CN106059982A - 一种基于选择性映射和压扩变换的ado‑ofdm系统峰均比抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光无线通信领域，具体涉及一种抑制非对称限幅直流偏置光OFDM通信系统内存在较高的峰均比基于选择性映射和压扩变换的ADO‑OFDM系统峰均比抑制方法。本发明包括在发送端，对输入的信息序列进行串并变换及映射，并使生成的信息向量X具有Hermitian对称；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，分别送入ACO‑OFDM和DCO‑OFDM信号生成模块等。本发明将概率类技术和预畸变技术相结合，即在ACO‑OFDM信号支路上和DCO‑OFDM信号支路上采用SLM技术，而对合成信号采用CT变换技术，该方案有效地抑制了ADO‑OFDM通信系统的PAPR。

Description

一种基于选择性映射和压扩变换的ADO-OFDM系统峰均比抑制 方法

技术领域

本发明属于光无线通信领域，具体涉及一种抑制非对称限幅直流偏置光OFDM(asymmetrically clipped DC biased optical OFDM,ADO-OFDM)通信系统内存在较高的峰均比基于选择性映射和压扩变换的ADO-OFDM系统峰均比抑制方法。

背景技术

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，在军事和民用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，多径传输会产生码间干扰，码间干扰又会严重抑制系统的信息传输速率。为了解决上述问题，将正交频分复用(OrthogonalFrequency Division Multiplexing，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/直接解调，对光源进行调制的信号要具有特殊的信号形式。为了满足这种特殊的信号形式，采用了一种新型的光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，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通信系统的频谱利用率就要高于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。但是高峰均比(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

本发明的目的是针对ADO-OFDM通信系统内存在较高的峰均比问题，并根据ADO-OFDM通信系统结构特点，提出一种基于选择性映射和压扩变换的ADO-OFDM系统峰均比抑制方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于选择性映射和压扩变换的ADO-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，并使生成的信息向量X具有Hermitian对称；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，分别送入ACO-OFDM和DCO-OFDM信号生成模块；在ACO-OFDM和DCO-OFDM信号生成模块中分别嵌入选择性映射模块；在ACO-OFDM信号路径中，经过选择性映射模块变换得到时域信号x_odd，经过限幅得到信号x_ACO；在DCO-OFDM信号路径中，经过相同变换得到时域信号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，添加循环前缀和进行并串转换，对时域信号进行CT变换，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，进行CT逆变换，经过去除循环前缀和串并转换，经过FFT变换得到频域向量Y；直接从Y中提取出频域向量Y中的奇载波Y_odd的奇数子载波上发送的数据Y_odd；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。

所述在ACO-OFDM信号生成模块中分别嵌入选择性映射模块，具体包括：

(1.1)定义M个不同的随机相位矢量P^(u)＝(P₀ ^(μ),P₁ ^(μ),...,P_N-1 ^(μ))，μ＝1,2,...,M，每一个相位矢量的长度为N，相位矢量P^(u)中的每一个元素且在[0,2π)之内服从均匀分布；

(1.2)用M个随机相位矢量分别与频域向量X_odd进行点乘，保证相乘后的矢量仍然满足Hermition对称，得到M个不同的输出序列

$\begin{array}{c}{X}_{odd}^{\left(\mathrm{\&mu;}\right)}=({X_0}^{\left(\mathrm{\&mu;}\right)},{X_1}^{\left(\mathrm{\&mu;}\right)},...,{X_{N-1}}^{\left(\mathrm{\&mu;}\right)})\\ =<X_{odd}\&CenterDot;P^u>\\ =(X_0{P_0}^{\left(\mathrm{\&mu;}\right)},X_1{P_1}^{\left(\mathrm{\&mu;}\right)},...,X_{N-1}{P_{N-1}}^{\left(\mathrm{\&mu;}\right)})\end{array};$

(1.3)对所得到的M个不同的输出序列分别实施IFFT计算，相应得到M个不同的输出序列从这M个时域信号序列内选择PAPR性能最好的用于传输，即

$x_{odd}=\underset{\mathrm{\&mu;}}{\arg \min }\left\{x_{odd}^{\mathrm{\&mu;}}\right\}$

在ACO-OFDM和DCO-OFDM合成信号x路径上，嵌入压扩变换方法：

(2.1)时域信号x进入CT变换模块，CT变换采用如下公式来描述

${x^{\&prime;}}_{n,k}=CT\&lsqb;x_{n,k}\&rsqb;=\frac{V\&times;x_{n,k}}{ln(1+\mathrm{\&mu;})\&times;\left|x_{n,k}\right|}\&times;ln\&lsqb;1+\frac{\mathrm{\&mu;}}{V}\&times;\left|x_{n,k}\right|\&rsqb;;$

(2.2)在接收端，光接收机将接收到的光信号转化成电信号，经过模数转换后送入CT逆变换模块中，对接收信号进行CT逆变换

$y_{n,k}^{\&prime;}={\mathrm{CT}}^{-1}\&lsqb;r_{n,k}\&rsqb;=\frac{V^{\&prime;}\&times;r_{n,k}}{\mathrm{\&mu;}\&times;\left|r_{n,k}\right|}\&times;\{\exp \&lsqb;\frac{\left|r_{n,k}\right|\&times;ln(1+\mathrm{\&mu;})}{V^{\&prime;}}\&rsqb;-1\}.$

有益效果：

本发明将概率类技术和预畸变技术相结合，即在ACO-OFDM信号支路上和DCO-OFDM信号支路上采用SLM技术，而对合成信号采用CT变换技术，该方案有效地抑制了ADO-OFDM通信系统的PAPR。

附图说明

图1为嵌入CT变换的ADO-OFDM通信发射部分系统框图；

图2为ACO-OFDM支路和DCO-OFDM支路上的SLM原理框图；

图3为嵌入CT逆变换的ADO-OFDM通信接收部分系统框图；

图4为采用SLM和CT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

下面结合附图对本发明的实施进行具体描述。

本发明提出了一种基于选择性映射(Selected Mapping，SLM)和压扩变换(Companding Transform，CT)的减小系统峰均比方法。在某些特定的环境下，要求非对称限幅直流偏置光OFDM通信系统具有较低的PAPR。而仅使用一种算法是很难达到所需要的降低效果，因此可以采用多种方法联合的形式来处理。本专利采用在性能上存在互补的选择性映射和压扩变换方法进行联合，并将串联方式作为算法的联合方式。根据非对称限幅直流偏置光OFDM通信系统结构特点，在ACO-OFDM和DCO-OFDM信号生成模块，同时嵌入选择性映射算法。经过相应处理后，将ACO-OFDM和DCO-OFDM支路上的信号进行相加生成总信号，之后送入压扩变换方法模块进行相应抑制处理。从仿真结果发现本发明能有效地改善非对称限幅直流偏置光OFDM通信系统PAPR性能。

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；

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

$X=\&lsqb;0,X_1,X_2...X_{\frac{N}{2}-1},0,X_{\frac{N}{2}-1}^{*},...,X_2^{*},X_1^{*}\&rsqb;$

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。

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SLM方法时，需要在两个并行的模块中同时插入SLM模块。下面仅以ACO-OFDM信号产生模块中SLM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。

定义M个不同的随机相位矢量P^(u)＝(P₀ ^(μ),P₁ ^(μ),...,P_N-1 ^(μ))，μ＝1,2,...,M，每一个相位矢量的长度为N，相位矢量P^(u)中的每一个元素且在[0,2π)之内服从均匀分布。

用这M个随机相位矢量分别与频域向量X_odd进行点乘(要保证相乘后的矢量仍然满足Hermition对称)，则可以得到M个不同的输出序列

$\begin{array}{c}{X}_{odd}^{\left(\mathrm{\&mu;}\right)}=({X_0}^{\left(\mathrm{\&mu;}\right)},{X_1}^{\left(\mathrm{\&mu;}\right)},...,{X_{N-1}}^{\left(\mathrm{\&mu;}\right)})\\ =<X_{odd}\&CenterDot;P^u>\\ =(X_0{P_0}^{\left(\mathrm{\&mu;}\right)},X_1{P_1}^{\left(\mathrm{\&mu;}\right)},...,X_{N-1}{P_{N-1}}^{\left(\mathrm{\&mu;}\right)})\end{array}$

对所得到的M个不同的输出序列分别实施IFFT计算，相应得到M个不同的输出序列从这M个时域信号序列内选择PAPR性能最好的用于传输，即

$x_{odd}=\underset{\mathrm{\&mu;}}{\arg \min }\left\{x_{odd}^{\mathrm{\&mu;}}\right\}$

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，然后时域信号x_even要添加一个适当的直流偏置B_DC，添加直流偏置B_DC后的时域信号通过限幅得到时域信号x_DCO；

将ACO-OFDM信号支路上的时域信号x_ACO和DCO-OFDM信号支路上的时域信号x_DCO相加得到时域信号x；

时域信号x添加循环前缀，进行并串转换后送入CT变换模块，CT变换可以采用如下公式来描述

${x^{\&prime;}}_{n,k}=CT\&lsqb;x_{n,k}\&rsqb;=\frac{V\&times;x_{n,k}}{ln(1+\mathrm{\&mu;})\&times;\left|x_{n,k}\right|}\&times;ln\&lsqb;1+\frac{\mathrm{\&mu;}}{V}\&times;\left|x_{n,k}\right|\&rsqb;$

其中，x_n,k表示经压缩扩展变换的第n个ADO-OFDM符号中的第k个采样值，V表示n个ADO-OFDM符号的平均值，μ为压缩扩展因子；

经过CT变换后的时域信号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，经过模数转换后送入CT逆变换模块中，对接收信号进行CT逆变换

$y_{n,k}^{\&prime;}={\mathrm{CT}}^{-1}\&lsqb;r_{n,k}\&rsqb;=\frac{V^{\&prime;}\&times;r_{n,k}}{\mathrm{\&mu;}\&times;\left|r_{n,k}\right|}\&times;\{\exp \&lsqb;\frac{\left|r_{n,k}\right|\&times;ln(1+\mathrm{\&mu;})}{V^{\&prime;}}\&rsqb;-1\}$

其中，V'表示接收信号r_n,k的平均幅值；

将经过CT逆变换后的信号进行去除循环前缀和串并转换，再经过FFT变换得到频域向量Y；

频域向量Y进入两个分离的路径，一路是解调ACO-OFDM信号，另一路是解调DCO-OFDM信号；

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，从而解调出ACO-OFDM信号；

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，经过IFFT变换计算出估计值y_aco，然后从y中减去y_aco，即能解调出DCO-OFDM信号。

本发明主要包括：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；

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

$X=\&lsqb;0,X_1,X_2...X_{\frac{N}{2}-1},0,X_{\frac{N}{2}-1}^{*},...,X_2^{*},X_1^{*}\&rsqb;$

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。

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SLM方法时，需要在两个并行的模块中同时插入SLM模块。下面仅以ACO-OFDM信号产生模块中SLM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。

定义M个不同的随机相位矢量P^(u)＝(P₀ ^(μ),P₁ ^(μ),...,P_N-1 ^(μ))，μ＝1,2,...,M，每一个相位矢量的长度为N，相位矢量P^(u)中的每一个元素且在[0,2π)之内服从均匀分布。

用这M个随机相位矢量分别与频域向量X_odd进行点乘(要保证相乘后的矢量仍然满足Hermition对称)，则可以得到M个不同的输出序列

$\begin{array}{c}{X}_{odd}^{\left(\mathrm{\&mu;}\right)}=(X_0^{\left(\mathrm{\&mu;}\right)},X_1^{\left(\mathrm{\&mu;}\right)},...,{X_{N-1}}^{\left(\mathrm{\&mu;}\right)})\\ =<X_{odd}\&CenterDot;P^u>\\ =(X_0{P}_0^{\left(\mathrm{\&mu;}\right)},X_1{P}_1^{\left(\mathrm{\&mu;}\right)},...,X_{N-1}{P_{N-1}}^{\left(\mathrm{\&mu;}\right)})\end{array}$

对所得到的M个不同的输出序列分别实施IFFT计算，相应得到M个不同的输出序列从这M个时域信号序列内选择PAPR性能最好的用于传输，即

$x_{odd}=\underset{\mathrm{\&mu;}}{\arg \min }\left\{x_{odd}^{\mathrm{\&mu;}}\right\}$

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，然后时域信号x_even要添加一个适当的直流偏置B_DC，添加直流偏置B_DC后的时域信号通过限幅得到时域信号x_DCO；

将ACO-OFDM信号支路上的时域信号x_ACO和DCO-OFDM信号支路上的时域信号x_DCO相加得到时域信号x；

时域信号x添加循环前缀，进行并串转换后送入CT变换模块，CT变换可以采用如下公式来描述

${x^{\&prime;}}_{n,k}=CT\&lsqb;x_{n,k}\&rsqb;=\frac{V\&times;x_{n,k}}{ln(1+\mathrm{\&mu;})\&times;\left|x_{n,k}\right|}\&times;ln\&lsqb;1+\frac{\mathrm{\&mu;}}{V}\&times;\left|x_{n,k}\right|\&rsqb;$

其中，x_n,k表示经压缩扩展变换的第n个ADO-OFDM符号中的第k个采样值，V表示n个ADO-OFDM符号的平均值，μ为压缩扩展因子；

经过CT变换后的时域信号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，经过模数转换后送入CT逆变换模块中，对接收信号进行CT逆变换

$y_{n,k}^{\&prime;}={\mathrm{CT}}^{-1}\&lsqb;r_{n,k}\&rsqb;=\frac{V^{\&prime;}\&times;r_{n,k}}{\mathrm{\&mu;}\&times;\left|r_{n,k}\right|}\&times;\{\exp \&lsqb;\frac{\left|r_{n,k}\right|\&times;ln(1+\mathrm{\&mu;})}{V^{\&prime;}}\&rsqb;-1\}$

其中，V'表示接收信号r_n,k的平均幅值；

将经过CT逆变换后的信号进行去除循环前缀和串并转换，再经过FFT变换得到频域向量Y；

频域向量Y进入两个分离的路径，一路是解调ACO-OFDM信号，另一路是解调DCO-OFDM信号；

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，从而解调出ACO-OFDM信号；

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，经过IFFT变换计算出估计值y_aco，然后从y中减去y_aco，即能解调出DCO-OFDM信号。

Claims (2)

1.一种基于选择性映射和压扩变换的ADO-OFDM系统峰均比抑制方法，其特征在于：在发送端，对输入的信息序列进行串并变换及映射，并使生成的信息向量X具有Hermitian对称；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，分别送入ACO-OFDM和DCO-OFDM信号生成模块；在ACO-OFDM和DCO-OFDM信号生成模块中分别嵌入选择性映射模块；在ACO-OFDM信号路径中，经过选择性映射模块变换得到时域信号x_odd，经过限幅得到信号x_ACO；在DCO-OFDM信号路径中，经过相同变换得到时域信号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，添加循环前缀和进行并串转换，对时域信号进行CT变换，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，进行CT逆变换，经过去除循环前缀和串并转换，经过FFT变换得到频域向量Y；直接从Y中提取出频域向量Y中的奇载波Y_odd的奇数子载波上发送的数据Y_odd；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。

2.根据权利要求1所述的一种基于选择性映射和压扩变换的ADO-OFDM系统峰均比抑制方法，其特征在于：

所述在ACO-OFDM信号生成模块中分别嵌入选择性映射模块，具体包括：

(1.1)定义M个不同的随机相位矢量P^(u)＝(P₀ ^(μ),P₁ ^(μ),...,P_N-1 ^(μ))，μ＝1,2,...,M，每一个相位矢量的长度为N，相位矢量P^(u)中的每一个元素且在[0,2π)之内服从均匀分布；

(1.2)用M个随机相位矢量分别与频域向量X_odd进行点乘，保证相乘后的矢量仍然满足Hermition对称，得到M个不同的输出序列

$\begin{array}{c}{X}_{odd}^{\left(\mathrm{\&mu;}\right)}=({X_0}^{\left(\mathrm{\&mu;}\right)},{X_1}^{\left(\mathrm{\&mu;}\right)},...,{X_{N-1}}^{\left(\mathrm{\&mu;}\right)})\\ =<X_{odd}\&CenterDot;P^u>\\ =(X_0{P_0}^{\left(\mathrm{\&mu;}\right)},X_1{P_1}^{\left(\mathrm{\&mu;}\right)},\mathrm{...},X_{N-1}{P_{N-1}}^{\left(\mathrm{\&mu;}\right)})\end{array};$

(1.3)对所得到的M个不同的输出序列分别实施IFFT计算，相应得到M个不同的输出序列从这M个时域信号序列内选择PAPR性能最好的用于传输，即

$x_{odd}=\underset{\mathrm{\&mu;}}{\arg \min }\left\{x_{odd}^{\mathrm{\&mu;}}\right\}$

在ACO-OFDM和DCO-OFDM合成信号x路径上，嵌入压扩变换方法：

(2.1)时域信号x进入CT变换模块，CT变换采用如下公式来描述

${x^{\&prime;}}_{n,k}=CT\&lsqb;x_{n,k}\&rsqb;=\frac{V\&times;x_{n,k}}{ln(1+\mathrm{\&mu;})\&times;\left|x_{n,k}\right|}\&times;ln\&lsqb;1+\frac{\mathrm{\&mu;}}{V}\&times;\left|x_{n,k}\right|\&rsqb;;$

(2.2)在接收端，光接收机将接收到的光信号转化成电信号，经过模数转换后送入CT逆变换模块中，对接收信号进行CT逆变换

$y_{n,k}^{\&prime;}={\mathrm{CT}}^{-1}\&lsqb;r_{n,k}\&rsqb;=\frac{V^{\&prime;}\&times;r_{n,k}}{\mathrm{\&mu;}\&times;\left|r_{n,k}\right|}\&times;\{\exp \&lsqb;\frac{\left|r_{n,k}\right|\&times;ln(1+\mathrm{\&mu;})}{V^{\&prime;}}\&rsqb;-1\}.$