CN113542179B - 一种基于时域预处理的混合光ofdm方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时域预处理的混合光OFDM方法，属于无线光通信领域。本发明以时域预处理的方式在发射端消除削波失真，且发送端仅需一个IFFT模块，接收端则为标准的OFDM接收器，显著降低了系统的复杂度和时延。仿真结果表明本发明所提出的方案具有更好的抑制非线性失真的能力，在非线性情况下能进行良好的数据传输，具有较优的误码率性能。

Description

一种基于时域预处理的混合光OFDM方法

技术领域

本发明涉及一种基于时域预处理的混合光OFDM(正交频分复用OrthogonalFrequency Division Multiplexing)方法，属于光无线通信技术领域。

背景技术

随着射频(RF)频谱资源日渐匮乏，研究者们逐渐将重点转向具有更高频谱的光无线通信(OWC)领域。通过在光强度上调制比特流，OWC能够同时实现高速传输和个性化照明，为RF通信提供了一种有吸引力的互补技术。由于其固有的优势，如丰富的免许可证的频谱资源，强大的抗电磁干扰和安全的通信环境，OWC激发了学术界和工业界的大量研究兴趣。

为了实现理想的数据速率传输，正交频分复用(OFDM)因其频谱效率高、抗符号间干扰能力强等优点而在OWC中得到了广泛的应用。与传统的RF通信不同，OWC是基于强度调制/直接检测(IM/DD)系统，要求发射信号为实数且为正值，这就产生了光OFDM(O-OFDM)的研究领域。

针对光无线通信是基于强度调制/直接检测的系统，要求发射信号为实数且为正值，目前已经提出了许多O-OFDM方案，但都存在一定的性能缺陷。其中HACO-OFDM在频谱效率、计算复杂度和传输性能之间有更好的权衡。但是由于ACO-OFDM分支的削波失真会污染携带PAM符号的子载波，HACO-OFDM接收机必须重新生成并消除削波失真，才能恢复PAM符号，检测过程增加了复杂度和检测误差。

发明内容

针对现有技术的不足，在本发明提供了一种基于时域预处理的混合光OFDM方法，以降低系统的复杂度和时延。

本发明的技术方案：本发明一种基于时域预处理的混合光OFDM方法，

(1)发送端包括如下步骤：

步骤1：将两路发送比特分别经正交幅度调制QAM映射、脉冲幅度调制PAM映射后混合传输，OFDM系统的子载波数目表示为N，在一个OFDM符号时间内，将传输的QAM符号表示为X_i，其中，i＝0，1，…，N/4_1，将传输的PAM-DMT符号表示为Y_m，其中，m＝0，1，…，N/4-2，经串/并转换，厄米特对称变换后，混合光OFDM的频域信号可以表示为：

其中，虚补系数

k＝0，1，…，N-1；

步骤2：对W_k进行反傅里叶变换操作，再进行并串转换生成时域信号w_n，n＝0，1，...，N-1；

步骤3：计算时域预处理信号s_n：

步骤4：将w_n与s_n叠加，进行数模变换后生成模拟信号，通过发光二极管发送。最终的发送信号t_n的计算公式为：

t_n＝w_n+s_n，n＝0，1，…，N-1；

(2)接收端采用标准的OFDM接收器。

进一步地，步骤2中，所述时域信号w_n＝x_n+y_n，x_n表示为未削波的ACO-OFDM信号，y_n表示未削波的PAM-DMT信号。

进一步地，步骤3中，所述时域预处理信号的计算方法如下：

为保证发送信号非负，且接收端x_n与y_n的检测互不干扰，发送信号t_n可以表示为：

其中

表示削波负部分操作，a_n表示若未进行时域预处理，x_n削波操作对y_n产生的噪声干扰；考虑x_n半波对称性，并分类讨论x_n正负，可以进一步化简t_n，再结合y_n的反对称性，可以得到最终的发送信号t_n的计算公式为：

最后根据s_n＝t_n-w_n求出时域预处理信号s_n。

有益效果

本发明方法在发送端不需要进行削波处理，以时域预处理的方式在发送端保证发送信号非负，也消除了HACO-OFDM中产生的削波失真。与HACO-OFDM相比，发送端仅需一个IFFT模块，降低了发送端的复杂度，接收端不需要重新生成并消除削波失，为标准的OFDM接收器，也降低了接收端的复杂度和时延；

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一个实施例的一种基于时域预处理的混合光OFDM方法的发送端和接收端的框图；

图2为一个实施例的一种基于时域预处理的混合光OFDM方法(TPHO-OFDM)与HACO-OFDM的PAPR性能对比图；

图3为一个实施例的一种基于时域预处理的混合光OFDM方法(TPHO-OFDM)与HACO-OFDM在线性情况下的BER性能对比图；

图4一个实施例的一种基于时域预处理的混合光OFDM方法(TPHO-OFDM)与HACO-OFDM在非线性情况下的BER性能对比图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明技术方案做进一步的详细说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

考虑到混合非对称削减正交频分复用(HACO-OFDM)中ACO-OFDM分支的削波失真会污染PAM-DMT，接收端必须重新生成并消除削波失真，才能恢复PAM符号，这种迭代检测过程增加了接收端的复杂度和处理延迟。本发明针对这一问题，提出了一种基于时域预处理的混合光OFDM系统，其包括发射端和接收端，如图1所示，为本实施例的发送端和接收端的框图。其以时域预处理的方式在发射端消除削波失真，且发送端仅需一个反傅里叶变换IFFT模块，接收端则为标准的OFDM接收器，显著降低了系统的复杂度和时延。

具体地，本发明一种基于时域预处理的混合光OFDM方法，步骤如下：

步骤1：将两路发送比特分别经正交幅度调制QAM映射、脉冲幅度调制PAM映射后混合传输，OFDM系统的子载波数目表示为N，在一个OFDM符号时间内，将传输的QAM符号表示为X_i，其中，i＝0，1，…，N/4-1，将传输的PAM符号表示为Y_m，其中，m＝0，1，…，N/4-2，经串/并转换厄米特对称变换后，混合光OFDM的频域信号可以表示为：

其中，虚补系数

k＝0，1，…，N-1。

步骤2：对W_k进行反傅里叶变换操作，再进行/并串转换生成时域信号w_n。其中w_n＝x_n+y_n，x_n表示为未削波的ACO-OFDM信号，y_n表示未削波的PAM-DMT信号，n＝0，1，...，N-1。

步骤3：计算时域预处理信号s_n。

步骤4：将w_n与s_n叠加，进行数模变换后生成模拟信号，通过发光二极管发送。最终的发送信号t_n可以表示为

具体推导如下：为保证发送信号非负，且接收端x_n与y_n的检测互不干扰，发送信号t_n可以表示为

其中

表示削波负部分操作，a_n表示若未进行时域预处理，x_n削波操作对y_n产生的噪声干扰。

削波信号

满足

其中

表示削波操作，

表示在偶数子载波上的削波失真噪声，其中a_n表示虚部噪声干扰，b_n实部噪声干扰，且满足

可以得到削波失真

的在偶索引子载波虚部产生的干扰a_n为:

进一步t_n可以写成

考虑x_n的半波对称性

削波后的时域信号与未削波的时域信号之间的关系为

t_n可以进一步写成：

提取

t_n可以进一步写成：

当x_n＞x_N/2+n时，根据x_n的半波对称性，可以得到x_n＞0，则

当x_n≤x_N/2+n时，根据x_n的半波对称性，可以得到x_n≤0，则

考虑y_n的反对称性，即y_n＝y_N/2+n＝-y_N/2-n＝-y_N-n，最终的发送信号t_n可以重构为

步骤5：本发明的接收端为标准的OFDM接收器。

本发明一种基于时域预处理的混合光OFDM方法(TPHO-OFDM)与混合非对称削减正交频分复用HACO-OFDM的PAPR性能对比图，如图2所示，其横坐标功率分均比PAPR₀为设定的峰均比的变换范围，纵坐标为互补累计分布函数曲线Pr[PAPR＞PAPR₀]表示系统PAPR分布大于PAPR0的概率。可以看出，给定PAPR₀，TPHO-OFDM的Pr[PAPR＞PAPR₀]更小，这表明所提方法具有更好的抑制非线性失真的能力。

本发明一种基于时域预处理的混合光OFDM方法(TPHO-OFDM)与混合非对称削减正交频分复用HACO-OFDM在线性情况下的BER性能对比图，如图3所示，可以看出所提TPHO-OFDM方法相比于HACO-OFDM在线性情况下，两者的BER性能几乎相等，但是本发明的复杂度远远低于HACO-OFDM，且本发明的处理时延更低。

本发明一种基于时域预处理的混合光OFDM方法(TPHO-OFDM)与混合非对称削减正交频分复用HACO-OFDM在非线性情况下的BER性能对比图，如图4所示，由于LED随温度和环境变化，并不能一直保持线性特性。可以看出，所提TPHO-OFDM方法在非线性情况下的BER性能远远好于HACO-OFDM，即系统能在非线性情况下进行良好的数据传输，所提方法具有一定的意义。

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于时域预处理的混合光OFDM方法，其特征在于，

(1)发送端包括如下步骤：

步骤1：将两路发送比特分别经正交幅度调制QAM映射、脉冲幅度调制PAM映射后混合传输，OFDM系统的子载波数目表示为N，在一个OFDM符号时间内，将传输的QAM符号表示为X_i，其中，i＝0，1，…，N/4-1，将传输的PAM符号表示为Y_m，其中，m＝0，1，…，N/4-2，经串/并转换，厄米特对称变换后，混合光OFDM的频域信号表示为：

其中，虚补系数

步骤2：对W_k进行反傅里叶变换操作，再进行并串转换生成时域信号w_n，n＝0，1，…，N-1；

步骤3：计算时域预处理信号s_n：

所述时域预处理信号s_n的计算方法如下：

为保证发送信号非负，且接收端x_n与y_n的检测互不干扰，发送信号t_n表示为：

其中

表示削波负部分操作，a_n表示若未进行时域预处理，x_n削波操作对y_n产生的噪声干扰；考虑x_n半波对称性，并分类讨论x_n正负，进一步化简t_n，再结合y_n的反对称性，得到最终的发送信号t_n的计算公式为：

最后根据s_n＝t_n-w_n求出时域预处理信号s_n；

步骤4：将w_n与s_n叠加，进行数模变换后生成模拟信号，通过发光二极管发送，最终的发送信号t_n的计算公式为：

t_n＝w_n+s_n，

n＝0，1，…，N-1；

(2)接收端采用标准的OFDM接收器。

2.根据权利要求1所述的混合光OFDM方法，其特征在于，步骤2中，所述时域信号w_n＝x_n+y_n，x_n表示为未削波的ACO-OFDM信号，y_n表示未削波的PAM-DMT信号。

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