CN111525956A - 一种无线光通信系统中基于im-dd的无干扰haco-ofdm调制方法 - Google Patents

一种无线光通信系统中基于im-dd的无干扰haco-ofdm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的无干扰HACO‑OFDM调制方法，其在保持良好的误码率性能的基础上，解决了接收端两路信号存在接收时间延迟的问题，同时降低了接收端设备的复杂度,提高终端设备续航能力。本发明的技术方案中，利用子载波的实部和虚部传输信息，发送端将ACO‑OFDM削波之后，将生成的信号进行串并转换、快速傅立叶变换后，在发送端将ACO‑OFDM产生的位于偶数子载波上的噪声清除掉，并与另一路PAM‑DMT叠加组成发射信号，基于LED照明设备、无线光通信装置将信号发送到接收端。

Description

一种无线光通信系统中基于IM-DD的无干扰HACO-OFDM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的无干扰HACO-OFDM调制方法。
背景技术
无线光通信作为一种新型的通信技术,同时具有光纤通信和移动通信的优势，因此如今对无线光通信的研究受到了广泛的重视。LED照明拥有敏感的相应速度、较低的功率消耗、绿色环保等优点逐步成为未来照明的首选。在LED基础上发展而来的无线光通信也凭借丰富的频谱资源正赢得越来越多的关注。目前无线光通信主要有三大研究热点：基于可见光通讯(visible light communication，以下简称：VLC)的定位技术、兼顾照明功能的VLC以及有效的VLC数据传输。现行的有效的VLC数据传输技术研究中，主要的调制方式为正交频分复用(OFDM)。
由于无线光通信系统中采用的基于强度调制和直接探测的光学探测器要求传输的信号必须为非负数。使得HACO-OFDM(混合非对称限幅光正交频分复用)技术中，ACO-OFDM(非对称限幅-正交频分复用)和PAM-DMT(脉冲幅度调制-离散多音)在传输信号时都必须削减掉负数部分之后才能传输。这样处理虽然不会造成信息的丢失，但是在HACO-OFDM中，削波之后的ACO-OFDM将会对PAM-DMT产生噪声干扰，这就使得HACO-OFDM接收端解调信号时，只能先将ACO-OFDM先解调出来，然后重塑干扰，PAM-DMT的检测必须在干扰削减之后才能检测出来，因而两路信息的检测存在一个时间延迟的问题，将会对信号的检测产生误差。而传统的ACO-OFDM、DCO-OFDM虽然不存在时间延迟问题，但是频谱利用率不是很高，增加了系统的复杂度，因为终端设备通常利用电池工作很长时间，但是电池的功率能力一般，所以为了保持接收端能够长时间高功率的工作，需要投入很大成本。
发明内容
为了解决现有的无线光通信基于HACO-OFDM进行调制时，接收端解调信号存在时间延迟的问题，本发明提供一种无线光通信系统中基于IM-DD的无干扰HACO-OFDM调制方法，其在保持良好的误码率性能的基础上，解决了两路信号存在接收时间延迟的问题，同时降低了接收端设备的复杂度。
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的无干扰HACO-OFDM调制方法，其包括以下步骤：
S1：在发送端，获取待发送的PAM数据流与QAM数据流，对两个数据流分别依次进行串并转换、埃尔米特对称，得到频域信号X和频域信号Y；
其特征在于，其还包括以下的步骤：
S2：将频域信号X通过反向快速傅立叶变换转变为时域信号xn后，进行并串转换、削去负数部分生成时域信号xc；
S3：将时域信号xc进行串并转换之后，进行快速傅立叶变换生成信号Nx；
S4：从频域信号Y中删减掉位于信号Nx偶数子载波虚部上的干扰，生成频域信号Yf；
S5：将频域信号Yf进行反向快速傅立叶变换后，进行并串转换、删去负数部组成时域信号Yc；
S6：将时域信号xc与时域信号Yc相加组成时域信号z，将发射信号进行数模转换，得到发送的信号zn；
S7：将信号zn发送到接收端。
其进一步特征在于：
其还包括以下步骤：
S8：在接收端，将收到的信号zn进行数模转换、串并转换后，进行傅立叶变换，得到频域信号Tn；
其还包括以下步骤：
S9：提取频域信号Tn奇数子载波的数据，检测出ACO-OFDM符号
Figure BDA0002472659990000021
其还包括以下步骤：
S10：提取频域信号Tn偶数子载波虚部的数据，检测出PAM-DMT符号
Figure BDA0002472659990000022
步骤S2中，频域信号X通过反向快速傅立叶变换转变为时域信号xn，时域信号xn表达式如下：
Figure BDA0002472659990000023
步骤S2中，将xn进行并串转换，并且削去负数部分生成xc，xc表达式如下：
Figure BDA0002472659990000024
其中，X(k)表示第k个传输的ACO-OFDM符号，k＝0,1,...,N/4；
步骤S3中，将时域信号xc进行串并转换之后，进行快速傅立叶变换生成信号Nx，具体如下所示：
Figure BDA0002472659990000025
步骤S6中，信号zn表达式如下所示：
zn＝Yc,n+xc,n n＝0,1,...,N-1
步骤S1中，频域信号X和频域信号Y如下所示：
Figure BDA0002472659990000026
Figure BDA0002472659990000027
频域信号X和频域信号Y的表达式中：
Xk＝ak+ibk,Yk＝idk，
Figure BDA0002472659990000028
为Xk的共轭对称，N为子载波数目。
本发明提供的一种无线光通信系统中基于IM-DD的无干扰HACO-OFDM调制方法，利用子载波的实部和虚部传输信息，发送端将ACO-OFDM削波之后，将生成的信号xc进行串并转换，通过快速傅立叶变换生成Nx，接着在发送端将ACO-OFDM产生的位于偶数子载波上的噪声清除掉，这样就不会对发射信号造成影响，且不会增加系统的误码率性能；提前将接收端的信号的噪声删减掉，不但解决了接收端的两路信号存在接收时间延迟的问题，同时降低了接收端设备的复杂度，降低了接收端设备的功耗，提高了接收端设备的续航能力。
附图说明
图1为本发明中无干扰HACO-OFDM发送机的框图；
图2为本发明中无干扰HACO-OFDM接收机的框图；
图3为传统的HACO-OFDM的系统框图；
图4为无干扰HACO-OFDM和HACO-OFDM的BER性能对比。
具体实施方式
如图1～图2所示，本发明为一种无线光通信系统中基于IM-DD的无干扰HACO-OFDM调制方法(Interference Free HACO-OFDM，简称为：IF-HACO-OFDM)，基于传统的无线光通信系统中基于IM/DD的HACO-OFDM信号传输的原理，本发明构建一样的传输符号，获得OFDM的频域信号，详细包括以下步骤。
在发送端，获取待发送的PAM数据流与QAM数据流，对两个数据流分别依次进行串并转换、埃尔米特对称，得到频域信号X和频域信号Y；
假设
Figure BDA0002472659990000031
表示传输的ACO-OFDM符号，
Figure BDA0002472659990000032
表示传输的PAM-DMT符号，ACO-OFDM中利用奇数子载波传输信息，PAM-DMT中利用偶数子载波的虚部传输信息，其他部分插入0，将得到的串行数据进行埃尔米特对称得到频域信号X和Y：
Figure BDA0002472659990000033
Figure BDA0002472659990000034
其中：Xk＝ak+ibk,Yk＝idk，
Figure BDA0002472659990000035
为Xk的共轭对称，N为子载波数目；
将频域信号X通过反向快速傅立叶变换(IFFT)转变为时域信号xn后，进行并串转换、削去负数部分生成时域信号xc；
时域信号xn表达式如下：
Figure BDA0002472659990000036
xc表达式如下：
Figure BDA0002472659990000041
其中，X(k)表示第k个传输的ACO-OFDM符号，k＝0,1,...,N/4；
将时域信号xc进行串并转换之后，进行快速傅立叶变换生成信号Nx；
Figure BDA0002472659990000042
由于xn传输的信号正负数部分是具有对称性的，所以直接将其负数部分削去不会造成信息的丢失，但是会对PAM-DMT有噪声影响；为了将ACO-OFDM对PAM-DMT的噪声干扰削减掉，本发明在发送端将ACO-OFDM削波之后，将时域信号xc进行串并转换之后通过快速傅立叶变换(FFT)可以生成Nx，用信号Nx计算出需要删减的干扰信号。
从频域信号Y中删减掉位于信号Nx偶数子载波虚部上的干扰，生成频域信号Yf；将频域信号Yf进行反向快速傅立叶变换(IFFT)后，进行并串转换、删去负数部组成时域信号Yc；将时域信号xc与时域信号Yc相加组成时域信号z，将发射信号进行数模转换，得到待发送的信号zn：
待发送信号zn表达式如下所示：
zn＝Yc,n+xc,n n＝0,1,...,N-1。
由于发送端两路信号中ACO-OFDM在接收端的奇数子载波处接收，PAM-DMT在接收端的偶数子载波处接收，ACO-OFDM的噪声产生于偶数子载波上，因而可以在发送端将ACO-OFDM产生的位于偶数子载波上的噪声清除掉，这样不会对发射信号造成影响；而提前将接收端的信号的噪声删减掉，不但解决了两路信号存在接收时间延迟的问题，同时降低了接收端设备的复杂度；本发明的无干扰HACO-OFDM和传统的HACO-OFDM一样都是利用子载波的实部和虚部传输信息，在做到无干扰的同时，系统的传码率也没有降低，相对于ACO-OFDM等传输系统，做到了频谱效率的大大提升。
发送端将ACO-OFDM削波之后，将生成的信号进行串并转换、快速傅立叶变换后，在发送端将ACO-OFDM产生的位于偶数子载波上的噪声清除掉，并与另一路PAM-DMT叠加组成发射信号，基于LED照明设备、无线光通信装置将信号zn发送到接收端，本发明实施例中使用到的无线光通信装置，使用现有的无线光通信装置即可实现。
接收端，基于本发明技术方案中的接收机，通过以下步骤进行解码。
在接收端，将收到的信号zn进行数模转换、串并转换后，进行傅立叶变换，得到频域信号Tn；提取频域信号Tn奇数子载波的数据，检测出ACO-OFDM符号
Figure BDA0002472659990000043
提取频域信号Tn偶数子载波虚部的数据，检测出PAM-DMT符号
Figure BDA0002472659990000051
检测出ACO-OFDM符号
Figure BDA0002472659990000052
PAM-DMT符号
Figure BDA0002472659990000053
两路信号之后，将得到的信号进行串并操作，得到最终的信号。
参照说明书附图的图2中的无干扰HACO-OFDM接收机的框图和图3中的传统的HACO-OFDM系统框图中接收机的结构，可以看出本发明技术方案中的接收机与传统HACO-OFDM接收机从结构方面进行比较，本发明的技术方案在接收端解调信号时，可以同时将ACO-OFDM与PAM-DMT两路信号解调出来，省去了接收机将传输过程中ACO-OFDM传输时产生的噪声，实现两路信号检测无时延，降低了接收信号的误码率；此外，本发明技术方案中的接收机的结构复杂度也大大降低，使得设备能耗也得到了降低，进而提高了接收端设备的续航能力。
为了评估该系统在误码率方面的性能，我们利用MATLAB软件模拟仿真，设置子载波数目N＝256，将发送端传输的ACO-OFDM和PAM-DMT符号的功率设置为1：1，为了更加全面的评估本发明提出的系统的性能，仿真中使用了多种调制阶数来验证本发明的误码性能。
参照说明书附图的图4，横坐标是信噪比(Eb(elec)/No)，纵坐标是误码率(BER)；仿真结果显示，图中曲线IF-HACO 4QAM 2PM、IF-HACO 16QAM 4PM、IF-HACO 64QAM 16PM分别代表无干扰HACO-OFDM调制方式在随机不同组合的调制度下的误码率，采用这三种组合的调制度可以更加全面的评估本发明所提出的系统与无干扰HACO-OFDM信号的误码率性能的高低，评估该系统的可实施性。由图4可知，本发明提出的无干扰HACO-OFDM(图中标记为IF-HACO)和传统的HACO-OFDM相比，曲线完全重叠，说明本发明提出的系统和HACO-OFDM(图中标记为HACO-OFDM)相比，在消除了时间延迟，降低接收端设备的复杂度之后，依然能有和HACO-OFDM拥有一样的误码性能。

Claims (10)

1.一种无线光通信系统中基于IM-DD的无干扰HACO-OFDM调制方法，其包括以下步骤：
S1：在发送端，获取待发送的PAM数据流与QAM数据流，对两个数据流分别依次进行串并转换、埃尔米特对称，得到频域信号X和频域信号Y；
其特征在于，其还包括以下的步骤：
S2：将频域信号X通过反向快速傅立叶变换转变为时域信号xn后，进行并串转换、削去负数部分生成时域信号xc；
S3：将时域信号xc进行串并转换之后，进行快速傅立叶变换生成信号Nx；
S4：从频域信号Y中删减掉位于信号Nx偶数子载波虚部上的干扰，生成频域信号Yf；
S5：将频域信号Yf进行反向快速傅立叶变换后，进行并串转换、删去负数部组成时域信号Yc；
S6：将时域信号xc与时域信号Yc相加组成时域信号z，将发射信号进行数模转换，得到发送的信号zn；
S7：将信号zn发送到接收端。
2.根据权利要求1所述一种无线光通信系统中基于IM-DD的无干扰HACO-OFDM调制方法，其特征在于：其还包括以下步骤：
S8：在接收端，将收到的信号zn进行数模转换、串并转换后，进行傅立叶变换，得到频域信号Tn。
3.根据权利要求2所述一种无线光通信系统中基于IM-DD的无干扰HACO-OFDM调制方法，其特征在于：其还包括以下步骤：
S9：提取频域信号Tn奇数子载波的数据，检测出ACO-OFDM符号
Figure FDA0002472659980000011
4.根据权利要求3所述一种无线光通信系统中基于IM-DD的无干扰HACO-OFDM调制方法，其特征在于：其还包括以下步骤：
S10：提取频域信号Tn偶数子载波虚部的数据，检测出PAM-DMT符号
Figure FDA0002472659980000012
5.根据权利要求1所述一种无线光通信系统中基于IM-DD的无干扰HACO-OFDM调制方法，其特征在于：步骤S2中，频域信号X通过反向快速傅立叶变换转变为时域信号xn，时域信号xn表达式如下：
Figure FDA0002472659980000013
6.根据权利要求5所述一种无线光通信系统中基于IM-DD的无干扰HACO-OFDM调制方法，其特征在于：步骤S2中，将xn进行并串转换，并且削去负数部分生成xc，xc表达式如下：
Figure FDA0002472659980000014
其中，X(k)表示第k个传输的ACO-OFDM符号，k＝0,1,...,N/4。
7.根据权利要求1所述一种无线光通信系统中基于IM-DD的无干扰HACO-OFDM调制方法，其特征在于：步骤S3中，将时域信号xc进行串并转换之后，进行快速傅立叶变换生成信号Nx，具体如下所示：
Figure FDA0002472659980000021
8.根据权利要求1所述一种无线光通信系统中基于IM-DD的无干扰HACO-OFDM调制方法，其特征在于：步骤S6中，信号zn表达式如下所示：
zn＝Yc,n+xc,n n＝0,1,...,N-1。
9.根据权利要求1所述一种无线光通信系统中基于IM-DD的无干扰HACO-OFDM调制方法，其特征在于：步骤S1中，频域信号X和频域信号Y如下所示：
Figure FDA0002472659980000022
Figure FDA0002472659980000023
10.根据权利要求9所述一种无线光通信系统中基于IM-DD的无干扰HACO-OFDM调制方法，其特征在于：频域信号X和频域信号Y的表达式中：
Xk＝ak+ibk,Yk＝idk，
Figure FDA0002472659980000024
为Xk的共轭对称，N为子载波数目。
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