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(guān)注。為了適應(yīng)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(fù)用(Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing,O-OFDM)。然而,照明終端的單向?qū)щ娞匦砸驩-OFDM輸入序列具有共軛反對稱結(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)問題更為嚴(yán)重。因此,研究由此導(dǎo)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(shù)展開研究,主要研究內(nèi)容及成果總結(jié)如下:1.為解決O-OFDM輸入序列共軛反對稱結(jié)構(gòu)導(dǎo)致PAPR惡化的問題,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(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首先對信號進(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 Fast Fourier Transform)變換之前對信號進(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信號共軛反對稱結(jié)構(gòu)引起的高PAPR問題,且實現(xiàn)復(fù)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(yán)重問題,給出了適用于O-OFDM信號的兩種壓擴方法。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(jìn)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(jìn)行線性壓縮,在接收端再對壓縮信號進(jìn)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(fù)信號。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,提出了將信號極性信息和幅度信息時分傳輸?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,使輸入信號工作在LED準(zhǔn)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(diào)制方法。首先對雙極性信號的符號進(jìn)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(jìn)行時分傳輸。由于極性編碼調(diào)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(zhǔn)則下,基于照明約束,給出了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(jìn)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(diào)制深度,能夠有效地降低非線性失真。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.為了測試本文技術(shù)方案的有效性,并驗證仿真結(jié)果與實驗結(jié)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(jié)合所提出的O-OFDM方案,對本文的非線性失真抑制方法進(jìn)行了離線實驗和分析對比。實驗結(jié)果表明,本文的非線性失真抑制方法與已有方案相比,一定程度上降低了O-OFDM信號的PAPR,并改善了實驗系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸性能,測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。
【學(xué)位單位】：解放軍信息工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TN929.1
【文章目錄】：
摘要
Abstract
符號說明
第一章 緒論
    1.1 課題研究背景
    1.2 研究現(xiàn)狀
        1.2.1 可見光OFDM傳輸技術(shù)研究現(xiàn)狀
        1.2.2 基于LED傳輸特性降低非線性失真的研究現(xiàn)狀
        1.2.3 降低非線性失真的峰均比抑制方法研究現(xiàn)狀
    1.3 研究現(xiàn)狀分析
    1.4 論文結(jié)構(gòu)安排及主要創(chuàng)新點
第二章 降低LED非線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 序列相關(guān)性分析
        2.2.2 DCT-GCS方法
        2.2.3 計算復(fù)雜度分析
        2.2.4 仿真結(jié)果分析
    2.3 基于目標(biāo)分布的非線性壓擴變換
        2.3.1 基于余弦概率分布的非線性壓擴變換
        2.3.2 仿真結(jié)果分析
    2.4 照明約束下部分線性壓擴方法
        2.4.1 部分線性壓擴變換
        2.4.2 光功率約束下壓縮系數(shù)優(yōu)化
        2.4.3 仿真結(jié)果分析
    2.5 本章小結(jié)
第三章 降低LED非線性失真的極性編碼調(diào)制方法
    3.1 引言
    3.2 極性編碼調(diào)制方法
        3.2.1 PIM-OFDM系統(tǒng)模型
        3.2.2 極性編碼調(diào)制方法
    3.3 系統(tǒng)性能分析
        3.3.1 誤碼率性能分析
        3.3.2 頻譜利用率分析
        3.3.3 能量效率分析
    3.4 發(fā)射端功率分配
        3.4.1 無照明約束下信號功率分配
        3.4.2 照明約束下信號與直流偏置功率分配
        3.4.3 仿真結(jié)果分析
    3.5 本章小結(jié)
第四章 降低LED非線性失真的多燈芯空頻協(xié)同方法
    4.1 引言
    4.2 多燈芯空頻協(xié)同方法
        4.2.1 MLED-OFDM系統(tǒng)模型
        4.2.2 誤碼率性能分析
        4.2.3 仿真結(jié)果分析
    4.3 多LED燈芯信號同步分析
        4.3.1 傳輸路徑相同
        4.3.2 傳輸路徑不同
    4.4 系統(tǒng)直流偏置選取方法
        4.4.1 典型直流偏置選取方法
        4.4.2 基于有效信噪比最大準(zhǔn)則的直流偏置選取方法
        4.4.3 仿真結(jié)果分析
    4.5 本章小結(jié)
第五章 可見光通信OFDM系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)
    5.1 引言
    5.2 可見光通信OFDM離線實驗系統(tǒng)
        5.2.1 可見光通信OFDM離線實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
        5.2.2 通信系統(tǒng)實驗測試
    5.3 本章小結(jié)
第六章 結(jié)論
    一、全文總結(jié)
    二、研究展望
致謝
參考文獻(xiàn)
附錄A
作者簡歷
    一、個人簡歷
    二、攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文
    三、攻讀碩士學(xué)位期間申請專利情況
    四、攻讀碩士學(xué)位期間的科研情況

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2832478