可見(jiàn)光通信OFDM系統(tǒng)非線(xiàn)性失真抑制方法研究.pdf

1、可見(jiàn)光通信（Visible Light Communication，VLC）將照明和通信有機(jī)融合，基于泛在的綠色照明資源，提供了一種深度覆蓋、物理安全、環(huán)保節(jié)能的高速無(wú)線(xiàn)傳輸方式，受到了廣泛關(guān)注。為了適應(yīng)可見(jiàn)光通信等效信道頻選特性，并提高頻譜利用率，常采用具有高頻譜效率的光正交頻分復(fù)用（Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing，O-OFDM）。然而，照明終端的單向?qū)щ娞匦砸驩

2、-OFDM輸入序列具有共軛反對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，增加了序列之間的相關(guān)性，使得O-OFDM的高峰值平均功率比（Peak-To-Average Power Ratio，PAPR）問(wèn)題更為嚴(yán)重。因此，研究由此導(dǎo)致的非線(xiàn)性失真問(wèn)題，對(duì)于終端動(dòng)態(tài)范圍較小的VLC尤為重要。本文針對(duì)可見(jiàn)光通信及其O-OFDM獨(dú)特性，圍繞O-OFDM信號(hào)PAPR抑制技術(shù)展開(kāi)研究，主要研究?jī)?nèi)容及成果總結(jié)如下：
　　1.為解決O-OFDM輸入序列共軛反對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致PAPR惡化

3、的問(wèn)題，提出了基于離散余弦變換的分組循環(huán)移位（Discrete Cosine Transform Grouping Cyclic Shift，DCT-GCS）方法，有效降低了非線(xiàn)性失真。由于VLC發(fā)射終端對(duì)O-OFDM信號(hào)的單極性實(shí)信號(hào)約束，O-OFDM必須滿(mǎn)足共軛反對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，增加了輸入序列之間的相關(guān)性，其PAPR進(jìn)一步惡化。所提出的DCT-GCS首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行DCT變換，降低輸入序列之間的相關(guān)性，并在進(jìn)行IFFT（Inverse Fa

4、st Fourier Transform）變換之前對(duì)信號(hào)進(jìn)行分組循環(huán)移位處理，尋求具有最小峰值功率的排列方式。理論分析和數(shù)值結(jié)果表明：與已有方案相比，所提出的DCT-GCS方法，有效解決了O-OFDM信號(hào)共軛反對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)引起的高PAPR問(wèn)題，且實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度相對(duì)較低。
　　2.VLC中存在安全照明要求光強(qiáng)靜態(tài)穩(wěn)定和高速通信要求信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍較大的矛盾，為解決由LED動(dòng)態(tài)范圍受限帶來(lái)的限幅失真嚴(yán)重問(wèn)題，給出了適用于O-OFDM信號(hào)的兩種壓擴(kuò)

5、方法。一方面，針對(duì)傳統(tǒng)指數(shù)壓擴(kuò)方法對(duì)噪聲敏感的缺點(diǎn)，改進(jìn)得到基于余弦概率分布的非線(xiàn)性壓擴(kuò)方法。為了使得IFFT輸出信號(hào)近似服從均勻分布以降低PAPR，常借助于指數(shù)壓擴(kuò)（Exponential Companding，EC）方法，而EC壓擴(kuò)后的信號(hào)對(duì)噪聲較為敏感，降低了誤碼性能。因此，給出使得輸出信號(hào)概率分布滿(mǎn)足近似于余弦函數(shù)的非線(xiàn)性壓擴(kuò)方法，誤碼性能提升約5dB。另一方面，鑒于VLC中安全照明和通信的深度耦合特性，提出了照明約束下的部分線(xiàn)

6、性壓擴(kuò)變換。LED約束光功率較大時(shí)，在發(fā)射端對(duì)雙極性信號(hào)中的正信號(hào)進(jìn)行線(xiàn)性壓縮，在接收端再對(duì)壓縮信號(hào)進(jìn)行線(xiàn)性擴(kuò)展。LED約束光功率較小時(shí)，線(xiàn)性壓擴(kuò)變換的對(duì)象是雙極性信號(hào)中的負(fù)信號(hào)。為了進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能，在有效信噪比最大準(zhǔn)則下，得到了部分壓擴(kuò)方法的最優(yōu)壓縮系數(shù)。
　　3.針對(duì)直流偏置O-OFDM（Direct Current-biased O-OFDM，DCO-OFDM）直接添加直流偏置以滿(mǎn)足單極性帶來(lái)的低能量效率問(wèn)題，提出了將信

7、號(hào)極性信息和幅度信息時(shí)分傳輸?shù)臉O性編碼調(diào)制方法。DCO-OFDM是O-OFDM的一種典型方案，需要添加恒定的直流偏置，使輸入信號(hào)工作在LED準(zhǔn)線(xiàn)性范圍，但降低了能量效率。為了提升系統(tǒng)的能量效率，給出了極性編碼調(diào)制方法。首先對(duì)雙極性信號(hào)的符號(hào)進(jìn)行編碼，并對(duì)信號(hào)取模變換，然后將雙極性信號(hào)的極性信息和幅度信息進(jìn)行時(shí)分傳輸。由于極性編碼調(diào)制方法無(wú)需添加額外的直流偏置，具有較高的能量效率。另外，在接收端有效信噪比最大化準(zhǔn)則下，基于照明約束，給出了

8、時(shí)分傳輸信號(hào)的最佳功率分配方案，誤碼性能增益約2dB。
　　4.為了充分利用VLC泛在的照明終端提供的空域維度自由度，基于LED光源多燈芯和光信號(hào)空間同相線(xiàn)性疊加特性，提出了多燈芯空頻協(xié)同方法來(lái)降低非線(xiàn)性失真。以上研究工作主要是針對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行的，實(shí)際上，VLC發(fā)射終端潛在的多輸入空域維度可以減輕單純時(shí)域方法降低非線(xiàn)性失真的壓力。因此，本文將IFFT輸入數(shù)據(jù)分塊，各子塊數(shù)據(jù)分別通過(guò)LED不同燈芯發(fā)射，通過(guò)空頻協(xié)同，改善時(shí)域調(diào)制深度

9、，能夠有效地降低非線(xiàn)性失真。為了進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)性能，基于輸出有效信噪比最大化準(zhǔn)則，給出了MLED-OFDM（Multi-LEDs OFDM）系統(tǒng)的最優(yōu)直流偏置選取方案，改善了能量效率和誤碼性能。
　　5.為了測(cè)試本文技術(shù)方案的有效性，并驗(yàn)證仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比的一致性，搭建了可見(jiàn)光通信OFDM離線(xiàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。基于商用照明終端，結(jié)合所提出的O-OFDM方案，對(duì)本文的非線(xiàn)性失真抑制方法進(jìn)行了離線(xiàn)實(shí)驗(yàn)和分析對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文的非線(xiàn)