CN113328964B - 一种融合vook的可调光正交混合aco-ofdm方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种融合VOOK的可调光正交混合ACO‑OFDM方法，涉及光通信领域。本方法采用VOOK、PAM‑DMT和ACO‑OFDM三种信号在时域叠加传输，通过改变VOOK的占空比，可以线性地调节调光度，从而实现高效通信和调光控制的双重功能。在提出方法中，通过构造VOOK的时域对称性，避免VOOK信号干扰PAM‑DMT和ACO‑OFDM的传输，同时，保证PAM‑DMT和ACO‑OFDM削波后不损失传输信息。更为重要的，发送端采用预处理的方式，保证PAM‑DMT和ACO‑OFDM两种混合信号的正交性，消除两种信号间的干扰。在接收端，鉴于PAM‑DMT和ACO‑OFDM两种混合信号的正交性，可以采用标准的OFDM接收机完成两种信号的检测，有效地降低了接收机复杂度和处理时延。同时，能够实现VOOK和正交混合信号的并行检测，进一步地降低了处理时延；可以获得更高的可达频谱效率。

Description

一种融合VOOK的可调光正交混合ACO-OFDM方法

技术领域

本发明涉及无线光通信领域，特别是一种融合VOOK的可调光正交混合ACO-OFDM方法。

背景技术

随着无线射频通信频带的日益紧张以及发光二极管(LED)技术的迅猛发展，可见光通信技术得到了学术界和工业界广泛的关注。可见光通信构建于LED照明系统之上，具备绿色环保、成本低、无电磁辐射等诸多优点。近年来的关于可见光通信技术的研究，除了致力于提高信息传输性能之外，作为LED基本的照明功能也需要我们兼顾。在LED照明系统中，调光控制能够根据用户需求提供亮度调节，具有节约资源的作用，被认为是可见光通信系统的一项重要功能。目前广泛采用的调光技术有模拟和数字两种方式，模拟调光通过调节前向电流实现亮度控制，而数字调光借助占空比实现调光度的线性调节。相比模拟调光，数字调光能够抑制色移现象，从而得到了工业界的青睐。

在数字调光方面，可变开关键控(VOOK)技术将数字调光和开关键控(OOK)融合，实现了高效通信和调光控制的双重功能。可变脉冲位置调制(VPPM)采用类似的思想，实现了数字调光与脉冲位置调制(PPM)的融合。这些调制技术已经被纳入IEEE Std 802.15.7标准，但由于该类技术均基于单载波调制，传输的频谱效率比较低。为了提升频谱效率，可以将这些可变调制与正交频分复用(OFDM)传输结合，催生了混合调制技术，包括多阶位置脉冲调制辅助的反极性光OFDM(MPPM-RPO-OFDM)、分数反极性光OFDM(FRPO-OFDM)。MPPM-RPO-OFDM采用信号极性反转的方式，实现MPPM与非对称限幅光OFDM(ACO-OFDM)的融合传输，但由于ACO-OFDM只利用了一半的子载波传输信息，该方法的频谱效率比较低。FRPO-OFDM采用相同的原理，实现了VOOK与分层ACO-OFDM(LACO-OFDM)，但由于LACO-OFDM需要采用串行干扰消除的方式进行检测，接收机复杂度和处理时延比较高。此外，在这类技术中，接收端需首先检测出可变调制信号，才能进行后续的OFDM信号的检测，进一步地增加了接收端的处理时延，同时会导致检测错误的传播。综上所述，如何将可变调制与OFDM融合传输，提升传输的频谱效率，同时保持低复杂度、低处理时延的传输架构，仍然是一个尚未解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种融合VOOK的可调光正交混合ACO-OFDM方法，提升了传输的频谱效率。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种融合VOOK的可调光正交混合ACO-OFDM方法，包括以下步骤：

步骤1、发送数据流经过QAM和PAM调制，分别生成QAM符号和PAM符号，随后对QAM符号和PAM符号进行串并转换，并根据Hermitian对称性，同时，将QAM符号和PAM符号分别加载于奇数子载波和偶数子载波的虚部，分别生成ACO-OFDM和PAM-DMT的频域信号X和Y；

步骤2、将步骤1中的X经过IFFT计算后，产生时域信号，第n个采样时刻的时域信号表示为x_n，其中，n＝0,1,...,N-1，N为子载波的总数目；

步骤3、根据调光控制要求，生成长度为N/4的VOOK码字，根据VOOK码字产生一个OFDM符号时间对应的VOOK序列d，其中，d的长度为N；根据d生成一个OFDM符号时间对应的VOOK信号，第n个采样时刻的VOOK信号记为z_n，n＝0,1,…,N-1；

步骤4、根据步骤3中VOOK信号，对步骤2中x_n进行削波操作，在VOOK信号为高电平的情况下，将取值为正的x_n削波为零，取值为负的x_n保持不变，在VOOK信号为低电平的情况下，将取值为负的x_n削波为零，取值为正的x_n保持不变；将第n个采样时刻的削波OFDM信号表示为x_clip,n，n＝0,1,…,N-1；

步骤5、针对步骤4中生成的x_clip,n进行串并转换，并送至FFT模块生成频域信号，将第m个子载波上的频域信号表示为X_clip,m,m＝0,1,…,N-1,提取出X_clip,m中偶数子载波虚部上的削波噪声干扰，据此生成相应的干扰消除信号，干扰消除信号组成用于消除干扰的信号序列U；

步骤6、将信号Y-2U送至IFFT模块，生成时域信号，将第n个采样时刻的时域信号表示为y_n，根据VOOK信号，对y_n进行削波操作，在VOOK信号为高电平的情况下，y_n取值为正时削波为零，y_n取值为负时保持不变，在VOOK信号为低电平的情况下，y_n取值为负时削波为零，y_n取值为正时保持不变；将削波后的y_n表示为y_clip,n；

步骤7、将x_clip,n、y_clip,n和z_n三种信号叠加，生成可调光正交混合ACO-OFDM信号。

作为本发明所述的一种融合VOOK的可调光正交混合ACO-OFDM方法进一步优化方案，步骤1中，

Y＝[0,0,jP₁,0,jP₂,0,...,jP_N/4-1,0,0,0,-jP_N/4-1,0,...,-jP₁,0]，

其中，j为虚数单位，

表示Q_l的共轭对称，Q_l为第l个QAM符号，P_i为第i个PAM符号，其中，l＝1,2,…,N/4，i＝1,2,…,N/4-1，N为子载波的总数目。

作为本发明所述的一种融合VOOK的可调光正交混合ACO-OFDM方法进一步优化方案，步骤2中，

其中，X_k为X的第k+1个元素，e为自然底数，k＝0,1,…,N-1，x_n具有对称性，即x_n＝-x_n+N/2。

作为本发明所述的一种融合VOOK的可调光正交混合ACO-OFDM方法进一步优化方案，步骤3中，

VOOK码字中第q个元素表示为s_q，q＝1,2,…,N/4，s_q从集合{0,1}中取值；根据s_q产生一个OFDM符号时间对应的VOOK序列d，其中，d的长度为N；

d＝[s₁,s₂,…,s_N/4,s₁,s_N/4,…,s₂,s₁,s₂,…,s_N/4,s₁,s_N/4,…,s₂]，

作为本发明所述的一种融合VOOK的可调光正交混合ACO-OFDM方法进一步优化方案，步骤3中，

z_n表示为

其中，d_n是VOOK序列d中的第n+1个元素，I_H和I_L分别表示LED允许的最大和最小驱动电流。

作为本发明所述的一种融合VOOK的可调光正交混合ACO-OFDM方法进一步优化方案，步骤4中，VOOK信号为高电平，是指z_n＝I_H；VOOK信号为低电平，是指z_n＝I_L。

作为本发明所述的一种融合VOOK的可调光正交混合ACO-OFDM方法进一步优化方案，步骤5中，

U＝[0,0,jIm(X_clip,2),0,jIm(X_clip,4),…,-jIm(X_clip,4),0,-jIm(X_clip,2),0]，

其中，Im(·)表示取虚部操作，U为用于消除干扰的信号序列。

作为本发明所述的一种融合VOOK的可调光正交混合ACO-OFDM方法进一步优化方案，步骤7中，第n个采样时刻的可调光正交混合ACO-OFDM信号记为t_n，

t_n＝x_clip,n+y_clip,n+z_n,n＝0,1,2,...,N-1。

作为本发明所述的一种融合VOOK的可调光正交混合ACO-OFDM方法进一步优化方案，还包括以下步骤：

步骤A、接收端将包括t_n的光信号转换成电信号，并进行模数转换、串并转换后，获得接收信号，第n个采样时刻的接收信号表示为

n＝0,1,…,N-1；

步骤B、将

送至FFT模块，得到频域信号，分别提取奇数子载波和偶数子载波的虚部上的信号，检测出QAM和PAM调制信息；

步骤C、根据

产生VOOK的判决量p，p表示为

其中，N_d为步骤3中生成的VOOK码字中用于数据传输的长度；

据此检测出VOOK调制信息。

作为本发明所述的一种融合VOOK的可调光正交混合ACO-OFDM方法进一步优化方案，

利用阈值检测法：

据此检测出VOOK调制信息。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本发明实现了VOOK、脉冲幅度调制-离散多音(PAM-DMT)和ACO-OFDM三种信号的融合传输，实现了通信和调光控制的双重功能，相比传统的可变调制，如VOOK、VPPM，同时有效地提升了传输的频谱效率；

(2)本发明实现了PAM-DMT和ACO-OFDM的正交混合传输，相比传统的基于ACO-OFDM的可调光方法，有效地提升了传输的频谱效率，同时，相比传统的基于多路叠加OFDM的可调光方法，大幅地降低了接收机的复杂度和处理时延；

(3)在本发明中，OFDM信号和VOOK信号在接收端可以并行的检测出，相比于传统的OFDM和可变调制融合方法，有效地降低了处理时延，同时，消除了错误的传播。

附图说明

图1为本发明中融合VOOK的可调光正交混合ACO-OFDM发送机框图；

图2为本发明中融合VOOK的可调光正交混合ACO-OFDM接收机框图；

图3为本发明方法实现的调光度与占空比之间的关系；

图4为提出的可调光混合ACO-OFDM方法与HACO-OFDM的BER性能对比；

图5为本发明中正交混合ACO-OFDM和VOOK在不同的占空比情况下的BER性能。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。

图1为本发明中融合VOOK的可调光正交混合ACO-OFDM发送机框图，图2为本发明中融合VOOK的可调光正交混合ACO-OFDM接收机框图。

步骤1：生成ACO-OFDM和PAM-DMT的频域信号。将两路发送数据分别进行QAM和PAM调制，生成QAM以及PAM符号，第l个QAM符号和第i个PAM符号分别表示为Q_l和P_i，其中，l＝1,2,…,N/4，i＝1,2,…,N/4-1。随后对生成的符号进行串并转换，并根据Hermitian对称性，同时，将QAM符号和PAM符号分别加载于奇数子载波和偶数子载波的虚部，分别生成ACO-OFDM和PAM-DMT的频域信号X和Y，具体表示为

Y＝[0,0,jP₁,0,jP₂,0,...,jP_N/4-1,0,0,0,-jP_N/4-1,0,...,-jP₁,0]，

其中，N为子载波的总数目，j为虚数单位，

表示Q_l的共轭对称。

步骤2：将步骤1中的频域信号X送至IFFT模块，经过IFFT后计算后，产生时域信号x_n，具体表示为

x_n具有一定的对称性，即x_n＝-x_n+N/2。

步骤3：根据对称信息生成调光信号VOOK。根据调光控制要求，生成长度为N/4的VOOK码字，表示为s_n，n＝0,1,…,N/4-1，s_n从集合{0,1}中取值，其中，用于数据传输的长度为N_d,即s_n,n＝0,1,…,N_d-1用于数据传输,其余位置用0或1补位。其中N_d的数值由传输系统调光度η决定：

进一步地，根据s_n产生一个OFDM符号时间对应的VOOK序列d。为了避免VOOK干扰OFDM的信息传输，d表示为

d＝[s₀,s₁,…,s_N/4-1,s₀,s_N/4-1,…,s₁,s₀,s₁,…,s_N/4-1,s₀,s_N/4-1,…,s₁]，

根据VOOK序列d，生成一个OFDM符号时间对应的VOOK信号z_n，具体可以表示为

其中，I_H和I_L分别表示LED允许的最大和最小驱动电流。

步骤4：根据步骤3中VOOK信号z_n，对步骤2中信号x_n进行削波操作，在VOOK信号为高电平的情况下，即z_n＝I_H，将取值为正的x_n削波为零，取值为负的x_n保持不变，在VOOK信号为低电平的情况下，即z_n＝I_L，将取值为负的x_n削波为零，取值为正的x_n保持不变。进一步地，将削波后的OFDM信号表示为

由于步骤2中数据均对称，因此削波操作不会造成信息的丢失。

步骤5：步骤4虽然不会造成信息丢失，但是在传输中会对位于偶数子载波的PAM信号造成信息干扰，因此在该步骤中寻找削波之后产生的位于偶数子载波上的噪声U。针对步骤4中生成的信号x_clip,n进行串并转换，并送至FFT模块生成频域信号X_clip,m,m＝0,1,…,N-1,：

提取出X_clip,m中偶数子载波虚部上的削波噪声干扰，据此生成相应的干扰消除信号，具体表示为

U＝[0,0,jIm(X_clip,2),0,jIm(X_clip,4),…,-jIm(X_clip,4),0,-jIm(X_clip,2),0]，

其中，Im(·)表示取虚部操作。

步骤6：在步骤5中计算出的由于削波产生的位于偶数子载波上的噪声将会对信号Y的传输造成干扰，因此，在本发明中，我们在接收端将该噪声与信号Y相叠加，使得接收端传输生成的噪声抵消，最终接收端将实现各路信号之间无干扰。将信号Y-2U送至IFFT模块，生成时域信号y_n，根据VOOK信号，对y_n进行削波操作，在VOOK信号为高电平的情况下，即z_n＝I_H，y_n取值为正时削波为零，y_n取值为负时保持不变，在VOOK信号为低电平的情况下，即z_n＝I_L，y_n取值为负时削波为零，y_n取值为正时保持不变。将削波后的y_n表示为

步骤7：将x_clip,n、y_clip,n和z_n三种信号叠加，生成可调光正交混合ACO-OFDM信号，表示为

t_n＝x_clip,n+y_clip,n+z_n,n＝0,1,2,...,N-1。

步骤8：接收端通过光电检测器件，将光信号转换成电信号，并进行模数转换、串并转换后，获得接收信号

步骤9：将信号

送至FFT模块，得到频域信号，分别提取奇数子载波和偶数子载波的虚部上的信号，检测出QAM和PAM调制信息。

步骤10：根据信号

产生VOOK的判决量，表示为

利用阈值检测法：

据此检测出VOOK调制信息。

我们利用MATLAB软件进行系统的模拟仿真，在仿真中，可调光正交混合ACO-OFDM的子载波数目设置为N＝256，LED的允许的最大和最小驱动电流分别设置为I_H＝1A和I_L＝0A，传输的QAM符号与PAM符号的功率比值为1。

图3为提出的可调光正交混合ACO-OFDM系统的调光性能与占空比之间的关系，横坐标为占空比，纵坐标为调光度(Dimming Level)。β为比例因子，定义为β＝(I_H-I_L)/σ，其中σ表示正交混合ACO-OFDM信号的功率。从仿真图可以看出，在调光度低于和高于50％时，系统的调光度可以通过改变占空比实现线性调节。此外，随着比例因子β取值的增大，即正交混合ACO-OFDM信号的功率σ的逐渐变小，系统实现的调光度范围逐渐增大。

在不同的比例因子β的情况下，图4给出了本发明方法与传统的HACO-OFDM的BER性能对比，其中，ACO-OFDM和PAM-DMT分量分别采用16-QAM和4-PAM。从仿真结果可以看出，提出的方法可以获得比传统HACO-OFDM更优的BER性能。此外，当采用较小的比例因子时，系统传输信号的功率σ比较大，此时，由于LED非线性的影响，会导致严重的非线性失真，随着比例因子增大，非线性失真逐渐得到抑制，因此，可以看到可调光正交混合ACO-OFDM的BER性能随着比例因子增大逐渐变好。但随着比例因子的增大，系统传输信号的功率σ逐渐变小，因此，导致BER的性能逐渐恶化。

图5为本发明中正交混合ACO-OFDM和VOOK在不同的占空比情况下的BER性能。在仿真中，噪声的功率设置为-1dBm，比例因子β分别采用2和3，由于在β＝3的情况下，VOOK的BER性能低于10^-4，因此，图中只给出在β＝2的情况下VOOK的BER性能。从结果可以看出，占空比的变化不会影响正交混合ACO-OFDM的性能，同时，VOOK的BER性能随着占空比的增大逐渐变好。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种融合VOOK的可调光正交混合ACO-OFDM方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、发送数据流经过QAM和PAM调制，分别生成QAM符号和PAM符号，随后对QAM符号和PAM符号进行串并转换，并根据Hermitian对称性，同时，将QAM符号和PAM符号分别加载于奇数子载波和偶数子载波的虚部，分别生成ACO-OFDM和PAM-DMT的频域信号X和Y；

步骤2、将步骤1中的X经过IFFT计算后，产生时域信号，第n个采样时刻的时域信号表示为x_n，其中，n＝0,1,...,N-1，N为子载波的总数目；

步骤3、根据调光控制要求，生成长度为N/4的VOOK码字，根据VOOK码字产生一个OFDM符号时间对应的VOOK序列d，其中，d的长度为N；根据d生成一个OFDM符号时间对应的VOOK信号，第n个采样时刻的VOOK信号记为z_n，n＝0,1,…,N-1；

步骤4、根据步骤3中VOOK信号，对步骤2中x_n进行削波操作，在VOOK信号为高电平的情况下，将取值为正的x_n削波为零，取值为负的x_n保持不变，在VOOK信号为低电平的情况下，将取值为负的x_n削波为零，取值为正的x_n保持不变；将第n个采样时刻的削波OFDM信号表示为x_clip,n，n＝0,1,…,N-1；

步骤5、针对步骤4中生成的x_clip,n进行串并转换，并送至FFT模块生成频域信号，将第m个子载波上的频域信号表示为X_clip,m,m＝0,1,…,N-1,提取出X_clip,m中偶数子载波虚部上的削波噪声干扰，据此生成相应的干扰消除信号，干扰消除信号组成用于消除干扰的信号序列U；

步骤6、将信号Y-2U送至IFFT模块，生成时域信号，将第n个采样时刻的时域信号表示为y_n，根据VOOK信号，对y_n进行削波操作，在VOOK信号为高电平的情况下，y_n取值为正时削波为零，y_n取值为负时保持不变，在VOOK信号为低电平的情况下，y_n取值为负时削波为零，y_n取值为正时保持不变；将削波后的y_n表示为y_clip,n；

步骤7、将x_clip,n、y_clip,n和z_n三种信号叠加，生成可调光正交混合ACO-OFDM信号；

还包括以下步骤：

步骤A、接收端将包括t_n的光信号转换成电信号，并进行模数转换、串并转换后，获得接收信号，第n个采样时刻的接收信号表示为

步骤B、将

送至FFT模块，得到频域信号，分别提取奇数子载波和偶数子载波的虚部上的信号，检测出QAM和PAM调制信息；

步骤C、根据

产生VOOK的判决量p，p表示为

其中，N_d为步骤3中生成的VOOK码字中用于数据传输的长度；

据此检测出VOOK调制信息；

利用阈值检测法：

据此检测出VOOK调制信息。

2.根据权利要求1所述的一种融合VOOK的可调光正交混合ACO-OFDM方法，其特征在于，步骤1中，

Y＝[0,0,jP₁,0,jP₂,0,...,jP_N/4-1,0,0,0,-jP_N/4-1,0,...,-jP₁,0]，

其中，j为虚数单位，

表示Q_l的共轭对称，Q_l为第l个QAM符号，P_i为第i个PAM符号，其中，l＝1,2,…,N/4，i＝1,2,…,N/4-1，N为子载波的总数目。

3.根据权利要求2所述的一种融合VOOK的可调光正交混合ACO-OFDM方法，其特征在于，步骤2中，

其中，X_k为X的第k+1个元素，e为自然底数，k＝0,1,…,N-1，x_n具有对称性，即x_n＝-x_n+N/2。

4.根据权利要求3所述的一种融合VOOK的可调光正交混合ACO-OFDM方法，其特征在于，步骤3中，

VOOK码字中第q个元素表示为s_q，q＝1,2,…,N/4，s_q从集合{0,1}中取值；根据s_q产生一个OFDM符号时间对应的VOOK序列d，其中，d的长度为N；

d＝[s₁,s₂,…,s_N/4,s₁,s_N/4,…,s₂,s₁,s₂,…,s_N/4,s₁,s_N/4,…,s₂]。

5.根据权利要求4所述的一种融合VOOK的可调光正交混合ACO-OFDM方法，其特征在于，步骤3中，

z_n表示为

其中，d_n是VOOK序列d中的第n+1个元素，I_H和I_L分别表示LED允许的最大和最小驱动电流。

6.根据权利要求5所述的一种融合VOOK的可调光正交混合ACO-OFDM方法，其特征在于，步骤4中，VOOK信号为高电平，是指z_n＝I_H；VOOK信号为低电平，是指z_n＝I_L。

7.根据权利要求5所述的一种融合VOOK的可调光正交混合ACO-OFDM方法，其特征在于，步骤5中，

U＝[0,0,jIm(X_clip,2),0,jIm(X_clip,4),…,-jIm(X_clip,4),0,-jIm(X_clip,2),0]，

其中，Im(·)表示取虚部操作，U为用于消除干扰的信号序列。

8.根据权利要求7所述的一种融合VOOK的可调光正交混合ACO-OFDM方法，其特征在于，步骤7中，第n个采样时刻的可调光正交混合ACO-OFDM信号记为t_n，

t_n＝x_clip,n+y_clip,n+z_n,n＝0,1,2,...,N-1。

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