CN110492938B - 一种抑制led非线性失真对可见光通信性能影响的方法 - Google Patents

Abstract

一种抑制LED非线性失真对可见光通信性能影响的方法，主要步骤是：(1)调制符号序列映射，输出信号满足厄米特对称性；(2)对映射信号乘以尺度变化因子；(3)进行IFFT，然后对光OFDM符号限幅分解，得到幅度较小的多个分解符号；(4)分解符号串行组帧；(5)接收端依次串行接收一帧中的所有光OFDM符号，分别延迟至符号对齐；(6)对应位相加，合并为一个光OFDM符号。本发明易于调控光OFDM符号平均功率、同步容易、实现简单、易于部署。

Description

一种抑制LED非线性失真对可见光通信性能影响的方法

技术领域

本发明涉及抑制LED非线性失真对可见光通信性能影响的技术，尤其是涉及采用重复限幅法抑制LED非线性失真对可见光通信性能影响的方法。

背景技术

随着各种行业和移动通信的融合，特别是移动互联网和物联网的发展，为移动通信技术带来了新的挑战，到2020年的下一代(5G)无线通信，通信速率(峰值速率)将增大10倍，全球移动数据流量将达到2010年的500-1000倍。通常，提升无线通信系统容量的方法主要有三个方面：(1)使用新的频谱，从而获得更大的带宽；(2)设置更多基站，增加小区密度；(3)采用干扰消除技术，提高无线传输链路的频谱效率。通常，通过增加频谱资源来提高通信系统容量，往往是最直接、最有效的方法。

可见光通信(Visible Light Communication，VLC)是利用可见光(波长从380-780纳米)作为信息载体，在自由空间中直接传输光信号的通信方式。通过给普通照明发光二极管(light emitting diode，LED)加装调制电路，LED可发出肉眼感觉不到的高速明暗闪烁的、载荷信息的光信号。可见光通信具有诸多优点，比如：可同时实现照明和通信的双重功能；提供近乎无限的通信带宽；可保持较高的发射功率而不会对人体健康产生影响；VLC基于照明基础设施，具有良好的范在属性，还可潜在与电力线载波相结合，实现对照明设施的深度利用；VLC具有良好的保密性，在临近房间还可以实现同频复用。另外，VLC无电磁辐射，可应用于对电磁干扰敏感的区域，如医院、矿井和机场等。但应该注意到，作为一种无线光通信技术，VLC并不是要取代现有的射频通信方式，而是一种有益的补充。

LED是非相干光源，VLC一般采用强度调制直接检测(IM/DD)技术。光信号的强度包含信息，而相位信息丢失。光信号在室内自由空间传播时，可能经过不同反射物的反射后到达光电检测器(PD)，由于路径不同，必然存在光程差，在接收端解调时会引起多径效应。另外，大气随机信道引起的光色散效应会导致光脉冲在时间上延伸展宽。当系统传输的符号速率较大时，以上因素都可能造成符号间干扰(Inter-symbol interference，ISI)，恶化通信系统性能，限制通信容量的提高。

将正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技术应用于可见光通信系统中也可以有效地解决ISI和窄带干扰等问题，同时可以提高系统的频谱利用率。但是，光通信系统与传统的射频(RF)通信系统在传输信号格式等方面不同，不能简单的将传统RF通信OFDM技术直接应用于光无线通信系统。因此提出了多种光OFDM方式，包括直流偏置光OFDM(DCO-OFDM)，非对称限幅光OFDM(ACO-OFDM)等。

与射频系统类似，可见光通信系统同样存在非线性失真的问题。VLC系统包含很多非线性器件，包括驱动电路、数/模和模/数转换器、LED以及PD。另外，VLC采用IM/DD技术，对于电/光和光/电信号转换的非线性很敏感。由于可见光传输信道衰减严重，接收信号一般都小于PD的饱和值，因此PD发生非线性失真的概率很小。在这些非线性器件中，LED是产生非线性失真的主要来源，这是因为发光子与输入电流的幅值不成比例，并且载流子密度响应由频率决定，从而又给LED带来了记忆性问题。通常，当输入驱动信号大于开启电压(TOV)时，LED才能正常发光。同时，驱动信号要求小于饱和区所允许的最大输入，否则LED可能因为输入过大而烧毁，缩短了LED的寿命。

光OFDM技术仍然采用傅里叶变换(FFT/IFFT)，根据中心极限定理，当傅里叶变换长度较大时，光OFDM信号也服从高斯分布。因此，在采用光OFDM的可见光通信系统中，需要对输入到LED的信号进行限幅，使信号位于LED的线性工作区范围以内。限幅是非线性操作，会对信号产生非线性失真，同时引入限幅噪声，恶化系统误差矢量幅度(Error VectorMagnitude，EVM)和误码率(bit error rate，BER)性能。

目前学者们提出了多种抑制LED非线性特性对可见光通信系统影响的方法。

文献“Mesleh R,Elgala H,Haas H.LED nonlinearity mitigation techniquesin optical wireless OFDM communication systems[J].Optical Communications andNetworking,IEEE/OSA Journal of,2012,4(11):865-875”，利用单载波频分多址接入系统(SC-FDMA)具有较低峰均比(PAPR)的特性，提出建立光SC-FDMA系统，以减小LED非线性对系统的影响，并验证了光SC-FDMA-ACO比光ACO-OFDM系统的PAPR低的特点，以及SC-FDMA-ACO可以减小非线性失真的影响。同时，还提出采用重复信号限幅(iterative signalclipping，ISC)技术，将幅度超过LED动态范围的较大信号分解为若干个小信号之和，然后每个小信号经过不同的LED同时发射，这样保证了每个LED输入驱动信号都在LED的线性区范围内。文献“Mesleh R.LED clipping distortion compensation in optical wirelesscommunication via multiple transmit LEDs[J].Photonic Network Communications,2013,26(1):25-31”，进一步对ISC技术进行了研究。

文献“Li Y,Zhang X,Zheng Z.Analysis of Companding Reduction of PAPR inOptical Wireless OFDM System in the Presence of LED Nonlinearity[C].2015International Conference on Network and Information Systems forComputers,2015:22-25”，提出采用线性压缩扩张技术减小光OFDM信号的PAPR，进而降低LED非线性的影响。

文献“Qian H,Yao S J,Cai S Z,et al.Adaptive Post-distortion forNonlinear LEDs in Visible Light Communications[J].IEEE Photonics Journal,2014,6(4):1-8”，提出了自适应后均衡技术，利用Wiener模型描述有记忆LED的非线性影响，接收端用Hammerstein 模型作为其反特性。利用训练序列，估计模型参数。分析了DCO-OFDM系统均衡前后的EVM和BER性能。

文献“Yu Z,Baxley R J,Zhou G T.Dynamic range constrained clipping invisible light OFDM systems with brightness control[C].Global CommunicationCoference.IEEE,2013”，提出一种考虑亮度控制和闪烁抑制的重复限幅方法，从EVM和计算复杂性的角度来研究性能，并将EVM最小化问题表示为凸优化问题，并于重复限幅方法进行比较，证明此方法可有效降低LED非线性。

文献“Aggarwal P,Ahmad R,Bohara V A,et al.Adaptive predistortiontechnique for nonlinear LED with dimming control in VLC system[C].2017IEEEInternational Conference on Advanced Networks and Telecommunications Systems(ANTS),2017:1-6”，基于预畸变技术，提出了一种自适应学习系统(adaptive-learning-architecture，ALA)，其原理是根据LED的输入和输出信号，运用最小二乘(least squares，LS)估计LED的逆特性，并定期检测LED的特性是否变化，如果有变化且LED输入和输出信号的EVM达到了阈值，则更新预畸变模块的系数，分析了畸变前后DCO-OFDM系统的星座点和符号错误概率(SER)，证明了ALA方法的有效性。

文献“Kim J K,Hyun K,Park S K.Adaptive predistorter using NLMSalgorithm for nonlinear compensation in visible-light communication system[J].Electronics Letters,2014,50(20):1457-1459”，将LED的非线性模型用泰勒级数展开(Taylor series)，考虑LED特性随着温度、湿度等条件变化，提出了基于自适应归一化最小均方算法(NLMS)的预畸变技术。当LED特性变化时，预畸变模块的存储器(RAM)可以自适应更新，并比较了传统预畸变和自适应NLMS预均衡的BER性能。

文献“姚赛杰,徐浩煜,汪亮友,et al.LED记忆非线性自适应预失真技术研究[J].中国激光,2014,41(11):154-159”，考虑LED记忆非线性，提出在发送端增加一路反馈链路来获得LED的输出信号，同时使用记忆多项式来自适应训练并补偿LED的记忆非线性，仿真分析了预畸变前后系统的BER和EVM性能。

文献“戈立军,陶进.基于ΣΔ调制器的非线性可见光通信系统研究[J].光通信研究,2017,(2):12-14+61”，提出了基于一位ΣΔ调制器的非线性VLC系统，将多电平输入信号量化为只有两个电平的输出信号，因此不受LED非线性影响。

文献“张俊,张剑.降低可见光通信OFDM系统峰均比的非线性压扩变换研究[J].信息工程大学学报,2016,17(01):1-5”，提出了一种余弦分布的非线性压扩方法，以克服LED非线性对系统性能的影响。

文献“徐旭东.可见光通信中LED的非线性后失真补偿技术研究[J].微型机与应用,2017,36(22):78-82+90”，总结分析了Volterra判决反馈均衡、自适应后失真补偿和频域均衡三种后失真补偿算法，提出结合机器学习中的BP神经网络和支持向量机对非线性失真进行补偿。

文献“王灿,周盈军,迟楠.可见光通信中抗非线性方法的比较研究[J].中国照明电器,2017(7):9-15+26”，总结分析了不同抑制非线性失真的方法。

综合现有研究成果，抑制LED非线性的方法主要包括：在发送端预均衡、在接收端后均衡、压扩技术、单比特传输、重复信号限幅和一些降低PAPR的方法和系统。但是通常均衡技术需要复杂的算法和增加硬件设备。压扩技术降低了PAPR，但可能会放大噪声，造成BER性能变差。单比特传输的频带利用率较低。ISC在几乎不增加实现复杂度的条件下，可以减小系统非线性影响。但是需要多个LED同时发射多路信号，同步和硬件实现复杂。另外，当LED之间的距离较大时，接收端收到多路信号的信道差异较大，特别是在考虑散射信道时，那么解调恢复信号会引起较大误差，从而降低BER性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种抑制LED非线性失真对可见光通信性能影响的方法。

本发明是一种抑制LED非线性失真对可见光通信性能影响的方法，其步骤为：

发送端：

步骤1：信息序列输入调制器，输出调制符号序列；

步骤2：对调制符号序列映射，使输出矢量信号满足厄米特对称性；

步骤3：预尺度变化，对映射矢量信号乘以尺度变化因子；

步骤4：逆傅里叶变换，并串转换，输出串行双极性实数光OFDM符号；

步骤5：光OFDM符号分解；串行光OFDM符号输入到第一次限幅模块，将限幅后的光OFDM符号作为第一个分解符号；然后再求限幅前后光OFDM符号的差，并将差值作为第二次限幅模块的输入符号，将第二次限幅输出符号延迟时间T，作为第二个分解符号，T表示光OFDM符号周期；求第二次限幅前后符号的差，并将差值作为下一次限幅模块的输入符号；以此类推，直到第m次限幅，将限幅后的符号延迟时间(m-1)T，作为第m个分解符号，m表示光OFDM符号分解的次数；最后得到m个光OFDM分解符号；

步骤6：将光OFDM分解符号分别添加循环前缀，然后串行组成包含m个光OFDM分解符号的帧；

步骤7：数模转换，然后加直流偏置，得到非负的实数信号，最后输入到LED；

接收端：

步骤1：经过自由空间传输的光信号到达接收端，光电检测器转换光信号为电信号；

步骤2：模拟电信号经模数转换为数字信号；

步骤3：符号合并；依次串行接收一帧中的光OFDM分解符号，再拆分帧；并删除各个光OFDM分解符号的循环前缀；分别延迟至符号对齐；然后对应位相加，合并为一个光OFDM符号；

步骤4：串并转换，然后输入到傅里叶变换，输出频域信号；

步骤5：均衡补偿信道衰减，再提取包含信息的子载波信号，最后解调并输出恢复序列。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

(1)增加了预尺度变化因子，可调控光OFDM信号平均电信号功率。

在文献“Mesleh R.LED clipping distortion compensation in opticalwireless communication via multiple transmit LEDs[J].Photonic NetworkCommunications,2013,26(1):25-31”和“Mesleh R,Elgala H,Haas H.LED nonlinearitymitigation techniques in optical wireless OFDM communication systems[J].Optical Communications and Networking,IEEE/OSA Journal of,2012,4(11):865-875”，提出的重复信号限幅(ISC)系统没有预尺度变化模块。在研究光OFDM信号平均电信号功率与误码率之间的关系时，平均电信号功率不易调控。通常，逆傅里叶变换输出的是均值为零的高斯分布信号，其方差由输入信号决定，引入预尺度变化因子可以预先设定时域信号方差，也就是可以预先设定光OFDM平均电信号功率，使研究光OFDM平均电信号功率与误码率之间的关系时更加容易。

另外，LED发射光功率与直流偏置以及光OFDM平均电信号功率相关，通过引入预尺度变化因子可以调控LED的发光功率，达到调光的目的。

(2)仅需要单LED发射信号，硬件实现简单，同步要求降低，易于部署。

在传统重复信号限幅(ISC)系统中，将光OFDM符号分解为多个幅度较小的符号，保证每个分解符号在LED的线性工作区范围之内，然后多个符号输入到多个LED同时发送，接收端PD检测多个LED发送的光信号，然后转变为电信号。因此收发端对同步的要求比较高，同时硬件实现复杂。

本发明将光OFDM符号分解为多个幅度较小的光OFDM符号，然后把它们组成帧，串行输入到单个LED发射。仅需要单个LED作为发射器，所以同步要求降低，硬件实现容易，故易于部署。

(3)避免了多个LED发送时信道增益不同而导致的性能变差。

在传统重复信号限幅(ISC)系统中，光电检测器接收由不同LED发送的光信号，并转换为电信号，然后解调信息。这里假设多个LED之间的距离较小，多个LED到光电检测器的信道增益相同。但实际安装照明用LED时，空间距离通常较大。另一方面，考虑漫射信道时，即使多个LED之间距离较小，也可能会导致多路光信号的信道增益差异较大。

本发明将光OFDM分解符号组成帧，然后串行输入到单个LED发射。假设帧周期内信道增益不变。将帧周期内接收到的多个分解符号求和，然后解调信息。不需要考虑信道差异的问题。进一步，本发明在漫射信道环境下的误码率性能会更好。

本发明得到了国家自然科学基金(61461026，61841107)和甘肃省自然科学基金(18JR3RA153)项目的资助。

附图说明

图1是本发明发送端原理图，图2是本发明光OFDM分解符号组帧结构图，图3是本发明接收端原理图，图4是本发明发送端ACO-OFDM符号分解图，图5是本发明发送端DCO-OFDM符号分解图，图6是本发明高斯信道下4QAM调制ACO-OFDM系统误比特率分析图，图7是本发明高斯信道下4QAM调制DCO-OFDM系统误比特率分析图，图8是本发明高斯信道下16QAM调制ACO-OFDM系统误比特率分析图，图9是本发明高斯信道下16QAM调制DCO-OFDM系统误比特率分析图。

具体实施方式

如图1所示，本发明是一种抑制LED非线性失真对可见光通信性能影响的方法，发送端的具体实施方式为：

(1)对输入的二进制信息序列进行正交振幅调制(Quadrature AmplitudeModulation，QAM)。采用格雷码，将长度为log₂(M)的二进制比特序列映射到矩形分布的星座点，M表示调制阶数，X表示平均功率归一化的调制符号序列。

(2)VLC系统一般采用强度调制直接检测(IM/DD)技术，要求传输信号是单极性的正实数信号。根据傅里叶变换性质，输入到逆傅里叶变换(IDFT)的信号满足厄米特(Hermitian)对称性，即就是输入信号的后半部分等于前半部分的共轭镜像，变换输出实数信号。因此，对调制符号进行映射(Mapping)操作。

ACO-OFDM仅使用奇数子载波，偶数子载波全部为0。映射信号为：

其中，N表示映射矢量长度，(·)^*表示矩阵共轭运算，(·)^T表示矩阵的转置。

DCO-OFDM映射信号为：

(3)对信号X_mapping进行逆傅里叶变换，输出是一个双极性的实数信号x_IFFT。根据中心极限定理(Central Limit Theorem，CLT)，当逆傅里叶变换长度N较大时，信号x_IFFT满足均值为零、方差为σ₀ ²的高斯分布，逆傅里叶变换输入信号决定σ₀ ²的大小。

为了研究OFDM平均电信号功率与误码率之间的关系，以及便于对LED发光功率进行调节。引入预尺度变换，通过调控变换因子达到调控平均电信号功率和光功率的目的。

预尺度变换信号表示为：

X_scaled(n)＝αX_mapping(n)

其中，α是变换因子，n＝0,1,···,N-1。

根据归一化离散傅里叶变换的输入和输出信号具有相等的平均总功率，即

其中E(·)表示求数学期望，k＝0,1,···,N-1。可以得到预尺度变换因子为：

特别地，当傅里叶变换的长度N较大时(N≥64)，预尺度变换因子的均值可以简化为

方差为

其中

为频带利用率。根据映射信号结构，ACO-OFDM系统的

DCO-OFDM系统的

携带信息的子载波平均电符号功率可以表示为：

其中P_b,elec为平均电比特功率。

(4)对预尺度变换矢量信号X_scaled进行逆傅里叶变换，本发明采用逆快速傅里叶变换(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)实现，输出时域信号表示为：

x_IFFT＝F^HX_scaled＝αF^HX_mapping

其中，(·)^H表示矩阵共轭转置运算，F表示N×N的归一化的离散傅里叶变换矩阵，

其中，

由于X_scaled具有厄米特对称性，所以x_IFFT是双极性实数信号。在ACO-OFDM系统，时域信号x_IFFT满足反对称性，即有：

其中，k＝0,1,···,N/2-1。可以直接删除X_scaled中的所有负数信号，而原始信息不丢失。

(5)对IFFT变换输出的并行信号并串转换，输出信号

然后进行符号分解。

IFFT输出具有高斯分布的双极性实数信号，信号的幅度可能很大或者很小。通常LED有一个开启电压和最大允许电压，当输入驱动信号大于开启电压时LED才发光，但是也不能大于最大允许电压，否则会缩短LED的寿命，甚至因过热而烧毁。假设LED的驱动信号在开启电压和最大允许输入之间满足线性工作特性。

符号分解的目的就是把时域信号分解为幅度在所允许范围内的多个符号，使分解得到的多个符号之和等于分解前的符号，这样可以减小因信号过大或过小而引起的非线性失真。这里的符号是指IFFT输出的N个离散变量组成的时域信号矢量

T表示一个光OFDM符号的周期。

通常LED正常工作，特别是在室内为了满足照明的需要，在LED驱动电路中要加直流偏置信号，用B_DC表示。直流偏置信号和调制信号一起驱动LED发光。那么，调制信号的动态范围就会受到直流偏置和LED线性区范围的制约。假设LED处于线性工作区时，允许输入驱动信号的动态范围为I_min到I_max。调制信号允许的动态范围为ε_top到ε_bottom，即就是对时域信号

限幅分解的上、下边门限为ε_top和ε_bottom。

对于给定的LED，直流偏置B_DC的大小会影响到限幅分解门限值ε_top和ε_bottom。ACO-OFDM信号有非负性，当直流偏置较小时，即B_DC＜I_min，信号被下边带限幅，限幅门限为ε_botttom＝I_min-B_DC。相反，当B_DC≥I_min时，则不需要下边带限幅。所以，下边带限幅门限表示为ε_bottom＝max(I_min-B_DC,0)，其中max(·)表示取最大值函数。假设上边带限幅门限总是大于下边带限幅门限，上边带限幅门限为ε_top＝I_max-B_DC。DCO-OFDM信号是双极性实数信号，无论直流偏置的大小，下边带限幅门限为ε_bottom＝I_min-B_DC，上边带限幅门限为ε_top＝I_max-B_DC。

确定了调制信号允许的动态范围，下面对信号

进行符号分解。符号分解的过程是对符号按照上、下边门限重复限幅的过程。

首先，对

信号第一次限幅，输出信号表示为：

然后用矢量信号

减去

作为第二次限幅输入信号

限幅输出信号表示为：

将第二次限幅输出延迟时间T得到

再用矢量信号

减去

作为第三次限幅信号

依次重复限幅，第m次限幅输入信号为

限幅输出信号表示为：

将限幅输出信号延迟(m-1)T得到

经过m次限幅得到的

就是符号分解的结果。令

则m越大，信号x_clip就越接近分解前的信号

对一个高斯分布的信号限幅，相当于对信号的幅度衰减，并加上一个非高斯分布的限幅噪声，可表示为：

其中，n_clip是限幅噪声，η是衰减因子，

其中，

和

分别表示归一化的下边和上边带限幅门限，

表示互补累计函数。

(6)加循环前缀，再组成帧。

为了抵抗光多径传输引起的符号间干扰(ISI)，对分解符号

分别加上循环前缀(cyclic prefix，CP)，最后组成帧符号x_frame，帧的结构如附图2所示。

(7)数模转换，最后加上直流偏置信号B_DC，得到LED驱动信号x_LED(t)，

x_LED(t)＝x_frame(t)+B_DC

参见附图3，一种抑制LED非线性失真对可见光通信性能影响的方法，接收端的具体实施方式为：

(1)强度调制的光信号经过室内光无线信道传输，当收发端的位置变化较小时，光无线信道可看作是准静态信道，系统等效为线性基带传输系统。光电检测器将光信号转换为电信号，其中背景光噪声以及电路的热噪声可以等效为独立于信号的高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise，AWGN)。接收电信号表示为：

y(t)＝γx_LED(t)+n(t)

式中，γ为光电转换因子，n(t)是加性高斯白噪声，单边功率谱密度为N₀。

(2)假设收发端同步，对接收信号以周期为T/N进行均匀抽样，即一个OFDM符号周期T内抽样N个离散值，实现从模拟到数字信号转换。

(3)依次接收一帧中的m个光OFDM分解符号，再拆分帧；删除各个光OFDM分解符号的循环前缀，分别延迟，得到对齐的m个光OFDM分解符号y₁，y₂，……，y_m；然后按对应位相加，得到合并的光OFDM符号。

m个分解符号分别表示为：

式中，i＝1,2,3,···,m，n_i表示叠加在第i个光OFDM分解符号上的加性高斯白噪声，假设加性高斯白噪声具有相同的概率密度。

合并的光OFDM符号为：

(4)将恢复的光OFDM符号串并转换，输入到N点快速傅里叶变换(FFT)模块。

ACO-OFDM系统对应的输出频域信号为：

式中，N_AWGN为加性高斯白噪声的傅里叶变换；

为直流偏置B_DC的傅里叶变换；

为非高斯分布的限幅噪声的傅里叶变换。

同理，DCO-OFDM系统对应的输出频域信号为：

式中，

为非高斯分布的限幅噪声的傅里叶变换。

根据CLT，非高斯分布的限幅噪声经过FFT后转变为高斯分布的噪声，变化前后的信号功率不变，其均值为0，方差为

叠加在ACO-OFDM和DCO-OFDM系统子载波上的噪声方差分别为：

式中，

可以看出，限幅噪声的方差与归一化限幅门限和限幅分解次数m有关。

(5)均衡信道衰减，然后根据发送端光OFDM符号的映射结构，提取包含信息的子载波。

在ACO-OFDM系统，提取Y_ACO的前一半奇数位子载波信号，得到长度为N/4的矢量信号

其中信号分量为：

式中，

表示均值为零、方差为1的高斯噪声，l＝1,3,···,N/2-1，σ_ACO,clip和σ_AWGN分别表示限幅噪声和高斯噪声的均方差。由于直流偏置信号的傅里叶变换

只影响第0个子载波信号，对提取的子载波没有影响，因此直流项被删除。

在DCO-OFDM系统，提取Y_DCO的第1到N/2-1个子载波信息，得到长度为N/2-1的提取矢量

其中信号分量为：

式中σ_DCO,clip表示限幅噪声均方差。

(6)将提取的子载波信号输入到QAM解调器，恢复出二进制信息序列。采用最大似然检测，矩形星座图的QAM调制，比特误码率为：

式中，Γ_SNR为比特信噪比，表示QAM解调器输入的比特能量和噪声功率谱密度之比，表示为

式中，W表示光OFDM调制带宽。

仿真实验

通过仿真实验验证一种抑制LED非线性失真对可见光通信性能影响的方法的合理性和可行性。

仿真参数：采用平均功率归一化的4QAM和16QAM调制，IFFT/FFT的长度为N＝256，ACO-OFDM和DCO-OFDM的子载波带宽为20MHz，高斯白噪声单边功率谱密度N₀＝10^-21A²/Hz。发端光源选取LUW W5SM白光LED(型号：LUW W5SM-KXKY-6P7Q-Z，系列：Golden

制造商：OSRAM Opto Semiconductors Inc.)，LED的线性工作区范围为I_min＝0.1，I_max＝1，直流偏置B_DC＝0.2，光电转换因子γ＝1A/W。因此，ACO-OFDM的上、下边限幅门限分别为ε_top＝0.8和ε_bottom＝0，DCO-OFDM的上、下边限幅门限分别为ε_top＝0.8和ε_bottom＝-0.1。

仿真结果

图4和图5所示为16QAM调制、

子载波总数N＝16，ACO-OFDM和DCO-OFDM系统符号分解图，以分解次数m＝3为例。横坐标表示时域离散抽样数，纵坐标表示信号电压，单位为伏特(V)。

ACO-OFDM系统，限幅门限分别为ε_top＝0.8和ε_bottom＝0。图4(a)所示为IFFT后经过并串转换得到的时域信号

信号为双极性实数信号，具有反对称性，且幅值很大。图4(b)为第一次限幅分解输出的信号

信号范围在0至0.8之间。第二次限幅分解输出信号

如图4(c)所示。同理，第三次限幅输出的信号

如图4(d)所示。可以看出，经过三次限幅分解就把原来幅值很大的信号分解为3个幅值都在LED线性区范围的分解符号。

DCO-OFDM系统，限幅门限分别为ε_top＝0.8和ε_bottom＝-0.1。图5(a)所示为IFFT后经过并串转换得到的时域信号，信号为双极性实数信号，同样信号幅值很大。图5(b)、(c)和(d)分别为第一次、第二次和第三次限幅分解的结果。可以看出，区别于ACO-OFDM信号，限幅后的DCO-OFDM可以为负值，满足

图6和图7所示为在高斯信道、4QAM调制，ACO-OFDM和DCO-OFDM系统BER性能曲线图。图8和图9所示为在高斯信道、16QAM调制，ACO-OFDM和DCO-OFDM系统BER性能曲线图。图6、图7、图8和图9中横坐标表示平均电符号功率，单位是分贝毫瓦(dBm)，纵坐标表示误比特率。带符号“■”的实线代表一次限幅时的误码率理论值，带符号“□”的虚线代表一次限幅时的误码率仿真值。带符号“●”的实线代表二次限幅时的误码率理论值，带符号“○”的虚线代表二次限幅时的误码率仿真值。带符号

的实线代表三次限幅时的误码率理论值，带符号“△”的虚线代表三次限幅时的误码率仿真值。

从图6、图7、图8和图9可以看出，误码率仿真结果和理论分析值吻合，验证了本发明的系统设计方案、具体实施过程和理论分析的正确性。当信号幅值较小时，光OFDM平均电符号功率很小，限幅噪声也很小，此时加性高斯白噪声是影响系统性能的主要因素。采用本发明在接收端符号合并时，将多路分解符号相加，噪声信号必然随着分解符号次数的增多而增大，所以符号分解次数越多，系统BER性能越差。而当信号幅值较大时，光OFDM平均电符号功率较大，限幅噪声增大，变成了影响系统性能的主要因素。限幅分解次数越多，限幅噪声就越小，系统BER性能就越好。另外，大信号时ACO-OFDM的抗非线性失真比DCO-OFDM系统更好，误码率性能也更优。比如一次限幅、4QAM调制，DCO-OFDM的

时误码率达到10^-5。而ACO-OFDM系统的

时，误码率远小于10^-5。还可以看出，调制阶数越大，BER性能越差。

以上是本发明的具体实施方式和仿真验证。应当指出，本领域的普通技术人员能够清楚的理解，本发明系统设计方案所举的以上实施例和仿真仅用于说明和验证方法的合理性和可行性，而并不用于限制本发明方法。虽然通过实施例能有效说明和描述了本发明，本发明存在许多变化而不脱离本发明的精神。在不背离本发明方法的精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明方法做出各种相应的改变或变形，但这些相应的改变或变形均属于本发明方法要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种抑制LED非线性失真对可见光通信性能影响的方法，其特征在于，其步骤为：

发送端：

步骤1：信息序列输入调制器，输出调制符号序列；

步骤2：对调制符号序列映射，使输出矢量信号满足厄米特对称性；

步骤3：预尺度变化，对映射矢量信号乘以尺度变化因子，输出信号为：

X_scaled(n)＝αX_mapping(n)，

其中，α表示尺度变换因子，X_mapping(n)表示映射变量，X_scaled(n)表示尺度变换变量，n＝0,1,···,N-1，N是逆傅里叶变换的长度；

预尺度变换因子为：

其中，|·|表示取模运算，σ₀是逆傅里叶变换输出时域信号的均方差；

步骤4：逆傅里叶变换，并串转换，输出串行双极性实数光OFDM符号；

步骤5：光OFDM符号分解；串行光OFDM符号输入到第一次限幅模块，将限幅后的光OFDM符号作为第一个分解符号；然后再求限幅前后光OFDM符号的差，并将差值作为第二次限幅模块的输入符号，将第二次限幅输出符号延迟时间T，作为第二个分解符号，T表示光OFDM符号周期；求第二次限幅前后符号的差，并将差值作为下一次限幅模块的输入符号；以此类推，直到第m次限幅，将限幅后的符号延迟时间(m-1)T，作为第m个分解符号，m表示光OFDM符号分解的次数；最后得到m个光OFDM分解符号；

步骤6：将光OFDM分解符号分别添加循环前缀，然后串行组成包含m个光OFDM分解符号的帧；

步骤7：数模转换，然后加直流偏置，得到非负的实数信号，最后输入到LED；

接收端：

步骤1：经过自由空间传输的光信号到达接收端，光电检测器转换光信号为电信号；

步骤2：模拟电信号经模数转换为数字信号；

步骤3：符号合并；依次串行接收一帧中的光OFDM分解符号，再拆分帧；并删除各个光OFDM分解符号的循环前缀；分别延迟至符号对齐；然后对应位相加，合并为一个光OFDM符号；

步骤4：串并转换，然后输入到傅里叶变换，输出频域信号；

步骤5：均衡补偿信道衰减，再提取包含信息的子载波信号，最后解调并输出恢复序列。

2.根据权利要求1所述的抑制LED非线性失真对可见光通信性能影响的方法，其特征在于：发送端步骤5，光OFDM符号分解的过程是对光OFDM符号重复限幅的过程；对逆傅里叶变换输出的并行信号并串转换输出信号

对信号

第一次限幅，输出信号表示为：

其中，ε_top和ε_bottom表示限幅的上边和下边限幅门限，

表示第一次限幅的输出信号，k＝0,1,…N-1；然后用

减去

作为第二次限幅的输入信号

第二次限幅输出信号表示为：

将第二次限幅输出信号延迟时间T得到

再用

减去

作为第三次限幅信号

依次重复限幅，第m次限幅输入信号为

限幅输出信号表示为：

将限幅输出信号延迟(m-1)T得到

经过m次限幅得到的

就是对光OFDM符号分解的结果。

3.根据权利要求1所述的抑制LED非线性失真对可见光通信性能影响的方法，其特征在于：发送端步骤6，对m个光OFDM分解符号

分别添加循环前缀，然后依次串行组成帧。

4.根据权利要求1所述的抑制LED非线性失真对可见光通信性能影响的方法，其特征在于：接收端步骤3，依次接收一帧中的m个光OFDM分解符号，再拆分帧；删除各个光OFDM分解符号的循环前缀，分别延迟，得到时间上对齐的m个光OFDM符号y₁，y₂，……，y_m；然后按对应位相加，得到合并的一个光OFDM符号。

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