CN109561043A - 一种dco-ofdm系统中混合型峰均比抑制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种DCO‑OFDM系统中混合型峰均比抑制方法，结合了LED的非线性特性，对频域信号进行DCT变换以改变信号包络范围，再结合LED的动态范围对时域信号进行自适应缩放，大幅度的降低系统峰均比，而且降低了系统误码率。此外，本发明还具有实现简单，复杂度较低的特点。

Description

一种DCO-OFDM系统中混合型峰均比抑制方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种DCO-OFDM(直流偏置光正交频分复用)系统中混合型峰均比抑制方法。
背景技术
正交频分复用(OFDM)作为一种特殊的多载波调制技术，具有频谱利用率高，抗多径干扰能力强等优点，在可见光通信系统中得到了广泛的应用。可见光OFDM系统采用强度调制/直接检测(IM/DD)的调制方式，因此基带OFDM信号必须为实信号，且满足非负性。其中，直流偏置光正交频分复用(DCO-OFDM)系统由于通过添加直流偏置，并将信号仍然小于零的部分削去从而实现双极性到单极性的转换，其实现简单且频谱效率相对较高，因而成为光通信领域的一个研究热点。然而在DCO-OFDM通信系统中，其核心器件LED具有典型的非线性特性，其动态范围有限，而DCO-OFDM信号峰均比较高，当这些较大峰值的信号经过LED会产生严重的非线性失真，这将极大地影响系统的通信性能。
虽然有失真技术中的限幅、压缩扩展变换和峰值加窗等PAPR(峰均比)抑制方法，以及无失真技术中的选择性映射(SLM)、部分传输序列(PTS)和编码等PAPR抑制方法，在普通的可见光通信中极为常见。然而，这些方法却存在不足之处，如有失真技术PAPR抑制方法，是一种非线性操作，因此会产生信号畸变，导致系统误码率上升；如无失真技术PAPR抑制方法通过增加系统的计算复杂度来换取PAPR性能。最为重要的是，传统的PAPR抑制方法均没有考虑到DCO-OFDM中LED具有典型的非线性特性的问题。
发明内容
本发明所要解决的是在DCO-OFDM系统下，现有的峰均比抑制方法未考虑LED器件非线特性，而影响系统的通信性能的问题，提供一种DCO-OFDM系统中混合型峰均比抑制方法。
为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种DCO-OFDM系统中混合型峰均比抑制方法，具备包括如下步骤：
步骤1、将信源数据进行串并转换以及QAM调制后，得到N行M列的频域信号；
步骤2、生成一个N×N的DCT变换矩阵；
步骤3、将步骤2所生成的DCT变换矩阵与步骤1所得到的频域信号相乘，得到DCT变换后的频域信号；
步骤4、对DCT变换后的频域信号进行厄米特共轭对称，得到共轭对称后的频域信号；
步骤5、对共轭对称后的频域信号进行IFFT变换，得到时域信号，并对该时域信号进行并串转换及添加循环前缀，得到带循环前缀的串行时域信号x(n)；
步骤6、利用自适应缩放因子，对带循环前缀的串行时域信号x(n)进行自适应缩放，得到缩放后的时域信号xs(n)：
步骤7、对缩放后的时域信号xs(n)进行数模转换，得到模拟信号xs(t)；
步骤8、在LED的下限电压和上限电压之间选择一个直流偏置值xbias，并将该直流偏置值xbias加载到模拟信号xs(t)中，得到加直流偏置的模拟信号xb(t)：
xb(t)＝xs(t)+xbias
步骤9、对加直流偏置的模拟信号xb(t)进行限幅操作，得到待发送信号xc(t)：
步骤10、利用待发送信号xc(t)去驱动LED，将电信号形式的待发送信号xc(t)转换为光信号形式的待发送信号xc(t)，并经信道进行传输；
式中，β为自适应缩放因子，zmin和zmax分别为LED的下限电压和上限电压，xmin和xmax分别为带循环前缀的串行时域信号x(n)的最小幅值和最大幅值。
上述步骤2中，DCT变换矩阵P为：
其中，N为并行传输路数。
上述步骤5中，IFFT变换点数为2(N+1)，其中N为并行传输路数。
上述步骤5中，所添加的循环前缀的长度为(N+1)/2，其中N为并行传输路数。
上述步骤8中，直流偏置值xbias为：
其中，zmin和zmax分别为LED的下限电压和上限电压。
与现有技术相比，本发明结合了LED的非线性特性，对频域信号进行DCT变换以改变信号包络范围，再结合LED的动态范围对时域信号进行自适应缩放，大幅度的降低系统峰均比，而且降低了系统误码率。此外，本发明还具有实现简单，复杂度较低的特点。
附图说明
图1为一种DCO-OFDM系统中混合型峰均比抑制方法的原理示意图。
图2为子载波数为128，符号映射为16QAM的DCO-OFDM系统中应用DCT-S算法(即本发明)、单独应用自适应缩放法、单独应用DCT变换法时，CCDF曲线对比示意图。
图3为子载波数为128，符号映射为16QAM的DCO-OFDM系统中应用DCT-S算法(即本发明)、单独应用自适应缩放法、单独应用DCT变换法时，误码率曲线对比示意图。
图4为子载波数为128，符号映射为16QAM的DCO-OFDM系统中应用DCT-S算法(即本发明)与SLM算法时，两者的CCDF曲线对比示意图。
图5为子载波数为128，符号映射为16QAM的DCO-OFDM系统中应用DCT-S算法(即本发明)与SLM算法时，两者的误码率曲线对比示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
参见图1，一种DCO-OFDM系统中混合型峰均比抑制方法，其具体包括如下步骤：
步骤1、将信源数据进行串并转换以及QAM调制后，得到N行M列频域信号X1。其中并行传输路数为N，传输的符号数为M。
在本实施例中，设并行传输路数为63，传输的符号数为100，IFFT变换点数为L＝2(N+1)，将信源数据进行串并转换、16QAM调制后，得到63行100列频域信号X1。
步骤2、生成一个N×N的DCT变换矩阵P：
其中，
在本实施例中，生成一个63×63的DCT变换矩阵P，其中，第一行的63个元素为2至63行的第k行、第n列元素由得到。
步骤3、将矩阵P与频域信号X1相乘，得到数据X(k)。
步骤4、对数据X(k)进行厄米特共轭对称，当k＝1,2,...,L/2-1时，X(k)＝X(k)，当k＝L/2+1,...,L-1时，X(k)＝X*(L-k)，且X0＝X(L/2)＝0。
在本实施例中，当k＝1,2,...,63时，X(k)＝X(k)，当k＝65,66，...,127时，X(k)＝X*(128-k)，且X(0)＝X(64)＝0；
步骤5、对共轭对称后的频域信号进行L点IFFT变换，得到时域信号，再进行并串转换及添加长度为(N+1)/2的循环前缀。其中，IFFT变换点数为L＝2(N+1)。
在本实施例中，对厄米特共轭对称后的频域信号进行128点IFFT变换，得到时域信号x(n)，再进行并串转换以及添加32个循环前缀。
步骤6、根据设定的缩放因子，对待缩放的时域信号进行自适应缩放，得到缩放后的时域信号；其中缩放因子β为：
其中，[zmin,zmax]为LED动态电压范围，[xmin,xmax]为时域信号幅值范围。
由于LED具有非线性传输特性，其动态范围有限，为了使发送信号更好地适应这个范围，对时域信号进行自适应缩放。在本实施例中，设定LED动态电压范围为[2,5]，时域信号幅值范围为[xmin,xmax]，缩放因子可得缩放后的信号为xs(n)＝βx(n)。
步骤7、对缩放后的时域信号进行数模转换，并添加一个直流偏置值xbias，得到加直流偏置后的信号xb(t)＝xs(t)+xbias。
为了尽可能减小限幅失真，以达到最优的系统通信性能，需要选择一个最优的直流偏置值，通常设置为LED动态范围的中值，即，在本实施例中，xbias＝3.5。
步骤8、为了使发送信号在LED的动态范围(即电压上下限)之内，应对其进行限幅操作，限幅后得到最终的发送信号xc(t)由下式得到：
在本实施例中，
步骤9、利用最终的发送信号xc(t)驱动LED，将电信号转换为光信号经信道进行传输。
图2和图3为子载波数为128，符号映射为16QAM的DCO-OFDM系统中，应用DCT-S算法(即本发明)、单独应用自适应缩放法、单独应用DCT变换法时，CCDF曲线对比示意图以及误码率曲线对比示意图。其中，直流偏置大小设为LED动态范围的中值3.5。从图2可以看出，CCDF值为10-3时，采用DCT-S算法(即本发明)的DCO-OFDM系统的PAPR抑制效果最好，与原始DCO-OFDM系统相比，PAPR下降了3dB，且与仅采用DCT变换法的DCO-OFDM系统相比，PAPR下降了1dB。从图3中可以看出，仅采用DCT变换法的DCO-OFDM系统与原始DCO-OFDM系统的误码率曲线重合，说明DCT变换不改变系统误码率性能。而仅采用自适应缩放法的DCO-OFDM系统相比于原始DCO-OFDM系统，在信噪比相同的情况下，误码率更低。由于经过DCT变换后信号幅度有所降低，使得缩放因子会增大，即进行自适应缩放的幅度会变大，因此采用DCT-S算法(即本发明)的DCO-OFDM系统，在同一信噪比下，误码率最低。
图4和图5为子载波数为128，符号映射为16QAM的DCO-OFDM系统中，DCT-S算法(即本发明)和SLM算法的峰均比和误码率性能比较。从图4中可以看出，相比于采用分支数目M为2和4时的SLM算法，DCT-S算法(即本发明)的PAPR性能更好。从图5中可以看出，SLM算法不改变原始系统的误码率，而DCT-S算法(即本发明)可以大大降低系统误码率，提高系统性能。
本发明先对频域信号进行DCT变换，改变信号包络范围，另外，根据LED的非线性特性，结合其上下门限值，对IFFT变换后的时域信号大小进行自适应缩放，并添加合适的直接偏置。与现有的峰均比抑制方法比，本发明不仅实现简单，并且大幅降低了DCO-OFDM系统的峰均比，同时降低了误码率。
需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种DCO-OFDM系统中混合型峰均比抑制方法，其特征是，其具体包括步骤如下：
步骤1、将信源数据进行串并转换以及QAM调制后，得到N行M列的频域信号；
步骤2、生成一个N×N的DCT变换矩阵；
步骤3、将步骤2所生成的DCT变换矩阵与步骤1所得到的频域信号相乘，得到DCT变换后的频域信号；
步骤4、对DCT变换后的频域信号进行厄米特共轭对称，得到共轭对称后的频域信号；
步骤5、对共轭对称后的频域信号进行IFFT变换，得到时域信号，并对该时域信号进行并串转换及添加循环前缀，得到带循环前缀的串行时域信号x(n)；
步骤6、利用自适应缩放因子，对带循环前缀的串行时域信号x(n)进行自适应缩放，得到缩放后的时域信号xs(n)：
步骤7、对缩放后的时域信号xs(n)进行数模转换，得到模拟信号xs(t)；
步骤8、在LED的下限电压和上限电压之间选择一个直流偏置值xbias，并将该直流偏置值xbias加载到模拟信号xs(t)中，得到加直流偏置的模拟信号xb(t)：
xb(t)＝xs(t)+xbias
步骤9、对加直流偏置的模拟信号xb(t)进行限幅操作，得到待发送信号xc(t)：
步骤10、利用待发送信号xc(t)去驱动LED，将电信号形式的待发送信号xc(t)转换为光信号形式的待发送信号xc(t)，并经信道进行传输；
式中，β为自适应缩放因子，zmin和zmax分别为LED的下限电压和上限电压，xmin和xmax分别为带循环前缀的串行时域信号x(n)的最小幅值和最大幅值。
2.根据权利要求1所述的一种DCO-OFDM系统中混合型峰均比抑制方法，其特征是，步骤2中，DCT变换矩阵P为：
其中，N为并行传输路数。
3.根据权利要求1所述的一种DCO-OFDM系统中混合型峰均比抑制方法，其特征是，步骤5中，IFFT变换点数为2(N+1)，其中N为并行传输路数。
4.根据权利要求1所述的一种DCO-OFDM系统中混合型峰均比抑制方法，其特征是，步骤5中，所添加的循环前缀的长度为(N+1)/2，其中N为并行传输路数。
5.根据权利要求1所述的一种DCO-OFDM系统中混合型峰均比抑制方法，其特征是，步骤8中，直流偏置值xbias为：
其中，zmin和zmax分别为LED的下限电压和上限电压。
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