可见光通信OFDM系统非线性失真抑制方法研究

发布时间：2020-10-08 16:35

　　可见光通信(Visible Light Communication,VLC)将照明和通信有机融合,基于泛在的绿色照明资源,提供了一种深度覆盖、物理安全、环保节能的高速无线传输方式,受到了广泛关注。为了适应可见光通信等效信道频选特性,并提高频谱利用率,常采用具有高频谱效率的光正交频分复用(Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing,O-OFDM)。然而,照明终端的单向导电特性要求O-OFDM输入序列具有共轭反对称结构,增加了序列之间的相关性,使得O-OFDM的高峰值平均功率比(Peak-To-Average Power Ratio,PAPR)问题更为严重。因此,研究由此导致的非线性失真问题,对于终端动态范围较小的VLC尤为重要。本文针对可见光通信及其O-OFDM独特性,围绕O-OFDM信号PAPR抑制技术展开研究,主要研究内容及成果总结如下:1.为解决O-OFDM输入序列共轭反对称结构导致PAPR恶化的问题,提出了基于离散余弦变换的分组循环移位(Discrete Cosine Transform Grouping Cyclic Shift,DCT-GCS)方法,有效降低了非线性失真。由于VLC发射终端对O-OFDM信号的单极性实信号约束,O-OFDM必须满足共轭反对称结构,增加了输入序列之间的相关性,其PAPR进一步恶化。所提出的DCT-GCS首先对信号进行DCT变换,降低输入序列之间的相关性,并在进行IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)变换之前对信号进行分组循环移位处理,寻求具有最小峰值功率的排列方式。理论分析和数值结果表明:与已有方案相比,所提出的DCT-GCS方法,有效解决了O-OFDM信号共轭反对称结构引起的高PAPR问题,且实现复杂度相对较低。2.VLC中存在安全照明要求光强静态稳定和高速通信要求信号动态范围较大的矛盾,为解决由LED动态范围受限带来的限幅失真严重问题,给出了适用于O-OFDM信号的两种压扩方法。一方面,针对传统指数压扩方法对噪声敏感的缺点,改进得到基于余弦概率分布的非线性压扩方法。为了使得IFFT输出信号近似服从均匀分布以降低PAPR,常借助于指数压扩(Exponential Companding,EC)方法,而EC压扩后的信号对噪声较为敏感,降低了误码性能。因此,给出使得输出信号概率分布满足近似于余弦函数的非线性压扩方法,误码性能提升约5dB。另一方面,鉴于VLC中安全照明和通信的深度耦合特性,提出了照明约束下的部分线性压扩变换。LED约束光功率较大时,在发射端对双极性信号中的正信号进行线性压缩,在接收端再对压缩信号进行线性扩展。LED约束光功率较小时,线性压扩变换的对象是双极性信号中的负信号。为了进一步提升系统性能,在有效信噪比最大准则下,得到了部分压扩方法的最优压缩系数。3.针对直流偏置O-OFDM(Direct Current-biased O-OFDM,DCO-OFDM)直接添加直流偏置以满足单极性带来的低能量效率问题,提出了将信号极性信息和幅度信息时分传输的极性编码调制方法。DCO-OFDM是O-OFDM的一种典型方案,需要添加恒定的直流偏置,使输入信号工作在LED准线性范围,但降低了能量效率。为了提升系统的能量效率,给出了极性编码调制方法。首先对双极性信号的符号进行编码,并对信号取模变换,然后将双极性信号的极性信息和幅度信息进行时分传输。由于极性编码调制方法无需添加额外的直流偏置,具有较高的能量效率。另外,在接收端有效信噪比最大化准则下,基于照明约束,给出了时分传输信号的最佳功率分配方案,误码性能增益约2dB。4.为了充分利用VLC泛在的照明终端提供的空域维度自由度,基于LED光源多灯芯和光信号空间同相线性叠加特性,提出了多灯芯空频协同方法来降低非线性失真。以上研究工作主要是针对时域信号进行的,实际上,VLC发射终端潜在的多输入空域维度可以减轻单纯时域方法降低非线性失真的压力。因此,本文将IFFT输入数据分块,各子块数据分别通过LED不同灯芯发射,通过空频协同,改善时域调制深度,能够有效地降低非线性失真。为了进一步优化系统性能,基于输出有效信噪比最大化准则,给出了MLED-OFDM(Multi-LEDs OFDM)系统的最优直流偏置选取方案,改善了能量效率和误码性能。5.为了测试本文技术方案的有效性,并验证仿真结果与实验结果对比的一致性,搭建了可见光通信OFDM离线实验系统。基于商用照明终端,结合所提出的O-OFDM方案,对本文的非线性失真抑制方法进行了离线实验和分析对比。实验结果表明,本文的非线性失真抑制方法与已有方案相比,一定程度上降低了O-OFDM信号的PAPR,并改善了实验系统的数据传输性能,测试结果与仿真结果基本一致。
【学位单位】：解放军信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TN929.1
【文章目录】：
摘要
Abstract
符号说明
第一章绪论
    1.1 课题研究背景
    1.2 研究现状
        1.2.1 可见光OFDM传输技术研究现状
        1.2.2 基于LED传输特性降低非线性失真的研究现状
        1.2.3 降低非线性失真的峰均比抑制方法研究现状
    1.3 研究现状分析
    1.4 论文结构安排及主要创新点
第二章降低LED非线性失真的峰均比抑制方法
    2.1 引言
    2.2 基于DCT-GCS的峰均比抑制方法
        2.2.1 序列相关性分析
        2.2.2 DCT-GCS方法
        2.2.3 计算复杂度分析
        2.2.4 仿真结果分析
    2.3 基于目标分布的非线性压扩变换
        2.3.1 基于余弦概率分布的非线性压扩变换
        2.3.2 仿真结果分析
    2.4 照明约束下部分线性压扩方法
        2.4.1 部分线性压扩变换
        2.4.2 光功率约束下压缩系数优化
        2.4.3 仿真结果分析
    2.5 本章小结
第三章降低LED非线性失真的极性编码调制方法
    3.1 引言
    3.2 极性编码调制方法
        3.2.1 PIM-OFDM系统模型
        3.2.2 极性编码调制方法
    3.3 系统性能分析
        3.3.1 误码率性能分析
        3.3.2 频谱利用率分析
        3.3.3 能量效率分析
    3.4 发射端功率分配
        3.4.1 无照明约束下信号功率分配
        3.4.2 照明约束下信号与直流偏置功率分配
        3.4.3 仿真结果分析
    3.5 本章小结
第四章降低LED非线性失真的多灯芯空频协同方法
    4.1 引言
    4.2 多灯芯空频协同方法
        4.2.1 MLED-OFDM系统模型
        4.2.2 误码率性能分析
        4.2.3 仿真结果分析
    4.3 多LED灯芯信号同步分析
        4.3.1 传输路径相同
        4.3.2 传输路径不同
    4.4 系统直流偏置选取方法
        4.4.1 典型直流偏置选取方法
        4.4.2 基于有效信噪比最大准则的直流偏置选取方法
        4.4.3 仿真结果分析
    4.5 本章小结
第五章可见光通信OFDM系统设计与实现
    5.1 引言
    5.2 可见光通信OFDM离线实验系统
        5.2.1 可见光通信OFDM离线实验系统结构
        5.2.2 通信系统实验测试
    5.3 本章小结
第六章结论
    一、全文总结
    二、研究展望
致谢
参考文献
附录A
作者简历
    一、个人简历
    二、攻读硕士学位期间发表的学术论文
    三、攻读硕士学位期间申请专利情况
    四、攻读硕士学位期间的科研情况

【参考文献】