CN111641579B - 降低光ofdm系统信号峰均比的削峰-分段线性压阔方法 - Google Patents

降低光ofdm系统信号峰均比的削峰-分段线性压阔方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种降低光OFDM系统信号峰均比的削峰‑分段线性压阔方法，包括：在发射端对原始光信号进行IFFT处理得到OFDM信号，并将OFDM信号的实部与虚部分离；对分离后的信号进行削峰，通过添加尾缀的方式将削峰信息保留，并对削峰后的信号进行分段线性映射，得到发射信号；在接收端对接收到的信号进行逆分段线性映射并恢复削峰信息，最后进行FFT变换完成解调，得到原始光信号。该方法具备较低的压阔复杂度，可以有效提升可见光通信中OFDM技术的可靠性。

Description

降低光OFDM系统信号峰均比的削峰-分段线性压阔方法
技术领域
本发明属于可见光通信技术领域，具体为一种低复杂度的，降低可见光通信系统中OFDM符号峰均比的削峰-分段线性压阔方法。
背景技术
在室内可见光通信中，由于存在光线的多次反射，因而存在大量时延各不相同的非视距链路，从而引起多径效应。OFDM技术将通过串并转换的模块，极大地延长了符号的周期，每个子信道上的信号都可以将其视为一个窄带信号，其信道响应为平坦衰落信道。其次一般OFDM信号的首部会有一个循环前缀CP，将符号间干扰控制在CP的范围内，在接收端去掉CP后也不会影响信号的完整性，可以有效对抗多径效应产生的符号间干扰。并且循环前缀将线性卷积转化为循环卷积，进一步提高了卷积运算的效率。另一方面，OFDM技术中子载波之间有重叠部分，但由于相互之间正交因而不存在干扰，理论上子载波之间的间隔达到了奈奎斯特带宽也就是达到了理想的频带利用率。OFDM技术极高的频带宽利用率可以有效弥补LED调制带宽有限的不足。
但是现有的光OFDM调制方案都有着明显的不足。如DCO-OFDM存在的问题是：信号整体被抬升会极大地增加其平均功率，造成了功率效率的损失。在此过程中，使原本的峰值功率被进一步提升，导致峰均比过高。高峰均比的存在要求LED在高输入电流的情况下还能保证输出不产生非线性畸变。同时也会使数模转化器及模数转换器的量化信噪比降低。ACO-OFDM采用非对称限幅的方法放弃了一半的子载波，频带利用率很低。针对此，我们提出了一种频带利用率较高，复杂度较低，并也可有效降低OFDM信号峰均比的削峰-分段线性压阔方法。传统的光OFDM压阔方案可以分为线性压扩与非线性压扩。线性压扩是对信号进行线性映射，一般会引入额外的直流偏置增加信号的平均功率，从而降低峰均比。但是额外的直流偏置会引起功率效率降低，频谱扩展以及量化误差增大等问题，同时其压扩的效果也不是很理想。非线性压扩则是对信号进行非线性映射，其压扩的效果很理想，但是映射方式较为复杂，还会在压阔与解压阔的过程中引入非线性噪声。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明提出一种削峰-分段线性压扩方法，运用添加尾缀的方法保存信号的削峰信息，可以有效地降低系统的削峰噪声和峰均比，并有效限制了信号的动态范围。同时该方法运用分段的线性函数去拟合非线性压扩的映射曲线，在有效降低峰均比的基础上，还降低了系统设计的复杂度并避免了非线性噪声。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
一种降低光OFDM系统信号峰均比的削峰-分段线性压阔方法，包括下述步骤：
1)在发射端对原始时域光信号进行IFFT处理得到OFDM信号，并将OFDM信号的实部与虚部分离；
2)对分离后的信号进行削峰，通过添加尾缀的方式将削峰信息保留，并对削峰后的信号进行分段线性映射，得到发射信号；
3)在接收端对接收到的信号进行逆分段线性映射并恢复削峰信息，最后进行FFT变换完成解调，得到原始光信号。
对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：
进一步，步骤1)中，首先对原始光信号X(k)进行IFFT处理得到OFDM信号x(n)；将经IFFT处理后得到的OFDM信号x(n)的实部与虚部分离得到xs(n)。
进一步，步骤2)中，对分离后的信号进行削峰，通过添加尾缀的方式将削峰信息保留的方法如下：
2a)首先对经过实部虚部分离的OFDM信号xs(n)进行削峰，得到经过削峰的信号xs-clip(n)；
2b)确定削峰尾缀xend(n)，确定OFDM信号实部xr(n)与OFDM信号虚部xi(n)被同时削峰的概率；得到光OFDM信号的尾缀xend(n)；
2c)确定削峰并且加尾缀后的OFDM信号xsp(n)。
对xsp(n)进行分段线性映射，得到发射信号的方法如下：
2d)运用分段的线性函数去拟合μ律压扩的映射曲线得到分段线性压阔的映射表达式；
2e)将削峰后的信号经上述分段线性压阔即得到发射信号。
进一步，步骤3)中，在接收端对接收到的信号进行逆分段线性映射并恢复削峰信息，最后进行FFT变换完成解调，得到原始光信号的方法如下：
3a)将接收端接收信号r(n)带入逆分段线性映射的表达式，得到解压阔的信号rPLC(n)；
3b)将解压阔信号rPLC(n)的削峰信息恢复得到rs(n)；
3c)将rs(n)信号的实部虚部结合得到复信号R(n)；
3e)将复信号R(n)送入FFT运算模块，其输出即为原始光信号。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：
本发明提出：将光OFDM信号的实部与虚部分离，并对分离后的信号进行削峰，将削峰的信息保存在OFDM符号的尾缀处，有效地降低了光OFDM信号的峰均比，限制了光信号能量的动态范围，并减小了系统的削峰噪声。进一步，对削峰加尾缀后地信号进行分段线性映射，使其成为满足IM/DD模型传输的光信号，有效地降低了信号的峰均比，并且大大降低了压阔系统的复杂度，避免了非线性噪声，从而有效提升可见光通信中OFDM技术的可靠性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1为基于削峰-分段线性压阔的光OFDM系统的设计框图；
图2为取不同分段点时分段线性映射曲线与μ律映射曲线的拟合程度示意图；
图3为经削峰-分段线性压阔处理(取不同分段点)后信号峰均比的互补累计分布函数比较示意图；
图4(a)为削峰比例(CR)＝3dB时DCO-OFDM(偏置值分别为7dB与9dB)、μ-OFDM与削峰-分段线性压阔系统峰均比的互补累计分布函数比较示意图；图4(b)为削峰比例(CR)＝4dB时DCO-OFDM(偏置值分别为7dB与9dB)、μ-OFDM与削峰-分段线性压阔系统峰均比的互补累计分布函数比较示意图；图4(c)为削峰比例(CR)＝5dB时DCO-OFDM(偏置值分别为7dB与9dB)、μ-OFDM与削峰-分段线性压阔系统峰均比的互补累计分布函数比较示意图；图4(d)为削峰比例(CR)＝6dB时DCO-OFDM(偏置值分别为7dB与9dB)、μ-OFDM与削峰-分段线性压阔系统峰均比的互补累计分布函数比较示意图。
图5为DCO-OFDM(偏置值分别为7dB与9dB)、μ-OFDM与削峰-分段线性压阔系统的误码率性能比较图。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
本发明的一种降低光OFDM系统信号峰均比的削峰-分段线性压阔方法，包括下述步骤：
步骤一：在发射端对原始光信号进行IFFT处理得到OFDM信号，并将OFDM信号的实部与虚部分离。
1a)对原始光信号进行IFFT处理得到OFDM信号：
Figure GDA0003006363930000051
其中，X(k)代表第k个原始光信号，N表示OFDM系统的子载波个数，x(n)表示经IFFT处理后第n个子载波上的OFDM信号。
1b)将OFDM信号x(n)的实部与虚部分离：
Figure GDA0003006363930000052
其中xr(n)为OFDM信号x(n)的实部，xi(n)为频域OFDM信号x(n)的虚部，N为OFDM系统子载波个数，xs(n)为经过实部虚部分离的OFDM信号。
步骤二：对分离后的信号进行削峰，通过添加尾缀的方式将削峰信息保留，并对削峰后的信号进行分段线性映射，得到发射信号。
2a)首先对经过实部虚部分离的OFDM信号xs(n)进行削峰：
Figure GDA0003006363930000061
其中，IH与IL分别为LED线性动态范围的上限和下限，N为OFDM系统子载波个数，n为子载波个数，xs-clip为经过削峰的信号；
2b)确定削峰尾缀xend(n)：
OFDM信号实部xr(n)与OFDM信号虚部xi(n)被同时削峰的概率为：
Figure GDA0003006363930000062
其中，DC为LED线性范围的中点；IH与IL分别为LED线性动态范围的上限和下限；
光OFDM信号的尾缀xend(n)表示为：
Figure GDA0003006363930000063
其中Cr(n)为OFDM信号x(n)的实部xr(n)的削峰信息，Ci(n)为OFDM信号x(n)的虚部xi(n)的削峰信息；
2c)削峰并且加尾缀后的OFDM信号xsp(n)表示为：
Figure GDA0003006363930000064
2d)运用分段的线性函数去拟合μ律压扩的映射曲线得到分段线性压阔的映射表达式；
分段线性压阔的映射表达式为：
Figure GDA0003006363930000071
其中S1、S2分别为函数的两个分段点，IH为信号削峰的上限，IL为信号削峰的下限；μ(.)表示进行μ律映射，其表达式为：
Figure GDA0003006363930000072
其中A与μ为映射参数，Sgn(·)为符号函数；
2e)将削峰后的信号经上述分段线性压阔即得到发射信号。
步骤三：在接收端对接收到的信号进行逆分段线性映射并恢复削峰信息，最后进行FFT变换完成解调，得到原始光信号。
3a)在光学接收端接收到的信号为:
r(n)＝hyPLC(n)+w(n)
其中h为信道增益，w(n)为加性高斯白噪声，将接收端接收信号r(n)带入以下逆分段线性映射的表达式，即可得到解压阔的信号rPLC(n)。
Figure GDA0003006363930000073
rPLC(n)的结构为：
Figure GDA0003006363930000074
3b)将解压阔信号rPLC(n)的削峰信息恢复得到rs(n)：
Figure GDA0003006363930000081
其中rsr(n)为rs(n)的实部，rsi(n)为rs(n)的虚部
3c)将rs(n)信号的实部虚部结合得到复信号R(n):
R(n)＝rsr(n)+jrsi(n)(0≤n<N)
3e)将复信号R(n)送入FFT运算模块，其输出即为原始光信号。
FFT运算规则如下：
Figure GDA0003006363930000082
其中X(k)代表第k个原始光信号，N表示OFDM系统的子载波个数，x(n)第n个子载波上的OFDM信号。
本发明的正确性和优点可通过以下理论结果对比进一步说明：
本发明中方法中，运用MATLAB仿真，首先分析了不同间断点S1,S2对系统峰均比的影响，确定了系统峰均比最低时的间断点设置。并进一步与现有光OFDM方案：DCO-OFDM与μ-OFDM的峰均比及误码率进行了对比，说明了本发明提出的削峰-线性分段压阔方案的优势。
理论和仿真结果
图1为基于削峰-分段线性压阔的光OFDM系统的设计框图；我们设置了不同的分段点，运用分段线性映射曲线来拟合μ律映射曲线，并进一步将经削峰-分段线性压阔处理(取不同分段点)后信号峰均比的互补累计分布函数进行了比较；从图2和图3中可以看出，当S1＝-0.5，S2＝0.5时削峰-分段线性压阔的映射曲线最接近于μ律压扩的映射曲线，因而其输出信号具有最低的峰均比。而当S1＝-1.3，S2＝1.3时削峰-分段线性压阔的映射曲线接近于直线，可以看作仅对信号进行了线性映射，并没进行压扩变换，因此其输出信号的峰均比最高。接着我们在不同削峰比例的情况下，将DCO-OFDM(偏置值分别为7dB与9dB)、μ-OFDM与削峰-分段线性压阔系统峰均比的互补累计分布函数进行了比较，从图4(a)(削峰比例＝3dB)、图4(b)(削峰比例＝4dB)、图4(c)(削峰比例＝5dB)和图4(d)(削峰比例＝6dB)可以看出经削峰-分段线性压阔处理的OFDM信号较μ-OFDM与DCO-OFDM具有更低的峰均比，说明削峰-分段线性压阔有着很好的压扩性能。因为削峰-分段线性压阔具有和μ-OFDM接近的压扩性能，在这个基础上它还引入了可恢复的削峰，可以有效地降低信号的峰均比。最后，我们将DCO-OFDM(偏置值分别为7dB与9dB)、μ-OFDM与削峰-分段线性压阔系统的误码率性能进行了比较，从图5中可以看出在低信噪比处削峰-分段线性压阔系统由于没有引入直流偏置具备较高的能量效率，因而具备较高的误码率性能；在高信噪比处削峰-分段线性压阔系统引入了可恢复的削峰，可以在低削峰比例的条件下仍具有很高的信号动态范围，因而同样具备较高的误码率性能。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征做出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种降低光OFDM系统信号峰均比的削峰-分段线性压阔方法，其特征在于，包括下述步骤：
1)在发射端对原始光信号进行IFFT处理得到OFDM信号，并将OFDM信号的实部与虚部分离；
2)对分离后的信号进行削峰，通过添加尾缀的方式将削峰信息保留，并对削峰后的信号进行分段线性映射，得到发射信号；
步骤2)包括如下步骤：
2a)首先对经过实部虚部分离的OFDM信号xs(n)进行削峰，得到经过削峰的信号xs-clip(n)；
2b)确定OFDM信号实部xr(n)与OFDM信号虚部xi(n)被同时削峰的概率；得到光OFDM信号的尾缀xend(n)；
2c)确定削峰并且加尾缀后的OFDM信号xsp(n)；
2d)运用分段的线性函数去拟合μ律压扩的映射曲线得到分段线性压阔的映射表达式；
2e)将削峰后的信号经上述分段线性压阔即得到发射信号；
3)在接收端对接收到的信号进行逆分段线性映射并恢复削峰信息，最后进行FFT变换完成解调，得到原始光信号。
2.根据权利要求1所述的一种降低光OFDM系统信号峰均比的削峰-分段线性压阔方法，其特征在于，所述步骤1)中，对原始光信号进行IFFT处理得到OFDM信号如下：
Figure FDA0003033740570000011
其中，X(k)代表第k个原始光信号，N表示OFDM系统的子载波个数，x(n)表示经IFFT处理后第n个子载波上的OFDM信号。
3.根据权利要求1所述的一种降低光OFDM系统信号峰均比的削峰-分段线性压阔方法，其特征在于，所述步骤1)中，将OFDM信号x(n)的实部与虚部分离如下：
Figure FDA0003033740570000021
其中xr(n)为OFDM信号x(n)的实部，xi(n)为频域OFDM信号x(n)的虚部，N为OFDM系统子载波个数，xs(n)为经过实部虚部分离的OFDM信号。
4.根据权利要求1所述的一种降低光OFDM系统信号峰均比的削峰-分段线性压阔方法，其特征在于，所述步骤2a)中，对经过实部虚部分离的OFDM信号xs(n)进行削峰；
Figure FDA0003033740570000022
其中，IH与IL分别为LED线性动态范围的上限和下限，N为OFDM系统子载波个数，n为子载波个数，xs-clip为经过削峰的信号。
5.根据权利要求1所述的一种降低光OFDM系统信号峰均比的削峰-分段线性压阔方法，其特征在于，所述步骤2b)中，确定削峰尾缀xend(n)过程中：
OFDM信号实部xr(n)与OFDM信号虚部xi(n)被同时削峰的概率为
Figure FDA0003033740570000023
其中，DC为LED线性范围的中点；IH与IL分别为LED线性动态范围的上限和下限；
光OFDM信号的尾缀xend(n)为
Figure FDA0003033740570000031
其中Cr(n)为OFDM信号x(n)的实部xr(n)的削峰信息，Ci(n)为OFDM信号x(n)的虚部xi(n)的削峰信息。
6.根据权利要求4所述的一种降低光OFDM系统信号峰均比的削峰-分段线性压阔方法，其特征在于，所述步骤2c)中，削峰并且加尾缀后的OFDM信号xsp(n)表示为：
Figure FDA0003033740570000032
7.根据权利要求1所述的一种降低光OFDM系统信号峰均比的削峰-分段线性压阔方法，其特征在于，所述步骤2d)中，分段线性压阔的映射表达式为：
Figure FDA0003033740570000033
其中s1、s2分别为函数的两个分段点，IH为信号削峰的上限，IL为信号削峰的下限；μ(.)表示进行μ律映射，其表达式为：
Figure FDA0003033740570000034
其中A与μ为映射参数，Sgn(·)为符号函数。
8.根据权利要求7所述的一种降低光OFDM系统信号峰均比的削峰-分段线性压阔方法，其特征在于，所述步骤3)包括如下步骤：
3a)在光学接收端接收到的信号为:
r(n)＝hyPLC(n)+w(n)
其中h为信道增益，w(n)为加性高斯白噪声，将接收端接收信号r(n)带入以下逆分段线性映射的表达式，即可得到解压阔的信号rPLC(n)：
Figure FDA0003033740570000041
rPLC(n)的结构为：
Figure FDA0003033740570000042
3b)将解压阔信号rPLC(n)的削峰信息恢复得到rs(n)：
Figure FDA0003033740570000043
其中rsr(n)为rs(n)的实部，rsi(n)为rs(n)的虚部；
3c)将rs(n)信号的实部虚部结合得到复信号R(n):
R(n)＝rsr(n)+jrsi(n)，0≤n<N
3e)将复信号R(n)送入FFT运算模块，其输出即为原始光信号；
FFT运算规则如下：
Figure FDA0003033740570000044
其中X(k)代表第k个原始光信号，N表示OFDM系统的子载波个数，x(n)第n个子载波上的OFDM信号。
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