CN107395274B - 一种dco-ofdm可见光通信传输系统的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种DCO‑OFDM可见光通信传输系统的实现方法。本发明在采用DCO‑OFDM系统新型传输方案的基础上，通过求解优化问题，给出了信号转换形式函数中的斜率和直流点参数的最优取值，再根据最优取值建立传输系统。本发明中给出所有变量的初始点和初始罚因子，然后求解线性约束问题，利用最速下降法得到极大值点，经过几次迭代计算之后最终得到优化问题的最优取值。与现有技术相比，本发明更具有理论完整性，并提出了复杂度较低的实现方案。

Description

一种DCO-OFDM可见光通信传输系统的实现方法

技术领域

本发明涉及可见光通信技术领域，尤其涉及一种DCO-OFDM可见光通信传输系统的实现方法。

背景技术

因为可见光通信系统采用强度调制，只能传输实非负信号，因此传统的OFDM需要做出调整才可以应用到可见光通信系统中。在可见光通信系统中，光正交频分复用(O-OFDM)方案拥有很高的传输速率和高性价比的均衡，因此成为了可见光通信高速通信中很好的调制方案。很多光OFDM方案已经被提出了，如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)。

DCO-OFDM方案在1996年就被提出，当时是针对红外通信系统设计的，主要是为了解决在强度调制系统中使用多载波技术的问题。DCO-OFDM系统是通过添加直流偏置的方式把负值波形抬高，从而保证了信号的正实性，优点是结构简单，缺点是功率开销较大。虽然DCO-OFDM系统为了保证子载波共轭对称，会损失一半的频谱效率，但是只需要进行加直流偏置操作，就可以获得和其他方案相同的频谱效率，例如增强型单极性OFDM(eU-OFDM)、分层型ACO-OFDM。同时DCO-OFDM系统复杂度不高，因此被广泛使用。

可见光通信系统的功能通常包含照明和通信，因此在调光控制的场景下经常会出现相对较高或较低的亮度等级，也就是光功率等级。而对于DCO-OFDM来说，在很高或很低的光功率等级下，会产生严重的性能衰落，从而限制它的效率，因此需要对系统实现方案进行优化。

现有的方案中有一种同时传输ACO-OFDM信号和DCO-OFDM信号的系统，称为ADO-OFDM系统。也有将DCO-OFDM信号和PAM-DMT信号相结合的系统PDO-OFDM。这些系统的复杂度都比较高，求解难度较大，尤其是对于接收端而言。

发明内容

发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种DCO-OFDM可见光通信传输系统的实现方法，其通过求解优化问题，给出了信号转换形式函数中的斜率和直流点参数的最优取值。

技术方案：本发明所述的DCO-OFDM可见光通信传输系统的实现方法包括：

(1)建立DCO-OFDM可见光通信传输系统中发射端直流偏置前信号x(n)和接收端逆变换后信号y(n)之间的关系式为：

y(n)＝Kx(n)+z(n)

式中，K为衰减因子，Q(·)为高斯Q函数，I_L和I_H分别表示LED驱动电流的最小值和最大值，σ为时域OFDM信号的标准差，b′为直流点，a₁和a₂为斜率，且b′,a₁,a₂为未知参数,z(n)为包含AWGN和限幅噪声的总噪声，且和x(n)无关；

(2)建立y(n)的信噪比表达式为：

式中，G_B为带宽利用率因子，为噪声z(n)的方差，M为QAM调制阶数；

(3)建立优化目标函数为：

s.t.

E|x_t(n)|]＝η

a₁≥0；a₂≥0

I_H≥b′≥I_L

式中，η所需要的光功率，x_t(n)为x(n)经过直流偏置及限幅转换后得到的信号，且

(4)按照以下步骤求解步骤(3)的最优解：

A：给定斜率初始点b′⁽⁰⁾＝1，初始罚因子ξ₁＝20，放大系数c>1，允许误差ε>0，迭代次数k＝1；

B：以b′^(k-1)为初点，求解线性约束问题约束条件为a₁≥0；a₂≥0；I_H≥b′≥I_L，利用最速下降法求得极大值点为

C：令若f(a₁,a₂,b′)<ε，则停止计算，将b′^(k)作为a₁,a₂,b′的值；否则，令ξ_k+1＝cξ_k，置k＝k+1，并返回步骤B；

(5)根据求解得到的a₁,a₂,b′的值，建立DCO-OFDM可见光通信传输系统模型，其中，

式中，w(n)表示加性高斯白噪声。

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：本专利提出了一种基于DCO-OFDM可见光通信传输系统的实现方法，该方法在采用DCO-OFDM系统新型传输方案的基础上，通过求解优化问题，给出了信号转换形式函数中的斜率和直流点参数的最优取值，该方案的复杂度较低，易于实现，有效地提高了系统的BER性能。

附图说明

图1是本发明所适用的DCO-OFDM系统模型图；

图2是信号转换图；

图3是本发明实施例的BER性能图。

具体实施方式

一、技术问题

本实施例的场景如下，如图1所示，DCO-OFDM系统模型中，x(n)经过直流偏置及限幅转换成x_t(n)，信号转换的形式采用了分段函数的方式，其中斜率是自适应的，具体x_t(n)函数形式表示为

式中a₁和a₂为两个变化的斜率，b′为直流点。参数b′用来控制x_t(n)的光功率，而参数a₁和a₂可以用来降低限幅失真。信号转换图如图2所示。

x_t(n)的期望值需要满足光功率的限制

式中η为所需要的光功率，p(·)表示一个标准高斯随机变量的概率密度函数(PDF)，σ为时域OFDM信号的标准差。

在接收端，逆变换的输出表示为

式中w(n)表示AWGN。当a₁和a₂两个斜率值太小的时候，会极大地扩大系统的AWGN。同时，当斜率过大时，分段函数也会产生严重的限幅噪声。于是，我们需要对EDCO-OFDM系统的性能进行分析，获取最优的参数a₁，a₂和b′，从而平衡AWGN和限幅噪声。

二、技术方案

针对以上问题，本实施例提供的DCO-OFDM可见光通信传输系统的实现方法包括以下步骤：

(1)建立DCO-OFDM可见光通信传输系统中发射端直流偏置前信号x(n)和接收端逆变换后信号y(n)之间的关系式为：

y(n)＝Kx(n)+z(n) (4)

式中，K为衰减因子，Q(·)为高斯Q函数，I_L和I_H分别表示LED驱动电流的最小值和最大值，σ为时域OFDM信号的标准差，b′为直流点，a₁和a₂为斜率，且b′,a₁,a₂为未知参数,z(n)为包含AWGN和限幅噪声的总噪声，且和x(n)无关。

其中，K的表达式获取步骤为：

衰减因子的定义为

将y(n)表示成与x(n)相关的函数为

结合式(5)和式(6)，可以得到衰减因子K的表达式。

(2)建立y(n)的信噪比表达式为：

式中，M为QAM调制阶数，为噪声z(n)的方差，且

G_B为带宽利用率因子，因为第0个子载波和第N/2-1个子载波不携带任何信息，所以G_B＝(N-2)/N。那么，M-QAM调制的可见光OFDM系统理论的BER表达式为

(3)建立优化目标函数为：

(4)按照以下步骤求解步骤(3)的最优解：

A：给定斜率初始点b′⁽⁰⁾＝1，初始罚因子ξ₁＝20，放大系数c>1，允许误差ε>0，迭代次数k＝1；

B：以b′^(k-1)为初点，求解线性约束问题约束条件为a₁≥0；a₂≥0；I_H≥b′≥I_L，利用最速下降法求得极大值点为b′^(k)；

C：令若f(a₁,a₂,b′)<ε，则停止计算，将b′^(k)作为a₁,a₂,b′的值；否则，令ξ_k+1＝cξ_k，置k＝k+1，并返回步骤B；

(5)根据求解得到的a₁,a₂,b′的值，建立DCO-OFDM可见光通信传输系统模型。式中，w(n)表示加性高斯白噪声。

为了验证本实施例的性能，对其进行仿真验证，为了便于描述，首先对光功率(照明度)进行归一化处理为

采用的系统参数：在DCO-OFDM可见光通信系统中，调制方式为16QAM，FFT大小为512，有效子载波数为200，OFDM块数为1000，电流I_L～I_H为0～2。

在不同η_eq的取值情况下，仿真分析比较新型传输方案和原始DCO-OFDM方案的BER性能，结果如图3所示。可以发现，新型传输方案的性能总是要好于DCO-OFDM，这是因为它对于任意的η_eq和信噪比取值，总是在AWGN和限幅噪声之间达到最优的折中。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (1)

1.一种DCO-OFDM可见光通信传输系统的实现方法，其特征在于该方法包括：

(1)建立DCO-OFDM可见光通信传输系统中发射端直流偏置前信号x(n)和接收端逆变换后信号y(n)之间的关系式为：

y(n)＝Kx(n)+z(n)

式中，K为衰减因子，Q(·)为高斯Q函数，I_L和I_H分别表示LED驱动电流的最小值和最大值，σ为时域OFDM信号的标准差，b′为直流点，a₁和a₂为斜率，且b′,a₁,a₂为未知参数,z(n)为包含AWGN和限幅噪声的总噪声，且和x(n)无关；

(2)建立y(n)的信噪比表达式为：

式中，G_B为带宽利用率因子，为噪声z(n)的方差，M为QAM调制阶数；

(3)建立优化目标函数为：

s.t.

E[x_t(n)]＝η

a₁≥0；a₂≥0

I_H≥b′≥I_L

式中，η为所需要的光功率，x_t(n)为x(n)经过直流偏置及限幅转换后得到的信号，且

(4)按照以下步骤求解步骤(3)的最优解：

A：给定斜率初始点b′⁽⁰⁾＝1，初始罚因子ξ₁＝20，放大系数c>1，允许误差ε>0，迭代次数k＝1；

B：以b′^(k-1)为初点，求解线性约束问题约束条件为a₁≥0；a₂≥0；I_H≥b′≥I_L，利用最速下降法求得极大值点为b′^(k)；

C：令若f(a₁,a₂,b′)<ε，则停止计算，将b′^(k)作为a₁,a₂,b′的值；否则，令ξ_k+1＝cξ_k，置k＝k+1，并返回步骤B；

(5)根据求解得到的a₁,a₂,b′的值，建立DCO-OFDM可见光通信传输系统模型，其中，

式中，ω(n)表示加性高斯白噪声。