李　超，靜永健

(1. 內(nèi)蒙古信源信息技術(shù)有限公司， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000；2. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

基于DCO-OFDM與PAM-DMT的混合傳輸系統(tǒng)性能研究

李超1，靜永健2

(1. 內(nèi)蒙古信源信息技術(shù)有限公司， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000；2. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

摘要:針對可見光通信(Visible Light Communication，VLC)系統(tǒng)中傳統(tǒng)非對稱限幅光正交頻分復(fù)用(ACO-OFDM)及直流偏置光正交頻分復(fù)用(DCO-OFDM)系統(tǒng)存在的不足，提出了一種基于DCO-OFDM與脈沖幅度調(diào)制-離散多音頻調(diào)制(PAM-DMT)混合技術(shù)傳輸方案，并給出了一種接收端低復(fù)雜度信號檢測算法。該混合傳輸系統(tǒng)不僅可以通過改變調(diào)制方式以得到更為靈活的數(shù)據(jù)傳輸速率，還可以在相同數(shù)據(jù)速率下疊加較小的直流信號。最后通過蒙特卡洛仿真驗(yàn)證了所提設(shè)計的有效性。

關(guān)鍵詞:可見光通信；非對稱限幅光正交頻分復(fù)用；直流偏置光正交頻分復(fù)用；厄米特對稱；誤碼率

隨著超寬帶多媒體及高速短距離通信業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展，可見光通信(VisibleLghtCommunication，VLC)因其信道容量大、安全保密性高及抗電磁干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)而受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。在現(xiàn)有的通信調(diào)制方式中，正交頻分復(fù)用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM)技術(shù)由于抗多徑衰落能力強(qiáng)、頻域均衡結(jié)構(gòu)簡單、資源分配靈活性高等優(yōu)點(diǎn)而被眾多國際通信標(biāo)準(zhǔn)采納為基礎(chǔ)接入技術(shù)[1-3]。因此，可以將OFDM技術(shù)應(yīng)用在可見光通信系統(tǒng)中。

光OFDM技術(shù)根據(jù)數(shù)據(jù)符號調(diào)制方式及子載波映射方式的不同，主要有非對稱限幅光OFDM(AsymmetricallyClippedOpticalOFDM，ACO-OFDM)、直流偏置光OFDM(DirectCurrent-biasedOpticalOFDM，DCO-OFDM)及脈沖幅度調(diào)制-離散多音頻調(diào)制(PAM-DMT)等技術(shù)。光OFDM傳輸系統(tǒng)中的光電轉(zhuǎn)換模塊采用強(qiáng)度調(diào)制，時域信號須為非負(fù)實(shí)數(shù)，因此頻域數(shù)據(jù)符號需要滿足厄米特共軛對稱結(jié)構(gòu)[4-5]。由于采用ACO-OFDM系統(tǒng)中，QAM調(diào)制數(shù)據(jù)符號只在奇數(shù)子載波上進(jìn)行傳輸，單個OFDM符號承載的數(shù)據(jù)符號數(shù)目為N/4(N為子載波數(shù)目)[6]；DCO-OFDM系統(tǒng)采用奇偶子載波同時進(jìn)行QAM調(diào)制符號傳輸，傳輸速率較ACO-OFDM提高了近1倍，但為了使得非負(fù)時域信號不產(chǎn)生失真需疊加較大功率的直流偏置信號，此時能源利用率將降低[7]；針對DCO-OFDM系統(tǒng)存在的問題，PAM-DMT技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其調(diào)制方式采用PAM且為純虛數(shù)，此時無需直流偏置便可進(jìn)行非對稱削波，但傳輸速率較低[8]。

針對上述系統(tǒng)存在的不足，提出了一種新的光OFDM傳輸方案，即將數(shù)據(jù)符號的實(shí)部和虛部分別進(jìn)行PAM調(diào)制，實(shí)部數(shù)據(jù)則進(jìn)行DCO-OFDM調(diào)制，而虛部數(shù)據(jù)則進(jìn)行PAM-DMT調(diào)制，最后將這兩路得到的非負(fù)時域信號疊加輸入到光調(diào)制器中進(jìn)行無線傳輸。與ACO-OFDM系統(tǒng)相比，由于在奇數(shù)及偶數(shù)子載波上同時傳輸數(shù)據(jù)，因此得到的傳輸速率是ACO-OFDM的2倍[9]；與DCO-OFDM系統(tǒng)相比，由于數(shù)據(jù)分割為實(shí)部和虛部兩部分，因此在相同的傳輸速率下，提出方案的直流偏置信號幅值要小于DCO-OFDM；與PAM-DMT系統(tǒng)相比，由于實(shí)部虛部同時進(jìn)行調(diào)制，因此得到的傳輸速率也要高出1倍。

1傳統(tǒng)O-OFDM系統(tǒng)模型

(1)

可以看出，時域信號xaco,n為單極性純實(shí)數(shù)且滿足嚴(yán)格反對稱特性，因此，時域信號在進(jìn)行非對稱限幅削波后將不會帶來任何信息量的損失。

DCO-OFDM系統(tǒng)與ACO-OFDM系統(tǒng)不同，QAM調(diào)制數(shù)據(jù)符號同時在奇數(shù)子載波及偶數(shù)子載波上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此，傳輸速率也相應(yīng)地提升1倍。此時，IFFT變換得到的時域信號需進(jìn)行直流偏置及非對稱削波限幅才能得到非負(fù)信號，并輸入到光調(diào)制器進(jìn)行無線傳輸。由于直流偏置信號的加入，將會導(dǎo)致信號平均功率的增加。當(dāng)調(diào)制階數(shù)較大時，為了使得時域信號在削波過程中不產(chǎn)生非線性失真，通常要求直流信號擁有較大的幅值，一定程度上將會降低能源利用效率。

與DCO-OFDM系統(tǒng)不同的是，PAM-DMT系統(tǒng)中采用PAM調(diào)制方式，且數(shù)據(jù)符號為純虛數(shù)，即ak=0，bk為PAM調(diào)制得到的實(shí)數(shù)，其對應(yīng)的時域信號xpam,n可寫為

(2)

可知，上述時域信號同樣滿足嚴(yán)格的反對稱關(guān)系，因此可以通過非對稱限幅削波直接得到非負(fù)信號。

2DCO-OFDM及PAM-DMT混合模型

針對傳統(tǒng)O-OFDM系統(tǒng)存在的不足，提出了一種基于DCO-OFDM及PAM-DMT的混合傳輸系統(tǒng)。充分利用DCO-OFDM和PAM-DMT系統(tǒng)的優(yōu)勢，將數(shù)據(jù)符號的實(shí)部和虛部進(jìn)行單獨(dú)調(diào)制，虛部數(shù)據(jù)變換到時域之后進(jìn)行非對稱削波限幅，而實(shí)部數(shù)據(jù)則需要先進(jìn)行直流偏置再進(jìn)行限幅，最后將這兩路數(shù)據(jù)疊加即可，原理如圖1所示。

圖1　DCO-OFDM與PAM-DMT混合系統(tǒng)原理圖

對于實(shí)部數(shù)據(jù)即DCO-OFDM鏈路，第k個子載波上的頻域PAM調(diào)制數(shù)據(jù)符號為Xdco,k=ak，經(jīng)過厄米特共軛對稱后，其對應(yīng)的時域信號為

(3)

此時時域信號為單極性實(shí)信號，設(shè)直流偏置信號為Bdc，則經(jīng)過直流偏置及非對稱限幅削波后的信號變?yōu)?/p>

(4)

當(dāng)直流偏置信號較小時，將會導(dǎo)致部分采樣點(diǎn)在削波過程中產(chǎn)生非線性失真，從而影響傳輸可靠性；而當(dāng)直流偏置信號較大時，則會導(dǎo)致時域信號平均功率增大，從而影響能源利用率。

對于虛部數(shù)據(jù)即PAM-DMT鏈路，第k個子載波上的頻域PAM調(diào)制數(shù)據(jù)符號為Xdco,k=jbk，其對應(yīng)的時域信號為

(5)

由上式可知，存在

(6)

此時時域信號呈現(xiàn)反對稱特性，正信號和負(fù)信號攜帶的信息量相同，因此可以直接通過非對稱限幅將負(fù)信號削波為零而不會帶來任何信息量的損失。

3信號檢測算法

在接收端，經(jīng)過光檢測器及模數(shù)轉(zhuǎn)換得到的基帶信號，首先進(jìn)行去除循環(huán)前綴操作，然后進(jìn)行FFT變換得到頻域數(shù)據(jù)信號。由于DCO-OFDM數(shù)據(jù)并不會影響頻域數(shù)據(jù)符號的虛部，因此，可以先對PAM-DMT數(shù)據(jù)符號進(jìn)行檢測，即有

(7)

式中：Rk為頻域接收信號；CPAM為PAM調(diào)制的星座點(diǎn)集合；Im(·)表示取數(shù)據(jù)符號的虛部。

在PAM-DMT數(shù)據(jù)符號被檢測之后，可根據(jù)發(fā)射端調(diào)制規(guī)則，對該鏈路上的非負(fù)時域信號進(jìn)行重構(gòu)，再通過FFT變換得到對應(yīng)的頻域信號Ipam,n，并將其作為干擾進(jìn)行消除，最后對DCO-OFDM鏈路中的PAM數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測和解調(diào)。

(8)

式中：Re(·)表示取數(shù)據(jù)符號的實(shí)部。

綜上所述，改進(jìn)的O-OFDM系統(tǒng)將數(shù)據(jù)符號的實(shí)部和虛部分別進(jìn)行PAM調(diào)制，一路數(shù)據(jù)進(jìn)行DCO-OFDM調(diào)制，另一路則進(jìn)行PAM-DMT調(diào)制，最后將這兩路時域信號相互疊加輸入到光調(diào)制模塊進(jìn)行無線傳輸。在接收端，則首先對PAM-DMT鏈路數(shù)據(jù)符號進(jìn)行檢測解調(diào)，然后將該路數(shù)據(jù)作為干擾去除，最后再對DCO-OFDM鏈路數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測和解調(diào)。

4仿真結(jié)果與分析

仿真試驗(yàn)中，傳統(tǒng)ACO-OFDM及DCO-OFDM系統(tǒng)均采用M-QAM調(diào)制方式，而O-OFDM改進(jìn)系統(tǒng)及PAM-DMT系統(tǒng)則使用PAM調(diào)制。子載波數(shù)目為256，蒙特卡洛仿真次數(shù)為1 000。

圖2為了保證各系統(tǒng)進(jìn)行公平的性能比較，所有系統(tǒng)的總傳輸速率保持相等。傳統(tǒng)ACO-OFDM及DCO-OFDM系統(tǒng)采用的調(diào)制方式分別為256QAM及16PAM。改進(jìn)O-OFDM系統(tǒng)的DCO-OFDM及PAM-DMT調(diào)制方式分別為2PAM及8PAM。當(dāng)直流偏置信號為3 dB且誤碼率為10-2時，改進(jìn)系統(tǒng)較傳統(tǒng)ACO-OFDM及DCO-OFDM系統(tǒng)存在約2.7 dB及5.4 dB的性能增益。對于傳統(tǒng)DCO-OFDM系統(tǒng)，隨著直流偏置信號的增加，其誤碼率將逐漸減小，這是因?yàn)橹绷髌眯盘栯妷哼^小時，在非對稱限幅削波過程中將會產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性失真，從而導(dǎo)致性能惡化。另一方面，當(dāng)直流偏置信號幅值過大時，相同信噪比時將會造成噪聲功率的急劇增加，此時有效信號等效信噪比將下降，進(jìn)一步導(dǎo)致誤碼率增加。

圖2　不同直流偏置電壓下的性能對比圖

由于改進(jìn)O-OFDM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)符號劃分為兩路PAM調(diào)制進(jìn)行疊加，因此可以通過改變DCO-OFDM及PAM-DMT鏈路的調(diào)制階數(shù)得到比傳統(tǒng)OFDM系統(tǒng)更為靈活的數(shù)據(jù)傳輸速率。直流偏置為5 dB時不同調(diào)制方式組合的性能仿真如圖3所示。隨著等效頻譜效率的增加，將會導(dǎo)致相鄰數(shù)據(jù)符號之間的歐氏距離變短，從而使得誤碼率上升。對于頻譜效率相同時的性能曲線可以看出，隨著DCO-OFDM鏈路調(diào)制階數(shù)的降低，誤碼率逐漸下降，表明系統(tǒng)傳輸可靠性得到了改善。這是因?yàn)楫?dāng)DCO-OFDM鏈路調(diào)制階數(shù)較高時，IFFT變換得到的負(fù)信號幅值也越大，容易導(dǎo)致信號在限幅過程中產(chǎn)生非線性失真，從而影響系統(tǒng)誤碼率。

圖3　不同調(diào)制方式組合下的性能對比圖

5小結(jié)

傳統(tǒng)O-OFDM系統(tǒng)中ACO-OFDM及PAM-DMT技術(shù)均存在頻譜效率較低的不足，而DCO-OFDM技術(shù)雖然能取得較好的頻譜效率，但需要疊加較高功率的直流偏置信號，尤其當(dāng)QAM調(diào)制階數(shù)較大時，否則將會帶來嚴(yán)重的非線性失真。針對上述傳輸技術(shù)存在的問題，提出了一種DCO-OFDM及PAM-DMT混合傳輸?shù)脑O(shè)計方案。該算法兩條鏈路均采用PAM調(diào)制，由于只有DCO-OFDM鏈路需要疊加直流偏置信號，因此較DCO-OFDM系統(tǒng)可以在不損失頻譜效率的前提下降低直流偏置功率，以提高系統(tǒng)能源利用效率。另一方面，還可以通過對兩路數(shù)據(jù)的調(diào)制方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到更為靈活的傳輸速率配置，且有著更為優(yōu)越的誤碼率性能。

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ResearchonperformanceofhybridtransmissionsystembasedonDCO-OFDMandPAM-DMT

LIChao1,JINGYongjian2

(1. Inner Mongolia Xinyuan Information Technology Co.,Ltd.,Hohehot 010000,China;2. Inner Mongolia Agricultural University, Hohehot 010018,China)

Abstract:Aiming at the existing problems in the traditional asymmetrically clipped optical OFDM (ACO-OFDM) and direct current biased OFDM (DCO-OFDM) systems, a hybrid DCO-OFDM and pulse amplitude modulated discrete multitone (PAM-DMT)-based transmission scheme is proposed. A low complexity signal detection algorithm is also proposed at the receiver. This scheme not only can achieve more flexible data rate by adjusting the modulation order, but also has lower DC than DCO-OFDM technique with the same data rate. Finally, Monte Carlo simulations are provided to confirm the effectiveness of proposed scheme.Key words:visible light communication; ACO-OFDM; DCO-OFDM; Hermitian symmetry; bit error rate

中圖分類號：TN949.6 TN93

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.04.021 10.16280/j.videoe.2016.04.022

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61462070); 內(nèi)蒙科技計劃項(xiàng)目(20130364)

作者簡介：

李超(1984— )，工程師，研究方向?yàn)榭梢姽馔ㄐ偶坝嬎銠C(jī)網(wǎng)絡(luò)；

靜永健(1979— )，女，碩士，研究方向?yàn)橛嬎銠C(jī)網(wǎng)絡(luò)及移動通信。

責(zé)任編輯：閆雯雯

收稿日期：2015-10-09

文獻(xiàn)引用格式：李超，靜永健. 基于DCO-OFDM與PAM-DMT的混合傳輸系統(tǒng)性能研究[J].電視技術(shù)，2016，40(4)：101-104.

LIC，JINGYJ.ResearchonperformanceofhybridtransmissionsystembasedonDCO-OFDMandPAM-DMT[J].Videoengineering，2016，40(4)：101-104.