法，利用ACO-OFDM时域信号的成对信号中有一个必为0的特点，如果这个成对信号中的正值信号超过了设定的门限值，就对它削波，但是消掉的量不是直接丢弃，而是放在这个成对信号中为0的位置上，从而达到降低PAPR的作用，同时对通信可靠性没有造成太大的伤害。该方法实现简单，PAPR的改善降低了系统对功放和LED灯线性度的要求，减少了信号在电、光域的非线性失真，提高了系统接收性能。该方法的具体实现包括如下步骤：

(1)在发射端，无线光通信系统采用ACO-OFDM进行信号传输，其中OFDM系统的子载波数为N；已知ACO-OFDM特征，系统所有子载波中只有N/4个子载波传输有效数据；发射端产生的二进制数据源经过多进制正交幅度调制(M-QAM)，形成待发送的频域信号 $X_s=[X_s\left(0\right),X_s\left(1\right)...,X_s(\frac{N}{4}-1)];$

(2)在ACO-OFDM中，子载波上数据映射按照下面公式进行，满足共轭对称性并且所有偶数子载波上的信号设为0：

其中，(·)^*表示取复数共轭；

(3)频域信号经过N点IFFT后转为实值时域OFDM信号如下：

$x\left[n\right]=\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}X\left(k\right)e^{j2\mathrm{\&pi;kn}/N}$

其中，n表示OFDM时域符号的位置；

(4)对时域OFDM信号按照如下公式进行负值削波，得到信号x_c：

$x_c\left[n\right]=\left\{\begin{array}{cc}x\left[n\right]& x\left[n\right]\&GreaterEqual;0\\ 0& x\left[n\right]<0\end{array}\right.$

(5)根据系统功率放大器线性要求，系统设定发送信号的最大峰值不超过功率放大器线性放大区域最大值η_c；对x_c进行上限削波及削波搬移，按如下公式进行：

$\left(x_{\mathrm{uc}}\right[n],x_{\mathrm{uc}}[n+\frac{N}{2}\left]\right)=\left\{\begin{array}{cc}\left(x_c\right[n],0)& x_c\left[n\right]\&le;{\mathrm{\&eta;}}_c,x_c[n+\frac{N}{2}]=0\\ (0,x_c[n+\frac{N}{2}\left]\right)& x_c\left[n\right]=0,x_c[n+\frac{N}{2}]\&le;{\mathrm{\&eta;}}_c\\ ({\mathrm{\&eta;}}_c,x_c[n]-{\mathrm{\&eta;}}_c)& x_c\left[n\right]>{\mathrm{\&eta;}}_c,x_c[n+\frac{N}{2}]=0\\ \left(x_c\right[n+\frac{N}{2}]-{\mathrm{\&eta;}}_c,{\mathrm{\&eta;}}_c)& x_c\left[n\right]=0,x_c[n+\frac{N}{2}]>{\mathrm{\&eta;}}_c\end{array}\right.$

从上面的公式可以看出发送端的发射信号有4种取值可能，分别记为：H₁:(x_c[n],0)；H₃:(η_c,x_c[n]-η_c)；

(6)经过调整后的信号x_uc＝(x_uc[0],x_uc[1],…,x_uc[N-1])送往光通信发射模块，驱动LED灯发射；

(7)在接收端，光电二极管将光信号转换为时域电信号y_uc，分别针对每一组对称的信号组合采用最大后验准则(MAP)进行信号检测；通过信号检测估计出该信号组合在发射端是步骤(5)所述四种可能中的哪一种，然后根据步骤(5)中上削波公式的逆过程进行削波恢复，得到恢复后的时域信号y_c；对y_c作N点FFT变换后得到频域接收信号Y_c，去掉共轭子载波数据获得解调信号。

下面结合附图对本发明做出进一步的说明。

如图1所示，在发射端，首先，系统产生比特信息流经过星座点映射到需要发射的频域符号；其次，频域信号共轭对称地映射在系统奇数子载波上，偶数子载波上的信号为0，并通过快速傅里叶逆变换(IFFT)产生实值并且满足反转奇对称的基带时域正交频分复用(OFDM)信号；然后，对该时域信号进行下边削波，即原信号中负值设定为0，正值维持不变，这样得到的信号序列中有一半的元素为0，另一半为正值；接着，根据系统对发送信号最大峰值的限制，对该时域信号进行上边削波，但是削下来的信号不丢弃，而是放在ACO-OFDM反转对称子载波的位置上(该位置原来的值为0)；最后，将处理过的时域发射信号驱动发光二极管(LED)进行发射。在接收端，首先，光电二极管将接收到的光信号转化为电信号，接收机根据OFDM符号中每对时域值得大小关系，用最大后验概率准则(MAP)恢复时域信号，然后做快速傅里叶变换(FFT)转换为频域符号，并移除偶数子载波上的值及奇数子载波上的共轭对称部分；最后，经过解调得到接收符号。

如图2所示，满足共轭对称并且偶数子载波上的数据全为0的频域信号经过IFFT变化之后得到的时域信号2(a)所示，它是有正有负的实数，且满足2(b)所示的是经过负值削波的，成对数据必定有一个被置为0，这样就腾出一个位置，为下一步能上限削波并进行削波搬移提供条件；2(c)就是经过上限削波及削波搬移后的波形。

图3给出了原始的光通信ACO-OFDM系统以及使用本方法后系统的PAPR互补累积分布曲线。系统均采用64-QAM调制，子载波数N＝128时，取门限η_c＝10dB；当子载波数N＝1024时，取门限η_c＝12dB。按OFDM符号统计系统PAPR，从图中可以观察到采用本方法可以有效降低系统的PAPR，从而降低发射端器件的线性度要求，减少信号在电、光域的非线性失真，提高系统总体接收性能。

图4展示了本发明的误比特率(BER)性能，仿真变量设置为：子载波数N＝256，采用64-QAM调制，取门限η_c＝11dB，图中比较直接削波ACO-OFDM和本发明的误比特率随信噪比(SNR)变化，从图中可以观察到本发明相对于直接削波能显著提高BER性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种采用削波搬移的低峰均比无线光传输方法，其特征在于：利用ACO-OFDM时域信号的成对信号中有一个必为0的特点，如果这个成对信号中的正值信号超过了设定的门限值，就对它削波，消掉的量放在这个成对信号中为0的位置上，从而达到降低PAPR的作用。

2.根据权利要求1所述的采用削波搬移的低峰均比无线光传输方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)在发射端，无线光通信系统采用ACO-OFDM进行信号传输，其中OFDM系统的子载波数为N；已知ACO-OFDM特征，系统所有子载波中只有N/4个子载波传输有效数据；发射端产生的二进制数据源经过多进制正交幅度调制，形成待发送的频域信号 $X_s=[X_s\left(0\right),X_s\left(1\right)...,X_s(\frac{N}{4}-1)];$

(2)在ACO-OFDM中，子载波上数据映射按照下面公式进行，满足共轭对称性并且所有偶数子载波上的信号设为0：

其中，(·)^*表示取复数共轭；

(3)频域信号经过N点IFFT后转为实值时域OFDM信号如下：

$x\left[n\right]=\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}X\left(k\right)e^{j2\mathrm{\&pi;kn}/N}$

其中，n表示OFDM时域符号的位置；

(4)对时域OFDM信号按照如下公式进行负值削波，得到信号x_c：

$x_c\left[n\right]=\left\{\begin{array}{cc}x\left[n\right]& x\left[n\right]\&GreaterEqual;0\\ 0& x\left[n\right]<0\end{array}\right.$

(5)根据系统功率放大器线性要求，系统设定发送信号的最大峰值不超过功率放大器线性放大区域最大值η_c；对x_c进行上限削波及削波搬移，按如下公式进行：

$\left(x_{\mathrm{uc}}\right[n],x_{\mathrm{uc}}[n+\frac{N}{2}\left]\right)=\left\{\begin{array}{cc}\left(x_c\right[n],0)& x_c\left[n\right]\&le;{\mathrm{\&eta;}}_c,x_c[n+\frac{N}{2}]=0\\ (0,x_c[n+\frac{N}{2}\left]\right)& x_c\left[n\right]=0,x_c[n+\frac{N}{2}]\&le;{\mathrm{\&eta;}}_c\\ ({\mathrm{\&eta;}}_c,x_c[n]-{\mathrm{\&eta;}}_c)& x_c\left[n\right]>{\mathrm{\&eta;}}_c,x_c[n+\frac{N}{2}]=0\\ \left(x_c\right[n+\frac{N}{2}]-{\mathrm{\&eta;}}_c,{\mathrm{\&eta;}}_c)& x_c\left[n\right]=0,x_c[n+\frac{N}{2}]>{\mathrm{\&eta;}}_c\end{array}\right.$

从上面的公式可以看出发送端的发射信号有4种取值可能，分别记为：H₁:(x_c[n],0)；H₃:(η_c,x_c[n]-η_c)；

(6)经过调整后的信号x_uc＝(x_uc[0],x_uc[1],…,x_uc[N-1])送往光通信发射模块，驱动LED灯发射；

(7)在接收端，光电二极管将光信号转换为时域电信号y_uc，分别针对每一组对称的信号组合采用最大后验准则进行信号检测；通过信号检测估计出该信号组合在发射端是步骤(5)所述四种可能中的哪一种，然后根据步骤(5)中上削波公式的逆过程进行削波恢复，得到恢复后的时域信号y_c；对y_c作N点FFT变换后得到频域接收信号Y_c，去掉共轭子载波数据获得解调信号。