CN109561043B - 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):
Figure BDA0001939166080000021
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):
Figure BDA0001939166080000022
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:
Figure BDA0001939166080000023
其中,
Figure BDA0001939166080000024
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:
Figure BDA0001939166080000031
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:
Figure BDA0001939166080000032
其中,
Figure BDA0001939166080000041
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
Figure BDA0001939166080000042
2至63行的第k行、第n列元素由
Figure BDA0001939166080000043
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:
Figure BDA0001939166080000044
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
Figure BDA0001939166080000045
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:
Figure BDA0001939166080000051
在本实施例中,
Figure BDA0001939166080000052
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):
Figure FDA0001939166070000011
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):
Figure FDA0001939166070000012
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:
Figure FDA0001939166070000021
其中,
Figure FDA0001939166070000022
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:
Figure FDA0001939166070000023
其中,zmin和zmax分别为LED的下限电压和上限电压。
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