CN108833324B - 一种基于时域限幅噪声消除的haco-ofdm***接收方法 - Google Patents

一种基于时域限幅噪声消除的haco-ofdm***接收方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于时域限幅噪声消除的HACO‑OFDM***接收方法，与现有的频域限幅噪声消除方法相比，本发明方法的优点是PAM‑DMT支路的误码性能不受ACO‑OFDM支路误码性能的影响，而且计算量大幅降低。本发明提出的方法根据HACO‑OFDM信号的结构特性，通过简单的时域处理将ACO‑OFDM支路信号和PAM‑DMT支路信号在时域实现分离，然后分别进行FFT变换及解调。本发明提出的方法不需要在频域中对落在PAM‑DMT支路上的ACO‑OFDM信号的非对称限幅噪声进行再生及消除，使得PAM‑DMT支路性能独立于ACO‑OFDM支路。此外本发明提出的方法只需要两次实数FFT变换，显著降低了接收机的复杂度。

Description

一种基于时域限幅噪声消除的HACO-OFDM***接收方法
技术领域
本发明属于可见光通信领域，涉及应用于混合非对称限幅光正交频分复用(HACO-OFDM)***的接收端，是一种基于时域限幅噪声消除的HACO-OFDM***接收方法。
背景技术
可见光通信(VLC)是一种能够利用LED灯光同时进行照明和数据传输的新兴无线通信技术，具有带宽不受限制，功耗低，无电磁辐射，安全可靠等优点，已经被提出作为下一代室内无线通信的补充方案。为了在使用强度调制和直接检测(IM/DD)的VLC***中实现高速率传输，光频分复用(O-OFDM)得以应用，因为光强度不能为负，O-OFDM时域信号必须是非负的实数值。用于IM/DDVLC***的OFDM方案已经提出了一些，例如直流偏置光OFDM方案(DCO-OFDM)，非对称限幅光OFDM方案(ACO-OFDM)，脉冲幅度调制离散多音频(PAM-DMT)方案，以及基于DCO-OFDM，ACO-OFDM和PAM-DMT的其它改进方案。DCO-OFDM方案中因直流偏置不携带信息致使光功率方面效率不高。ACO-OFDM和PAM-DMT两种方案都仅利用了一半子载波，导致在频谱效率方面是低效的。为了同时提高功率效率和频谱效率，出现了混合非对称限幅光正交频分复用(HACO-OFDM)方案，其中ACO-OFDM支路信号仅仅占用被复数符号调制的奇数子载波，PAM-DMT支路信号仅仅占用被实数符号调制的偶数子载波的虚部。为了满足可见光通信中OFDM时域信号必须是非负的实数值的约束要求，经过OFDM调制后的ACO-OFDM时域信号和PAM-DMT时域信号需要进行非对称限幅操作，将时域信号中的负值限幅到零。非对称限幅操作将产生限幅噪声干扰，具体来说，占用奇数子载波的ACO-OFDM信号在非对称限幅操作中产生的限幅噪声只落入偶数子载波上；占用偶数子载波的PAM-DMT信号在非对称限幅操作中产生的限幅噪声只落入偶数子载波的实部上。换句话说，限幅噪声干扰只存在于偶数子载波上，奇数子载波上是没有限幅噪声干扰的。非对称限幅处理后的ACO-OFDM时域离散信号和非对称限幅处理后的PAM-DMT时域离散信号的组合信号作为***的传输信号，经过处理后加载到LED光源上，通过可见光信道进行传输。在接收端，首先用一个光电检测器将光信号恢复成模拟电信号，经过处理恢复出时域离散信号。
HACO-OFDM***中，已有的频域限幅噪声消除接收方法思想如下：对处理恢复出的时域离散信号先进行快速傅里叶变换(FFT)，变换到频域，因为奇数子载波上是没有限幅噪声干扰的，所以利用奇数子载波上的频域信号直接恢复出ACO-OFDM频域信号，进而恢复出M-QAM符号进行解调处理，然后用解调后的信号再重复调制操作、IFFT操作和非对称限幅操作，从而估计出ACO-OFDM信号的限幅噪声，接着将估计得到的ACO-OFDM限幅噪声从PAM-DMT子载波上减去，利用偶数子载波虚部上的信号进而恢复出M-PAM符号进行解调处理。
已有的频域限幅噪声消除接收方法存在的问题：
(1)虽然ACO-OFDM支路信号不受限幅噪声影响，但PAM-DMT支路信号误码性能受ACO-OFDM支路限幅噪声的估计准确性的影响较大，因此，PAM-DMT支路的误码性能依赖于ACO-OFDM信号的检测性能，当Eb/No较低或QAM星座尺寸较大时，已有的频域限幅噪声消除接收方法中ACO-OFDM信号非对称限幅噪声的估计误差较大，导致PAM-DMT支路的误码性能显著恶化，误码性能不稳定。
(2)已有的频域限幅噪声消除接收方法需要在频域对ACO-OFDM信号的非对称限幅噪声进行估计和去除，需要较多的模块，包括ACO-OFDM信号检测模块、1个IFFT模块、2个FFT模块，一个非对称限幅模块，这增加了接收机的计算复杂度。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种基于简单时域处理消除限幅噪声干扰的接收方法，该方法不需要在频域对ACO-OFDM信号的非对称限幅噪声进行估计，避免了ACO-OFDM支路性能对PAM-DMT支路性能的影响，从而使PAM-DMT支路性能更加稳健。同时，本发明提出方法大幅度降低了接收机的计算复杂度。
实现本发明目的的技术方案为：
一种基于时域限幅噪声消除的HACO-OFDM***接收方法，步骤如下：
步骤1：恢复出完整的HACO-OFDM符号{rn}。在接收端用一个光电检测器将光信号恢复成模拟电信号，通过模/数转换模块、符号同步模块、串/并转换模块、去除循环前缀，得到完整的HACO-OFDM符号{rn}。电路器件和周围环境噪声引起的噪声在接收端建模为加性高斯白噪声(AWGN)。
rn＝zn+wn
wn表示加性高斯白噪声的离散时间抽样。zn是由非对称限幅ACO-OFDM时域离散信号和非对称限幅PAM-DMT时域离散信号组合而成的HACO-OFDM时域信号，
Figure BDA0001689011700000031
Figure BDA0001689011700000032
是ACO-OFDM时域信号前半部分的限幅信号，
Figure BDA0001689011700000033
是ACO-OFDM时域信号后半部分的限幅信号，
Figure BDA0001689011700000034
是PAM-DMT时域信号前半部分的限幅信号，
Figure BDA0001689011700000035
是PAM-DMT时域信号后半部分的限幅信号，且有
Figure BDA0001689011700000036
步骤2：对HACO-OFDM离散时域信号rn进行时域分离。根据HACO-OFDM离散时域信号rn的如下结构特点，
Figure BDA0001689011700000037
将HACO-OFDM离散时域信号rn分离为r1,n和r2,n两个信号，
Figure BDA0001689011700000038
r1,n是rn的前半部分信号，r2,n是rn的后半部分信号，w1,n是wn的前半部分，w2,n是wn的后半部分。
步骤3：再生出ACO-OFDM时域信号。根据r1,n和r2,n的结构特点，用r1,n减去r2,n，再生恢复出ACO-OFDM时域信号raco,n，
raco,n＝r1,n-r2,n＝xaco,n+w3,n
w3,n＝w1,n-w2,n表示残留的噪声，如果噪声w3,n忽略不计，raco,n即为ACO-OFDM时域信号的前半部分信号xaco,n。
步骤4：再生出ACO-OFDM频域信号，进而解调出ACO-OFDM支路携带的数据信息。对ACO-OFDM时域信号raco,n进行N点FFT后，因为奇数子载波上是没有限幅噪声干扰的，所以可以从奇数子载波上直接恢复出ACO-OFDM频域信号，进而得到M-QAM符号以解调出ACO-OFDM支路携带的数据信息。
步骤5：对再生出的ACO-OFDM时域信号进行非对称限幅。对再生恢复的ACO-OFDM时域信号raco,n进行非对称限幅，得到再生的非对称限幅ACO-OFDM时域信号
Figure BDA0001689011700000041
Figure BDA0001689011700000042
w4,n表示非对称限幅操作之后的残留噪声。
步骤6：再生出带有噪声干扰的限幅PAM-DMT时域信号。用HACO-OFDM离散时域信号的前半部分r1,n减去非对称限幅ACO-OFDM时域信号
Figure BDA0001689011700000043
可以得到带有噪声干扰的非对称限幅PAM-DMT时域信号
Figure BDA0001689011700000044
Figure BDA0001689011700000045
w5,n表示相减操作之后的残留噪声。如果噪声w5,n忽略不计时，
Figure BDA0001689011700000046
即为非对称限幅PAM-DMT时域信号的前一半，它包含了PAM-DMT支路所携带的数据信息。
步骤7：在PAM-DMT支路上利用成对限幅方法进一步进行噪声抑制。根据PAM-DMT时域信号的反对称性，如下式，
ypam,n＝ypam,N/2-n,n＝1,2,...,N/2-1
利用成对限幅方法对
Figure BDA0001689011700000047
进一步抑制噪声的干扰，得到更加准确的非对称限幅PAM-DMT时域信号，对
Figure BDA0001689011700000048
进行成对限幅操作如下，
Figure BDA0001689011700000051
且
Figure BDA0001689011700000052
Figure BDA0001689011700000053
是再生出来的非对称限幅PAM-DMT时域信号，
Figure BDA0001689011700000054
是
Figure BDA0001689011700000055
在[1,N/2-1]区间上的反对称信号，
Figure BDA0001689011700000056
是成对限幅操作后得到的更准确的非对称限幅PAM-DMT时域信号。
步骤8：再生出PAM-DMT频域信号，进而解调出PAM-DMT支路携带的数据信息。对
Figure BDA0001689011700000057
进行N/2点FFT后，从偶数子载波上恢复出PAM-OFDM频域信号，进而从PAM-OFDM频域信号的虚部上得到M-PAM符号以解调出PAM-DMT支路携带的数据信息。
本发明的优点和有益效果：
(1)本发明接收方法比已有的频域限幅噪声消除接收方法少用一个ACO-OFDM信号检测模块，一个IFFT模块，同时将现有接收方法中的一个N点FFT简化为N/2点FFT，接收机复杂度得到有效降低，经过计算表明，在FFT/IFFT尺寸为512时，相对于已有的频域限幅噪声消除接收方法，本发明中接收方法的计算复杂度降低了58.3％。
(2)ACO-OFDM支路上误码性能与已有的频域限幅噪声消除接收方法的性能一样，并没有因为接收机复杂度的降低而出现误码性能恶化。
(3)在时域，本发明方法完美的消除了ACO-OFDM信号的限幅噪声，使得PAM-DMT支路的性能不受ACO-OFDM支路性能的影响，PAM-DMT信号性能稳定，在低信噪比区域或采用QAM调制星座尺寸较大时，本发明方法的PAM-DMT支路误码性能优于已有的频域限幅噪声消除接收方法的PAM-DMT支路误码性能。
附图说明
图1为本方法的流程框图；
图2为发明方法(PHACO)与已有方法(CHACO)的ACO-OFDM支路BER性能比较图(相等功率分配)；
图3为发明方法(PHACO)与已有方法(CHACO)的PAM-DMT支路BER性能比较图(相等功率分配)。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种基于时域限幅噪声消除的HACO-OFDM***接收方法，步骤如下：
步骤1：恢复出HACO-OFDM离散时域信号rn。在接收端用一个光电检测器将光信号恢复成模拟电信号，通过模/数转换模块、符号同步模块、串/并转换模块、去除循环前缀，得到完整的HACO-OFDM符号{rn}。电路器件和周围环境噪声引起的噪声在接收端建模为加性高斯白噪声(AWGN)。
rn＝zn+wn
wn表示加性高斯白噪声的离散时间抽样。zn是由非对称限幅ACO-OFDM时域离散信号和非对称限幅PAM-DMT时域离散信号组合而成的HACO-OFDM时域信号，
Figure BDA0001689011700000061
Figure BDA0001689011700000062
是ACO-OFDM时域信号前半部分的限幅信号，
Figure BDA0001689011700000063
是ACO-OFDM时域信号后半部分的限幅信号，
Figure BDA0001689011700000064
是PAM-DMT时域信号前半部分的限幅信号，
Figure BDA0001689011700000065
是PAM-DMT时域信号后半部分的限幅信号，且有
Figure BDA0001689011700000066
步骤2：对HACO-OFDM离散时域信号rn进行时域分离。根据HACO-OFDM离散时域信号rn的如下结构特点，
Figure BDA0001689011700000067
将HACO-OFDM离散时域信号rn分离为r1,n和r2,n两个信号，
Figure BDA0001689011700000068
r1,n是rn的前半部分信号，r2,n是rn的后半部分信号，w1,n是wn的前半部分，w2,n是wn的后半部分。
步骤3：再生出ACO-OFDM时域信号。根据r1,n和r2,n的结构特点，用r1,n减去r2,n，再生恢复出ACO-OFDM时域信号raco,n，
raco,n＝r1,n-r2,n＝xaco,n+w3,n
w3,n＝w1,n-w2,n表示残留的噪声，如果噪声w3,n忽略不计，raco,n即为ACO-OFDM时域信号的前半部分信号xaco,n。
步骤4：再生出ACO-OFDM频域信号，进而解调出ACO-OFDM支路携带的数据信息。对ACO-OFDM时域信号raco,n进行N点FFT后，因为奇数子载波上是没有限幅噪声干扰的，所以可以从奇数子载波上直接恢复出ACO-OFDM频域信号，进而得到M-QAM符号以解调出ACO-OFDM支路携带的信息数据。
步骤5：对再生出的ACO-OFDM时域信号进行非对称限幅。对再生恢复的ACO-OFDM时域信号raco,n进行非对称限幅，得到再生的非对称限幅ACO-OFDM时域信号
Figure BDA0001689011700000071
Figure BDA0001689011700000072
w4,n表示非对称限幅操作之后的残留噪声。
步骤6：再生出带有噪声干扰的限幅PAM-DMT时域信号。用HACO-OFDM离散时域信号的前半部分r1,n减去非对称限幅ACO-OFDM时域信号
Figure BDA0001689011700000073
可以得到带有噪声干扰的非对称限幅PAM-DMT时域信号
Figure BDA0001689011700000074
Figure BDA0001689011700000075
w5,n表示相减操作之后的残留噪声。如果噪声w5,n忽略不计时，
Figure BDA0001689011700000076
即为非对称限幅PAM-DMT时域信号的前一半，它包含了PAM-DMT支路所携带的数据信息。
步骤7：在PAM-DMT支路上利用成对限幅方法进一步进行噪声抑制。根据PAM-DMT时域信号的反对称性，如下式，
ypam,n＝ypam,N/2-n,n＝1,2,...,N/2-1
利用成对限幅方法对
Figure BDA0001689011700000081
进一步抑制噪声的干扰，得到更加准确的非对称限幅PAM-DMT时域信号，对
Figure BDA0001689011700000082
进行成对限幅操作如下，
Figure BDA0001689011700000083
且
Figure BDA0001689011700000084
Figure BDA0001689011700000085
是再生出来的非对称限幅PAM-DMT时域信号，
Figure BDA0001689011700000086
是
Figure BDA0001689011700000087
的反对称信号，
Figure BDA0001689011700000088
是成对限幅操作后得到的更准确的非对称限幅PAM-DMT时域信号。
步骤8：再生出PAM-DMT频域信号，进而解调出PAM-DMT支路携带的数据信息。对
Figure BDA0001689011700000089
进行N/2点FFT后，从偶数子载波上恢复出PAM-OFDM频域信号，进而从PAM-OFDM频域信号的虚部上得到M-PAM符号以解调出PAM-DMT支路携带的数据信息。
为了比较发明的基于时域限幅噪声消除的HACO-OFDM***接收方法(简写为PHACO)与已有的频域限幅噪声消除的HACO-OFDM***接收方法(简写为CHACO)的性能，通过仿真评估了两种接收方法的误码率(BER)性能，采用3种调制组合方案，即4-QAM和2-PAM(Case1)，16-QAM和4-PAM(Case2)和64-QAM与8-PAM(Case3)。ACO-OFDM支路和PAM-DMT支路分配的功率相等。对于给定的信噪比(SNR)，获得每个支路的BER曲线。
从图2可以观察到，发明的基于时域限幅噪声消除的HACO-OFDM***接收方法中ACO-OFDM支路上误码性能与已有的频域限幅噪声消除接收方法中ACO-OFDM支路上的误码性能一样。三种不同的调制组合方案情况下，两种方法的ACO-OFDM支路误码性能曲线完全重合，并没有因为接收机复杂度的降低而出现误码性能恶化。
图3显示了两种接收方法的PAM-DMT支路BER性能。可以看出，在每种调制组合方案的低频区域，发明的基于时域限幅噪声消除的HACO-OFDM***接收方法中PAM-DMT支路误码性能优于已有的频域限幅噪声消除接收方法中PAM-DMT支路误码性能，具体而言，在BER为10-2时，发明方法(PHACO)的PAM-DMT支路可以分别实现0.2dB(Case1)，1dB(Case2)和1.7dB(Case3)增益。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于时域限幅噪声消除的HACO-OFDM***接收方法，步骤如下：
步骤1：对接收到的HACO-OFDM信号进行数模转换，得到离散HACO-OFDM时域信号，然后完成符号同步，获得完整的HACO-OFDM符号rn；
步骤2：对HACO-OFDM符号rn进行时域分离，分成前半部分和后半部分两路信号；
步骤3：对步骤2中产生的两路时域信号进行简单的加减操作，再生出ACO-OFDM时域信号的前半部分；
步骤4：对步骤3得到的信号进行FFT变换，再生出ACO-OFDM频域信号，进而解调出ACO-OFDM支路携带的数据信息；
步骤5：对步骤3得到的信号的ACO-OFDM时域信号进行非对称限幅；
步骤6：对步骤2中产生的前半部分或后半部分时域信号与步骤5中产生的反对称限幅信号进行相减操作，消除ACO-OFDM支路的限幅噪声，再生出带有信道白噪声干扰的限幅PAM-DMT时域信号；
步骤7：在PAM-DMT支路上利用成对限幅方法进一步进行噪声抑制；
步骤8：对步骤7得到的信号进行FFT变换，获得PAM-DMT频域信号，进而解调出PAM-DMT支路携带的数据信息；
所述步骤2对HACO-OFDM离散时域信号rn进行时域分离是将HACO-OFDM离散时域信号rn分离为r1,n和r2,n两个信号，
Figure FDA0002645963490000011
r1,n是rn的前半部分信号，r2,n是rn的后半部分信号，w1,n是wn的前半部分，w2,n是wn的后半部分，wn表示加性高斯白噪声的离散时间抽样，
Figure FDA0002645963490000012
是ACO-OFDM时域信号前半部分的限幅信号，
Figure FDA0002645963490000013
是ACO-OFDM时域信号后半部分的限幅信号，
Figure FDA0002645963490000014
是PAM-DMT时域信号前半部分的限幅信号，
Figure FDA0002645963490000015
是PAM-DMT时域信号后半部分的限幅信号，且有
Figure FDA0002645963490000016
N表示FFT/IFFT操作的点数，n表示时域信号的序号；
HACO-OFDM为混合非对称限幅光正交频分复用、PAM-DMT为脉冲幅度调制离散多音频、ACO-OFDM为非对称限幅光正交频分复用。
2.根据权利要求1所述的基于时域限幅噪声消除的HACO-OFDM***接收方法，其特征在于：
步骤1是在接收端用一个光电检测器将光信号恢复成模拟电信号，通过模/数转换模块、符号同步模块、串/并转换模块、去除循环前缀，得到完整的HACO-OFDM符号rn，其中rn＝zn+wn
wn表示加性高斯白噪声的离散时间抽样，zn是由非对称限幅ACO-OFDM时域离散信号和非对称限幅PAM-DMT时域离散信号组合而成的HACO-OFDM时域信号，
Figure FDA0002645963490000021
Figure FDA0002645963490000022
是ACO-OFDM时域信号前半部分的限幅信号，
Figure FDA0002645963490000023
是ACO-OFDM时域信号后半部分的限幅信号，
Figure FDA0002645963490000024
是PAM-DMT时域信号前半部分的限幅信号，
Figure FDA0002645963490000025
是PAM-DMT时域信号后半部分的限幅信号，且有
Figure FDA0002645963490000026
N表示FFT/IFFT操作的点数，n表示时域信号的序号。
3.根据权利要求1所述的基于时域限幅噪声消除的HACO-OFDM***接收方法，其特征在于：步骤3再生出ACO-OFDM时域信号是用r1,n减去r2,n，再生恢复出ACO-OFDM时域信号的前半部分raco,n，
raco,n＝r1,n-r2,n＝xaco,n+w3,n
w3,n＝w1,n-w2,n表示残留的噪声；
其中：r1,n是rn的前半部分信号，r2,n是rn的后半部分信号，w1,n是wn的前半部分，w2,n是wn的后半部分，wn表示加性高斯白噪声的离散时间抽样，xaco,n是ACO-OFDM时域信号的前半部分，它包含了ACO-OFDM支路所携带的全部数据信息，当残留噪声w3,n可以忽略时，raco,n即为ACO-OFDM时域信号的前半部分。
4.根据权利要求1所述的基于时域限幅噪声消除的HACO-OFDM***接收方法，其特征在于：步骤4是先对再生的ACO-OFDM时域信号raco,n进行N点FFT操作，再从奇数子载波上直接恢复出ACO-OFDM频域信号，进而解调出ACO-OFDM支路携带的数据信息。
5.根据权利要求1所述的基于时域限幅噪声消除的HACO-OFDM***接收方法，其特征在于：步骤5是对再生恢复的ACO-OFDM时域信号raco,n进行非对称限幅，得到再生的非对称限幅ACO-OFDM时域信号
Figure FDA0002645963490000031
Figure FDA0002645963490000032
其中：
Figure FDA0002645963490000033
是ACO-OFDM时域信号前半部分的限幅信号，w4,n表示非对称限幅操作之后的残留噪声。
6.根据权利要求1所述的基于时域限幅噪声消除的HACO-OFDM***接收方法，其特征在于：步骤6是用HACO-OFDM离散时域信号的前半部分r1,n减去再生的非对称限幅ACO-OFDM时域信号
Figure FDA0002645963490000034
得到带有噪声干扰的非对称限幅PAM-DMT时域信号
Figure FDA0002645963490000035
Figure FDA0002645963490000036
Figure FDA0002645963490000037
是PAM-DMT时域信号前半部分的限幅信号，w5,n表示相减操作之后的残留噪声，如果噪声w5,n忽略不计时，
Figure FDA0002645963490000038
即为非对称限幅PAM-DMT时域信号的前半部分，它包含了PAM-DMT支路所携带的数据信息。
7.根据权利要求1所述的基于时域限幅噪声消除的HACO-OFDM***接收方法，其特征在于：步骤7是根据PAM-DMT时域信号的反对称性，
ypam,n＝ypam,N/2-n,n＝1,2,...,N/2-1
利用成对限幅方法对
Figure FDA0002645963490000039
进一步抑制噪声的干扰，得到更加准确的非对称限幅PAM-DMT时域信号，对
Figure FDA00026459634900000310
进行成对限幅操作如下，
Figure FDA00026459634900000311
且
Figure FDA00026459634900000312
Figure FDA00026459634900000313
是再生出来的非对称限幅PAM-DMT时域信号，
Figure FDA00026459634900000314
是
Figure FDA00026459634900000315
在[1,N/2-1]区间上的反对称信号，
Figure FDA00026459634900000316
是成对限幅操作后得到的更准确的非对称限幅PAM-DMT时域信号。
8.根据权利要求1所述的基于时域限幅噪声消除的HACO-OFDM***接收方法，其特征在于：步骤8是对
Figure FDA00026459634900000317
进行N/2点FFT后，从偶数子载波上恢复出PAM-OFDM频域信号，进而从PAM-OFDM频域信号的虚部上得到M-PAM符号以解调出PAM-DMT支路携带的数据信息。
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