本文是一篇计算机科学论文，本研究聚焦于VLC系统中的OFDM和FOFDM技术，旨在提升VLC系统传输性能和降低PAPR。通过引入三维星座映射和预编码技术，本研究有效提高了系统的误码性能和传输效率。
第一章绪论
1.1选题背景及意义
在当今信息化快速发展的时代背景下，云计算、物联网、人工智能以及大数据等新兴技术的迅速普及，推动着通信系统向超带宽、低时延及高灵活性发展。第五代移动通信（5th Generation Mobile Communication Technology，5G）以其高传输速率、大连接容量和高能效等优势，正逐步在全球范围内部署[1,2]。然而，5G技术作为传统的射频（Radio Frequency，RF）通信，仍面临传播距离短、频谱带宽有限、易受干扰和窃听等局限性，尤其在水下、矿井或电磁屏蔽较强区域等特殊环境下的通信能力受限[3]。
近年来光无线通信（Optical Wireless Communication，OWC）以其高免授权频谱带宽、安全性、高效性和节能环保等优势，成为移动通信的有效补充方案[4]。尤其是可见光通信（Visible Light Communication，VLC）作为OWC的重要组成部分，不仅能够提供丰富的频谱资源和强大的抗电磁干扰能力，还可以与照明系统融合，降低系统搭建成本，因此受到了广泛关注[5]。
尽管VLC技术具有诸多优势，但其在实际应用中仍面临高频功率衰减和多径效应等挑战[6]，这些问题严重影响了系统的传输性能和误码率（Bit Error Rate，BER）。为了解决这些问题，学术界对自适应比特和功率加载、预均衡、预编码以及信道补偿等技术进行了深入研究[7][8]。预编码技术作为其中的一种有效方法，其主要目的是降低系统的峰均功率比（Peak-To-Average Power Ratio，PAPR），减少由于功率放大器非线性带来的信号失真，从而提高信号的传输性能。此外，预编码技术不需要获取额外的信道信息，可以降低系统的复杂度和硬件要求。
另一方面，三维星座映射[9]技术逐渐受到重视。与传统的二维星座，如正交振幅调制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）和相位移键控（Phase ShiftKeying，PSK）相比，三维星座具有更好的抗干扰性能和更高的信号区分度，能够有效应对复杂无线信道环境中的各种干扰，提升通信系统的可靠性和性能稳定性。在多用户多天线系统中，三维星座可以提高系统的容量和性能，支持大规模用户接入，提升系统的整体效率和吞吐量[10]。
1.2国内外研究现状
VLC作为无线通信领域中一个新兴且充满潜力的分支，其在提供高速数据传输的同时，也面临着传输性能优化和信号质量保证的挑战。在这一领域，研究者们致力于探索和实现信号的高质量、高可靠性传输，以满足日益增长的通信需求。提高VLC系统传输性能的途径多种多样，其中，高效的数字信号处理技术发挥着至关重要的作用。通过先进的DSP技术，可以有效地克服信道衰减、干扰以及噪声等问题，从而优化传输性能。与此同时，星座图的设计也是提升系统性能的关键因素之一。合理的星座图设计不仅能够增强信号的区分度，还能够提高频谱效率，进一步提升传输的可靠性和效率。在学术界，针对如何通过DSP技术和星座图设计来提升VLC系统性能，已经开展了一系列深入的研究工作。本章将对这些研究成果进行综述，首先介绍除FOFDM之外的预编码技术和三维星座映射技术的研究现状，随后介绍重点介绍FOFDM技术的研究现状。
1.2.1预编码技术的研究现状
预编码（Precoding）是一种在无线通信系统中用于改善信号传输性能的关键技术，尤其在多天线系统中发挥着至关重要的作用。它通过在发送端对传输数据进行特定的线性变换，旨在提升信号的各项性能指标，包括但不限于抗干扰能力、频谱效率以及覆盖范围等。在多输入多输出（Multiple Inputs and Multiple Outputs，MIMO）系统及多用户MIMO（Multi User Multiple Inputs and Multiple Outputs，MU-MIMO）系统中，预编码技术的应用已被证明能显著提高系统容量、扩大覆盖范围、降低干扰，并最终提升通信质量。
第二章OFDM/FOFDM光通信系统及相关DSP技术
2.2 OFDM/FOFDM调制基本原理
2.2.1 OFDM调制
OFDM作为一种高效的多载波（Multi-Carrier Modulation，MCM）技术，自20世纪60年代诞生以来，已在通信领域发挥着日益重要的作用。OFDM技术最初被设计用来应对多径传输环境中的码间干扰（Inter-Symbol Interference，ISI）问题，其独特的子载波正交性为解决这一问题提供了有效途径。
OFDM调制和解调过程如图2-1所示，OFDM将一个高速的串行数据流转化为多个较低速率的并行数据流，每路数据流分别进行星座映射，与特定的子载波频率相乘，最终通过叠加这些调制后的子载波，形成单一的串行信号以供传输。这一过程不仅优化了频谱的利用，而且通过子载波间的正交性，显著提高了系统的频谱效率（Spectral Efficiency，SE）。在接收端，通过执行与发送端相对应的逆过程，即可实现信号的准确解调，恢复出原始的数据比特流。
2.3相关DSP技术
2.3.1信道估计与均衡
在光通信领域，信道估计与均衡是确保信号传输可靠性的两个关键步骤。信道估计的目的是确定信号在通过信道时所经历的失真，包括衰减、相移和噪声等，而信道均衡则是基于这些估计信息来调整接收到的信号，以尽可能恢复原始发送数据。
信道估计的基本原理是通过发送已知的参考信号（导频或训练序列），并在接收端检测这些信号的变化来估计信道的响应。信道估计的目的是确定信号在传输过程中所经历的信道响应。在OFDM系统中，信道响应可以表示为一个矩阵H，其中每个元素hij代表从第i个发射天线到第j个接收天线的信道响应。
在实际的OFDM系统中，并不是所有子载波上都能够获得信道响应的估计值，并且相邻子载波上的信道响应估计值可能受到来自外界的不可控因素发生较大突变，插值估计可以有效应对这些情况。它是对已知信道估计值进行平滑处理的一种技术，一般来说包括两类，常数插值和线性插值。
常数插值是最简单的插值方法。其基本思想是将已知的导频（训练序列）位置的信道频率响应值直接用作相邻数据位置的信道频率响应值。这种方法的实现简单，但在信道变化较快时性能较差。
第三章 基于 CAZAC 预编码的 3D-OFDM 系统研究 ..................... 27
3.1 引言 ................................ 27
3.2 系统原理 ............................ 27
第四章 基于实数预编码的 3D-FOFDM 系统研究 ............................ 37
4.1 引言 ........................... 37
4.2 系统原理 ......................... 37
第五章 总结与展望 ..................... 50
5.1 总结 ....................................... 50
5.2 展望 .............................. 50
第四章基于实数预编码的3D-FOFDM系统研究
4.2系统原理
4.2.1 3D-FOFDM
1、三维星座映射
基于DCT预编码的3D-FOFDM系统原理如图4-1所示，在发送端，串行二进制随机比特序列首先进行串/并转换，转换成并行比特数据流，随后由三维映射器产生平均功率归一化的符号矩阵，其星座与图3-2(b)相同，这里仍然采用16ary-CIC星座映射方式。
第五章总结与展望
5.1总结
随着物联网、大数据和人工智能的快速发展，对高速数据传输和网络容量的需求不断上升。传统的射频通信技术虽取得显著成就，但频谱资源紧张和干扰问题也日益凸显。作为新兴技术，VLC凭借其独特的优势受到关注，特别是在智能照明、智能家居、智能城市和工业自动化等领域展现出巨大潜力。
本研究聚焦于VLC系统中的OFDM和FOFDM技术，旨在提升VLC系统传输性能和降低PAPR。通过引入三维星座映射和预编码技术，本研究有效提高了系统的误码性能和传输效率。
本文的主要研究工作总结如下：
（1）针对3D-OFDM-VLC系统存在的两个主要问题：PAPR过高和高频子载波衰落较为严重，本文提出了一种基于CAZAC序列的预编码方法，以增强3D-OFDM-VLC系统的性能。该方案的和核心在于利用CAZAC序列的零自相关特性来降低PAPR，同时优化信号的子载波分布来减少高频子载波的衰减。通过将CAZAC预编码应用于3D-OFDM系统，可以有效降低系统的PAPR，从而提升3D-OFDM VLC系统的整体性能。
（2）针对FOFDM-VLC系统只能进行一维线性调制的问题，提出联合三维星座映射与预编码的系统性能增强方法。不同于传统OFDM调制系统，该系统调制的是实数，因而该系统不用进行复杂的复数运算，并且不需要额外的厄尔米特对称过程，实现简单，系统复杂度较低。另外，通过采用与信道无关的DCT预编码来降低系统的PAPR和抑制VLC系统高频子载波衰落严重问题。实验结果表明，三维星座映射能够极大的提高接收机灵敏度。另外，DCT预编码能够均衡不同子载波上的SNR，以此提高系统BER性能。
参考文献（略）
