CN105915291A - 非对称限幅直流偏置光ofdm系统峰均比抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种非对称限幅直流偏置光OFDM系统峰均比抑制方法。在发送端，对输入的信息序列进行串并变换及映射，并保证生成的信息向量具有Hermitian对称。将此向量分成奇数子载波向量和偶数子载波向量，分别送入ACO‑OFDM和DCO‑OFDM信号生成模块。将两路生成的时域信号相加，添加循环前缀并进行并串转换，再由光发射机发送出去；在接收端，将接收到的光信号转化成电信号，然后经过去除循环前缀和串并转换，再经过FFT变换得到频域向量，奇数子载波上的发送信号直接从接收到的频域向量中奇数子载波中直接提取，偶数子载波上的发送信号借助对奇数子载波上的发送信号的估计恢复出来。本发明能有效地抑制峰均比。

Description

非对称限幅直流偏置光OFDM系统峰均比抑制方法

技术领域

本发明涉及的是一种光无线通信方法，具体地说是一种非对称限幅直流偏置光OFDM(asymmetrically clipped DC biased optical OFDM,ADO-OFDM)通信系统峰均比抑制方法。

背景技术

光无线通信技术是一种宽带接入方式，是光通信和无线通信结合的产物，它以大气为传输媒介，利用激光作为信号载体来实现信息传输的通信技术。光无线通信具有安全保密性强，抗干扰性强、通信容量大、无需频率许可证和部署快速等特点，在解决目前宽带网络通信中“最后一公里”问题和应急通信等方面有着良好的应用前景。但是，光在大气中传输是一个非常复杂的过程，其包括大气分子的散射与吸收、空中悬浮微粒的散射与吸收和大气湍流。空中的大量散射元会导致光信号沿不同的传输路径到达接收端，当系统的信息传输速率较高时，码间干扰对系统性能的影响就十分严重。因此，将OFDM技术引入到光无线通信系统中，以抑制码间干扰对系统的影响，提高系统的信息传输速率。由于光无线通信系统通常采用光强度调制，对光源进行调制的信号只能是实信号且单极性。为了解决这个问题，采用了一种特殊的OFDM调制技术，即ADO-OFDM技术。ADO-OFDM技术是ACO-OFDM和DCO-OFDM技术相结合的产物，即在奇数子载波上传输ACO-OFDM信号，而在偶数子载波上传输DCO-OFDM信号。与ACO-OFDM和DCO-OFDM系统相比，ADO-OFDM具有更高的光功率效率和频谱利用率。

高峰均比(Peak to Average Power Ratio，PAPR)一直是ADO-OFDM系统所要克服的关键问题之一。在光无线通信系统中，较高的PAPR不仅会对光调制器的调制效率产生较大影响，还易对人体器官造成伤害。因此，针对ADO-OFDM系统的PAPR抑制技术研究显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能有效地抑制峰均比的非对称限幅直流偏置光OFDM系统峰均比抑制方法。

本发明的目的是这样实现的：

在发送端，对输入的信息序列进行串并变换及映射，生成具有Hermitian对称的信息向量X，将信息向量X分成奇数子载波向量X_odd和偶数子载波向量X_even并分别送入ACO-OFDM和DCO-OFDM信号生成模块，所述ACO-OFDM和DCO-OFDM信号生成模块中分别嵌入PTS模块，奇数子载波向量X_odd经过第一PTS模块变换得到时域信号x_odd、然后经过限幅得到信号x_ACO；偶数子载波向量X_even经过第二PTS模块变换得到时域信号x_even、添加一个直流偏置B_DC、添加直流偏置B_DC后仍是负值的信号通过限幅得到信号x_DCO，将信号x_ACO和x_DCO相加得到信号x，然后添加循环前缀并进行并串转换，再由光发射机发送出去；

在接收端，光接收机将接收到的光信号转化成电信号，然后经过去除循环前缀和串并转换，再经过FFT变换得到频域向量Y，奇数子载波上发送的数据Y_odd直接从频域向量Y中提取出来；对于偶数子载波上的发送信号要对ACO-OFDM信号进行估计，即从Y中提取出奇载波上的信号Y_odd、从ACO-OFDM信号中计算出估计值y_aco、然后从y中减去y_aco，恢复出DCO-OFDM信号。

本发明还可以包括：

1、所述具有Hermitian对称的信息向量X的信号表征为：

$X=\[0,X_1,X_2...X_{\frac{N}{2}-1},0,X_{\frac{N}{2}-1}^{*},...,X_2^{*},X_1^{*}\]$

其中，N是子载波个数，是X_i的共轭复数；

所述奇数子载波向量X_odd的信号表征为：

X_odd＝[0,X₁,0,X₃,0,…,0,X_N-1]，

所述偶数子载波向量X_even的信号表征为：

X_even＝[X₀,0,X₂,0,…,X_N-2,0]。

2、所述奇数子载波向量X_odd经过第一PTS模块变换得到时域信号x_odd的方法为：

采用交织的方式将频域数据的奇数子载波向量X_odd＝[0,X₁,0,X₃,0,…,0,X_N-1]分割成为互不重叠的M组，并且将每一组扩展成与频域数据的信息向量X等长的子块序列，用{X_v,v＝1,2,...,M}来表示扩展后的子块序列，子块序列X_v具有Hermitian对称，频域数据的奇数子载波向量X_odd表示为

$X_{odd}=\underset{v=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{X}_v$

将这M个子块序列按如下方式组合起来：

$X_{odd}^{\′}=\underset{v=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{b}_v{X}_v$

其中，{b_v,v＝1,2,...,M}是旋转因子，

然后对向量X'_odd进行IFFT变换，得到时域信号x_odd＝IFFT{X'_odd}。

本发明是针对非对称限幅直流偏置光OFDM(asymmetrically clipped DC biased opticalOFDM,ADO-OFDM)通信系统内存在较高的峰均比这个问题，并根据ADO-OFDM通信系统结构特点，提出的一种基于部分传输序列(Partial Transmit Sequence，PTS)的减小系统峰均比方法。

在ADO-OFDM通信系统中，用奇数子载波传输ACO-OFDM信号，而在偶数子载波上传输DCO-OFDM信号。它结合了ACO-OFDM与DCO-OFDM通信系统的优点：由于ADO-OFDM通信系统中所有子载波都传送数据，ADO-OFDM通信系统的带宽效率就要高于ACO-OFDM通信系统；由于ADO-OFDM通信系统用一半的子载波传输光功率效率较高的ACO-OFDM信号，所以就整个系统光功率效率而言，ADO-OFDM通信系统要优于DCO-OFDM通信系统。

在PTS方法中，将输入数据符号分为若干数据子块，然后这些分组乘上相应的旋转因子，利用这些旋转因子对这些数据子块的相位进行调整，最后再合并这些数据子块以减小系统PAPR。ADO-OFDM通信系统的发射部分包含ACO-OFDM信号模块与DCO-OFDM信号模块，这两个模块是并行的。因此，在使用PTS方法时，需要在两个并行的模块中同时插入PTS模块。

本发明的优点体现在：

1、与现有的限幅类PAPR抑制技术相比，本发明采用的方案并不着眼于降低信号幅度的最大值，而是通过对原始ADO-OFDM信号实施线性变换来达到降低高峰值出现的概率。2、ADO-OFDM系统对ACO-OFDM支路上和ACO-OFDM支路上的噪声较为敏感，而本发明采用的方案没有对原始ADO-OFDM信号进行非线性处理，并不会带来额外的噪声，这对ADO-OFDM系统误码率性能至关重要。3、本发明采用的方案有效地抑制了ADO-OFDM通信系统的PAPR。

附图说明

图1为ADO-OFDM通信发射部分系统框图；

图2为ACO-OFDM支路上的PTS原理框图；

图3为DCO-OFDM支路上的PTS原理框图；

图4为ADO-OFDM通信接收部分系统框图；

图5为采用部分传输序列方法前后的ADO-OFDM系统互补累计概率分布曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。

在发送端，将随机产生的信息序列经M阶QAM调制后生成复数信号，并进行串/并转换；

ADO-OFDM系统采用的是光强度调制/直接解调，复数信号要具有Hermitian对称，其信号表征为：

$X=\[0,X_1,X_2...X_{\frac{N}{2}-1},0,X_{\frac{N}{2}-1}^{*},...,X_2^{*},X_1^{*}\]$

其中，N是子载波个数，是X_i的共轭复数；

将信号向量X分成奇数子载波向量X_odd和偶数子载波向量X_even，其信号表征为：

X_odd＝[0,X₁,0,X₃,0,…,0,X_N-1]，X_even＝[X₀,0,X₂,0,…,X_N-2,0]

并将X_odd和X_even分别送入ACO-OFDM信号产生模块和DCO-OFDM信号产生模块。

下面以ACO-OFDM信号产生模块中PTS方法为例进行说明，DCO-OFDM信号产生模块与ACO-OFDM信号产生模块类似。

采用交织的方式将频域数据向量X_odd＝[0,X₁,0,X₃,0,…,0,X_N-1]分割成为互不重叠的M组，并且将每一组扩展成与频域数据向量X等长的子块序列，用{X_v,v＝1,2,...,M}来表示扩展后的子块序列，子块序列X_v要保证具有Hermitian对称。因此，频域数据向量X_odd可以表示为

$X_{odd}=\underset{v=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{X}_v$

然后，将这M个子块序列按如下方式组合起来：

$X_{odd}^{\′}=\underset{v=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{b}_v{X}_v$

其中，{b_v,v＝1,2,...,M}是旋转因子，在ADO-OFDM系统中，由于传输的信号是实信号，所以旋转因子b_v的取值要受到相应的限制。

然后对向量X'_odd进行IFFT变换，可以得到时域信号x_odd＝IFFT{X'_odd}。利用IFFT变换的线性性质，可以对M个子块序列单独进行IFFT变换计算，得到：

$x_{odd}=\underset{v=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{b}_v\·IFFT\left\{X_v\right\}=\underset{v=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{b}_v\·x_v$

通过适当地选择旋转因子{b_v,v＝1,2,...,M}，使得ADO-OFDM符号峰值达到最佳化。要想使ADO-OFDM系统PAPR达到最优，则加权系数应该满足：

$\{b_1,b_2,\mathrm{...},b_M\}=\underset{\{b_1,b_2,\mathrm{...},b_M\}}{\mathrm{argmin}}\left(\underset{1\≤n\≤N}{max}{\left|\underset{v=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{b}_v\·x_v\right|}^2\right)$

这样以M-1次IFFT变换为代价，通过寻找最佳的{b_v,v＝1,2,...,M}系数，从而使得ADO-OFDM系统内的PAPR性能得到改善。

遍历搜索方法的计算量非常大，导致系统复杂度增加。因此，要在保证系统PAPR性能下降不大的条件下，通常采用迭代的次优化算法来找出次优的旋转因子，具体算法流程如下：

(1)将N个子载波分割为M个子序列；

(2)设置旋转因子的初始值b_v＝1,(v＝1,2,...,M)，计算此时的峰均比PAPR₀＝max|x'|²/E|x'|²，其中并且令index＝1；

(3)令b_index＝-1，并且重新计算此时的PAPR；

(4)如果PAPR＞PAPR₀，则b_index＝1；否则，PAPR₀＝PAPR，index＝index+1；

(5)如果index＜M+1，则返回步骤(3)；否则，到步骤(6)；

(6)得到加权系数{b_v,v＝1,2,...,M}，在此条件下所得到的峰均比分布为min(PAPR,PAPR₀)。

在ACO-OFDM路径中，经过相应变换得到时域信号x_odd，然后经过限幅得到信号x_ACO；

在DCO-OFDM路径中，经过类似变换得到时域信号x_even。首先要添加一个适当的直流偏置B_DC，添加直流偏置B_DC后仍是负值的信号通过限幅得到信号x_DCO；

信号x_ACO和x_DCO相加得到信号x，然后添加循环前缀并进行并串转换，再由光发射机发送出去；

在接收端，光接收机将接收到的光信号转化成电信号，然后经过模数转换和串并转换，再经过FFT变换得到频域向量Y；

FFT变换得到的频域向量Y中的奇载波Y_odd没有受到DCO-OFDM限幅噪声的影响，所以和传统ACO-OFDM的系统一样，Y_odd可以直接从Y中提取出来；

为了恢复出偶载波上的发送信号，要对ACO-OFDM信号进行估计，也就是从Y中提取出奇载波上的信号Y_odd，从ACO-OFDM信号中计算出估计值y_aco，然后从y中减去y_aco，即能恢复出DCO-OFDM信号。

Claims (5)

1.一种非对称限幅直流偏置光OFDM系统峰均比抑制方法，其特征是：

在发送端，对输入的信息序列进行串并变换及映射，生成具有Hermitian对称的信息向量X，将信息向量X分成奇数子载波向量X_odd和偶数子载波向量X_even并分别送入ACO-OFDM和DCO-OFDM信号生成模块，所述ACO-OFDM和DCO-OFDM信号生成模块中分别嵌入PTS模块，奇数子载波向量X_odd经过第一PTS模块变换得到时域信号x_odd、然后经过限幅得到信号x_ACO；偶数子载波向量X_even经过第二PTS模块变换得到时域信号x_even、添加一个直流偏置B_DC、添加直流偏置B_DC后仍是负值的信号通过限幅得到信号x_DCO，将信号x_ACO和x_DCO相加得到信号x，然后添加循环前缀并进行并串转换，再由光发射机发送出去；

在接收端，光接收机将接收到的光信号转化成电信号，然后经过去除循环前缀和串并转换，再经过FFT变换得到频域向量Y，奇数子载波上发送的数据Y_odd直接从频域向量Y中提取出来；对于偶数子载波上的发送信号要对ACO-OFDM信号进行估计，即从Y中提取出奇载波上的信号Y_odd、从ACO-OFDM信号中计算出估计值y_aco、然后从y中减去y_aco，恢复出DCO-OFDM信号。

2.根据权利要求1所述的非对称限幅直流偏置光OFDM系统峰均比抑制方法，其特征是：所述具有Hermitian对称的信息向量X的信号表征为：

$X=\[0,X_1,X_2...X_{\frac{N}{2}-1},0,X_{\frac{N}{2}-1}^{*},...,X_2^{*},X_1^{*}\]$

其中，N是子载波个数，是X_i的共轭复数；

所述奇数子载波向量X_odd的信号表征为：

X_odd＝[0,X₁,0,X₃,0,…,0,X_N-1]，

所述偶数子载波向量X_even的信号表征为：

X_even＝[X₀,0,X₂,0,…,X_N-2,0]。

3.根据权利要求2所述的非对称限幅直流偏置光OFDM系统峰均比抑制方法，其特征是所述奇数子载波向量X_odd经过第一PTS模块变换得到时域信号x_odd的方法为：

采用交织的方式将频域数据的奇数子载波向量X_odd＝[0,X₁,0,X₃,0,…,0,X_N-1]分割成为互不重叠的M组，并且将每一组扩展成与频域数据的信息向量X等长的子块序列，用{X_v,v＝1,2,...,M}来表示扩展后的子块序列，子块序列X_v具有Hermitian对称，频域数据的奇数子载波向量X_odd表示为

$X_{odd}=\underset{v=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{X}_v$

将这M个子块序列按如下方式组合起来：

$X_{odd}^{\′}=\underset{v=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{b}_v{X}_v$

其中，{b_v,v＝1,2,...,M}是旋转因子，

然后对向量X'_odd进行IFFT变换，得到时域信号x_odd＝IFFT{X'_odd}。

4.根据权利要求3所述的非对称限幅直流偏置光OFDM系统峰均比抑制方法，其特征是：

对M个子块序列单独进行IFFT变换计算，得到：

$x_{odd}=\underset{v=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{b}_v\·IFFT\left\{X_v\right\}=\underset{v=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{b}_v\·x_v$

通过选择旋转因子{b_v,v＝1,2,...,M}，使得ADO-OFDM符号峰值达到最佳化的加权系数应该满足：

$\{b_1,b_2,\mathrm{...},b_M\}=\underset{\{b_1,b_2,\mathrm{...},b_M\}}{\mathrm{argmin}}\left(\underset{1\≤n\≤N}{max}{\left|\underset{v=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{b}_v\·x_v\right|}^2\right).$

5.根据权利要求4所述的非对称限幅直流偏置光OFDM系统峰均比抑制方法，其特征是选择旋转因子是采用迭代的次优化算法来找出次优的旋转因子，具体流程如下：

(1)将N个子载波分割为M个子序列；

(2)设置旋转因子的初始值b_v＝1,(v＝1,2,...,M)，计算此时的峰均比PAPR₀＝max|x'|²/E|x'|²，其中并且令index＝1；

(3)令b_index＝-1，并且重新计算此时的PAPR；

(4)如果PAPR＞PAPR₀，则b_index＝1；否则，PAPR₀＝PAPR，index＝index+1；

(5)如果index＜M+1，则返回步骤(3)；否则，到步骤(6)；

(6)得到加权系数{b_v,v＝1,2,...,M}，在此条件下所得到的峰均比分布为min(PAPR,PAPR₀)。