CN111711593A - 一种基于ofdm/oqam的可见光通信系统的调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于OFDM/OQAM的可见光通信系统的调制方法，包括对OFDM/OQAM中NORMAL路进行改进，对OFDM/OQAM中OFFSET路的处理、在两个支路上引入功率分配方法，给滤波后的削波的NORMAL路信号和滤波后的OFFSET路的信号分配不同的功率值，并在时域进行叠加成一路信号并发射；并在接收端进行NORMAL路和OFFSET路解调。本方法中NORMAL路中只有一半的子载波携带数据而另一半载波携带削波噪声，并且引入了功率分配方法。在相同的比特传输速率下，有着更好的误码率性能，且不需要在接收端进行额外的干扰再生和消除。

Description

一种基于OFDM/OQAM的可见光通信系统的调制方法
技术领域
本发明属于可见光通信技术领域，具体为对OFDM/OQAM调制技术中NORMAL路的改进的可见光通信系统的调制方法。
背景技术
面对无线频谱资源日趋紧张这一挑战以及高速数据网络接入这一迫切需求，各种频谱高效的通信技术不断推出，其中频谱资源丰富、绿色节能，安全性能高、保密性好的接入方式——可见光通信(Visible Light Communication,VLC)便是一种极具吸引力和发展前途的解决方案。可见光通信频谱资源丰富，存在大量可利用带宽且带宽使用不受限制无需管理机构授权，从而为可见光通信系统实现高速数据传输提供了可行性。未来，可见光通信技术不仅能提供超高速网络服务，而且会产生不可估量的创新应用。在智慧城市、室内导航、医疗系统、井下作业、水下通信、航空航海、物联网等领域，VLC将于Wi-Fi、5G等通信技术交互融合，为用户带来创新应用和价值体验。
目前，在VLC通信系统中，OFDM得到了广泛的应用，主要是因为它的频谱效率比较高、抗多径干扰和频率选择性衰落等特点。而且它可以通过厄米共轭对称特性产生双极性的实信号进行传输，所以光OFDM成为VLC的热点研究内容。在DCO-OFDM中，所有的子载波都用来携带数据信息且通过直接添加一个直流分量来保证信号的非负性，虽然这样带来了很高的频谱效率但是也导致了功率效率的降低。这样以来，ACO-OFDM和PAM-DMT技术也相继提出来提高系统的功率效率，但是这是以降低一半的频谱效率为代价的，因为只有一半的载波被使用或调制符号的维度降低了一半。还有一些其他有吸引力的叠加方案出现，它们采用了混合或者多层单极性的光OFDM信号在时域进行同时传输，这样同时保证了较高的功率效率和频谱效率，比如像多层的ACO-OFDM,ASE-DMT,HACO-OFDM,PHO-OFDM等。然后这也存在了因为削波操作导致其他支路上产生了不必要的干扰，这得需要再接收端进行干扰估计和消除才能正确解调有用信息。
考虑到上述问题，有必要研究OFDM/OQAM技术，使其在VLC中的得到很好的应用。
发明内容
本发明的目的在于对OFDM/OQAM技术进行改进并引入可见光通信系统中，提供一种基于OFDM/OQAM的可见光通信系统的调制方法，使得该可见光通信系统在不需要增加额外的干扰消除下提高了系统功率效率和误码率性能。因为OFDM/OQAM被视为传统OFDM技术的替代，它选择使用了很好的时频域聚焦特性的很高的边带抑制滤波器来代替CP来提高系统的频谱效率和性能。但是在VLC中OFDM/OQAM的功率效率不高，这是因为它也需要很大的直流分量去保证信号的非负性。在本发明中提高的系统的功率效率而且该系统在接收端不需要增加削波引起的干扰估计和消除操作，这样也不会额外增加接收机的复杂度。所以提出了一种基于OFDM/OQAM的可见光通信系统的调制方法。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
一种基于OFDM/OQAM的可见光通信系统的调制方法，包括下述步骤：
1)对OFDM/OQAM中NORMAL路进行改进：
1a)将NORMAL路上前一半子载波中的奇载波携带调制的PAM数据符号，剩下的偶载波上不携带PAM符号全部置0；然后进行相位调制
Figure BDA0002551003540000031
保证OFDM/OQAM符号在实数域的正交性；
1b)NORMAL路上后一半的子载波数据通过与前一半子载波数据的厄米共轭对称操作生成；再将NORMAL路上所有的子载波数据送至IFFT模块，生成双极性实数的时域信号，且生成的双极性实数的时域信号满足两种对称性，即前一半数据和后一半数据半波对称性和在前一半数据中自身又满足偶对称性；
1c)将生成的双极性实数的时域信号进行负值削波操作，使信号的负值部分置0；然后送至原型滤波器中进行滤波操作；
2)对OFDM/OQAM中OFFSET路的处理：
2a)将OFFSET路上前一半子载波中的偶载波和奇载波都携带PAM数据符号，并进行相位调制
Figure BDA0002551003540000032
2b)OFFSET路上的后一半的子载波数据通过与前一半的子载波数据进行厄米共轭操作生成，并且通过IFFT模块生成双极性实数的时域信号；
2c)直接将OFFSET路的双极性的时域信号送至原型滤波器中进行滤波操作；
3)在两个NORMAL和OFFSET支路上引入功率分配方法，给滤波后的削波的NORMAL路单极性信号和滤波后的OFFSET路的双极性信号分配不同的功率值α和β，并在时域进行叠加成一路信号，并添加直流分量通过LED发射出去；
4)在接收端进行NORMAL路和OFFSET路解调：
接收到的信号通过标准的OFDM/OQAM接收机，经过原型滤波器、FFT操作和相位解调，NORMAL路和OFFSET路分别再取实部，进行PAM解调即可恢复发射端的数据。在NORMAL路取实部后，只留下前一半的子载波，且这前一半子载波中的偶载波数据舍弃，只保留奇载波上的数据，再去PAM解调；在OFFSET路取实部后，前一半子载波中的奇载波和偶载波都保留，再PAM解调。
本发明的具有以下优点：
本发明提出了一种基于OFDM/OQAM的可见光通信系统的调制方法，本发明通过在NORMAL路上进行了负值削波操作，来保证了OFDM/OQAM在可见光通信系统的较高的功率效率；而且引入了功率分配方法可以进一步提高系统误码率性能；在OFDM/OQAM系统中，因采用了时频域良好的原型滤波器，所以循环前缀也被移除，使得通信系统的频谱效率进一步提高以及边带能量减小；在接收端解调中，没有额外的干扰再生和消除操作，不会增加接收端复杂度；仿真中和PHO-OFDM对比，在相同的比特速率下，提出的系统有很好的误码率性能。
附图说明
图1为整个可见光通信收发的系统框图；
图2为NORMAL路上频域子载波上映射的PAM符号分布图；
图3为OFFSET路上频域子载波上映射的PAM符号分布图；
图4a)为NORMAL路经IFFT后的时域一个符号的信号波形图；
图4b)为NORMAL路经IFFT后削波操作的时域一个符号的信号波形图；
图5为OFFSET路经IFFT后的时域一个符号的信号波形图；
图6a)为NORMAL路最终滤波后的时域波形图；
图6b)为OFFSET路最终滤波后的时域波形图；
图6c)为NORMAL路和OFFSET路两路滤波后时域叠加后的时域波形图；
图7为EO-OFDM/OQAM和PHO-OFDM两个系统的时域波形对比图；
图8为两个支路不同功率分配下的误码率10-3所需信噪比变化图；
图9为相同平均比特速率下EO-OFDM/OQAM和PHO-OFDM的误码率对比图；
图10为ADO-OFDM，HACO-OFDM，AHO-OFDM，PHO-OFDM，EO-OFDM/OQAM的误码率性能对比图；
图11为在直流偏置和非线性削波失真下EO-OFDM/OQAM和PHO-OFDM的误码率对比图。
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，下面结合附图和具体实施方式进一步详细说明。本实施例仅表示对本发明的原理性说明，不代表对本发明的任何限制。
在可见光通信系统中提出一种基于OFDM/OQAM的可见光系统的调制方法，完整步骤如下：
步骤1，对OFDM/OQAM中NORMAL路进行改进，具体有：
1a)在NORMAL路上前一半子载波中的奇载波携带调制的PAM数据符号，剩下的偶载波数据上置0，不携带PAM符号，故前一半子载波上的频域数据排布为
Figure BDA0002551003540000061
其中，Xm,2k为NORMAL路上的频域数据，am,2k为调制好的PAM符号，m＝0,1,...,M/2-1，m为子载波的索引，M为总子载波个数，j为虚数，
Figure BDA0002551003540000062
再进行相位调制
Figure BDA0002551003540000065
为了保证OFDM/OQAM符号在实数域的正交性，即
Figure BDA0002551003540000063
其中，Re(X)为向量X的取实部操作，gm,n是原型滤波器的时域脉冲响应，*是取共轭操作，Ag为g(t)的模糊函数，τ0是OQAM符号的持续时间，也是OFDM/OQAM的符号周期的一半，ν0是子载波的间隔，p和q都是常数，gm+p,n+q是原型滤波器在频域上移动p个ν0和在时域上移动q个τ0的时域脉冲响应，t是时间变量，m是子载波的索引，
Figure BDA0002551003540000066
表示NORMAL路上各个子载波相位。
1b)NORMAL路上通过与前一半子载波数据厄米共轭对称操作生成后一半的子载波，再将所有的子载波数据送至IFFT模块，生成双极性实数的时域信号。从ACO-OFDM和PAM-DMT调制方法中，可以得出生成的双极性实数的时域信号满足以下两种对称性：
Figure BDA0002551003540000064
其中，xn是双极性时域信号的值，M是总子载波个数，n是时域采样点索引值。
1c)将生成的双极性实数信号的进行负数值进行削波操作，使所有负值置0；然后送至原型滤波器中进行滤波操作。
采用削波操作的前提是不能给调制的信号带来干扰，不能对其他支路的信号带来噪声。时域削波对频域信号的影响如下式
Figure BDA0002551003540000071
其中，xn是双极性时域信号的值，
Figure BDA0002551003540000072
是指负值削波操作，|x|是取x的绝对值操作，M是总的子载波个数，n是时域采样点索引值，m为子载波的索引值。
从上个式子的推导可以得出，NORMAL路的信号经过削波操作后，会在偶载波上的上的实部产生削波噪声，偶载波上的虚部没有干扰，这样也不会破坏OFDM/OQAM符号在实数域的正交性。而且我们也知道奇载波上的符号并不会受到干扰只是有一半的能量损失，在接收端进行能量补偿即可。
NORMAL路的双极性信号负值削波操作后采用PHYDYAS项目中的原型滤波器，滤波器的频率响应如下：
Figure BDA0002551003540000073
其中，K是重叠因子，Hk是原型滤波器的系数，k是原型滤波器的滤波系数索引值，PHYDYAS项目中设计的原型滤波器系数是H0＝1,H1＝0.971960,
Figure BDA0002551003540000074
H3＝0.235147，M是总子载波个数。
2)对OFDM/OQAM中OFFSET路的处理，具体有：
2a)在OFFSET路上的前一半的偶载波和奇载波都携带PAM数据符号，并且进行相位调制
Figure BDA0002551003540000081
同样是为了保证符号在实数域的正交性；OFFSET路上频域的子载波数据排布为下式
Figure BDA0002551003540000082
其中，Ym,2k为OFFSET路上的频域数据，am,2k+1为调制的PAM符号；
并进行相位调制
Figure BDA0002551003540000083
中，m是子载波的索引，
Figure BDA0002551003540000084
表示OFFSET路上各个子载波相位。
2b)将OFFSET路上的后一半的子载波数据通过与前一半的子载波数据进行厄米共轭操作生成，并且通过IFFT模块生成双极性实数的时域信号；
2c)直接将OFFSET路的双极性的时域信号送至原型滤波器中进行滤波操作。
为了生成OFDM/OQAM信号，我们采用PHYDYAS项目中的原型滤波器，滤波器的频率响应如下：
Figure BDA0002551003540000085
3)在两个NORMAL和OFFSET支路上引入功率分配方法。给滤波后的削波的NORMAL路单极性信号和滤波后的OFFSET路的双极性信号分配不同的功率值α和β，并在时域进行叠加合成一路信号，并添加直流分量通过LED发射出去。最终合成的一路信号表示为
z＝αxf+βyf+Ibias (8)
其中，其中，α是NORMAL路上的功率分配因子，β是OFFSET路上的功率分配因子，xf是NORMAL路上滤波后的时域信号，yf是OFFSET路上滤波后的时域信号，Ibias是直流偏置分量，是为了确保要发送的OFDM/OQAM信号满足非负特性，去驱动LED。
对NORMAL路和OFFSET路分配不同的功率因子，使其两路的正负的能量不相等，让其一定程度上进行正负抵消，这样就可以提高OFDM/OQAM系统的功率效率。
4)在接收端进行NORMAL路和OFFSET路进行解调。接收到的信号进入标准的OFDM/OQAM接收机，经过原型滤波器、FFT操作以及相位解调。NORMAL路和OFFSET路分别再取实部，进行PAM解调即可恢复发射端的数据。而且NORMAL路解调和OFFSET路解调之间都是独立的，两者不相互影响。
其中，在NORMAL路取实部后，只留下前一半的子载波，且这前一半子载波中的偶载波数据舍弃，只保留奇载波上的数据，再去PAM解调；在OFFSET路取实部后，前一半子载波中的奇载波和偶载波都保留，再PAM解调。提出的EO-OFDM/OQAM系统的性能取决于这些参数，两个支路不同的星座图组合，不同的功率分配，还有直流分量。
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：
本发明方法中，通过MATLAB进行模拟仿真验证。
首先，按照改进的EO-OFDM/OQAM通信系统框图，先生成NORMAL路的信号，在频域按照约定好的规则进行映射，生成时域波形并进行削波操作然后进行滤波；再生成第二路OFFSET信号，同样在频域按照约定好的规则映射，生成时域信号并进行滤波。引入功率分配方法，这两路信号在不同的能量加权下进行时域叠加，最后按照标准的解调器进行解调。和PHO-OFDM系统对比时域信号波形，不同的功率分配对系统的性能影响，以及在不同的平均比特速率下两个系统的误码率性能对比，在考虑了直流分量和非线性失真的情况下的两个系统的性能分析。
理论和仿真结果
图1给出了整个可见光通信的系统框图，包括收发机的各个操作模块和处理。图2和图3分别给出了频域子载波上映射的PAM符号分布图，在不同的子载波位置采取了不同的处理，NORMAL路上奇载波位置上都有携带有用的符号数据，但是偶载波上置0，不携带任何数据，这个主要是为了后续的削波操纵做准备，让偶载波上承载削波噪声。图4a)和图4b)和图5分别给出了NORMAL路和OFFSET路经IFFT后的时域一个符号的信号波形图。可以发现NORMAL路IFFT后的时域信号，具有两种对称性：在符号的前一半数据和后一半数据存在在半波对称特性；在前一半数据中，时域信号又是偶对称的。图6a)和图6b)分别给出了NORMAL路和OFFSET路最终滤波后的时域波形图，所以可以引入灵活的功率配置方法，让两路信号在不同的加权因子下进行叠加，这样可以提高信号的功率效率。图6c)为NORMAL路和OFFSET路两路滤波后时域叠加后的时域波形图；图7为EO-OFDM/OQAM和PHO-OFDM两个系统的时域波形对比图。
图8是随着NORMAL路和OFFSET路的功率分配比的变化，系统达到误码率为10-3所需最小的信噪比变化。从图中我们可以观察到NORMAL路和OFFSET路的功率比值是从0.2到5的比例变化的，且仿真图中可以看出两个支路进行相等的功率分配比并不是最好的，合适的功率分配比可以改善系统的误码率性能。举个例子，当两个支路的星座图分别是4PAM和8PAM时，和平均功率分配比相比，在最好的功率分配比下，系统有4dB的性能提升。这个主要是因为NORMAL路几乎是正值信号，OFFSET路是双极性信号，两者在进行叠加时进行了一定程度的信号幅度抵消，降低了最终EO-OFDM/OQAM信号的功率。图9是随显示了在相同的平均比特速率条件下，EO-OFDM/OQAM和PHO-OFDM的误码率性能的对比。这里两个系统都采用了最好的功率分配比。举个例子，在EO-OFDM/OQAM系统中，4PAM和2PAM的星座组合的功率分配比是α/β＝2，但是在PHO-OFDM中，4PAM和4QAM的星座组合的功率分配比是α/β＝1。两个系统采用了相同的平均比特速率，但是呈现了不同水准的误码率性能。在平均比特速率分别为2，3，4下，提出的系统的性能增益相比于PHO-OFDM分别是1.2dB，2.7dB，2.9dB，这里没有加直流偏置和没有非线性的削波失真。图10刻画了在同一种相同的平均比特速率下，和其他的混合OFDM方案的误码率性能对比。具体的，当误码率性能都为10-4时，对于EO-OFDM/OQAM，ADO-OFDM，AHO-OFDM，PHO-OFDM，HACO-OFDM这些系统，它们的信噪比需求分别是18.1dB，19.4dB，20.6dB，20.7dB，23.2dB。和它们相比，提出的系统的误码率性能还是比较好的。这个主要是在EO-OFDM/OQAM中，削波操作没有干扰其他的子载波上的符号数据，但是剩下的OFDM系统在成功估计出偶载波上的数据都需要进行额外的干扰再生和消除。图11中我们考虑了加了直流分量以及非线性失真的对提出的系统的误码率性能的影响。我们知道当一个很大的直流分量被使用时，系统所需的信噪比会变得很大，这样就使系统的功率效率降低了很多。因此一个合适的直流应该被使用。这里定义了
Figure BDA0002551003540000111
其中μ是一个比例常数，E{x(t)2}代表了被传输信号的功率。τ被定义为10log10(μ2+1)dB。在添加了直流分量后，剩下的负值信号就被削波为0，这样就会使信号产生非线性失真。这里应该注意，τ值越小，则代表被传输的信号的越容易被削波操作导致失真的可能性越大，这样就会使削波噪声占主导，误码率曲线就会饱和不会下降。图中给出了τ值分别为1dB和4dB时，EO-OFDM/OQAM和PHO-OFDM两个系统的性能对比。随着τ值的减小，系统的误码性能会越来越差，这是因为削波噪声变成主要的因素，但是这样会使直流功率变小。我们可以在功率效率和削波噪声之间进行折中，可以选择合适的τ值。从仿真图中我们也可以清楚的看出在直流分量和非线性削波失真情况下，EO-OFDM/OQAM比PHO-OFDM有着显著的误码率性能。
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作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于OFDM/OQAM的可见光通信系统的调制方法，其特征在于，包括下述步骤：
1)对OFDM/OQAM中NORMAL路进行改进：
1a)将NORMAL路上前一半子载波中的奇载波携带调制的PAM数据符号，剩下的偶载波上不携带PAM符号全部置0；然后进行相位调制；
1b)NORMAL路上后一半的子载波数据通过与前一半子载波数据的厄米共轭对称操作生成；再将NORMAL路上所有的子载波数据送至IFFT模块，生成双极性实数的时域信号；
1c)将生成的双极性实数的时域信号进行负值削波操作，使信号的负值部分置0；然后送至原型滤波器中进行滤波操作；
2)对OFDM/OQAM中OFFSET路的处理：
2a)将OFFSET路上前一半子载波中的偶载波和奇载波都携带PAM数据符号，并进行相位调制；
2b)OFFSET路上的后一半的子载波数据通过与前一半的子载波数据进行厄米共轭操作生成，并且通过IFFT模块生成双极性实数的时域信号；
2c)直接将OFFSET路的双极性的时域信号送至原型滤波器中进行滤波操作；
3)在两个NORMAL和OFFSET支路上引入功率分配方法，给滤波后的削波的NORMAL路信号和滤波后的OFFSET路的信号分配不同的功率值α和β，并在时域进行叠加成一路信号，并添加直流分量通过LED发射出去；
4)在接收端进行NORMAL路和OFFSET路解调：
接收到的信号通过标准的OFDM/OQAM接收机，经过原型滤波器、FFT操作和相位解调，NORMAL路和OFFSET路分别再取实部，进行PAM解调即可恢复发射端的数据。
2.根据权利要求1所述的基于OFDM/OQAM的可见光通信系统的调制方法，其特征在于，所述步骤1a)具体步骤如下：
①NORMAL路的频域前一半子载波的排布方式应满足：
Figure FDA0002551003530000021
其中，Xm,2k为NORMAL路上的频域数据，am,2k为调制好的PAM符号，m＝0,1,...,M/2-1，m为子载波的索引，M为总子载波个数，j为虚数，
Figure FDA0002551003530000022
②进行相位调制
Figure FDA0002551003530000023
保证OFDM/OQAM符号在实数域的正交性，即
Figure FDA0002551003530000024
其中，Re(X)为向量X的取实部操作，gm,n是原型滤波器的时域脉冲响应，*是取共轭操作，Ag为g(t)的模糊函数，τ0是OQAM符号的持续时间，也是OFDM/OQAM的符号周期的一半，ν0是子载波的间隔，p和q都是常数，gm+p,n+q是原型滤波器在频域上移动p个ν0和在时域上移动q个τ0的时域脉冲响应，t是时间变量，m是子载波的索引，
Figure FDA0002551003530000025
表示NORMAL路上各个子载波相位。
3.根据权利要求1所述的基于OFDM/OQAM的可见光通信系统的调制方法，其特征在于，所述步骤1b)中，生成的双极性实数的时域信号满足以下两种对称性：
Figure FDA0002551003530000031
其中，xn是双极性时域信号的值，M是总子载波个数，n是时域采样点索引值。
4.根据权利要求1所述的基于OFDM/OQAM的可见光通信系统的调制方法，其特征在于，所述步骤1c和2c)中，滤波操作中采用PHYDYAS项目中的原型滤波器，滤波器的频率响应如下：
Figure FDA0002551003530000032
其中，K是重叠因子，Hk是原型滤波器的滤波系数，k是原型滤波器的滤波系数索引值，其中M是总子载波个数。
5.根据权利要求1所述的基于OFDM/OQAM的可见光通信系统的调制方法，其特征在于，所述步骤2a)中，OFFSET路频域上的前一半子载波上PAM数据满足：
Figure FDA0002551003530000033
其中，Ym,2k为OFFSET路上的频域数据，am,2k+1为调制的PAM符号，m＝0,1,...,M/2-1，m为子载波的索引，M为总子载波个数，j为虚数，
Figure FDA0002551003530000034
并进行相位调制
Figure FDA0002551003530000035
其中，m是子载波的索引，
Figure FDA0002551003530000036
表示OFFSET路上各个子载波相位。
6.根据权利要求1所述的基于OFDM/OQAM的可见光通信系统的调制方法，其特征在于，所述步骤3)中，在两个NORMAL和OFFSET支路上在时域进行叠加合成一路信号表示为
z＝αxf+βyf+Ibias (6)
其中，α是NORMAL路上的功率分配因子，β是OFFSET路上的功率分配因子，xf是NORMAL路上滤波后的时域信号，yf是OFFSET路上滤波后的时域信号，Ibias是直流偏置分量。
7.根据权利要求1所述的基于OFDM/OQAM的可见光通信系统的调制方法，其特征在于，所述步骤4)中，在NORMAL路取实部后，只留下前一半的子载波，且这前一半子载波中的偶载波数据舍弃，只保留奇载波上的数据，再去PAM解调；在OFFSET路取实部后，前一半子载波中的奇载波和偶载波都保留，再PAM解调。
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