无线光通信系统中基于IM-DD的自适应偏置OFDM调制方法与流程

本发明涉及无线光通信技术领域，具体为无线光通信系统中基于im-dd的自适应偏置ofdm调制方法。

背景技术：

无线光通信是一种利用红外线、可见光或紫外线波段的光波来传输信息数据的通信技术。正交频分复用(ofdm)技术被广泛应用在无线光通信中，其具有频谱效率高、抗多径衰落和频谱资源分配灵活等优点，主要用于实现高速通信链路。但是，在ofdm调制中通常采用强度调制-直接探测(im-dd)的方法对光载波的强度进行调制，此时要求传输的信号满足非负约束。这就要求使用特定的光学ofdm(o-ofdm)调制方案实现双极性信号非负的特性。

现有技术中，为了使信号满足非负条件，常用的方法有：直流偏置ofdm(dco-ofdm)方法、非对称限幅光学ofdm(aco-ofdm)方法、叠加的o-ofdm方法，但是这些方法存在着下面这些问题:

(1)直流偏置ofdm(dco-ofdm)方法，采用的是直接添加均匀的直流偏置的方式，由于ofdm的峰均比(papr)存在缺点，需要设置较高的直流偏置抑制非线性失真，导致功率效率较低；

(2)非对称限幅光学ofdm(aco-ofdm)方法，采用的是直接削减双极性信号的负极的方式，不会对传输的信号产生削波失真，但只通过调制奇数子载波传输信息，虽然提高了功率效率，但是降低了频谱效率；

(3)叠加的o-ofdm方法，在提高了频谱效率的同时，保持了较高的功率效率，但是叠加结构需要多组发射机和接收机，增加了方案实现的复杂度，引入了不必要的处理延迟。

技术实现要素：

为了解决现有技术中为了满足信号非负条件，但是导致功率变低、或者降低了频谱效率、或增加了系统复杂度的问题，本发明提供无线光通信系统中基于im-dd的自适应偏置ofdm调制方法，其可以不会对传输的信号产生影响，不会导致功率变低，在保持系统的频谱效率的同时，降低了系统的复杂度。

本发明的技术方案是这样的：无线光通信系统中基于im-dd的自适应偏置ofdm调制方法，其特征在于，其包括以下步骤：

s1：在发射机侧，确定ofdm频域信号xk与所传输的qam符号qi之间的映射关系x；

s2：将输入的qam符号qi依次进行串并变换、埃尔米特对称处理；

s3：根据ofdm频域信号xk与qam符号qi之间的映射关系x，确定ofdm频域信号xk；

s4：对ofdm频域信号xk进行反向快速傅立叶变换操作，确定ofdm时域信号xn；

s5：根据传输信号非负性和降低系统功耗的要求，设置自适应偏置量bn为：

其中：n为子载波的总数；

s6：确定自适应偏置的频域信号bk：

其中：m＝0,1,...,n/8-1，n为子载波的总数，

s7：将ofdm时域信号xn、自适应偏置量bn分别进行并串变换后叠加，得到非负自适应偏置ofdm信号yn；

s8:将非负自适应偏置ofdm信号yn进行数模变换，并通过led传输到接收机。

其进一步特征在于：

步骤s1中，发射机传输的正交振幅调制qam符号qi为

qi表示第i个传输的正交振幅调制信号，m＝0,1,...,n/8-1，n为子载波的总数；

步骤s1中，在发射机侧，使用奇数和第2(2m+1)个子载波来传达信息数据，其余子载波保留并设置为零；

步骤s1中，ofdm频域信号xk与所传输的qam符号qi之间的映射关系x的表达式为：

其中：为qi的共轭；

步骤s4中，ofdm时域信号xn的表达式为：

步骤s6中，关于自适应偏置的频域信号bk：

当k为奇数、或k＝2(2m+1)时，bk＝0；

当k＝4m时，

步骤s7中，非负自适应偏置ofdm信号yn表达式为：

yn＝xn+bn，n＝0,1,...,n-1；

其还包括以下步骤：

s9：在接收机侧，通过光电探测器检测出非负自适应偏置ofdm信号yn；

s10：对非负自适应偏置ofdm信号yn依次进行模数变换、串并变换操作后，对非负自适应偏置ofdm信号yn进行快速傅立叶变换操作获得ofdm频域信号xk；

s11：根据自适应偏置ofdm频域信号yk与ofdm频域信号xk的关系：

yk＝xk+bk

带入自适应偏置的频域信号bk后，得到自适应偏置ofdm频域信号yk；

s12：在接收机侧，对自适应偏置ofdm频域信号yk进行qam符号检测，通过串并变换恢复原始信号；

步骤s11中，自适应偏置ofdm频域信号yk的表达式为：

其中：k为正整数；

步骤s12中，接收机侧恢复原始信号时，从奇数和第2(2m+1)个子载波中提取被传输过来的符号。

本发明提供的无线光通信系统中基于im-dd的自适应偏置ofdm调制方法，充分考虑了无线光通信中，基于im/dd的ofdm调制方法中光学探测器的固有特点以及不同信号样本振幅的差异，在确保信号满足非负约束的基础上，根据信号样本的特定振幅设计了自适应偏置；对xn、四个信号添加相同的偏置bn，确保不会对传输的符号产生干扰；将添加到这四个信号中满足非负性的最小偏置设置为四个信号样本的最小值的相反极性，通过减去信号样本中的最小值达到降低系统的功耗的效果，保证传输信号的非负性，同时降低系统功耗；自适应偏置引起的干扰与传输的符号正交，显著提高了系统的功率效率；由于向四个信号添加了相同的自适应偏置，引入的自适应偏置对传输的符号没有产生干扰，可以直接利用标准ofdm接收机，使得系统实现的复杂度明显降低；在非线性光调制器的情况下，本发明提出的自适应偏置ofdm调制方法，在误码率性能方面具有很高的优势，同时具有较强的抗非线性能力。

附图说明

图1为本发明的自适应偏置ofdm收发机的框图；

图2为自适应偏置ofdm、haco-ofdm、aco-ofdm的papr累计分布图；

图3为非线性和线性光学调制器下，自适应偏置ofdm和haco-ofdm的ber性能对比图；

图4为自适应偏置ofdm的功率效率效果图。

具体实施方式

如图1～图4所示，结合具体实施例说明本发明无线光通信系统中基于im-dd的自适应偏置ofdm调制方法的技术方案。

假设表示传输的正交振幅调制(qam)符号，为了提高频谱效率，用奇数和第2(2m+1)个子载波来传达信息数据，其余子载波保留并设置为零，即当k＝4m时，xk＝0；

其中，qi表示第i个传输的正交振幅调制信号，m＝0,1,...,n/8-1，、n为子载波的总数，xk为自适应偏置ofdm的频率域信号，k为正整数。确定自适应偏置ofdm频域信号与所传输的qam符号之间的映射关系为：

其中，为qi的共轭。

在无线光通信系统中通常采用强度调制/直接探测(im/dd)方法，由于光学调制器的固有特性，要求传输信号满足非负约束，因此要根据信号样本的特定振幅设计相应的自适应偏置，获得样本信号的振幅。将qam符号进行串/并变换和埃尔米特对称，根据步骤1确定的映射关系确定xk，接着对xk进行反向快速傅立叶变换(ifft)操作，确定自适应偏置ofdm的时域信号xn为：

时域信号xn是一种不适合光通道直接传输的双极性信号，因此需要引入自适应偏置使双极性信号xn非负，满足光学探测器的检测要求。不合理的自适应偏置会对传输的符号产生干扰，因此需要先确定引入的自适应偏置对传输信号不产生干扰的约束条件：

其中，bn表示双极性信号xn的偏置量。

当引入的偏置满足公式(3)时，自适应偏置引起的干扰仅被叠加在第4m个子载波上，而在自适应偏置ofdm中，第4m个传输的符号被设置为0，即引入的偏置与传输的符号是相互正交的，不会产生干扰。

为避免对传输的符号产生不必要的干扰，对xn、四个信号添加相同的偏置；为保证传输信号的非负性，同时降低系统功耗；将添加到这四个信号中满足非负性的最小偏置设置为四个信号样本的最小值的相反极性。如果这四个信号均是非负的，可以通过减去信号样本中的最小值达到降低系统的功耗的效果，因此确定的偏置量bn可定义为：

根据确定的bn，对其进行快速傅立叶变换(fft)操作，确定自适应偏置的频域信号bk：

结合公式(4)，bk可以进一步表示为：

当k为奇数时，将1+e^-jπk＝0代入公式(6)，bk可以进一步表示为：

当k＝2(2m+1)时，将k代入公式(6)，bk可以进一步表示为：

当k＝4m时，将k代入公式(6)，bk可以进一步表示为：

可知，引入的自适应偏置的频域信号bk在奇数和第k＝2(2m+1)个子载波上等于0，仅在第4m个子载波上存在，而被传输的信号存在于奇数和第2(2m+1)个子载波上，也就是说，自适应偏置的频域信号bk没有对被传输的信号产生干扰。

将时域信号xn和自适应偏置量bn分别进行并/串变换，然后叠加，产生的自适应偏置ofdm信号表示为：

yn＝xn+bn，n＝0,1,...,n-1。

将非负自适应偏置ofdm信号yn进行数模变换，并通过led传输到接收机。

在接收机侧，通过光电探测器检测出非负自适应偏置ofdm信号yn。信号经过模数/变换和串/并变换后，对yn执行快速傅立叶变换(fft)操作；根据自适应偏置ofdm频域信号yk与ofdm频域信号xk的关系：

yk＝xk+bk

将bk代入，确定自适应偏置ofdm频域信号yk为：

在接收机侧，进行qam符号检测，通过串/并变换恢复原始信号，从奇数和第2(2m+1)个子载波中提取传输的符号。

使用本发明的技术方案中，基于im/dd的ofdm调制方法中光学探测器的固有特点以及不同信号样本振幅的差异，在确保信号满足非负约束的基础上，根据信号样本的特定振幅设计了自适应偏置，与需要添加较高直流偏量的dco-ofdm方案相比，自适应偏置引起的干扰与传输的符号正交，显著提高了系统的功率效率；本发明技术方案采用比传统的aco-ofdm更多的子载波资源传输信息数据，提高了系统的频谱效率；本发明的技术方案中，由于是向四个信号添加了相同的自适应偏置，引入的自适应偏置对传输的符号没有产生干扰，在接收端可以直接利用标准ofdm接收机，使得系统实现的复杂度明显低于叠加的o-ofdm方案(例如haco-ofdm)。

如图2所示，图中显示了自适应偏置(本发明的方法)、混合非对称限幅(haco-ofdm)、非对称限幅(aco-ofdm)三种方法，采用不同的调制方式时的papr性能对比。在自适应偏置ofdm和aco-ofdm中使用了16-aqm和64-qam，在haco-ofdm中，16-qam与4-pam能实现相同的频谱效率，64-qam与8-pam亦同；仿真结果显示，本发明方法提出的自适应偏置ofdm具有比aco-ofdm和haco-ofdm更低的papr，因此在无线光通信系统中，具有较强的抗非线性能力。

如图3所示，图中给出了在线性和非线性双边限幅的光调制器的情况下，自适应偏置(本发明的方法)、混合非对称限幅(haco-ofdm)的误码率性能(ber性能)对比关系。图中τ表示限幅比，用于评估限幅电平。从图3中可以发现，在线性条件下，自适应偏置ofdm与haco-ofdm的误码率性能相差不大，但自适应偏置ofdm的复杂度远低于haco-ofdm，同时在光学调制器非线性的情况下，自适应偏置ofdm比haco-ofdm具有更好的误码率性能。因此，在综合能力上本发明提出的自适应偏置ofdm明显优于haco-ofdm。

如图4所示，图中对自适应偏置ofdm的功率效率进行了评估。给出了当ber为10^-3时，不同比特速率/标准化带宽对应的eb(opt)/n0。为保证传输的信号满足非负约束，在dco-ofdm中分别添加了7db、10db和13db的直流偏置(直流偏置-ofdm)。仿真结果显示，在相同比特速率/标准化带宽的条件下，本发明提出的自适应偏置ofdm方法需要的eb(opt)/n0明显低于dco-ofdm和aco-ofdm需要的，因此具有更高的功率效率。

综上所述，本发明提出的无线光通信系统中基于im-dd的自适应偏置ofdm调制方法，提高了系统的功率效率和频谱效率；在复杂度方面具有更低的系统复杂度，优于haco-ofdm；更适合应用于基于im-dd的ofdm调制方法。