CN105871768A - 一种降低aco-ofdm系统中峰均比的可恢复的多段线性压扩方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低ACO‑OFDM系统中峰均比的可恢复的多段线性压扩方法，在发射端引入一个可恢复多段线性压扩变换单元，在接收端引入一个对应的解压扩模块，并且在接收端使用最大后验概率(MAP)准则对数据进行恢复；包括如下步骤：(1)发射端将ACO‑OFDM信号进行可恢复多段线性压扩变换后发送；(2)接收端采用最大后验概率准则对接收信号进行检测并进行对应的解压扩变换，从而恢复发送数据。本发明方法，利用ACO‑OFDM时域信号的特殊结构，克服了分段线性变换前后信号幅度不再一一对应的问题，使得多段线性压扩成为可能，以较低复杂度得到了很好的PAPR抑制效果，并且保证了系统的BER性能。

Description

一种降低ACO-OFDM系统中峰均比的可恢复的多段线性压扩 方法

技术领域

本发明涉及一种降低ACO-OFDM系统中峰均比的可恢复的多段线性压扩方法，属于可见光通信技术。

背景技术

OFDM作为一种高效的调制技术，其较高的频谱利用率使得在有限的调制带宽条件下实现高速可见光通信成为一种可能，同时它还能有效的抵抗多径干扰，降低接收端均衡器的复杂度，优化系统性能，因此这几年被广泛应用到可见光通信中。一些适用于可见光通信系统的OFDM方案逐渐被提出，其中最主要的有三种，分别是直流偏置光正交频分复用(DCO-OFDM)、非对称限幅光正交频分复用(ACO-OFDM)和脉冲幅度调制正交频分复用(PAM-OFDM)。

OFDM调制带来的速率增益是非常明显的，但是也随之带来了新的问题。OFDM系统存在着一个严重的缺陷，即输出的OFDM信号呈现出很高的峰均比特性，这是由频域信号的累加引起的，而且随着子载波数目的增加会愈发严重。然而可见光通信系统中的核心器件LED具有典型的非线性特性，这会使高峰均比的OFDM信号产生非常严重的失真，直接制约着系统的性能。德国的Hass团队在LED非线性方面的研究较多，提出了一系列的非线性抑制方法，然而LED的线性范围终究是有限的。因此，OFDM可见光通信系统的PAPR抑制问题需要深入研究。我们在已有的压扩变换的基础上，结合ACO-OFDM时域信号的特点，提出了一种可恢复的多段压扩变换(RMLC)，该方案了克服了传统压扩变换存在的幅值模糊，非线性失真等问题。通过在接收端使用MAP检测可以很好的对数据进行恢复。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种降低ACO-OFDM系统中峰均比的可恢复的多段线性压扩方法，以克服传统压扩变换存在的幅值模糊、非线性失真等问题。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种降低ACO-OFDM系统中峰均比的可恢复的多段线性压扩方法，在发射端引入一个可恢复多段线性压扩变换单元，在接收端引入一个对应的解压扩模块，并且在接收端使用最大后验概率(MAP)准则对数据进行恢复；包括如下步骤：

(1)发射端将ACO-OFDM信号进行可恢复多段线性压扩变换后发送；

(2)接收端采用最大后验概率准则对接收信号进行检测并进行对应的解压扩变换，从而恢复发送数据。

该方法利用ACO-OFDM时域信号的特殊结构，克服了分段线性变换前后信号幅度不再一一对应的问题，使得多段线性压扩成为可能，以较低复杂度得到了很好的PAPR抑制效果，并且保证了系统的BER性能。

所述步骤(1)具体包括如下步骤：

(11)输入信号经过串并转换和星座映射后，再对其进行子载波分配，得到频域离散序列X，对X进行IFFT运算得到时域离散序列x，将x中的负值裁剪到零即可得到最终的ACO-OFDM信号序列x_c，将x_c引入可恢复多段线性压扩变换单元；

(12)x_c中共有N个信号样值对，对x_c中的各个信号样值对进行单独压扩，并将压扩比率分配在对应信号样值对上进行传输；记压扩门限值为v，即当某个信号样值对的幅度大于v时则对该某个信号样值对进行压扩变换，当某个信号样值对的幅度小于等于v时则保持该某个信号样值对不变；其中：0≤v≤A，A表示信号样值能够达到的最大幅度；

对于x_c中的第k个信号样值对不失一般性，设x_Ak上携带非负的信息数据，根据ACO-OFDM的限幅特性，上的数据为零；在进行压扩变换时，使用αμ替代上的零值，α＝λv，λ为常数且0＜λ≤1，μ＝v/x_Ak，μ为压扩比率(是压扩变换中的数乘因子)且0＜μ≤1，因此，满足

对进行压扩变换后，得到一个新的信号样值对，即压扩变换后得到的序列为x_CA＝[x_CA0,x_CA1,…,x_CA(N-1)]，x_CA即为最终的发送序列。

所述步骤(2)具体包括如下步骤：

(21)x_CA经过信道传输后，接收端相对应的接收信号对表示为其中： 表示第k个子载波上的加性高斯白噪声；接收端需要检测是否经过压扩变换，若经过压扩变换，则需要进一步判断y_CAk和中，哪一个携带的是v，哪一个携带的是αμ；

(22)为了便于检测并保证恢复数据的可靠性，引入参数η来表示压扩比率μ的下限，η∈(0,1)(通常取一个较小的值)；当μ＜η时，令μ＝η，以此来保证上携带的数据不趋近于零；将可恢复多段线性压扩变换表示为：

$(x_{CAk},{\hat{x}}_{CAk})=\left\{\begin{array}{cc}(x_{Ak},0),& 0<x_{Ak}\&le;v\\ (0,x_{Ak}),& 0<{\hat{x}}_{Ak}\&le;v\\ (v,a\mathrm{\&mu;}),& v<x_{Ak}\&le;v/\mathrm{\&eta;}\\ (a\mathrm{\&mu;},v),& v<{\hat{x}}_{Ak}\&le;v/\mathrm{\&eta;}\\ (v,a\mathrm{\&eta;})& x_{Ak}>v/\mathrm{\&eta;}\\ (a\mathrm{\&eta;},v)& {\hat{x}}_{Ak}>v/\mathrm{\&eta;}\end{array}\right.$

定义：

$\begin{array}{cc}{H}_1:(x_{CAk},{\hat{x}}_{CAk})=(x,0)& H_2:(x_{CAk},{\hat{x}}_{CAk})=(0,x)\end{array}$

$\begin{array}{cc}{H}_3:(x_{CAk},{\hat{x}}_{CAk})=(v,av/x)& H_4:(x_{CAk},{\hat{x}}_{CAk})=(av/x,v)\end{array}$

$\begin{array}{cc}{H}_5:(x_{CAk},{\hat{x}}_{CAk})=(v,a\mathrm{\&eta;})& H_6:(x_{CAk},{\hat{x}}_{CAk})=(a\mathrm{\&eta;},v)\end{array}$

以H₁、H₂、H₃、H₄、H₅和H₆分别表示发送样值对的不同类型，其中x≥0表示发射端的任一采样值；

(23)对于给定的每一对接收信号对采用最大后验概率准则来对进行检测，确定的发射信号属于那种类型，即可对进行相应的解压扩操作；接收到的信号序列为y_CA＝[y_CA0,y_CA1,…,y_CA(N-1)]，解压扩后的信号序列记y_A＝[y_A0,y_A1,…,y_A(N-1)]，对应的解压扩过程表示为：

$(y_{Ak},{\hat{y}}_{Ak})=\left\{\begin{array}{cc}(y_{Ak},0)& (y_1,y_2)\&Element;{\hat{H}}_1\\ (0,{\hat{y}}_{Ak})& (y_1,y_2)\&Element;{\hat{H}}_1\\ (\mathrm{\&alpha;}v/{\hat{y}}_{Ak},0)& (y_1,y_2)\&Element;{\hat{H}}_3\\ (0,\mathrm{\&alpha;}v/y_{Ak})& (y_1,y_2)\&Element;{\hat{H}}_4\\ (\mathrm{\&alpha;}v/\mathrm{\&eta;},0)& (y_1,y_2)\&Element;{\hat{H}}_5\\ (0,\mathrm{\&alpha;}v/\mathrm{\&eta;})& (y_1,y_2)\&Element;{\hat{H}}_6\end{array}\right.$

(24)得到y_Ak后，利用FFT对y_Ak进行解调即可恢复发送数据。

有益效果：本发明提供的降低ACO-OFDM系统中峰均比的可恢复的多段线性压扩方法，利用ACO-OFDM时域信号的特殊结构，克服了分段线性变换前后信号幅度不再一一对应的问题，使得多段线性压扩成为可能，以较低复杂度得到了很好的PAPR抑制效果，并且保证了系统的BER性能。

附图说明

图1为一个可恢复的多段线性压扩变换的ACO-OFDM系统模型；

图2六种不同的压扩方案示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本发明实施例公开了一种降低ACO-OFDM可见光通信系统中峰均比的可恢复的多段线性压扩方案，如图1所示,假设通信信道为加性高斯白噪声信道。本发明实施例的方法主要包括以下步骤：

(1)发射端将ACO-OFDM信号进行可恢复多段线性压扩变换后发送

第一步：输入信号经过串并转换和星座映射后，再对其进行子载波分配，得到频域离散序列X，对X进行IFFT运算得到时域离散序列x，将x中的负值裁剪到零即可得到最终的ACO-OFDM信号序列x_c，将x_c引入可恢复多段线性压扩变换单元。

第二步：对各个样值对进行单独压扩，并将压扩比率分配在各个值上进行传输；x_c中共有N个信号样值对，对x_c中的各个信号样值对进行单独压扩，并将压扩比率分配在对应信号样值对上进行传输；记压扩门限值为v，即当某个信号样值对的幅度大于v时则对该某个信号样值对进行压扩变换，当某个信号样值对的幅度小于等于v时则保持该某个信号样值对不变；其中：0≤v≤A，A表示信号样值能够达到的最大幅度。

对于x_c中的第k个信号样值对不失一般性，设x_Ak上携带非负的信息数据，根据ACO-OFDM的限幅特性，上的数据为零；在进行压扩变换时，使用αμ替代上的零值，α＝λv，λ为常数且0＜λ≤1，μ＝v/x_Ak，μ为压扩比率(是压扩变换中的数乘因子)且0＜μ≤1，因此存在一个参数x，满足

对进行压扩变换后，得到一个新的信号样值对，即压扩变换后得到的序列为x_CA＝[x_CA0,x_CA1,…,x_CA(N-1)]，x_CA即为最终的发送序列。

(2)接收端采用最大后验概率准则对接收信号进行检测并进行对应的解压扩变换，从而恢复发送数据

第一步：x_CA经过信道传输后，接收端相对应的接收信号对表示为其中： 表示第k个子载波上的加性高斯白噪声；接收端需要检测是否经过压扩变换，若经过压扩变换，则需要进一步判断y_CAk和中，哪一个携带的是v，哪一个携带的是αμ。

第二步：为了便于检测并保证恢复数据的可靠性，引入参数η来表示压扩比率μ的下限，η∈(0,1)(通常取一个较小的值)；当μ＜η时，令μ＝η，以此来保证上携带的数据不趋近于零；将可恢复多段线性压扩变换表示为：

$(x_{CAk},{\hat{x}}_{CAk})=\left\{\begin{array}{cc}(x_{Ak},0),& 0<x_{Ak}\&le;v\\ (0,x_{Ak}),& 0<{\hat{x}}_{Ak}\&le;v\\ (v,a\mathrm{\&mu;}),& v<x_{Ak}\&le;v/\mathrm{\&eta;}\\ (a\mathrm{\&mu;},v),& v<{\hat{x}}_{Ak}\&le;v/\mathrm{\&eta;}\\ (v,a\mathrm{\&eta;})& x_{Ak}>v/\mathrm{\&eta;}\\ (a\mathrm{\&eta;},v)& {\hat{x}}_{Ak}>v/\mathrm{\&eta;}\end{array}\right.$

定义：

$\begin{array}{cc}{H}_1:(x_{CAk},{\hat{x}}_{CAk})=(x,0)& H_2:(x_{CAk},{\hat{x}}_{CAk})=(0,x)\end{array}$

$\begin{array}{cc}{H}_3:(x_{CAk},{\hat{x}}_{CAk})=(v,av/x)& H_4:(x_{CAk},{\hat{x}}_{CAk})=(av/x,v)\end{array}$

$\begin{array}{cc}{H}_5:(x_{CAk},{\hat{x}}_{CAk})=(v,a\mathrm{\&eta;})& H_6:(x_{CAk},{\hat{x}}_{CAk})=(a\mathrm{\&eta;},v)\end{array}$

以H₁、H₂、H₃、H₄、H₅和H₆分别表示发送样值对的不同类型，其中x≥0表示发射端的任一采样值。

基于上述描述，可以将可恢复的多段线性压扩变换对于的操作分为6种情况，如图2所示。图中H₁和H₂表示采样对中没有值大于门限v的两种情况，因此不需要对其进行压扩变换，即H₃和H₄表示采样对中有一个值大于门限v且小于v/η的两种情况，此时需要对其进行压扩变换，压扩比率为μ＝v/x。而对于采样对中有一个值大于v/η的两种情况，分别如H₅和H₆所示，此时令μ＝η。

第三步：对于给定的每一对接收信号对采用最大后验概率准则来对进行检测，确定的发射信号属于那种类型，即可对进行相应的解压扩操作；接收到的信号序列为y_CA＝[y_CA0,y_CA1,…,y_CA(N-1)]，解压扩后的信号序列记y_A＝[y_A0,y_A1,…,y_A(N-1)]，对应的解压扩过程表示为：

$(y_{Ak},{\hat{y}}_{Ak})=\left\{\begin{array}{cc}(y_{Ak},0)& (y_1,y_2)\&Element;{\hat{H}}_1\\ (0,{\hat{y}}_{Ak})& (y_1,y_2)\&Element;{\hat{H}}_1\\ (\mathrm{\&alpha;}v/{\hat{y}}_{Ak},0)& (y_1,y_2)\&Element;{\hat{H}}_3\\ (0,\mathrm{\&alpha;}v/y_{Ak})& (y_1,y_2)\&Element;{\hat{H}}_4\\ (\mathrm{\&alpha;}v/\mathrm{\&eta;},0)& (y_1,y_2)\&Element;{\hat{H}}_5\\ (0,\mathrm{\&alpha;}v/\mathrm{\&eta;})& (y_1,y_2)\&Element;{\hat{H}}_6\end{array}\right.$

第四步：得到y_Ak后，利用FFT对y_Ak进行解调即可恢复发送数据。

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 (3)

1.一种降低ACO-OFDM系统中峰均比的可恢复的多段线性压扩方法，其特征在于：在发射端引入一个可恢复多段线性压扩变换单元，在接收端引入一个对应的解压扩模块，并且在接收端使用最大后验概率准则对数据进行恢复；包括如下步骤：

(1)发射端将ACO-OFDM信号进行可恢复多段线性压扩变换后发送；

(2)接收端采用最大后验概率准则对接收信号进行检测并进行对应的解压扩变换，从而恢复发送数据。

2.根据权利要求1所述的降低ACO-OFDM系统中峰均比的可恢复的多段线性压扩方法，其特征在于：所述步骤(1)具体包括如下步骤：

(11)输入信号经过串并转换和星座映射后，再对其进行子载波分配，得到频域离散序列X，对X进行IFFT运算得到时域离散序列x，将x中的负值裁剪到零即可得到最终的ACO-OFDM信号序列x_c，将x_c引入可恢复多段线性压扩变换单元；

(12)x_c中共有N个信号样值对，对x_c中的各个信号样值对进行单独压扩，并将压扩比率分配在对应信号样值对上进行传输；记压扩门限值为v，即当某个信号样值对的幅度大于v时则对该某个信号样值对进行压扩变换，当某个信号样值对的幅度小于等于v时则保持该某个信号样值对不变；其中：0≤v≤A，A表示信号样值能够达到的最大幅度；

对于x_c中的第k个信号样值对不失一般性，设x_Ak上携带非负的信息数据，根据ACO-OFDM的限幅特性，上的数据为零；在进行压扩变换时，使用αμ替代上的零值，α＝λv，λ为常数且0＜λ≤1，μ＝v/x_Ak，μ为压扩比率且0＜μ≤1，因此,满足

对进行压扩变换后，得到一个新的信号样值对，即压扩变换后得到的序列为x_CA＝[x_CA0,x_CA1,…,x_CA(N-1)]，x_CA即为最终的发送序列。

3.根据权利要求2所述的降低ACO-OFDM系统中峰均比的可恢复的多段线性压扩方法，其特征在于：所述步骤(2)具体包括如下步骤：

(21)x_CA经过信道传输后，接收端相对应的接收信号对表示为其中： 表示第k个子载波上的加性高斯白噪声；接收端需要检测是否经过压扩变换，若经过压扩变换，则需要进一步判断y_CAk和中，哪一个携带的是v，哪一个携带的是αμ；

(22)为了便于检测并保证恢复数据的可靠性，引入参数η来表示压扩比率μ的下限，η∈(0,1)；当μ＜η时，令μ＝η，以此来保证上携带的数据不趋近于零；将可恢复多段线性压扩变换表示为：

$(x_{CAk},{\hat{x}}_{CAk})=\left\{\begin{array}{cc}(x_{Ak},0),& 0<x_{Ak}\&le;v\\ (0,x_{Ak}),& 0<{\hat{x}}_{Ak}\&le;v\\ (v,a\mathrm{\&mu;}),& v<x_{Ak}\&le;v/\mathrm{\&eta;}\\ (a\mathrm{\&mu;},v),& v<{\hat{x}}_{Ak}\&le;v/\mathrm{\&eta;}\\ (v,a\mathrm{\&eta;})& x_{Ak}>v/\mathrm{\&eta;}\\ (a\mathrm{\&eta;},v)& {\hat{x}}_{Ak}>v/\mathrm{\&eta;}\end{array}\right.$

定义：

$H_1:(x_{CAk},{\hat{x}}_{CAk})=(x,0),H_2:(x_{CAk},{\hat{x}}_{CAk})=(0,x)$

$H_3:(x_{CAk},{\hat{x}}_{CAk})=(v,av/x),H_4:(x_{CAk},{\hat{x}}_{CAk})=(av/x,v)$

$H_5:(x_{CAk},{\hat{x}}_{CAk})=(v,a\mathrm{\&eta;}),H_6:(x_{CAk},{\hat{x}}_{CAk})=(a\mathrm{\&eta;},v)$

以H₁、H₂、H₃、H₄、H₅和H₆分别表示发送样值对的不同类型，其中x≥0表示发射端的任一采样值；

(23)对于给定的每一对接收信号对采用最大后验概率准则来对进行检测，确定的发射信号属于那种类型，即可对进行相应的解压扩操作；接收到的信号序列为y_CA＝[y_CA0,y_CA1,…,y_CA(N-1)]，解压扩后的信号序列记y_A＝[y_A0,y_A1,…,y_A(N-1)]，对应的解压扩过程表示为：

$(y_{Ak},{\hat{y}}_{Ak})=\left\{\begin{array}{cc}(y_{Ak},0)& (y_1,y_2)\&Element;{\hat{H}}_1\\ (0,{\hat{y}}_{Ak})& (y_1,y_2)\&Element;{\hat{H}}_1\\ (\mathrm{\&alpha;}v/{\hat{y}}_{Ak},0)& (y_1,y_2)\&Element;{\hat{H}}_3\\ (0,\mathrm{\&alpha;}v/y_{Ak})& (y_1,y_2)\&Element;{\hat{H}}_4\\ (\mathrm{\&alpha;}v/\mathrm{\&eta;},0)& (y_1,y_2)\&Element;{\hat{H}}_5\\ (0,\mathrm{\&alpha;}v/\mathrm{\&eta;})& (y_1,y_2)\&Element;{\hat{H}}_6\end{array}\right.$

(24)得到y_Ak后，利用FFT对y_Ak进行解调即可恢复发送数据。