CN115834317B - 一种增强型失真消除混合o-ofdm传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增强型失真消除混合O‑OFDM传输方法，发送端包括如下步骤：将待传输的两路比特进行PAM调制和QAM调制以及串并转换得到PAM符号和QAM符号，并对其进行分配，QAM符号承载在集合φ_g的子载波上，PAM符号承载在集合C的子载波上，根据Hermitian对称性，产生频域信号W_k；对频域信号W_k进行单个IFFT以及并串转换，生成时域混合信号w_n，然后计算用于生成非负信号的时域预处理信号c_n；将时域混合信号w_n与时域预处理信号c_n相加得到非负EDEHO‑OFDM信号再将非负EDEHO‑OFDM信号进行数模转换传输至发送端的LED驱动其发光并输送至接收端。

Description

一种增强型失真消除混合O-OFDM传输方法

技术领域

本发明涉及无线光通信领域，尤其涉及一种增强型失真消除混合O-OFDM传输方法。

背景技术

由于移动数据流量的成倍增长以及射频频谱资源匮乏的挑战，目前国内外研究领域开始竞相发掘迄今为止几乎未开发的更高频谱，例如光谱，从而催生了无线光通信(OWC)领域。OWC凭借其免许可频谱资源丰富、抗电磁干扰能力强、通信环境安全、实现成本低等先天优势，越来越多地得到电信运营商等的广泛关注，有望广泛应用于室内无线网络、水下通信、车载通信等领域。

正交频分复用(OFDM)技术已在OWC中得到广泛探索，这得益于其高频谱效率和抗符号间干扰能力。在OWC系统中，通常采用强度调制/直接检测(IM/DD)方式，需要将OFDM信号从双极性复数信号转换为单极性实数信号，因此针对OWC提出了多种光OFDM(O-OFDM)方案，例如直流偏置O-OFDM(DCO-OFDM)和单极O-OFDM方案。DCO-OFDM是通过添加直流偏置来获得传输信号的非负性，然而由于OFDM具有较高的峰均功率比(PAPR)，因此通常需要相对较高的直流偏置，从而导致该方案光功率效率低下。单极O-OFDM方案包括了非对称限幅O-OFDM(ACO-OFDM)、脉冲幅度调制离散多音(PAM-DMT)和翻转OFDM(Flip-OFDM)。在ACO-OFDM和PAM-DMT中，分别在奇数子载波和子载波的虚部调制传输符号，产生了频谱效率损失的结果。Flip-OFDM是将其双极性信号的负部分反转以保证非负性，然后以时域连续方式传输，但会由于额外的延迟过程而导致时间效率低下。

为了进一步提高OWC系统的性能，基于单极O-OFDM方案开发出了混合O-OFDM方案，例如混合ACO-OFDM(HACO-OFDM)、分层ACO-OFDM(LACO-OFDM)等。在HACO-OFDM方案中，ACO-OFDM在奇数子载波上传输，进一步与偶数子载波上的PAM-DMT传输相结合，但仅对偶数子载波的虚部进行调制，偶数子载波的实部仍未开发。LACO-OFDM方案能够以分层的方式使用更多的子载波，获得与DCO-OFDM相当的频谱效率以及与ACO-OFDM相当的能量效率。然而，发送端需要多个IFFT块，且由于每一层的削波操作都会对更高层产生干扰，所以符号检测必须由基于连续干扰消除(SIC)的接收机执行，这显著地增加了复杂度。虽然能够采用标准的接收机针对LACO-OFDM信号进行检测，但接收机的检测性能恶化严重。

发明内容

针对以上问题，本发明提出增强型失真消除混合O-OFDM传输方法。

为实现本发明的目的，提供增强型失真消除混合O-OFDM传输方法，发送端包括如下步骤：

1.一种增强型失真消除混合O-OFDM传输方法，其特征在于，发送端包括如下步骤：

S1、对待传输的两路比特进行QAM调制和PAM调制，生成QAM符号和PAM符号，将调制后得到的串行形式的QAM符号和PAM符号进行串并转换变成并行形式的QAM符号和PAM符号，接着对QAM符号和PAM符号进行分配，将OFDM系统的子载波总数目表示为N，将子载波的序号记为k，其分配方式如下：第g组的子载波序号集合为φ_g，g＝1,…,G，QAM符号承载在前G组的子载波上，PAM符号承载在集合C的子载波上，根据Hermitian对称性，产生频域信号W_k，W_k表示第k个子载波上的频域信号；

S2、通过单个IFFT以及并串转换，将频域信号W_k转换为时域混合信号w_n，其中，w_n表示第n个时刻的时域混合信号；进一步地，计算用于生成非负信号的时域预处理信号c_n，其中，c_n表示第n个时刻的时域预处理信号，当n＝0,1,…,N/2^G+2时，c_n取值为信号样本的最大值，其中q＝0,1,…,2^G-1；

S3、将双极性增强型混合O-OFDM信号的各时刻的时域混合信号w_n分别与相应时刻的时域预处理信号c_n相加，得到各时刻的非负EDEHO-OFDM信号即构成待发送数字信号，具体表示为：

将生成的非负的经过数模转换器生成模拟信号，最后输入到LED驱动其发光，此时电信号转化为光信号，通过信道到达接收端。

进一步地，时域预处理信号c_n满足以下结构：

进一步地，第g组中子载波序号集合φ_g的具体表达式为：

φ_g＝{k＝2^g-1(2i+1)|i＝0,1,…,N/2^g-1}

进一步地，PAM符号采用的子载波集合C的具体表达式为：

C＝{k＝2^Gm|m＝1,2,…,N/2^G-1且m≠N/2^G+1}。

进一步地，各子载波上的频域信号W_k的具体表达式为：

其中，虚数单位A_k和B_k分别表示分配至第k个子载波的QAM和PAM符号。

进一步地，接收端为标准的OFDM接收机，即接收端用光电二极管PD接收信号，经过模数转换器转换成数字信号，接着进行串并转换以及FFT后生成频域信号，最后经过解调恢复信号。

跟现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明针对OWC提出了一种新的混合O-OFDM方案，即增强型失真消除混合O-OFDM(EDEHO-OFDM)。在发射端构建了时域失真消除方法，实现了ACO-OFDM和PAM-DMT的无干扰传输。此外，通过激活偶数子载波的剩余实部得以充分利用子载波资源，相比HACO-OFDM，有效地增强了传输的频谱效率。

相比传统的多层混合O-OFDM，如LACO-OFDM，本发明能够实现相同的频谱效率，但本发明仅凭借单个IFFT发射机和标准O-OFDM接收机就可以完成信息传输，具有更低的实现复杂度，同时，与同样采用标准O-OFDM接收机的LACO-OFDM方法相比，具有更优的误码率(BER)性能。

由于采用了时域失真消除方法，本发明可实现无错误传播和更低的PAPR，从而具有更好的对抗非线性的能力。此外与ACO-OFDM和DCO-OFDM相比，所提出的EDEHO-OFDM只需更低的归一化光比特能量与噪声功率比(E_b/N₀)就能够实现BER目标，这表明本发明方案具有较高的功率效率。

附图说明

图1为一种增强型失真消除混合O-OFDM传输方法的结构框图；

图2为不同O-OFDM方案的PAPR的互补累积分布函数；

图3为不同O-OFDM方案在不同E_b/N₀下的BER性能示意图；

图4为实现10^-3的BER目标所需的E_b/N₀示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

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为一种增强型失真消除混合O-OFDM传输方法的结构框图。如图1所示，本发明提供一种增强型失真消除混合O-OFDM传输方法，发送端包括如下步骤：

S1、对待传输的两路比特进行QAM调制和PAM调制，生成QAM符号和PAM符号，将调制后得到的串行形式的QAM符号和PAM符号进行串并转换变成并行形式的QAM符号和PAM符号，接着对QAM符号和PAM符号进行分配，将OFDM系统的子载波总数目表示为N，将子载波的序号记为k，其分配方式如下：第g组的子载波序号集合为φ_g，g＝1,…,G,QAM符号承载在前G组的子载波上，PAM符号承载在集合C的子载波上，根据Hermitian对称性，产生频域信号W_k，W_k表示第k个子载波上的频域信号；

S2、通过单个IFFT以及并串转换，将频域信号W_k转换为时域混合信号w_n，其中，w_n表示第n个时刻的时域混合信号；进一步地，计算用于生成非负信号的时域预处理信号c_n，其中，c_n表示第n个时刻的时域预处理信号，当n＝0,1,…,N/2^G+2时，c_n取值为信号样本的最大值，其中q＝0,1,…,2^G-1；

S3、将双极性增强型混合O-OFDM信号的各时刻的时域混合信号w_n分别与相应时刻的时域预处理信号c_n相加，得到各时刻的非负EDEHO-OFDM信号即构成待发送数字信号，具体表示为：

将生成的非负的经过数模转换器生成模拟信号，最后输入到LED驱动其发光，此时电信号转化为光信号，通过信道到达接收端。

在一个实施例中，时域预处理信号c_n满足以下结构：

在一个实施例中，第g组中子载波序号集合φ_g的具体表达式为：

φ_g＝{k＝2^g-1(2i+1)|i＝0,1,…,N/2^g-1}

在一个实施例中，PAM符号采用的子载波集合C的具体表达式为：

C＝{k＝2^Gm|m＝1,2,…,N/2^G-1且m≠N/2^G+1}。

在一个实施例中，各子载波上的频域信号W_k的具体表达式为：

其中，虚数单位A_k和B_k分别表示分配至第k个子载波的QAM和PAM符号，从实现复杂度和性能角度，G一般小于等于4。

在一个实施例中，接收端为标准的OFDM接收机，即接收端用光电二极管PD接收信号，经过模数转换器转换成数字信号，接着进行串并转换以及FFT后生成频域信号，最后经过解调恢复信号。

从图1中可以看出，本发明方案采用了单IFFT发射机架构和标准的OFDM接收机，不受削波失真的影响。

图2为不同O-OFDM方案的PAPR的互补累积分布函数。在EDEHO-OFDM中，分配给QAM符号的功率设置是PAM符号的两倍。从图中可以看出，与传统的HACO-OFDM和LACO-OFDM方案相比，本发明方案具有更低的PAPR，同时该PAPR会随着激活剩余子载波数量的增多而降低，表明了本方案可以在非线性条件下运行优良。

图3为不同O-OFDM方案在不同E_b/N₀下的BER性能示意图，为了比较公平，LACO-OFDM采用与EDEHO-OFDM相同的标准OFDM接收方法，从图中可以观察到，本发明方法的误码率远低于基于单个FFT接收机的LACO-OFDM，具有更高的可靠性。此外，本发明方案可以在G＝2和G＝3时分别达到与L＝3和L＝4的LACO-OFDM相同的频谱效率。

图4为实现10^-3的BER目标所需的E_b/N₀示意图，表现了在不同O-OFDM方案在不同比特率/归一化带宽下，实现10^-3的BER目标所需的E_b/N₀，其中DCO-OFDM采用了7dB和10dB的偏置。从图中可以得出，本发明方案需要比ACO-OFDM和DCO-OFDM相对较低的E_b/N₀来实现BER目标，这表明本方案具有较高的功率效率。

Claims (3)

1.一种增强型失真消除混合O-OFDM传输方法，其特征在于，发送端包括如下步骤：

S1、对待传输的两路比特进行QAM调制和PAM调制，生成QAM符号和PAM符号，将调制后得到的串行形式的QAM符号和PAM符号进行串并转换变成并行形式的QAM符号和PAM符号，接着对QAM符号和PAM符号进行分配，将OFDM系统的子载波总数目表示为N，将子载波的序号记为k，其分配方式如下：第g组的子载波序号集合为φ_g，φ_g＝{k＝2^g-1(2i+1)|i＝0,1,…,N/2^g-1}，g＝1,…,G，QAM符号承载在前G组的子载波上，PAM符号承载在集合C的子载波上，C＝{k＝2^Gm|m＝1,2,…,N/2^G-1且m≠N/2^G+1}，根据Hermitian对称性，产生频域信号W_k，W_k表示第k个子载波上的频域信号；

S2、通过单个IFFT以及并串转换，将频域信号W_k转换为时域混合信号w_n，其中，w_n表示第n个时刻的时域混合信号；进一步地，计算用于生成非负信号的时域预处理信号c_n，其中，c_n表示第n个时刻的时域预处理信号，当n＝0,1,…,N/2^G+2时，c_n取值为信号样本/>的最大值，其中q＝0,1,…,2^G-1；

S3、将双极性增强型混合O-OFDM信号的各时刻的时域信号w_n分别与相应时刻的时域预处理信号c_n相加，得到各时刻的非负EDEHO-OFDM信号即构成待发送数字信号,具体表示为：

将生成的非负的经过数模转换器生成模拟信号，最后输入到LED驱动其发光，此时电信号转化为光信号，通过信道到达接收端。

2.根据权利要求1所述的增强型失真消除混合O-OFDM传输方法，其特征在于，各子载波上的频域信号W_k的具体表达式为：

其中，虚数单位A_k和B_k分别表示分配至第k个子载波的QAM和PAM符号。

3.根据权利要求1所述的增强型失真消除混合O-OFDM传输方法，其特征在于，

接收端为标准的OFDM接收机，即接收端用光电二极管PD接收信号，经过模数转换器转换成数字信号，接着进行串并转换以及FFT后生成频域信号，最后经过解调恢复信号。