CN110932788A - 一种无线光通信系统中基于im-dd的hpam-dmt调制方法 - Google Patents

一种无线光通信系统中基于im-dd的hpam-dmt调制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种无线光通信系统中基于IM‑DD的HPAM‑DMT调制方法，其可以提高频谱效率，且减少了发射功率，同时不会增加系统复杂度。本发明的技术方案中，在发送端构建发送信号的时候，在原有的脉冲振幅调制中加入新的一列PAM‑DMT数据，同时利用发送信号子载波的虚部和子载波的实部来传输信息，相对于传统的ACO‑OFDM等传输系统，做到了频谱效率提高了一倍；所添加的自适应偏置是非直流偏置，根据具体发送信息的信号的幅值来确定的，不但达高效的功率效率，而且减少了发射功率。

Description

一种无线光通信系统中基于IM-DD的HPAM-DMT调制方法
技术领域
本发明涉及无线光通信技术领域，具体为一种无线光通信系统中基于IM-DD的HPAM-DMT调制方法。
背景技术
正交频分复用(OFDM)因其较高的频谱效率和抗码间干扰的能力应用在光无线通信(OWC)领域，引起了业界和学术界的广泛关注。由于在OWC中一般采用强度调制/直接检测(intensity/direct detection,IM/DD)，因此传输信号被限制为非负。因此，许多非负性光学OFDM(O-OFDM)方案被设计来确保与基于IM/DD的OWC的兼容性，包括直流偏置O-OFDM(DCO-OFDM)、非对称限幅O-OFDM(ACO-OFDM)、脉冲振幅调制离散多音调调制(PAM-DMT)等。
在DCO-OFDM中，双极性信号上直接叠加一个直流偏置以保证非负性，实现简单。但由于附加的直流偏置会造成能量的浪费，使得DCO-OFDM的功率效率相对较差。
ACO-OFDM和PAM-DMT借助于傅里叶变换的性质，通过直接对负部分进行剪切操作，产生非负信号。对于低阶调制，ACO-OFDM和PAM-DMT比DCO-OFDM具有更高的功率效率。然而，在两种方案中只有一半的副载波资源被利用，这导致频谱效率。在相同的频谱效率下，两种方案的功率效率均随着调制的阶数增加而降低，甚至低于DCO-OFDM。
而为了提高频谱效率，有技术人员提出了叠加O-OFDM的概念。设计了一种被称为混合ACO-OFDM(HACO-OFDM)的方案，它将ACO-OFDM和PAM-DMT信号结合起来，用于同时传输；在接收端，可以依次检测两个叠加分量的传输信息符号；然而，在HACO-OFDM中，只利用奇数子载波和偶数子载波的实部，效率也并不高；还有人提出了分层ACOOFDM(LACO-OFDM)和增强光谱效率DMT(ASE-DMT)方案，在这两个方案中，其中多个ACO-OFDM或PAM-DMT组件被叠加在一起，用于同时传输；与HAC-OOFDM相比，LACO-OFDM和ASE-DMT提高了频谱效率，但却增加实现复杂度，以及会出现处理延迟的问题。
发明内容
为了解决现有无线光通信技术中，非负性光学通信技术方案中，无法同时提高频谱利用率和维持系统复杂度的问题，本发明提供一种无线光通信系统中基于IM-DD的HPAM-DMT调制方法，其可以提高频谱效率，且减少了发射功率，同时不会增加系统复杂度。
本发明的技术方案是这样的：一种无线光通信系统中基于IM-DD的HPAM-DMT调制方法，其包括以下步骤：
S1：在发送端构建非负数自适应偏置OFDM信号sm；
S2：将所述非负数自适应偏置OFDM的时域信号sm进行数/模变换，并通过LED进行传输；
其特征在于，所述自适应偏置OFDM信号sm的构建步骤包括：
S1-1：构建发送信号zm，为了利用发送信号的虚部，在原有的脉冲振幅调制中加入新的一列PAM-DMT数据：
Figure BDA0002313367360000011
Figure BDA0002313367360000012
其中：X为原有的PAM-DMT频率域信号，Y为后添加的频率域信号，Pi表示第i个传输的PAM符号，M为子载波数目；
S1-2：将频域信号X、Y分别进行变换操作，组成时域信号的发送信号xm、ym；
S1-3：将时间域信号xm的负数部分去掉，得到时间域信号的正数部分
Figure BDA0002313367360000021
S1-4：将所述时间域信号的正数部分
Figure BDA0002313367360000029
与信号ym相加，得到所述发送信号zm：
Figure BDA0002313367360000022
S1-5：在所述发送信号zm中添加自适应偏置cm以确保信号的非负性；其中，自适应偏置cm选择信号样本的最小振幅的相反数；
S1-6：将所述发送信号zm和所述自适应偏置cm叠加，产生非负数自适应偏置OFDM信号sm：
sm＝zm+cm,m＝0,1,...,M-1。
其进一步特征在于：
步骤S1-1中，所述原有的PAM-DMT频率域信号为
Figure BDA0002313367360000023
其中，利用传输信号的奇数子载波和第2(2u+1)个子载波的实部来传输信息，其余部分均设置为0；u＝0,1,2,...,M/8-1；pi表示第个传输的PAM符号，M为子载波数目；
其还包括以下步骤：
S3：在接收端，通过光电探测器检测到非负信号sm后，对sm进行变换操作，得到频域信号Sk，从子载波的虚部中检测出
Figure BDA0002313367360000024
S4：利用接收端检测到的符号信息，对接收到的信号
Figure BDA0002313367360000025
所产生的干扰噪声进行再生；
S5：从接收到的频域信号Sk中删除
Figure BDA0002313367360000026
产生的所述噪声后，从子载波中提取被传输的信号
Figure BDA0002313367360000027
步骤S3中，在所述接收端对接收到的非负信号sm，依次进行以下变化操作后得到频域信号Sk：
模/数变换、串/并变换、快速傅立叶变换操作；
步骤S4中，对于所述噪声进行再生的步骤包括：
对所述符号信息的信号重新进行IFFT变换、削减去负数部分、进行FFT计算，最终实现对信号
Figure BDA0002313367360000028
所产生的干扰的再生；
步骤S5中，删除所述噪声后，从接收到的信号的奇数子载波和第2(2i+1)子载波上，提取所述被传输提取被传输的信号
Figure BDA0002313367360000031
步骤S5中，删除所述噪声后，使用标准OFDM接收机即可提取所述被传输提取被传输的信号
Figure BDA0002313367360000032
步骤S1-2的详细步骤包括：
a1：将频域信号X、Y信号分别进行串/并转换、埃尔米特对称之后，组成频域信号的发送信号Xk、Yk；
a2：将Xk、Yk分别进行反向快速傅立叶变换操作,组成时域信号的发送信号xm、ym；
步骤S1-3中，所述时间域信号的正数部分
Figure BDA0002313367360000033
为：
Figure BDA0002313367360000034
步骤S1-5中，所述自适应偏置cm为：
Figure BDA0002313367360000035
式中：M为子载波数目，m＝1,...,M/8-1。
本发明提供的一种无线光通信系统中基于IM-DD的HPAM-DMT调制方法一种无线光通信系统中基于IM-DD的HPAM-DMT调制方法，其在发送端构建发送信号的时候，在原有的脉冲振幅调制中加入新的一列PAM-DMT数据，同时利用发送信号子载波的虚部和子载波的实部来传输信息，相对于传统的ACO-OFDM等传输系统，做到了频谱效率提高了一倍；所添加的自适应偏置cm是非直流偏置，根据具体发送信息的信号的幅值来确定的，不但达高效的功率效率，而且减少了发射功率；同时本发明的技术方案根据传输的傅里叶变换的特性调整传输系统的偏置对称关系，经过传输之后的偏置不会对传输信息带来任何干扰，在接收端对HPAM-DMT的检测不会带来额外的难度以及复杂度。
附图说明
图1为本发明中技术方中发射机端的流程示意图；
图2为本发明中技术方中接收机端的流程示意图；
图3为本发明的技术方案HPAM-DMT和ASE-DMT在不同Eb/N0值下的误码率性能比较图；
图4为不同O-OFDM方案所需Eb/N0与比特率/归一化带宽之比。
具体实施方式
本发明提出了一种无线光通信系统中基于IM-DD的HPAM-DMT(hybrid pulseamplitude modulated discrete multitone，以下简称HPAM-DMT)调制方法，其详细步骤如下所示。
S1：在发送端构建非负数自适应偏置OFDM信号sm；
S1-1：构建发送信号zm，为了利用发送信号的虚部，在原有的脉冲振幅调制中加入新的一列PAM-DMT数据：
设，原有的PAM-DMT频率域信号为
Figure BDA0002313367360000041
其中，利用传输信号的奇数子载波和第2(2u+1)个子载波的实部来传输信息，其余部分均设置为0；u＝0,1,2,...,M/8-1；pi表示第个传输的PAM符号，M为子载波数目；
则两路信号分别表示为：
Figure BDA0002313367360000042
Figure BDA0002313367360000043
其中：X为原有的PAM-DMT频率域信号，Y为后添加的频率域信号，Pi表示第i个传输的PAM符号，M为子载波数目；
S1-2：如说明书的附图中的图1所示，在发送端对发送信号进行处理，首先对两路频域信号X、Y信号分别进行串/并转换、埃尔米特对称之后，组成频域信号的发送信号Xk、Yk；
将Xk、Yk分别进行反向快速傅立叶(IFFT)变换操作,组成时域信号的发送信号xm、ym；
S1-3：将时间域信号xm的负数部分去掉，得到时间域信号的正数部分
Figure BDA0002313367360000044
因为时间域信号xm是个奇对称信号，直接将其负数部分削减去不会造成信息的流失；则，时间域信号的正数部分
Figure BDA0002313367360000045
为：
Figure BDA0002313367360000046
S1-4：将时间域信号的正数部分
Figure BDA0002313367360000047
与信号ym相加，得到发送信号zm：
Figure BDA0002313367360000048
S1-5：因为ym中存在负数，为了保持系统的非负性，以及使系统拥有较低的功率效率，在发送信号zm中添加自适应偏置cm以确保信号的非负性；
首先，自适应偏置cm需要满足条件：
Figure BDA0002313367360000049
因为自适应偏置cm的周期性和对称性，自适应偏置cm应该和zm、
Figure BDA0002313367360000051
Figure BDA0002313367360000052
zM-m数值样本中最小振幅的相反数保持一致；其中m＝1,...,M/8-1；
所以，需要选择这些信号样本的最小振幅的相反数作为自适应偏置cm值，直接叠加在这些信号样本上，以保证非负性；
同样，在m＝0时，自适应偏置cm选取
Figure BDA0002313367360000053
这些信号样本中的最小振幅的相反数；
则：自适应偏置cm选择信号样本的最小振幅的相反数：
Figure BDA0002313367360000054
式中：M为子载波数目，m＝1,...,M/8-1。
S1-6：将发送信号zm和自适应偏置cm叠加，产生非负数自适应偏置OFDM信号sm：
sm＝zm+cm,m＝0,1,...,M-1。
S2：将非负数自适应偏置OFDM的时域信号sm进行数/模变换，并通过LED进行传输。
S3：在接收端，如说明书附图的图2所示，通过光电探测器检测到非负信号sm后，对sm进行模/数变换、串/并变换、快速傅立叶(FFT)变换操作，得到频域信号Sk，从子载波的虚部中检测出
Figure BDA0002313367360000055
S4：利用接收端检测到的符号信息，对接收到的信号
Figure BDA0002313367360000056
所产生的干扰噪声进行再生；
对于噪声进行再生的步骤包括：
对符号信息的信号重新进行IFFT变换、削减去负数部分、进行FFT计算，最终实现对信号
Figure BDA0002313367360000057
所产生的干扰的再生；
S5：从接收到的频域信号Sk中删除
Figure BDA0002313367360000058
产生的噪声后，从子载波中提取被传输的信号
Figure BDA0002313367360000059
由于发送端设计的符号信息和偏置的对称特性，使得本发明方案中引入的自适应偏置并没有对传输的信号产生干扰信息；删除噪声后，使用标准OFDM接收机即可从接收到的信号的奇数子载波和第2(2i+1)子载波上，提取被传输提取被传输的信号
Figure BDA00023133673600000510
无需重新设计接收端，确保了本发明技术方案中的通信系统保持了较低的系统复杂度，即可实现对信号的编码和解码。将HPAM-DMT与频谱效率一样的ASE-DMT相比较，在发送端，HAPM-DMT只有两个M点的IFFT模块，但是ASE-DMT有三个M点的IFFT模块；在接收端，HPAM-DMT需要两个M点的FFT和一个M点的IFFT,而ASE-DMT需要三个M点的FFT以及2个M点的IFFT；因为系统复杂度主要由FFT和IFFT的结构决定，可见本发明技术方案的系统复杂度低于ASE-DMT的系统复杂度，可见本发明技术方案在提高了频谱效率的同时，保持了较低的系统复杂度。
为了能更加全面的评估本发明提出的系统的性能，通过仿真软件模拟HPAM-DMT和ASE-DMT在不同Eb/N0值下的误码率性能；在HPAM-DMT和ASE-DMT中分别使用了4PAM、8PAM和16PAM信号；仿真时，为了保证相同的误码率性能，在对HPAM-DMT发送端发送的两路信号分别设置功率，典型的PAM-DMT组件中传输的PAM符号(即：原有的PAM-DMT频率域信号X)的功率与HPAM-DMT中另一个未剪切的PAM-DMT组件(即：后添加的频率域信号Y)功率的比设置为：2:1；
仿真结果如说明书附图的图3所示本发明技术方案提出的HPAM-DMT与ASE-DMT具有相同的误码率性能；与ASE-DMT相比，HPAM-DMT具有更低的实现复杂度和处理延迟。
如说明书附图的图4所示，为当BER为10-3时，不同比特速率/标准化带宽对应的Eb(opt)/N0；图4中分别显示了五种技术方案的仿真结果：HACO-OFDM、Proposed HPAM-DMT(本发明技术方案)、ACO-OFDM、DCO-OFDM(10dB)、DCO-OFDM(13dB)；从图4可以明显看出，与其他O-OFDM方案相比，HPAM-DMT实现BER目标所需的Eb(opt)/N0要低得多，验证了HPAM-DMT在功率效率方面与其他的技术方案相比具有明显的优越性；另一方面，也可以可看出，对于给定的Eb(opt)/N0，HPAM-DMT可以比其他O-OFDM方案支持更高的比特率/归一化带宽。

Claims (10)

1.一种无线光通信系统中基于IM-DD的HPAM-DMT调制方法，其包括以下步骤：
S1：在发送端构建非负数自适应偏置OFDM信号sm；
S2：将所述非负数自适应偏置OFDM的时域信号sm进行数/模变换，并通过LED进行传输；
其特征在于，所述自适应偏置OFDM信号sm的构建步骤包括：
S1-1：构建发送信号zm，为了利用发送信号的虚部，在原有的脉冲振幅调制中加入新的一列PAM-DMT数据：
Figure FDA0002313367350000016
Figure FDA0002313367350000011
其中：X为原有的PAM-DMT频率域信号，Y为后添加的频率域信号，Pi表示第i个传输的PAM符号，M为子载波数目；
S1-2：将频域信号X、Y分别进行变换操作，组成时域信号的发送信号xm、ym；
S1-3：将时间域信号xm的负数部分去掉，得到时间域信号的正数部分
Figure FDA0002313367350000012
S1-4：将所述时间域信号的正数部分
Figure FDA0002313367350000013
与信号ym相加，得到所述发送信号zm：
Figure FDA0002313367350000014
S1-5：在所述发送信号zm中添加自适应偏置cm以确保信号的非负性；其中，自适应偏置cm选择信号样本的最小振幅的相反数；
S1-6：将所述发送信号zm和所述自适应偏置cm叠加，产生非负数自适应偏置OFDM信号sm：
sm＝zm+cm,m＝0,1,...,M-1。
2.根据权利要求1所述一种无线光通信系统中基于IM-DD的HPAM-DMT调制方法，其特征在于：步骤S1-1中，所述原有的PAM-DMT频率域信号为
Figure FDA0002313367350000015
其中，利用传输信号的奇数子载波和第2(2u+1)个子载波的实部来传输信息，其余部分均设置为0；u＝0,1,2,...,M/8-1；pi表示第个传输的PAM符号，M为子载波数目。
3.根据权利要求1所述一种无线光通信系统中基于IM-DD的HPAM-DMT调制方法，其特征在于：其还包括以下步骤：
S3：在接收端，通过光电探测器检测到非负信号sm后，对sm进行变换操作，得到频域信号Sk，从子载波的虚部中检测出
Figure FDA0002313367350000021
S4：利用接收端检测到的符号信息，对接收到的信号
Figure FDA0002313367350000022
所产生的干扰噪声进行再生；
S5：从接收到的频域信号Sk中删除
Figure FDA0002313367350000023
产生的所述噪声后，从子载波中提取被传输的信号
Figure FDA0002313367350000024
4.根据权利要求3所述一种无线光通信系统中基于IM-DD的HPAM-DMT调制方法，其特征在于：步骤S3中，在所述接收端对接收到的非负信号sm，依次进行以下变化操作后得到频域信号Sk：
模/数变换、串/并变换、快速傅立叶变换操作。
5.根据权利要求3所述一种无线光通信系统中基于IM-DD的HPAM-DMT调制方法，其特征在于：步骤S4中，对于所述噪声进行再生的步骤包括：
对所述符号信息的信号重新进行IFFT变换、削减去负数部分、进行FFT计算，最终实现对信号
Figure FDA0002313367350000025
所产生的干扰的再生。
6.根据权利要求3所述一种无线光通信系统中基于IM-DD的HPAM-DMT调制方法，其特征在于：步骤S5中，删除所述噪声后，从接收到的信号的奇数子载波和第2(2i+1)子载波上，提取所述被传输提取被传输的信号
Figure FDA0002313367350000026
7.根据权利要求6所述一种无线光通信系统中基于IM-DD的HPAM-DMT调制方法，其特征在于：步骤S5中，删除所述噪声后，使用标准OFDM接收机即可提取所述被传输提取被传输的信号
Figure FDA0002313367350000027
8.根据权利要求1所述一种无线光通信系统中基于IM-DD的HPAM-DMT调制方法，其特征在于：步骤S1-2的详细步骤包括：
a1：将频域信号X、Y信号分别进行串/并转换、埃尔米特对称之后，组成频域信号的发送信号Xk、Yk；
a2：将Xk、Yk分别进行反向快速傅立叶变换操作,组成时域信号的发送信号xm、ym。
9.根据权利要求1所述一种无线光通信系统中基于IM-DD的HPAM-DMT调制方法，其特征在于：步骤S1-3中，所述时间域信号的正数部分
Figure FDA0002313367350000028
为：
Figure FDA0002313367350000029
10.根据权利要求1所述一种无线光通信系统中基于IM-DD的HPAM-DMT调制方法，其特征在于：步骤S1-5中，所述自适应偏置cm为：
Figure FDA0002313367350000031
式中：M为子载波数目，m＝1,...,M/8-1。
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