水下可见光OFDM系统峰均比抑制算法研究

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随着人类对海洋的开发和探索,传统的水下声波和电磁波无线通信方式难以满足日益增长的信息传输需求,高速、远距离的水下可见光通信技术的出现可以有效弥补这一不足。然而,由于水下信道环境十分复杂,单载波调制技术会受到极大地干扰而影响信息的传输速率。为此,将正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)多载波调制技术应用于水下可见光通信系统中,可有效地提高水下抗干扰能力和信息传输速率。但是,OFDM系统存在一个高峰均功率比(Peak-to-Average Power Radio,PAPR)的问题。同时,水下可见光通信系统的核心器件发光二极管(Light Emitting Diode,LED)的线性工作电压范围有限,当过高的PAPR信号经过LED时,会产生严重的信号失真,从而导致系统通信性能降低。针对这一问题,本文首先介绍了海水对可见光的吸收和散射特性、OFDM系统调制技术的原理以及两种常用的可见光OFDM调制技术。然后,在可见光OFDM系统基础上,介绍了PAPR的定义、统计特性、过采样以及经典的PAPR抑制方法。最后,为了有效地抑制水下可见光OFDM系统中存在的高PAPR,本文提出了两种不同的PAPR抑制算法:1)针对水下直流偏置光OFDM(DC-biased Optical OFDM,DCO-OFDM)系统中存在的高PAPR问题,提出了一种基于预编码与改进的自适应缩放联合PAPR抑制算法。在算法实现过程中,首先利用范德蒙类矩阵对频域信号进行预编码处理,以此降低其自相关性。然后,利用改进的自适应缩放因子对时域信号进行缩放,以更好地减小LED引起的非线性失真。最终,达到抑制系统PAPR的目的。仿真验证表明,该算法对水下DCO-OFDM系统PAPR的抑制效果优于原始系统。2)针对水下DCO-OFDM系统中存在的高PAPR问题,提出了一种基于限幅顶部样本检测和附加的PAPR抑制算法。在算法实现过程中,首先采用直接限幅法对信号进行限幅处理,然后通过顶部样本检测模块检测出信号的顶部样本值。最后,由于对信号进行了限幅处理,可以省去样本检测操作,直接将限幅阈值作为顶部样本值附加在原始信号的尾部,以达到抑制系统PAPR的目的。仿真验证表明,该算法对水下DCO-OFDM系统PAPR的抑制效果优于原始系统。
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