CN104796195B - 一种采用乘性削波的可见光多载波传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用乘性削波的可见光多载波传输方法，根据PAM‑DMT调制信号的特点，首先将每组对称时域信号中正值信号保留，负值信号置零。设定最大光信号阀值为η_c，当数据位大于η_c时，将数据位乘以给定常数α进行削波。然后，将对称位置信号值由0改为预先设定的固定信号值作为标记位。***接收端通过MAP检测方法确定信号削波位置和标记位，最后根据发送端使用的乘性削波原则进行信号恢复，从而完成发送信号检测。该方法通过乘性削波有效降低了发射光信号的PAPR，方法实现简单，在抑制PAPR的同时提高了***能量利用率，降低了***对功放和发光二极管线性范围的要求，减少了信号在电、光域的非线性失真，提高了***的整体性能。

Description

一种采用乘性削波的可见光多载波传输方法

技术领域

本发明涉及一种采用乘性削波的可见光多载波传输方法，属于无线光通信技术。

背景技术

由于不受日益增长的射频覆盖的影响，且享有大量的频谱资源，可见光通信已经在下一代无线传输领域引起了广泛的关注。由于目前的光通信***普遍采用强度调制/直接检测(IM/DD)，即：信号对光的强度进行调制，因此要保证时域信号为正实数。二进制启闭键控调制(OOK)虽然实现简单，但是能量效率很差。为了提高数据传输速率和频谱利用率，同时对抗多径衰落，从正交频分复用(OFDM)衍生而来的离散多音调制技术(DMT)被引入其中。

为了保证时域信号的正实性，现在被广泛采用的两个光通信DMT方案是非对称削波光-正交频分复用技术(ACO-OFDM)和直流偏置光-正交频分复用技术(DCO-OFDM)。二者的输入频域信号向量都满足共轭对称特性，经过逆快速傅立叶变换(IFFT)后，就可以得到实数时域信号。为了得到非负时域信号，前者直接将负值削为0，后者在信号上加上一个直流偏置。在ACO-OFDM方案中，仅有1/4子载波被用来传递信号，频谱利用率很低，降低了能量利用率；而在DCO-OFDM方案中有1/2子载波被用来传递信号，但是所加直流偏置也降低了能量利用率。

还有一种采用脉冲幅度离散多音调制(PAM-DMT)的方案。该方案中，一半子载波被用来传递经过PAM调制的符号，且不需要直流偏置。频域信号向量满足共轭对称，因此经过IFFT变换后，得到实数时域信号。每对双极性时域信号幅度相同，符号相反，因此将负值时域信号削为0并不会减少所传递的信息。

由于OFDM信号为多个正弦波的叠加，当子载波个数达到一定程度时，根据中心极限定理，OFDM符号波形将是一个高斯随机过程，它的包络极不稳定。当IFFT输入端的数据同相时，其输出就会产生很大的峰值，因此会造成过大的峰均比(PAPR)。

无论是ACO-OFDM、DCO-OFDM，还是PAM-DMT，都存在PAPR过高的问题。PAPR过高不但会提高对模数和数模转换器线性范围的要求，而且会使信号通过电路时容易进入非线性区，从而导致信号失真，对***整体性能产生重大的影响。在光***中，不仅功放有非线性，发光二极管(LED)也具有非线性，因此PAPR过高导致的非线性效应更加严重。因此，降低可见光通信***的PAPR非常有必要。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种采用乘性削波的可见光多载波传输方法。根据PAM-DMT的调制信号特点，在时域信号对称采样位置上，信号幅度相同，符号相反。将每组对称时域信号中正值信号保留，负值信号置零。设定最大光信号阀值为η_c，当数据位大于η_c时，将数据位乘以给定常数α进行削波，然后，将对称位置信号值由0改为固定信号值flag作为标记位，从而达到降低PAPR的作用。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种采用乘性削波的可见光多载波传输方法，其特征在于：PAM-DMT(脉冲幅度-离散多音调制)***的每对时域信号经过不对称削波后，其中一位时域信号为数据位，另一位时域信号为0；数据位为有效数据，当数据位的有效数据值大于***发射信号最大允许的阈值η_c时，将数据位时域信号削波为原时域信号值的α倍，同时将另一位时域信号由0更改为固定值flag，从而达到降低PAPR(峰均比)的作用；其中α为乘性削波系数，为大于0且小于1的固定值，比如α＝1/2，flag表示标记乘性削波操作的标记信号。

上述方法具体包括如下步骤：

(1)发射端根据PAM-DMT方式，采用个子载波传输经过调制的复数频域符号向量，具体为：信源产生的二进制信号经过PAM(脉冲幅度调制)得到个频域符号，将这些频域符号作为个复数频域符号的虚部，将复数频域符号的实部置0，得到复数频域符号向量其中N为PAM-DMT***子载波总数；

(2)在PAM-DMT***中，为了得到实数时域信号进行可见光调制，频域信号映射需要满足共轭对称特性，即需要在子载波上根据下面公式进行频域符号映射：

其中，X[n]表示第n个子载波携带的频域信号，上标*表示取共轭；

(3)对频域信号X[n]进行N点IFFT(逆快速傅立叶变换)操作，得到时域信号x(k)如下：

其中，k表示时域符号的采样时刻位置，x(k)表示第k个时域信号；

(4)在步骤(3)获得的时域信号中，每组对称时域信号值[x(k),x(N-k)]的数值相同，符号相反；对所有时域信号进行不对称负值消除，得到非负实数时域信号x_c(k)；消除步骤按照如下公式进行：

其中，x_c(k)为经过不对称负值削波后的第k个时域信号；

(5)根据PAM-DMT***中发射用发光二极管(LED)的非线性范围确定阈值η_c，对时域信号x_c(k)，(k＝1,2,…,N)进行乘性削波：首先，当数据位信号值大于η_c时，将该数据位信号值乘以α进行削波，并在对称位置放置标记信号值flag；然后，将乘性削波后仍大于η_c的数据位信号值削减为η_c；由此得到乘性削波后的第k组对称信号[x_dc(k),x_dc(N-k)]如下：

其中，flag取固定值0.3η_c；

(6)将经过削波后的非负实数时域信号x_dc＝[x_dc(0),x_dc(1),…,x_dc(N-1)]送往光通信发射模块，采用强度调制，将电信号转换成光强度信号；

(7)在接收端，光电二极管将光强度信号转换为时域电信号y_dc＝[y_dc(0),y_dc(1),…,y_dc(N-1)]，分别针对每组对称信号[y_dc(k),y_dc(N-k)]采用经典的MAP(最大后验准则)进行信号检测，通过MAP检测估计出该信号组合在步骤(5)中的乘性削波类型，即步骤(5)中乘性削波公式中的情况(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)，由此恢复出经过负值削波的时域信号y_c；具体恢复操作按如下步骤：当该组接收信号MAP检测为情况(a)或(b)时，数据不作变化；当属于情况(c)或(d)时，数据位除以α，对称位置接收信号即为标记位，直接置零；当情况属于(e)或(f)时，数据位除以α，对称位置置零；

(8)在步骤(7)中得到的y_c中，正值维持不变，对称位置放置幅度相同且符号相反的值，得到原始的时域信号检测值y，并进行FFT(快速傅立叶变换)，得到频域接收向量Y；

(9)取Y中的携带有效信息的部分取其中虚部的值，通过PAM解调获得发送的二进制数据。

有益效果：本发明提出了一种在不对称削波PAM-DMT基础上采用乘性削波法的低峰均比可见光传输方案，具有如下优势：1、充分利用可见光通信PAM-DMT技术特点，在尽量保留原始信号信息的前提下进行乘性削波处理，降低***的峰均比；2、不需要传输额外的边带信息，不浪费频率资源即可有效的降低***峰均功率比；3、经过乘性削波后时域信号的总能量得到降低，提高了***的能量利用率4、低PAPR可以降低***对功放和LED线性范围的要求，5、降低PAPR可以降低由于功放和LED非线性特性而导致的非线性失真，提高***的整体性能。

附图说明

图1为本发明提出的在不对称削波PAM-DMT基础上采用乘性削波法的低峰均比可见光多载波传输方法的***框图；

图2为采用乘性削波的低峰均比可见光多载波传输方法的发射端信号处理示意图；其中2(a)为PAM-DMT光传输***中满足共轭对称的频域信号的虚部值；2(b)为经过IFFT变化的时域信号；2(c)为经过负值削波后的时域信号；2(d)为经过乘性削波后的时域信号，其中α取1/2；

图3为本发明与原始的PAM-DMT***的PAPR互补累计概率分布曲线图；

图4为本发明与直接削波PAM-DMT的误比特率-信噪比(BER-SNR)性能比较图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

一种针对脉冲幅度-离散多音调制(PAM-DMT)可见光多载波通信***的乘性削波传输方案：根据PAM-DMT的调制信号特点，在时域信号对称采样位置上，信号幅度相同，符号相反。将每组对称时域信号中正值信号保留，负值信号置零。设定最大光信号阀值为η_c，当数据位大于η_c时，将数据位乘以给定常数α进行削波，然后，将对称位置信号值由0改为固定信号值flag作为标记位。该方法通过乘性削波有效降低了发射光信号的峰均比(PAPR)，方法实现简单，在抑制PAPR的同时提高了***能量利用率，降低了***对功放和发光二极管(LED)线性范围的要求，减少了信号在电、光域的非线性失真，提高了***的整体性能。

如图1所示，为本发明的实时框图，具体过程如下：

(1)发射端根据PAM-DMT方式，采用个子载波传输经过调制的复数频域符号向量，具体为：信源产生的二进制信号经过PAM(脉冲幅度调制)得到个频域符号，将这些频域符号作为个复数频域符号的虚部，将复数频域符号的实部置0，得到复数频域符号向量其中N为PAM-DMT***子载波总数；

(2)在PAM-DMT***中，为了得到实数时域信号进行可见光调制，频域信号映射需要满足共轭对称特性，即需要在子载波上根据下面公式进行频域符号映射：

其中，X[n]表示第n个子载波携带的频域信号，上标*表示取共轭；

(3)对频域信号X[n]进行N点IFFT(逆快速傅立叶变换)操作，得到时域信号x(k)如下：

其中，k表示时域符号的采样时刻位置，x(k)表示第k个时域信号；

(4)在步骤(3)获得的时域信号中，每组对称时域信号值[x(k),x(N-k)]的数值相同，符号相反；对所有时域信号进行不对称负值消除，得到非负实数时域信号x_c(k)；消除步骤按照如下公式进行：

其中，x_c(k)为经过不对称负值削波后的第k个时域信号；

(5)根据PAM-DMT***中发射用发光二极管(LED)的非线性范围确定阈值η_c，对时域信号x_c(k)，(k＝1,2,…,N)进行乘性削波：首先，当数据位信号值大于η_c时，将该数据位信号值乘以α进行削波，并在对称位置放置标记信号值flag；然后，将乘性削波后仍大于η_c的数据位信号值削减为η_c；由此得到乘性削波后的第k组对称信号[x_dc(k),x_dc(N-k)]如下：

其中，flag取固定值0.3η_c；

(6)将经过削波后的非负实数时域信号x_dc＝[x_dc(0),x_dc(1),…,x_dc(N-1)]送往光通信发射模块，采用强度调制，将电信号转换成光强度信号；

(7)在接收端，光电二极管将光强度信号转换为时域电信号y_dc＝[y_dc(0),y_dc(1),…,y_dc(N-1)]，分别针对每组对称信号[y_dc(k),y_dc(N-k)]采用经典的MAP(最大后验准则)进行信号检测，通过MAP检测估计出该信号组合在步骤(5)中的乘性削波类型，即步骤(5)中乘性削波公式中的情况(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)，由此恢复出经过负值削波的时域信号y_c；具体恢复操作按如下步骤：当该组接收信号MAP检测为情况(a)或(b)时，数据不作变化；当属于情况(c)或(d)时，数据位除以α，对称位置接收信号即为标记位，直接置零；当情况属于(e)或(f)时，数据位除以α，对称位置置零；

(8)在步骤(7)中得到的y_c中，正值维持不变，对称位置放置幅度相同且符号相反的值，得到原始的时域信号检测值y，并进行FFT(快速傅立叶变换)，得到频域接收向量Y；

(9)取Y中的携带有效信息的部分取其中虚部的值，通过PAM解调获得发送的二进制数据。

下面结合附图对本发明做出进一步的说明。

如图2所示，满足共轭对称的频域信号的虚部值如2(a)所示；经过IFFT变化之后得到的时域信号如2(b)所示，满足x(k)＝-x(N-k)；经过负值削波的时域信号如2(c)所示；2(d)是经过乘性削波的时域信号，超过阀值η_c的信号被乘以α，并在原本为0的对称位置放置一flag值作为标记。其中α取1/2，flag取0.3η_c。

图3给出了原始的光通信PAM-DMT***以及使用本发明后的***的PAPR互补累积分布曲线。***均采用64-PAM调制，子载波数N＝256，门限η_c＝8dB，标记位常数flag＝0.3η_c，α＝1/2。从图中可以观察到采用本方法可以有效降低***的PAPR，从而降低对发射端功放、LED等器件的线性范围的要求，减少信号在电、光域的非线性失真，提高***总体接收性能。

图4展示了本发明的误比特率(BER)性能，采用64-PAM调制，子载波数N＝256，门限η_c＝8dB，图中比较直接削波PAM-DMT和本发明的误比特率随信噪比(SNR)的变化，从图中可以观察到本发明相对于直接削波能显著提高BER性能。

以上所述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润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种采用乘性削波的可见光多载波传输方法，其特征在于：PAM-DMT***的每对时域信号经过不对称削波后，其中一位时域信号为数据位，另一位时域信号为0；数据位为有效数据，当数据位的有效数据值大于***发射信号最大允许的阈值η_c时，将数据位时域信号削波为原时域信号值的α倍，同时将另一位时域信号由0更改为固定值flag，从而达到降低PAPR的作用；其中α为乘性削波系数，为大于0且小于1的固定值，flag表示标记乘性削波操作的标记信号；具体包括如下步骤：

(1)发射端根据PAM-DMT方式，采用个子载波传输经过调制的复数频域符号向量，具体为：信源产生的二进制信号经过PAM得到个频域符号，将这些频域符号作为个复数频域符号的虚部，将复数频域符号的实部置0，得到复数频域符号向量其中N为PAM-DMT***子载波总数；

(2)在PAM-DMT***中，为了得到实数时域信号进行可见光调制，频域信号映射需要满足共轭对称特性，即需要在子载波上根据下面公式进行频域符号映射：

$\begin{array}{c}\\ \end{array}$

其中，X[n]表示第n个子载波携带的频域信号，上标*表示取共轭；

(3)对频域信号X[n]进行N点IFFT操作，得到时域信号x(k)如下：

$x\left(k\right)=\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}X\[n\]e^{j2\mathrm{\π}kn/N}$

其中，k表示时域符号的采样时刻位置，x(k)表示第k个时域信号；

(4)在步骤(3)获得的时域信号中，每组对称时域信号值[x(k),x(N-k)]的数值相同，符号相反；对所有时域信号进行不对称负值消除，得到非负实数时域信号x_c(k)；消除步骤按照如下公式进行：

$x_c\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}x\left(k\right),& x\left(k\right)\&GreaterEqual;0\\ 0,& x\left(k\right)<0\end{array}\right.$

其中，x_c(k)为经过不对称负值削波后的第k个时域信号；

(5)根据PAM-DMT***中发射用发光二极管的非线性范围确定阈值η_c，对时域信号x_c(k)，(k＝1,2,…,N)进行乘性削波：首先，当数据位信号值大于η_c时，将该数据位信号值乘以α进行削波，并在对称位置放置标记信号值flag；然后，将乘性削波后仍大于η_c的数据位信号值削减为η_c；由此得到乘性削波后的第k组对称信号[x_dc(k),x_dc(N-k)]如下：

$\&lsqb;x_{dc}\left(k\right),x_{dc}(N-k)\&rsqb;=\left\{\begin{array}{ccc}\&lsqb;x_c\left(k\right),0\&rsqb;,& x_c\left(k\right)\&le;{\mathrm{\&eta;}}_c,x_c(N-k)=0& \left(a\right)\\ \&lsqb;0,x_c(N-k)\&rsqb;,& x_c\left(k\right)=0,x_c(N-k)\&le;{\mathrm{\&eta;}}_c& \left(b\right)\\ \&lsqb;{\mathrm{\&alpha;x}}_c\left(k\right),flag\&rsqb;,& {\mathrm{\&eta;}}_c<x_c\left(k\right)\&le;{\mathrm{\&eta;}}_c/\mathrm{\&alpha;},x_c(N-k)=0& \left(c\right)\\ \&lsqb;flag,{\mathrm{\&alpha;x}}_c(N-k)\&rsqb;,& x_c\left(k\right)=0,{\mathrm{\&eta;}}_c<x_c(N-k)<{\mathrm{\&eta;}}_c/\mathrm{\&alpha;}& \left(d\right)\\ \&lsqb;{\mathrm{\&eta;}}_c,flag\&rsqb;,& x_c\left(k\right)>{\mathrm{\&eta;}}_c/\mathrm{\&alpha;},x_c(N-k)=0& \left(e\right)\\ \&lsqb;flag,{\mathrm{\&eta;}}_c\&rsqb;,& x_c\left(k\right)=0,x_c(N-k)>{\mathrm{\&eta;}}_c/\mathrm{\&alpha;}& \left(f\right)\end{array}\right.$

其中，flag取固定值0.3η_c；

(6)将经过削波后的非负实数时域信号x_dc＝[x_dc(0),x_dc(1),…,x_dc(N-1)]送往光通信发射模块，采用强度调制，将电信号转换成光强度信号；

(7)在接收端，光电二极管将光强度信号转换为时域电信号y_dc＝[y_dc(0),y_dc(1),…,y_dc(N-1)]，分别针对每组对称信号[y_dc(k),y_dc(N-k)]采用经典的MAP进行信号检测，通过MAP检测估计出该信号组合在步骤(5)中的乘性削波类型，即步骤(5)中乘性削波公式中的情况(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)，由此恢复出经过负值削波的时域信号y_c；具体恢复操作按如下步骤：当该组接收信号MAP检测为情况(a)或(b)时，数据不作变化；当属于情况(c)或(d)时，数据位除以α，对称位置接收信号即为标记位，直接置零；当情况属于(e)或(f)时，数据位除以α，对称位置置零；所述MAP为最大后验准则；

(8)在步骤(7)中得到的y_c中，正值维持不变，对称位置放置幅度相同且符号相反的值，得到原始的时域信号检测值y，并进行FFT，得到频域接收向量Y；

(9)取Y中的携带有效信息的部分取其中虚部的值，通过PAM解调获得发送的二进制数据。