论文部分内容阅读
随着人工智能、物联网等技术的快速发展,以及智能终端设备的高度普及,移动数据流量的需求不断大幅增长,可利用的频谱资源却日益短缺,射频无线通信面临着极度紧张的频谱资源危机。可见光通信（VLC）拥有超宽的频谱资源且无需授权,能够在提供照明的同时实现通信需求,已成为射频通信的有益补充和强有力的竞争对手。在VLC中引入正交频分复用（OFDM）技术,可以有效克服发光二极管（LED）的调制带宽和线性区间受限的问题,显著提升系统的传输速率。不同于傅里叶变换,哈特莱变换无虚部运算且正逆变换相同,可大幅降低系统的计算复杂度和硬件成本,其避免复数运算和自反特性的优势在实数应用领域更是尤为明显。因此,相比于传统的基于离散傅里叶变换（DFT）实现光OFDM系统的方法,基于离散哈特莱变换（DHT）的方案更适合实信号传输的VLC系统,其去除输入端厄米特对称限制的能力更是为光索引调制系统的频谱效率带来明显改善。本文主要研究基于DHT实现的光OFDM系统方案,分别在空域对LED及在频域对子载波做索引调制,提出更加高效的光OFDM系统方案。通过对发射端调制方案和接收端检测算法的设计,降低系统硬件成本和计算复杂度的同时,改善频谱效率及误码性能,并通过理论分析和仿真对比,验证所提方案的性能优势。具体研究工作如下:（1）提出了基于DHT的LED索引调制光OFDM系统方案。首先,给出了系统方案模型,使系统输入端可以采用先进的二维高阶调制格式。利用LED对双极性信号进行索引调制实现极性分离并分路传输,避免了OFDM信号单极化过程对频谱效率等造成的损失。其次,分别针对LED和光电探测器（PD）对称摆放及非对称摆放的情况,设计了接收端检测改进算法,提高系统的可靠性。此外,采用统计数学方法对系统的误码性能进行了分析。最后,与其它光多输入多输出（MIMO）-OFDM系统进行仿真对比。仿真结果表明,所提方案能以更低的硬件成本和计算复杂度获取更优的峰均功率比（PAPR）和误码性能。（2）提出了基于复数DHT的LED索引调制光OFDM系统方案。首先,论证了采用复数DHT实现光OFDM系统的可行性。其次,给出了系统方案模型,使系统可以直接对输入复数序列进行正交变换,而中间并无复数乘法或加法运算,成功将复数域转换为实数域进行处理。然后,分析了系统的误码性能,并与其它光MIMO-OFDM系统进行了对比。此外,从系统限制条件、频带利用率、功率效率等方面,综合对比了多种光MIMO-OFDM系统。最后,仿真结果表明,所提方案在系统设计灵活性、误码性能方面都更具优势。（3）提出了基于DHT的子载波索引调制光OFDM系统方案。首先,分析和验证了索引调制（IM）技术对光OFDM系统性能的提升作用。然后,给出了光DHT-OFDM-IM系统方案的发射端模型,并根据光信号的特殊性设计了一种低复杂度最大似然（ML）检测算法,能以明显降低的计算复杂度获得与ML检测相同的最优检测性能。此外,详细分析了光DHT-OFDM-IM系统的频带利用率及误码性能。最后,仿真结果表明,相较于基于DFT的光OFDM-IM系统和传统光OFDM系统,光DHT-OFDM-IM系统能够以更低的系统复杂度在频谱效率、能量效率、PAPR及误码性能方面得到明显改善。特别,在频谱效率最优点（n=32时）,光DHT-OFDM-IM系统相较于传统光OFDM系统的频谱效率提升量是光DFT-OFDM-IM系统的5倍,同时能量效率提升量是光DFT-OFDM-IM系统的1.62倍。（4）提出了基于DHT的频谱更加高效的双模光OFDM-IM系统方案。首先,设计了系统发射端模型,以及输入端所需的双模脉冲幅度调制星座图。然后,给出了两种适用于双模OFDM-IM系统的接收检测改进算法,能够以更低的计算复杂度使系统获取更高的可靠性。此外,对双模光DHT-OFDM-IM系统的频带利用率提升量和误码性能进行了分析。通过计算系统子块发射符号向量间的最小距离,比较系统的误码性能,并用蒙特卡洛仿真结果进行了验证。最后,仿真结果表明,相较于单模光DHT-OFDM-IM系统和双模光DFT-OFDM-IM系统,双模光DHT-OFDM-IM系统在频谱效率和误码性能方面都有明显改善。特别,在频谱效率最优点（n=32时）,双模光DHT-OFDM-IM系统相较于传统光OFDM系统的频谱效率提升量约为单模光DHT-OFDM-IM系统和双模光DFT-OFDM-IM系统的2倍。