CN104618296B - 一种pam‑dmt系统的符号检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种PAM‑DMT系统的符号检测方法，属于可见光无线通信领域，该方法按照如下步骤进行：首先对接收到的符号y(n)进行FFT操作，得到频域符号Y(k)；然后对Y(k)进行单抽头均衡得到Y_c(k)；对Y_c(k)取实部加载到子载波的实部之上，取虚部加载到子载波的虚部之上，再分别进行IFFT操作得到时域实部符号y_Re(n)和虚部符号y_Im(n)；接着利用实部符号的极性和虚部符号的绝对值，构建新的实部符号y_Re,new(n)，并通过双路合并的方法将y_Re,new(n)与y_Im(n)合并为一路信噪比更大的信号(n)；最后对(n)进行FFT、取虚部、乘2、符号判决和解调等操作，恢复出发送的比特；本发明采用双路合并的方式同时利用虚部信号和实部信号进行符号检测，可以提高接收信号的有效信噪比，从而提升了符号检测性能。

Description

一种PAM-DMT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PAM-DMT系统的符号检测方法。

背景技术

可见光无线通信(VLC，Visible Light Communication)是一种利用可见光光源发光来传递信息的一种新兴无线通信技术，具有频谱免受权、对人体安全、电磁兼容性好和同时提供照明功能的优势，有望应用于未来室内超高速无线通信、定位和车联网等领域。由于可见光频段的带宽达到近500THz，远大于目前主流射频电磁波通信的带宽，因此，它被认为是一种新型的大容量频谱资源，成为第五代蜂窝移动通信(5G)技术的重要组成部分。在可见光无线通信链路的实现中，一般使用发光二极管(LED，Light Emitting Diode)或激光作为发送端的光源，将信息调制在光功率上进行传输，使用光电二极管(PD，Photo-Diode)作为接收端的光电转换器，所经历的光传播信道被称为强度调制/直接检测(IM/DD，Intensity Modulation/Direct Detection)信道。针对IM/DD信道的正实性特点，已经提出了多种不同于射频无线通信的新技术，其中，光正交频分复用(O-OFDM，OpticalOrthogonal Frequency Division Multiplexing)技术由于能够对抗LED的低通特性和光反射所引起的多径效应，成为VLC物理层传输方案的研究热点。目前，研究最多的O-OFDM系统主要是直流偏置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，Pulse Amplitude Modulated-Discrete MultiTone)等不同的方案。通过比较这三种O-OFDM方案可以发现，DCO-OFDM在原有的双极性OFDM符号上添加不携带信息的固定直流偏置，降低了功率效率，而ACO-OFDM只在奇数序号的子载波上调制发送符号，导致其频谱效率较低。与DCO-OFDM和ACO-OFDM不同，PAM-DMT充分利用了每个子载波进行信息传输，同时不需要附加直流偏置，因此，具有更优的综合性能，在可见光无线通信系统中具有良好的应用前景。

PAM-DMT系统的工作原理如下：

PAM-DMT系统的发射端框图如图1所示。在发射端，将待发送比特序列进行PAM调制得到频域符号序列，并将得到的频域符号序列进行分块，每块长度为其中N为子载波数目。不失一般性，这里以其中一块为例进行说明，记为B(k)，将B(k)加载在子载波的虚部上，而子载波的实部置零，即对子载波的虚部进行PAM调制，得到频域序列记为X_o(k)，X_o(k)＝jB(k)，对X_o(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X(k)，k＝0，1，…，N-1。共轭对称扩展的具体操作方法如下：X(k)＝X_o(k)， 其中上标*表示取共轭操作。将频域序列X(k)加载到N点快速傅里叶逆变换(IFFT，Inverse Fast Fourier Transform)模块上实现OFDM调制。由于X(k)为对子载波的虚部进行PAM调制得到的共轭对称频域序列，可以证明，通过IFFT模块输出的时域序列x(n)，n＝0，1，…，N-1，是纯实数序列，且具有中心反对称性(Antisymmetry)，即x(N-n)＝--x(n)，接下来，对时域序列x(n)进行剪裁(Clipping)，去除序列中的负值，得到非负序列x_c(n)，n＝0，1，…，N-1，即x_c(n)＝max{x(n)，0}，n＝0，1，…，N-1。对x_c(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PAM-DMT系统的接收端，传统的符号检测方法如下(PAM-DMT传统符号检测方法的框图如图2所示)：首先对接收的时域序列进行去CP操作，得到长度为N的时域序列y(n)，n＝0，1，…，N-1。然后对其进行快速傅里叶变换(FFT，Fast Fourier Transform)得到频域序列Y(k)，k＝0，1，…，N-1，即Y(k)＝FFT{y(n)}。然后对Y(k)进行单抽头频域均衡，得到频域序列Y_c(k)，k＝0，1，…，N-1。最后，取序号为k＝1，…，N/2-1的Y_c(k)的样值，依次进行取虚部、乘以2、符号判决和PAM解调的操作，即恢复出发送比特序列。

在上述传统PAM-DMT符号检测方法中，只用到了子载波的虚部信号，实部信号被视作是剪裁操作所引入的剪裁噪声(Clipping Noise)，在恢复发送数据的时候被直接丢弃，造成了一半的接收功率没有被利用。实际上，实部信号也是具有一定内在结构的，现有符号检测方法没有充分利用实部信号的内在结构，造成发送和接收功率的浪费。

因此，需要一种可以充分利用实部信号内在结构的PAM-DMT系统的符号检测方法，以进一步提高现有接收机的检测性能。

发明内容

发明目的：针对现有PAM-DMT系统符号检测方法没有充分考虑发送信号实部内在结构的缺陷，本发明提供了一种通过提取剪裁噪声中的有效信息，利用双路合并的方法进行解码，从而恢复发送的符号序列并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PAM-DMT系统的符号检测方法，具体步骤如下：

步骤一、接收端将接收到的时域序列进行去循环前缀操作，得到待检测的时域序列y(n)，n＝0，1，…，N-1，N是所述PAM-DMT系统的子载波数目；

步骤二、对y(n)进行FFT操作，得到频域序列Y(k)，k＝0，1，…，N-1；

步骤三、对频域序列Y(k)进行单抽头均衡，得到频域序列Y_c(k)，k＝0，1，…，N-1，即Y_c(k)＝g(k)Y(k)，g(k)为第k个子载波的均衡器系数；

步骤四、分别对频域序列Y_c(k)取虚部和实部，得到虚部序列Y_Im(k)＝Im{Y_c(k)}，k＝0，1，…，N-1，实部序列Y_Re(k)＝Re{Y_c(k)}，k＝0，1，…，N-1；

步骤五、将虚部序列Y_Im(k)加载到N个子载波的虚部，实部序列Y_Re(k)加载到N个子载波的实部，然后分别进行IFFT操作，分别得到时域虚部序列y_Im(n)，n＝0，1，…，N-1和时域实部序列y_Re(n)，n＝0，1，…，N-1，即y_Im(n)＝IFFT{jY_Im(k)}，y_Re(n)＝IFFT{Y_Re(k)}；

步骤六、利用时域虚部序列y_Im(n)的极性和时域实部序列y_Re(n)的幅度生成新的时域实部序列y_Re，new(n)，n＝0，1，…，N-1，即

其中符号| |表示取绝对值；

步骤七、取双路合并系数α，α∈(0，0.5]，进行双路数据合并，得到

步骤八、对序列进行FFT操作，得到频域序列 对中序号为k＝1，…，N/2-1的样值依次进行取虚部、乘以2、符号判决和PAM解调操作，即恢复出发送比特序列，完成符号检测任务。

与现有技术相比，本发明的主要改进点在于将接收到的频域实部剪裁噪声也用于符号检测，根据实部剪裁噪声的内在信号结构，设计了双路合并的方法进行符号检测，具体如步骤四到步骤七所述，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PAM-DMT系统的符号检测方法可以直接用于PAM-DMT系统的接收端设计。

(1)本发明的方法中通过步骤六得到的新时域序列y_Re，new(n)就是利用实部剪裁噪声所重建的发送信号的估计，然后在步骤七中，通过分配合适的双路合并系数α，α∈(0，0.5]，将实部和虚部信号合并到一起，相比传统的只利用虚部信号的PAM-DMT接收算法，所提方法提高了接收信号的信噪比，从而提升了符号检测性能；

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

(3)不需对现有PAM-DMT可见光系统的发送端做出任何改动，也不需要额外的发送功率。

附图说明

图1为PAM-DMT系统的发送端框图；

图2为PAM-DMT系统接收端传统符号检测方法框图；

图3为本发明所提PAM-DMT系统接收端符号检测方法框图；

图4为AWGN信道，4-PAM调制，ZF均衡，α＝0.5时，在不同比特能量信噪比下，采用本发明所提符号检测方法(标记为‘proposed’)和传统符号检测方法(标记为‘conventional’)仿真得到的误比特率曲线对比图；

图5为多径信道，16-PAM调制，MMSE均衡，α＝0.45时，在不同比特能量信噪比下，采用本发明所提符号检测方法(标记为‘proposed’)和传统符号检测方法(标记为‘conventional’)仿真得到的误比特率曲线对比图。

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

本发明所涉及的PAM-DMT系统的发送框图如图1所示，接收端符号检测方法框图如图3所示。给定具体参数如下：发送比特未经过信道编码，调制方式为4-PAM，子载波数N＝64，传输信道为光视距传输(LOS，Line-of-Sight)信道，即加性高斯白噪声(AWGN，Addictive White Gaussian Noise)信道，频域均衡器采用迫零(ZF，Zero Forcing)均衡准则，双路合并系数α＝0.5。

本发明的具体实施步骤如下：

步骤一、接收端将接收到的电域符号序列进行去循环前缀操作，得到待检测的时域序列y(n)，n＝0，1，…，63；

步骤二、对y(n)进行FFT操作，得到频域序列Y(k)，k＝0，1，…，63；

步骤三、对频域序列Y(k)进行单抽头均衡，由于信道是AWGN信道，因此ZF均衡器的系数均为g(k)＝1，可得均衡后的频域序列Y_c(k)＝Y(k)，k＝0，1，…，63；

步骤四、分别对频域序列Y_c(k)取虚部，取实部，得到虚部序列Y_Im(k)＝Im{Y_c(k)}，k＝0，1，…，N-1，实部序列Y_Re(k)＝Re{Y_c(k)}，k＝0，1，…，63；

步骤五、将Y_Im(k)加载到子载波的虚部，Y_Re(k)加载到子载波的实部，然后分别进行IFFT操作，得到时域虚部序列y_Im(n)，n＝0，1，…，63和时域实部序列y_Re(n)，n＝0，1，…，63，即y_Im(n)＝IFFT{jY_Im(k)}，y_Re(n)＝IFFT{Y_Re(k)}；

步骤六、构造新的序列y_Re，new(n)：

步骤七、取双路合并系数α＝0.5，进行双路数据合并，得到

步骤八、对时域序列进行FFT操作，得到频域序列 对中序号为k＝1，…，31的样值依次进行取虚部、乘以2、符号判决，得到发送调制符号序列B(k)的估计然后对进行PAM解调。

按照上述步骤恢复出发送比特序列，完成符号检测任务。

图4为AWGN信道下，在不同比特能量噪声比(E_b/N₀)下，利用本发明的符号检测方法和传统符号检测方法得到的误比特率(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^-5时，本发明的符号检测方法相比于传统检测方法，可以取得2dB的信噪比增益。

实施例2

本发明所涉及的PAM-DMT系统的发送框图如图1所示，接收端符号检测方法框图如图3所示。给定具体参数如下：发送比特未经过信道编码，调制方式为16-PAM，子载波数N＝64，传输信道为非视距的光漫反射信道(scattering/reflective channel)，即频率选择性多径信道，频域均衡器采用最小均方误差(MMSE，Minimum Mean Square Error)准则，分集合并比α＝0.45。

本发明的具体实施步骤如下：

步骤一、接收端将接收到的电域符号序列进行去循环前缀操作，得到待检测的时域序列y(n)，n＝0，1，…，63；

步骤二、对y(n)进行FFT操作，得到频域序列Y(k)，k＝0，1，…，63；

步骤三、对频域序列Y(k)进行单抽头均衡，由于信道是频率选择性多径信道，因此MMSE均衡器的系数为其中，H(k)是第k个子载波的频域传输系数，是噪声方差，经过均衡得到均衡后的频域序列Y_c(k)＝g(k)Y(k)，k＝0，1，…，63；

步骤四、分别对频域序列Y_c(k)取虚部，取实部，得到虚部序列Y_Im(k)＝Im{Y_c(k)}，k＝0，1，…，63，实部序列Y_Re(k)＝Re{Y_c(k)}，k＝0，1，…，63；

步骤五、将序列Y_Im(k)加载到子载波的虚部，Y_Re(k)加载到子载波的实部，然后分别进行IFFT操作，得到时域虚部序列y_Im(n)，n＝0，1，…，63和时域实部序列y_Re(n)，n＝0，1，…，63，即y_Im(n)＝IFFT{jY_Im(k)}，y_Re(n)＝IFFT{Y_Re(k)}；

步骤六、构造新的序列y_Re，new(n)：

步骤七、取双路合并系数α＝0.45，利用表达式 进行双路数据合并；

步骤八、对时域序列进行FFT操作，得到频域序列 对中序号为k＝1，…，31的样值依次进行取虚部、乘以2和符号判决操作，得到发送调制符号序列B(k)的估计然后对进行PAM解调。

按照上述步骤恢复出发送比特序列，完成符号检测任务。

图5为频率选择性多径信道下，在不同比特能量噪声比下(E_b/N₀)下，利用本发明的符号检测方法和传统符号检测方法得到的误比特率(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，可以取得将近4dB的信噪比增益。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (1)

1.一种PAM-DMT系统的符号检测方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤一、接收端将接收到的时域序列进行去循环前缀操作，得到待检测的时域序列y(n)，n＝0，1，…，N-1，N是所述PAM-DMT系统的子载波数目；

步骤二、对y(n)进行FFT操作，得到频域序列Y(k)，k＝0，1，…，N-1；

步骤三、对频域序列Y(k)进行单抽头均衡，得到频域序列Y_c(k)，k＝0，1，…，N-1，即Y_c(k)＝g(k)Y(k)，g(k)为第k个子载波的均衡器系数；

步骤四、分别对频域序列Y_c(k)取虚部和实部，得到虚部序列Y_Im(k)＝Im{Y_c(k)}，k＝0，1，…，N-1，实部序列Y_Re(k)＝Re{Y_c(k)}，k＝0，1，…，N-1；

步骤五、将虚部序列Y_Im(k)加载到N个子载波的虚部，实部序列Y_Re(k)加载到N个子载波的实部，然后分别进行IFFT操作，分别得到时域虚部序列y_Im(n)，n＝0，1，…，N-1和时域实部序列y_Re(n)，n＝0，1，…，N-1，即y_Im(n)＝IFFT{jY_Im(k)}，y_Re(n)＝IFFT{Y_Re(k)}；

步骤六、利用时域虚部序列y_Im(n)的极性和时域实部序列y_Re(n)的幅度生成新的时域实部序列y_Re，new(n)，n＝0，1，…，N-1，即

<mrow> <msub> <mi>y</mi> <mrow> <mi>Re</mi> <mo>,</mo> <mi>n</mi> <mi>e</mi> <mi>w</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mo>|</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>Re</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>|</mo> <mo>,</mo> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <msub> <mi>y</mi> <mi>Im</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;GreaterEqual;</mo> <mn>0</mn> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mo>-</mo> <mo>|</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>Re</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>|</mo> <mo>,</mo> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <msub> <mi>y</mi> <mi>Im</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&lt;</mo> <mn>0</mn> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>,</mo> <mi>n</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> <mo>,</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mo>...</mo> <mo>,</mo> <mi>N</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> </mrow>

其中符号| |表示取绝对值；

步骤七、取双路合并系数α，α∈(0，0.5]，进行双路数据合并，得到

步骤八、对序列进行FFT操作，得到频域序列 对中序号为k＝1，…，N/2-1的样值依次进行取虚部、乘以2、符号判决和PAM解调操作，即恢复出发送比特序列，完成符号检测任务。