CN104158784B - 一种dco‑ofdm系统的符号检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种DCO‑OFDM系统的符号检测方法，属于可见光无线通信领域，该方法按如下步骤进行：首先对接收到的符号r(n)进行预处理，得到经过剪裁的发送信号的估计值然后重建剪裁噪声并将它从信号中减掉，得到未经剪裁的发送信号的估计值对进行频域转换和符号判决操作，并利用判决后的符号再次重建剪裁噪声重复以上步骤直至达到预先设定的迭代次数；最后对判决后的符号进行解调恢复出发送的比特。本发明提供的符号检测方法可以减小剪裁噪声对检测性能的负面影响，增大接收信号的有效信噪比，相比于传统的符号检测方法，可以取得更优的检测性能。同时本发明提供的方法仅需简单的取符号操作和DFT/IDFT操作，计算量小，易于实现。

Description

一种DCO-OFDM系统的符号检测方法

技术领域

本发明属于可见光无线通信领域，尤其涉及一种DCO-OFDM系统的符号检测方法。

背景技术

目前，第5代蜂窝移动通信技术正成为移动通信领域的研究热点。相比于现有通信系统，第5代蜂窝移动通信系统的容量将提升1到2个数量级。为此，开发新型频谱资源成为一个重要的途径。可见光就是一种具有极宽带宽的新型频谱资源，可见光无线通信技术也被认为是第5代移动通信技术的重要组成部分。现有的可见光无线通信技术主要是采用发光二极管(LED，Light Emitting Diode)或激光作为光源，采用强度调制/直接检测(IM/DD，Intensity Modulation/Direct Detection)的发送和接收方案。为对抗由光线反射引起的多径效应，正交频分复用(OFDM,Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术被用于可见光无线通信中。与传统射频无线通信不同的是，可见光无线通信采用光强度调制，要求发送的信号具有正实性的特点，因此，必须对传统的OFDM结构进行修正，这就形成了直流偏置OFDM(DCO-OFDM,Direct Current Offset OFDM)、非对称限幅光OFDM(ACO-OFDM,Asymmetrically Clipped Optical OFDM)和幅度调制离散多音(PAM-DMT,PulseAmplitude Modulation Discrete Multi Tone)等不同的方案。其中，DCO-OFDM的频谱效率是ACO-OFDM和PAM-DMT的两倍，因而在可见光无线通信系统中具有良好的应用前景。

DCO-OFDM系统的工作原理如下：

在DCO-OFDM系统的发射端(发射端框图如图1所示)，将待发送比特序列进行符号调制，并将得到的复数符号序列进行分段，每段长度为N/2-1。不失一般性，这里以其中一段为例进行说明，记为X(k)，k＝0,1,...,N/2-2.对X(k)进行共轭对称扩展(CSE,ConjugatedSymmetric Expansion)操作，形成长度为N的频域序列其中，共轭对称扩展的操作方法如下： 其中上标(*)表示取共轭操作。以N＝8为例，若序列X(k)为[a,b,c]，则序列为[0,a,b,c,0,c^*,b^*,a^*]。将频域序列加载到N点逆离散Fourier变换(IDFT,Inverse Discrete Fourier Transform)模块上实现OFDM调制。由于序列是经过上述共轭对称扩展操作得到的，可以证明IDFT模块的输出是纯实数序列且直流分量为零。将IDFT输出的时域序列记为x(n)，n＝0,1,...,N-1，即对x(n)附加直流偏置D,得到序列x_DC(n)，即x_DC(n)＝x(n)+D.对x_DC(n)进行单边或双边剪裁(clipping)：对于单边剪裁，将序列x_DC(n)中所有小于0的符号全部置为0，以满足发射信号为正数的要求；对于双边剪裁，除进行上述单边剪裁操作外，还要将序列x_DC(n)中所有大于A的符号全部置为A，以满足峰值功率约束条件。经过剪裁操作后的序列记为x_clip(n)。对x_clip(n)附加大于信道时延扩展长度的循环前缀(CP,Cyclic Prefix)后送入信道传输。这里的信道是指包含了LED的驱动电路、光空中传播信道和接收端的光电检测电路级联而成的等效电域信道。

在DCO-OFDM系统的接收端，传统的符号检测方法如下(DCO-OFDM传统符号检测方法的框图如图2所示)：首先对接收到的序列进行去CP操作，得到长度为N的序列r(n)，n＝0,1,...,N-1。对应于发送端的附加直流偏置操作，接收端要将直流偏置减掉，所得序列记为y(n)，n＝0,1,...,N-1，即y(n)＝r(n)-D。这样，y(n)序列就是常规的OFDM时域接收符号，依次对其进行离散Fourier变换(DFT，Discrete Fourier Transform)、对序号为1,2,...,N/2-1的子载波上的频域接收符号进行单抽头频域均衡，最后进行符号判决和解调，即恢复出发送比特序列。

在上述传统DCO-OFDM符号检测方法中，没有对发送端信号剪裁操作所引起的效应，即剪裁噪声(Clipping Noise)进行相应处理，而直接将剪裁噪声归入信道噪声，因此，现有符号检测方法没有充分利用发送信号的内在结构。

因此，需要一种可以充分利用发送信号内在结构的DCO-OFDM系统符号检测方法。

发明内容

发明目的：针对现有DCO-OFDM系统符号检测方法没有充分考虑发送信号内在结构的缺陷，本发明提供了一种通过估算剪裁噪声的具体数值并将其从接收信号中去除从而提高检测性能的符号检测方法。

技术方案：为达到上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种DCO-OFDM系统的符号检测方法，具体步骤如下：

步骤一、设定迭代次数Nt；

步骤二、接收端将接收到的电域符号序列进行去CP操作，得到待检测的时域序列r(n)，n＝0,1,...,N-1，N为DCO-OFDM的子载波数目；对r(n)进行DFT操作，得到频域序列R(k)，k＝0,1,...,N-1；对R(k)进行单抽头频域均衡，得到频域序列对频域序列进行IDFT操作，得到时域序列

步骤三、记发送端调制后、共轭对称扩展前的频域符号序列为X(k)，k＝0,1,...,N/2-2,附加直流偏置前的时域DCO-OFDM符号序列为x(n)，n＝0,1,...,N-1，经过剪裁操作后的时域序列为x_clip(n)，n＝0,1,...,N-1；并定义两个函数：

其中，D是发送端对序列x(n)附加的直流偏置大小，A是发送端允许发送的最大信号幅度，变量x是实数，函数sign(x)定义为：

步骤四、将步骤二中得到的时域序列恢复出发送端发送的信息比特，具体步骤如下：

(1)初始化迭代次数it＝0；初始化x(n)的估计值，记为令

(2)令it＝it+1；将代入函数f₁(x)和f₂(x)，得到相应的序列和并生成新的序列

(3)将从时域序列中减去，得到

(4)对序列进行DFT操作，并在结果中取序号为k＝1,2,...,N/2-1的元素进行符号判决，得到调制符号序列的估计

(5)判断it值，若it未达到步骤一中设定的迭代次数Nt，则对进行共轭对称扩展和IDFT操作，再次得到x(n)的估计值并返回步骤(2)；否则，执行步骤(6)；

(6)对序列进行解调恢复出发送端发送的信息比特。

进一步的，当步骤三中所述剪裁为单边剪裁时，取A为无穷大。

与现有技术相比，本发明的主要改进点在于对剪裁噪声进行的重建，并予以消除，具体的如步骤四中所述，由于这个步骤的存在，可以提高接收信号的有效信噪比，从而提高符号检测性能。

有益效果：本发明的DCO-OFDM系统的符号检测方法可以直接用于DCO-OFDM系统的接收端设计。

(1)本发明的方法步骤四的步骤(2)中序列就是对剪裁噪声进行的重建，并在步骤(3)中予以消除，可以提高接收信号的有效信噪比，相比于传统DCO-OFDM系统，所提方法提高了符号检测性能；

(2)本发明的符号检测方法仅需简单的取符号操作和DFT/IDFT操作，所需计算量小，易于实现。

附图说明

图1为DCO-OFDM系统的发送端框图；

图2为DCO-OFDM系统接收端传统符号检测方法框图；

图3为本发明所提DCO-OFDM系统接收端符号检测方法框图；

图4为AWGN信道下，采用单边剪裁和迫零均衡，在不同比特能量信噪比下，采用本发明所提符号检测方法和传统符号检测方法仿真所得到的误比特率曲线对比图；

图5为AWGN信道下，采用双边剪裁和最小均方误差均衡，在不同比特能量信噪比下，采用本发明所提符号检测方法和传统符号检测方法仿真所得到的误比特率曲线对比图。

其中：表示传统方法仿真结果、表示本发明所提方法仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

实施例1

给定具体参数如下：发送比特未经过信道编码，调制方式为16QAM，子载波数N＝64，直流偏置为D＝2σ，其中σ是信号序列x(n)的方差，这里假设为单边剪裁(即令A＝+∞)，传输信道为加性高斯白噪声(AWGN，Additive White Gaussian Noise)信道，单抽头频域均衡器采用迫零(ZF，Zero Forcing)均衡，即第k个子载波上的单抽头均衡器系数为1/H(k)，其中H(k)是第k个子信道的传输系数；设定迭代次数Nt＝2。

本发明的具体实施步骤如下：

1)、本发明所涉及的DCO-OFDM系统的发送端框图如图1所示，接收端符号检测方法框图如图3所示。将接收到的电域符号序列进行去CP操作，得到待检测的时域序列r(n)；由于信道是AWGN信道，因此，单抽头频域均衡器的系数都是1，这样，在此特殊情况下，检测算法中去CP后的DFT操作、单抽头频域均衡操作和IDFT操作可以直接省去，即令可以证明，由此得到的与经过DFT、单抽头频域均衡和IDFT操作后得到的是完全相同的；

2)、记发送端调制后、共轭对称扩展前的频域符号序列为X(k)，k＝0,1,...,N/2-2,附加直流偏置前的时域DCO-OFDM符号序列为x(n)，n＝0,1,...,N-1，经过剪裁操作后的时域符号序列为x_clip(n)，n＝0,1,...,N-1；定义两个函数：

其中，变量x是实数，这里A＝+∞，函数sign(x)定义为：

接收端执行以下步骤来恢复发送端发送的信息比特：

步骤1、初始化迭代次数it＝0；初始化x(n)的估计值，记为令

步骤2、令it＝it+1；将代入函数f₁(x)和f₂(x)，得到相应的序列和并进一步按下式生成新的序列

步骤3、将从信号中减去，得到

步骤4、对序列进行DFT操作，并在结果中取序号为k＝1,2,...,N/2-1的元素进行符号判决，得到调制符号序列的估计若it未达到预先设定的迭代次数Nt＝2，则对进行共轭对称扩展和IDFT操作，再次得到x(n)的估计值然后执行步骤2；否则，执行步骤5；

步骤5、对序列进行解调恢复出发送的信息比特。

按照上述步骤最终可恢复出发送的比特。

图4为AWGN信道下，在不同比特能量噪声比(E_b/N_o)下，利用本发明的符号检测方法和传统符号检测方法所得到的误比特率(BER，Bit Error Rate)曲线的对比图。从图中可以看出，本发明的符号检测方法比传统检测方法的性能更优，在误比特率为10^-4时，本发明的符号检测方法相比于传统检测方法，可以取得2.7dB的信噪比增益。

实施例2

给定具体参数如下：发送比特未经过信道编码，调制方式为16QAM，子载波数N＝64，直流偏置为D＝2σ，其中σ是信号序列x(n)的方差，采用双边剪裁，取A＝5σ，传输信道为加性高斯白噪声(AWGN，Additive White Gaussian Noise)信道，单抽头频域均衡器采用最小均方误差(MMSE，Minimum Mean Square Error)均衡，即第k个子载波上的单抽头均衡器系数为其中H(k)是第k个子信道的传输系数，符号‘*’表示取共轭操作，是信道噪声的方差；注意到最小均方误差均衡器仍是单抽头均衡器；设定迭代次数Nt＝2。

本发明的具体实施步骤如下：

1)、本发明所涉及的DCO-OFDM系统的发送端框图如图1所示，接收端符号检测方法框图如图3所示。将接收到的电域符号序列进行去CP操作，得到待检测的时域序列r(n)；对r(n)进行DFT操作，得到频域序列R(k)，k＝0,1,...,N-1；对R(k)进行单抽头频域均衡，得到频域序列对序列进行IDFT操作，得到时域序列

2)、记发送端调制后、共轭对称扩展前的频域符号序列为X(k)，k＝0,1,...,N/2-2,附加直流偏置前的时域DCO-OFDM符号序列为x(n)，n＝0,1,...,N-1，经过剪裁操作后的时域符号序列为x_clip(n)，n＝0,1,...,N-1，并定义两个函数

其中，变量x是实数，函数sign(x)定义为：

接收端执行以下步骤来恢复发送端发送的信息比特：

步骤1、初始化迭代次数it＝0；初始化x(n)的估计值，记为令

步骤2、令it＝it+1；将代入函数f₁(x)和f₂(x)，得到相应的序列和并进一步按下式生成新的序列

步骤3、将从信号中减去，得到

步骤4、对序列进行DFT操作，并在结果中取序号为k＝1,2,...,N/2-1的元素进行符号判决，得到调制符号序列的估计若it未达到预先设定的迭代次数Nt＝2，则对进行共轭对称扩展和IDFT操作，再次得到x(n)的估计值然后执行步骤2；否则，执行步骤5；

步骤5、对序列进行解调恢复出发送的信息比特。

按照上述步骤最终可恢复出发送的比特。

图5为AWGN信道下，在不同比特能量噪声比(E_b/N_o)下，利用本发明的符号检测方法和传统符号检测方法所得到的误比特率(BER，Bit Error Rate)曲线的对比图。从图中可以看出，由于未考虑剪裁噪声的影响，传统检测方法在高信噪比时BER曲线下降趋势减缓，出现了平底(Error Floor)效应，而本发明的符号检测方法可以去除剪裁噪声影响，从而消除平底效应，取得更优的检测性能。

Claims (2)

1.一种DCO-OFDM系统的符号检测方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤一、设定迭代次数Nt；

步骤二、接收端将接收到的电域符号序列进行去CP操作，得到待检测的时域序列r(n)，n＝0,1,...,N-1，N为DCO-OFDM的子载波数目；对r(n)进行DFT操作，得到频域序列R(k)，k＝0,1,...,N-1；对R(k)进行单抽头频域均衡，得到频域序列对频域序列进行IDFT操作，得到时域序列所述CP为CyclicPrefix；

步骤三、记发送端调制后、共轭对称扩展前的频域符号序列为X(k)，k＝0,1,...,N/2-2,附加直流偏置前的时域DCO-OFDM符号序列为x(n)，n＝0,1,...,N-1，经过剪裁操作后的时域序列为x_clip(n)，n＝0,1,...,N-1；并定义两个函数：

$\left\{\begin{array}{c}{f}_1\left(x\right)=\frac{sign(x+D)+1}{2}\·\frac{sign(A-x-D)+1}{2},\\ f_2\left(x\right)=\frac{sign(x+D-A)+1}{2},\end{array}\right.$

其中，D是发送端对序列x(n)附加的直流偏置大小，A是发送端允许发送的最大信号幅度，变量x是实数，函数sign(x)定义为：

$sign\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}-1,& x<0,\\ 0,& x=0,\\ 1,& x>0,\end{array}\right.$

步骤四、将步骤二中得到的时域序列恢复出发送端发送的信息比特，具体步骤如下：

(1)初始化迭代次数it＝0；初始化x(n)的估计值，记为令n＝0,1,...,N-1；

(2)令it＝it+1；将代入函数f₁(x)和f₂(x)，得到相应的序列和并生成新的序列

(3)将从时域序列中减去，得到

(4)对序列进行DFT操作，并在结果中取序号为k＝1,2,...,N/2-1的元素进行符号判决，得到调制符号序列的估计

(5)判断it值，若it未达到步骤一中设定的迭代次数Nt，则对进行共轭对称扩展和IDFT操作，再次得到x(n)的估计值并返回步骤(2)；否则，执行步骤(6)；

(6)对序列进行解调恢复出发送端发送的信息比特。

2.根据权利要求1所述的一种DCO-OFDM系统的符号检测方法，其特征在于：当步骤三中所述剪裁为单边剪裁时，取A为无穷大。