可見光通信OFDM系統(tǒng)非線性失真抑制方法研究.pdf

1、可見光通信（Visible Light Communication，VLC）將照明和通信有機融合，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)能的高速無線傳輸方式，受到了廣泛關注。為了適應可見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用（Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing，O-OFDM）。然而，照明終端的單向導電特性要求O

2、-OFDM輸入序列具有共軛反對稱結構，增加了序列之間的相關性，使得O-OFDM的高峰值平均功率比（Peak-To-Average Power Ratio，PAPR）問題更為嚴重。因此，研究由此導致的非線性失真問題，對于終端動態(tài)范圍較小的VLC尤為重要。本文針對可見光通信及其O-OFDM獨特性，圍繞O-OFDM信號PAPR抑制技術展開研究，主要研究內容及成果總結如下：
　　1.為解決O-OFDM輸入序列共軛反對稱結構導致PAPR惡化

3、的問題，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，有效降低了非線性失真。由于VLC發(fā)射終端對O-OFDM信號的單極性實信號約束，O-OFDM必須滿足共軛反對稱結構，增加了輸入序列之間的相關性，其PAPR進一步惡化。所提出的DCT-GCS首先對信號進行DCT變換，降低輸入序列之間的相關性，并在進行IFFT（Inverse Fa

4、st Fourier Transform）變換之前對信號進行分組循環(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信號共軛反對稱結構引起的高PAPR問題，且實現(xiàn)復雜度相對較低。
　　2.VLC中存在安全照明要求光強靜態(tài)穩(wěn)定和高速通信要求信號動態(tài)范圍較大的矛盾，為解決由LED動態(tài)范圍受限帶來的限幅失真嚴重問題，給出了適用于O-OFDM信號的兩種壓擴

5、方法。一方面，針對傳統(tǒng)指數(shù)壓擴方法對噪聲敏感的缺點，改進得到基于余弦概率分布的非線性壓擴方法。為了使得IFFT輸出信號近似服從均勻分布以降低PAPR，常借助于指數(shù)壓擴（Exponential Companding，EC）方法，而EC壓擴后的信號對噪聲較為敏感，降低了誤碼性能。因此，給出使得輸出信號概率分布滿足近似于余弦函數(shù)的非線性壓擴方法，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

6、性壓擴變換。LED約束光功率較大時，在發(fā)射端對雙極性信號中的正信號進行線性壓縮，在接收端再對壓縮信號進行線性擴展。LED約束光功率較小時，線性壓擴變換的對象是雙極性信號中的負信號。為了進一步提升系統(tǒng)性能，在有效信噪比最大準則下，得到了部分壓擴方法的最優(yōu)壓縮系數(shù)。
　　3.針對直流偏置O-OFDM（Direct Current-biased O-OFDM，DCO-OFDM）直接添加直流偏置以滿足單極性帶來的低能量效率問題，提出了將信

7、號極性信息和幅度信息時分傳輸?shù)臉O性編碼調制方法。DCO-OFDM是O-OFDM的一種典型方案，需要添加恒定的直流偏置，使輸入信號工作在LED準線性范圍，但降低了能量效率。為了提升系統(tǒng)的能量效率，給出了極性編碼調制方法。首先對雙極性信號的符號進行編碼，并對信號取模變換，然后將雙極性信號的極性信息和幅度信息進行時分傳輸。由于極性編碼調制方法無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則下，基于照明約束，給出了

8、時分傳輸信號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空間同相線性疊加特性，提出了多燈芯空頻協(xié)同方法來降低非線性失真。以上研究工作主要是針對時域信號進行的，實際上，VLC發(fā)射終端潛在的多輸入空域維度可以減輕單純時域方法降低非線性失真的壓力。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LED不同燈芯發(fā)射，通過空頻協(xié)同，改善時域調制深度

9、，能夠有效地降低非線性失真。為了進一步優(yōu)化系統(tǒng)性能，基于輸出有效信噪比最大化準則，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.為了測試本文技術方案的有效性，并驗證仿真結果與實驗結果對比的一致性，搭建了可見光通信OFDM離線實驗系統(tǒng)?；谏逃谜彰鹘K端，結合所提出的O-OFDM方案，對本文的非線性失真抑制方法進行了離線實驗和分析對比。實驗結果表明，本文的非線