基于PWM 調(diào)制的ACO-OFDM 混合技術(shù)的研究*

張 娜 任青青 劉 皎

（商洛學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院 商洛 726000）

1 引言

隨著LED 與無(wú)線光通信的結(jié)合，基于LED 的可見(jiàn)光通信（Visible Light Communication，VLC）關(guān)注度較高，VLC是利用LED燈光線的強(qiáng)弱變化實(shí)現(xiàn)照明和傳遞信息［1～2］。VLC 與傳統(tǒng)無(wú)線通信相比較，具有頻譜資源豐富、安全、綠色節(jié)能等特性，是未來(lái)移動(dòng)通信無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的一大發(fā)展趨勢(shì)，可推廣應(yīng)用于智能交通、智能家居、無(wú)線接入等場(chǎng)景［3～6］。

OFDM 技術(shù)由于子信道具有正交特性，能有效克服多徑干擾、消除碼間串?dāng)_，能充分利用頻譜資源［7～8］。而 VLC 系統(tǒng)要求傳輸?shù)男盘?hào)必須為“正、實(shí)”信號(hào)，將OFDM 復(fù)數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換為正實(shí)數(shù)信號(hào)的常用方法為直流偏置光正交頻分復(fù)用調(diào)制（DCO-OFDM）和非對(duì)稱(chēng)剪切光正交頻分復(fù)用調(diào)制（ACO-OFDM）［9］。DCO-OFDM 系統(tǒng)采用奇偶子載波同時(shí)傳輸符號(hào)，但其IFFT 輸出為雙極性的實(shí)數(shù)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)LED 需要將其負(fù)數(shù)波形被拉高為正實(shí)數(shù)，因此要選擇一個(gè)較高的直流偏置電流，而直流偏置不傳輸信息，所以DCO-OFDM 光功率效率不高；對(duì)于ACO-OFDM 系統(tǒng)只采用奇數(shù)子載波傳輸符號(hào)，進(jìn)行IFFT 變換后的信號(hào)為正實(shí)數(shù)，只需一個(gè)小的直流偏置信號(hào)，保證系統(tǒng)的照明需求即可［10］，其光功率效率優(yōu)于DCO-OFDM 系統(tǒng)，解決了高PAPR 問(wèn)題，但其頻譜利用率、傳輸速率僅為DCO-OFDM 系統(tǒng)的二分之一。但當(dāng)ACO-OFDM系統(tǒng)轉(zhuǎn)換一個(gè)振幅很小的信號(hào)時(shí)，需要更大的通信帶寬，對(duì)于目前的LED 顯然是不能實(shí)現(xiàn)的。基于此，為了與ACO-OFDM 系統(tǒng)具有相同的頻譜效率，使VLC 系統(tǒng)具有更小的PAPR、更低的誤碼率（BER）、更高的亮度等級(jí)，提出將ACO-OFDM 信號(hào)進(jìn)行IFFT 變換得到時(shí)域復(fù)數(shù)信號(hào)，取其前半幀信號(hào)再線性的把O-OFDM 信號(hào)轉(zhuǎn)換成PWM 信號(hào)，再對(duì)每一個(gè)PWM信號(hào)進(jìn)行一個(gè)采樣周期的時(shí)域擴(kuò)展即OFDM-PWM調(diào)制信號(hào)。

2 ACO-OFDM系統(tǒng)

隨著半導(dǎo)體照明技術(shù)的快速發(fā)展，基于LED的VLC（Visible Light Communication，可見(jiàn)光通信）技術(shù)被越來(lái)越多的人所關(guān)注。傳統(tǒng)的OFDM 信號(hào)是雙極性的復(fù)數(shù)信號(hào)，VLC 系統(tǒng)傳送的光信號(hào)必為正實(shí)數(shù)信號(hào)，因此要對(duì)OFDM 調(diào)制方式進(jìn)行改進(jìn)［11～13］。在 IM/DD 調(diào)制中，使 OFDM 信號(hào)變成正實(shí)數(shù)信號(hào)的方法為直流偏置光正交頻分復(fù)用調(diào)制（DCO-OFDM）和非對(duì)稱(chēng)剪切正交頻分復(fù)用調(diào)制（ACO-OFDM）。對(duì)于DCO-OFDM 系統(tǒng)，其進(jìn)行IFFT 變換后為雙極性的實(shí)數(shù)，要一個(gè)大的直流偏置信號(hào)，使負(fù)數(shù)波形被拉高為正實(shí)數(shù)，來(lái)驅(qū)動(dòng)LED；而對(duì)于ACO-OFDM 系統(tǒng)，進(jìn)行IFFT 變換后的信號(hào)為正實(shí)數(shù)，只需一個(gè)小的直流偏置信號(hào)，保證系統(tǒng)的照明。

對(duì)于目前存在的高PAPR，保障VLC 系統(tǒng)高速穩(wěn)定運(yùn)行要求采用高階調(diào)制、高線性度的LED。而LED 的啟動(dòng)發(fā)光電壓為2.2V，僅在2.5V～2.9V 區(qū)間內(nèi)具有非常好的線性度［14～15］，ACO-OFDM 不需要DCO-OFDM 那么大的線性范圍，因此采用ACO-OFDM系統(tǒng)，其原理圖如圖1所示。

圖1 ACO-OFDM系統(tǒng)原理框圖

圖1 為VLC 系統(tǒng)ACO-OFDM 的調(diào)制解調(diào)過(guò)程。在發(fā)送端，先對(duì)二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行QAM 映射再進(jìn)行補(bǔ)零和對(duì)稱(chēng)操作得到復(fù)數(shù)對(duì)，再通過(guò)N點(diǎn)的逆傅里葉變換（IFFT）變?yōu)闀r(shí)域信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)并串轉(zhuǎn)換后加上循環(huán)前綴，經(jīng)D/A、LPF 和直流偏置后，最終驅(qū)動(dòng)LED。在接收端，先由PD 將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，A/D 將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，最后經(jīng)過(guò)與調(diào)制相反的處理得到解調(diào)后的信號(hào)。

在ACO-OFDM 中的頻域序列，其序列表示式如下：

頻域子載波序列X(K)經(jīng)過(guò)IFFT 變換后的時(shí)域序列x(n)表示為式（2），其特性如式（3）：

由式（3）知x(n)具有反對(duì)稱(chēng)關(guān)系，其中的負(fù)值可以被去掉，x(n)就變?yōu)?/p>

3 基于PWM 調(diào)制的ACO-OFDM混合調(diào)制信號(hào)

目前，光ACO-OFDM 調(diào)制的VLC 系統(tǒng)存在著如下問(wèn)題：1）當(dāng)轉(zhuǎn)換一個(gè)振幅很小的信號(hào)時(shí)，需要更大的通信帶寬，引起高PAPR（Peak to Average Power Ratio，峰均功率比）問(wèn)題，要求LED 有高的線性度，否則將嚴(yán)重衰退系統(tǒng)性能，降低系統(tǒng)的傳輸速率；2）不適合發(fā)光亮度的調(diào)節(jié)；3）長(zhǎng)的循環(huán)前綴導(dǎo)致的傳輸吞吐量降低等問(wèn)題。基于此，針對(duì)LOS鏈路下的光ACO-OFDM 可見(jiàn)光通信系統(tǒng)，提出將原信號(hào)轉(zhuǎn)化成脈寬可變的脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）信號(hào)。

將原信號(hào)經(jīng)PPM 調(diào)制與PWM 調(diào)制后的信號(hào)進(jìn)行振幅疊加，可實(shí)現(xiàn)信息的亮度調(diào)節(jié)與數(shù)據(jù)傳輸。圖2 為基于PWM 調(diào)制的光OFDM 信號(hào)原理圖。在發(fā)送端，輸入數(shù)據(jù)由二進(jìn)制的PPM 數(shù)據(jù)流和PWM 的亮度控制信號(hào)合并組成，然后送入LED驅(qū)動(dòng)模塊。在接收端，由PD 對(duì)接收信號(hào)信號(hào)檢測(cè)及恢復(fù)。這種融合了PPM 與PWM 調(diào)制的方法實(shí)現(xiàn)了通信和照明的控制。由于LED 發(fā)送的信號(hào)被調(diào)制在高電平和零電平兩個(gè)點(diǎn)上，從根本上解決OFDM系統(tǒng)的高PAPR的問(wèn)題。

圖2 基于PWM調(diào)制的光OFDM信號(hào)原理圖

該系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)的振幅表示為

其中，Aw為 PWM 調(diào)制的振幅，Ap為 PPM 調(diào)制的振幅。當(dāng)不需要照明的時(shí)候，控制LED的亮度等級(jí)為其最小值，從而只有PPM信號(hào)被傳送。

基于PWM 調(diào)制的光OFDM 信號(hào)是利用占空比的不同來(lái)改變時(shí)域的脈沖寬度，來(lái)消除PAPR 的影響，其原理框圖如圖3所示。

圖3 OFDM-PWM調(diào)制的原理框圖

在發(fā)送端，輸入信號(hào)經(jīng)串并轉(zhuǎn)換后再進(jìn)行QAM 調(diào)制，經(jīng)IFFT 變換后截取前半幀信號(hào)后再轉(zhuǎn)換成PWM 信號(hào)，最終由LED 燈發(fā)送。圖4 為選取的一組8點(diǎn)的時(shí)域ACO-OFDM信號(hào)。

圖4 原始的ACO-OFDM 信號(hào)的時(shí)域采樣點(diǎn)

在圖4 中，截取前半幀信號(hào)后由單極性的PWM 信號(hào)表示，如圖 5（a）所示的時(shí)域 PWM 信號(hào)。由于只需要原始ACO-OFDM 信號(hào)一半，因此頻譜利用率為ACO-OFDM 的二分之一。再對(duì)其進(jìn)行一個(gè)采樣周期的擴(kuò)展，稱(chēng)為OFDM-PWM 混合調(diào)制信號(hào)，如圖5（b）所示。與ACO-OFDM 系統(tǒng)具有相同的信道容量、頻譜利用率、傳輸速率和帶寬。

圖5 信號(hào)時(shí)域采樣點(diǎn)

4 系統(tǒng)性能分析

4.1 PAPR性能

PAPR 是衡量 OFDM 系統(tǒng)性能的主要指標(biāo)［16］。由于一個(gè)OFDM 信號(hào)是由多個(gè)子載波調(diào)制疊加而成，疊加后的信號(hào)就會(huì)有很高的峰值，其PAPR 就會(huì)很高，而較高的PAPR 對(duì)系統(tǒng)中的功率放大器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器的要求也較高，其次受LED非線性的影響，會(huì)產(chǎn)生信號(hào)的非線性失真，而影響系統(tǒng)的性能［17］，因此，降低PAPR 能夠提升系統(tǒng)的性能。PAPR定義如式（6）所示：

式中，PAPR 的單位為分貝（dB），E[·]為求期望，x(n)為OFDM 系統(tǒng)經(jīng)過(guò)IFFT 變換后得到的輸出信號(hào)。其中互補(bǔ)累積分布函數(shù)（CCDF）用來(lái)表示PAPR 的分布特性，是一個(gè)評(píng)估PAPR 性能好壞的函數(shù)［18］。對(duì) 16-QAM 的 ACO-OFDM 信號(hào)和轉(zhuǎn)換后的OFDM-PWM 信號(hào)進(jìn)行CCDF 計(jì)算，其仿真結(jié)果如圖6所示。

由圖6可以看出：ACO-OFDM信號(hào)仍具有較高的PAPR值，而OFDM-PWM信號(hào)的PAPR值很小。

4.2 頻帶利用率

頻帶利用率是衡量數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)有效性的指標(biāo)［19］。頻帶利用率的計(jì)算公式為

圖6 ACO-OFDM與OFDM-PWM信號(hào)PAPR的CCDF

式（7）中，N 為OFDM 系統(tǒng)子載波數(shù)目，Ncp為CP長(zhǎng)度，M為M-QAM映射的階數(shù)。

ACO-OFDM的帶寬利用率為

式（8）中 ，與 RF 通 信 中 的 OFDM 相 比 ，ACO-OFDM 只有約為四分之一的帶寬利用率。OFDM-PWM 承載信息的子載波是總載波數(shù)的四分之一，因此OFDM-PWM 與ACO-OFDM 的頻帶利用率相同。

4.3 亮度等級(jí)

在可見(jiàn)光通信中，PWM 技術(shù)主要被應(yīng)用于亮度控制，由不同的脈沖寬度時(shí)間來(lái)控制LED發(fā)光信號(hào)的亮度等級(jí)［20］。脈寬τ(n)的計(jì)算公式為

式（9）中，xmax和xmin為一幀OFDM 符號(hào)中采樣點(diǎn)值的最大值和最小值，T 為采樣周期，先用其振幅求出相應(yīng)的占空比，再乘以采樣周期便得到時(shí)域脈寬。圖 5（b）中 OFDM-PWM 對(duì)每一個(gè) PWM 信號(hào)進(jìn)行一個(gè)采樣周期的時(shí)域擴(kuò)展，該信號(hào)的占空比比ACO-OFDM 信號(hào)的采樣周期要大，因此具有更高的亮度等級(jí)。

4.4 BER性能

在接收端由PD 檢測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后，其接收信號(hào)表示為

式（10）中：η為光電轉(zhuǎn)換效率，f[·] 為 ACOOFDM 到OFDM-PWM 的轉(zhuǎn)換過(guò)程，r(t)是雙極性的OFDM 信號(hào)，h(t)是信衰落矩陣，n(t)是高斯白噪聲，?為卷積操作。

分別對(duì)ACO-OFDM 系統(tǒng)與OFDM-PWM 進(jìn)行16/64QAM 調(diào)制，其誤碼率仿真結(jié)果如圖7（a）、（b）所示。通過(guò)對(duì)比圖 7（a）、（b）可得：隨著SNR 的增加，ACO-OFDM 與 OFDM-PWM 系統(tǒng)的 BER 都在逐漸減小；隨著QAM調(diào)制階數(shù)的增加，ACO-OFDM與 OFDM-PWM 系統(tǒng)的 BER 都在增加；在 BER 為10-4時(shí) ，對(duì) 于 16-QAM 調(diào) 制 ，OFDM-PWM 和ACO-OFDM 系統(tǒng)的SNR 需求分別為14dB和18dB，相同誤碼率下OFDM-PWM 比ACO-OFDM 系統(tǒng)節(jié)省 了 4dB；對(duì) 于 64-QAM 調(diào) 制 ，OFDM-PWM 和ACO-OFDM 系統(tǒng)的SNR 需求分別為15dB和24dB，相同誤碼率下OFDM-PWM 比ACO-OFDM 系統(tǒng)節(jié)省了 9dB；ACO-OFDM 系統(tǒng)采用 PWM-PPM 調(diào)制，在保證可靠通信的前提下，具有低低誤碼率，還得到一個(gè)更高的亮度等級(jí)。

圖7 誤碼率曲線圖

5 結(jié)語(yǔ)

為改善VLC 采用OFDM 調(diào)制產(chǎn)生高PAPR 問(wèn)題，提出采用PWM 的ACO-OFDM 混合調(diào)制方案。在發(fā)送端，將ACO-OFDM 信號(hào)進(jìn)行PWM 調(diào)制并進(jìn)行一個(gè)采樣周期的時(shí)域擴(kuò)展，得到OFDM-PWM 調(diào)制信號(hào)。與傳統(tǒng)ACO-OFDM 系統(tǒng)頻譜利用率相等的情況下，OFDM-PWM 具有更低的PAPR 性能、更高的亮度等級(jí)、更低的誤碼率。在BER 為10-4時(shí)，采 用 16-QAM 調(diào) 制 OFDM-PWM 比 ACO-OFDM 系統(tǒng)節(jié)省了4dB，采用64-QAM 調(diào)制節(jié)省了9dB。因此，OFDM-PWM 調(diào)制方式能有效解決PAPR 高的問(wèn)題，能有效抑制LED 有限的動(dòng)態(tài)范圍的影響，使得VLC系統(tǒng)在高速傳輸過(guò)程中具有更高的穩(wěn)定性，因此該混合調(diào)制方法具有可行性和實(shí)用性。