CN106899343A - 一种评估Flip‑OFDM可见光通信系统信号峰均比的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种评估Flip‑OFDM可见光通信系统信号峰均比的方法，本发明所得出的峰均比具有高度准确性，通过系统仿真与本发明得到的理论计算值相校验，本发明得到的理论计算值在子载波数目足够大时具有相当高的准确性；本发明得出的削波后信号的峰均比值具有简单易算性，对于子载波数目足够大的Flip‑OFDM，只要知道OFDM调制后时域信号的功率和削波的上下界，即可快速得出削波后信号的峰均比，而无需实际硬件测量。

Description

一种评估Flip-OFDM可见光通信系统信号峰均比的方法

技术领域

本发明涉及无线光通信技术领域，尤其是一种评估Flip-OFDM可见光通信系统信号峰均比的方法。

背景技术

LED灯具有使用寿命长、节能、发光效率高等诸多优点，被广泛地用于室内照明，未来会逐步取代传统的荧光灯和白炽灯等，成为主流的室内照明器件。近来研究表明，LED器件在照明的同时，也可以进行高速的数字通信，且基于LED的室内可见光通信系统具有成本低、传输速率高、保密性好等优点，因此，被认为是一种重要的室内无线通信技术。室内可见光通信与现有的无线电通信相比，具有绿色环保，没有电磁辐射，频谱资源丰富等优势，此外，室内可见光通信特别适合应用在一些无线电设备禁止使用的场合，如飞机、医院等。

不同于传统的无线射频通信系统，在可见光通信系统中普遍采用的是强度调制直接检测技术，这是因为在可见光通信系统中，普遍采用的是发光强度来携带信息，而LED的发光强度只能是非负实数，因此不能像在传统射频领域一样采用复数信号。因此在可见光通信系统中所要传输的信号都将经历由电信号转化为光信号的过程，即信源处信号转化为非负电信号来驱动LED。为了解决多径效应引起的码间干扰问题，正交频分复用技术在传统射频通信系统中早已被深入研究并广泛采用，该技术有着一些独特的优点，例如：频谱利用率高，抗频率选择性衰落，抗码间干扰，调制解调简单并且易于实现，接收端无需复杂均衡技术等优点。正因如此，正交频分复用技术也被广泛的应用到室内可见光通信系统中。但不同于传统射频通信领域的OFDM技术，采用强度调制直接检测技术的可见光通信技术中需要对信号进行削波处理，而一种常用的OFDM即为Flip-OFDM。OFDM技术中的一大难点即发射信号峰均比过大的问题在Flip-OFDM中仍存在，因此在Flip-OFDM技术中研究削波对峰均比的影响具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种评估Flip-OFDM可见光通信系统信号峰均比的方法，能够快速得出削波后信号的峰均比，而无需实际硬件测量。

为解决上述技术问题，本发明提供一种评估Flip-OFDM可见光通信系统信号峰均比的方法，包括如下步骤：

(1)根据子载波数为N的Flip-OFDM的系统结构，算出快速傅里叶反变换输出的时域信号

(2)由于频域信号S_k是零均值且是独立同分布的，根据中心极限定理，当子载波数目N足够多时，将经过快速傅里叶反变换得到的时域信号s_n近似为服从零均值方差为的高斯分布，即

(3)将s_n过零削波分为正数部分和负数部分即其中，

(4)然后这两部分分别用两组帧来传输，正数部分的帧直接传输，即负数部分的帧延时一帧时间再取反传输,即定义相继传输的两帧为一拓展帧

(5)对拓展后的帧进行上削波，上削波削波边界为B_U，

定义进行规范化处理后上边界为：

(6)由此可以得到削波后扩展帧s_clip,n的概率密度函数为：

(7)由概率密度函数可以得到削波后信号的平均功率为：

其中，c(l,u)是功率因子，c(l,u)＝(l²-1)Φ(l)-(u²-1)Φ(u)+u²+lg(l)-ug(u).；(8)当子载波数目足够多，频域符号是QAM调制而来时，同一OFDM符号各个子载波上的信号是相互独立的，因此由峰均比的定义式：

可以推出上削波后的Flip-OFDM符号的峰均比的互补累积分布函数为：

其中，θ_U＝u²/c(l,u)。

本发明的有益效果为：本发明所得出的峰均比具有高度准确性，通过系统仿真与本发明得到的理论计算值相校验，本发明得到的理论计算值在子载波数目足够大时具有相当高的准确性；本发明得出的削波后信号的峰均比值具有简单易算性，对于子载波数目足够大的Flip-OFDM，只要知道OFDM调制后时域信号的功率和削波的上下界，即可快速得出削波后信号的峰均比，而无需实际硬件测量。

附图说明

图1为本发明的方法流程示意图。

图2为本发明基于Flip-OFDM室内可见光通信系统发射端示意图。

图3为本发明的Flip-OFDM中上削波后的最大峰均比与规范化后上削波边界的关系示意图。

图4为本发明的不同子载波数目下本发明得到的峰均比分布置理论值和实际仿真值示意图。

图5为本发明在1024子载波时Flip-OFDM在各种情况下的峰均比分布曲线示意图。

具体实施方式

如图1和2所示，一串高速并行的比特流经过串并转多路并行的低速数据流，然后并行低速的数据流通过正交幅度调制映射成一个个星座点。假设共有N个子载波并且第k个子载波上的符号为S_k。为了能在快速傅里叶反变换(IFFT)处理后的时域获得实信号，频域的各个信号间需满足共轭对称性，即

其中，第0和第个子载波设为0，即S₀＝S_N/2＝0。因此，Flip-OFDM的频域帧结构如时域信号s_n可由频域信号表示为

其中，n＝0,…,N-1，Re{·}为取实部函数。由于在可见光通信中采用的都是强度调制的方法来驱动LED，因此发送端的信号s_n不仅仅需要是实数，更且应该是非负数。所以在Flip-OFDM中采用的通常是对s_n进行过零削波，将s_n分为正数部分和负数部分，即其中，

然后这两部分分别用两组帧来传输，正数部分的帧直接传输，即负数部分的帧延时一帧时间再取反传输,即定义相继传输的两帧为一拓展帧由于为非负实数，因此只需要采取适当的上削波即可：

其中，B_U削波上届通常是出于LED线性工作区间以及光照功率限制的考量，越小的B_U意味着信号削掉的越多。削波后的信号s_clip,n随后经过数模转化(DAC)变成连续的时域信号s_clip(t)，由于该信号已经是非负的，所以可以用来驱动LED。

图3所示为上削波后最大峰均比关于u的分布。可以看到有上削波的Flip-OFDM本身是存在过零的下削波的，因此其削波后峰均比存在最大值，而这个最大峰均比的值是u的单调增函数，即削的越多(u越小)，剩余信号的最大峰均比越小。

图4为不同子载波数目下本方法计算得到的峰均比分布评估值和实际仿真值。可以看到子载波数目较小(128子载波)时本方法计算出来的峰均比分布与实际仿真出来的分布具有微小差异，而当子载波数目足够多时，本方法计算出的峰均比分布能很好的吻合实际仿真的系统。

图5是在1024子载波时Flip-OFDM在各种情况下的峰均比的互补累积分布函数曲线。作为比较，同时给出了相同条件下未采取削波的信号的CCDF曲线。可以看到对Flip-OFDM信号进行上削波后其峰均比存在一个最大上界值，该最大峰均比值与规范化上削波程度u是单调递增的，即削的越多(u越小)，最大峰均比值越小。而仔细观察可以得到，就某一特定的峰均比而言，其规范上削波程度参数u越小，其互补累积分布函数值越大，这就体现了削波的双重作用。

尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本发明的权利要求所限定的范围，可以对本发明进行各种变化和修改。

Claims (1)

1.一种评估Flip-OFDM可见光通信系统信号峰均比的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)根据子载波数为N的Flip-OFDM的系统结构，算出快速傅里叶反变换输出的时域信号

$s_n=\frac{2}{\sqrt{N}}\underset{k=1}{\overset{\frac{N}{2}-1}{\Σ}}\mathrm{Re}\left\{S_k{e}^{j\frac{2\mathrm{\π}kn}{N}}\right\};$

(2)由于频域信号S_k是零均值且是独立同分布的，根据中心极限定理，当子载波数目N足够多时，将经过快速傅里叶反变换得到的时域信号s_n近似为服从零均值方差为的高斯分布，即

(3)将s_n过零削波分为正数部分和负数部分即其中，

(4)然后这两部分分别用两组帧来传输，正数部分的帧直接传输，即负数部分的帧延时一帧时间再取反传输,即定义相继传输的两帧为一拓展帧

(5)对拓展后的帧进行上削波，上削波削波边界为B_U，

$s_{clip,n}=Clip\&lsqb;{\stackrel{\&OverBar;}{s}}_n\&rsqb;=\left\{\begin{array}{cc}{B}_U,& {\stackrel{\&OverBar;}{s}}_n\&GreaterEqual;B_U\\ {\stackrel{\&OverBar;}{s}}_n,& {\stackrel{\&OverBar;}{s}}_n<B_U\end{array}\right.,$

定义进行规范化处理后上边界为：

(6)由此可以得到削波后扩展帧s_clip,n的概率密度函数为：

$f_{flip}\left(w\right)=\frac{1}{2}\mathrm{\&delta;}\left(w\right)+\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&sigma;}}_s}{e}^{-\frac{w^2}{2{\mathrm{\&sigma;}}_s^2}}\&lsqb;u\left(w\right)-u(w-B_U)\&rsqb;+\&lsqb;1-\mathrm{\&Phi;}\left(u\right)\&rsqb;\mathrm{\&delta;}(w-B_U);$

(7)由概率密度函数可以得到削波后信号的平均功率为：

$P_{flip}={\mathrm{\&sigma;}}_s^{2}c(0,u)$

其中，c(l,u)是功率因子，c(l,u)＝(l²-1)Φ(l)-(u²-1)Φ(u)+u²+lg(l)-ug(u).；(8)当子载波数目足够多，频域符号是QAM调制而来时，同一OFDM符号各个子载波上的信号是相互独立的，因此由峰均比的定义式：

$PAPR=\frac{\underset{0\&le;n\&le;2N-1}{max}|s_{clip,n}{|}^2}{E\&lsqb;|s_{clip,n}{|}^2\&rsqb;}$

可以推出上削波后的Flip-OFDM符号的峰均比的互补累积分布函数为：

$F_{flip}\left(x\right)=P(PAPR>x)=\left\{\begin{array}{cc}1-{\&lsqb;2\mathrm{\&Phi;}\left(\sqrt{c(0,u)x}\right)-1\&rsqb;}^N,& 0\&le;x<{\mathrm{\&theta;}}_{0,U}\\ 0,& x\&GreaterEqual;{\mathrm{\&theta;}}_{0,U}\end{array}\right.$

其中，θ_U＝u²/c(l,u)。