基于DCO-OFDM與PAM-DMT的混合傳輸系統性能研究

李　超，靜永健

(1. 內蒙古信源信息技術有限公司， 內蒙古 呼和浩特 010000；2. 內蒙古農業大學， 內蒙古 呼和浩特 010018)

基于DCO-OFDM與PAM-DMT的混合傳輸系統性能研究

李超1，靜永健2

(1. 內蒙古信源信息技術有限公司， 內蒙古 呼和浩特 010000；2. 內蒙古農業大學， 內蒙古 呼和浩特 010018)

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

關鍵詞:可見光通信；非對稱限幅光正交頻分復用；直流偏置光正交頻分復用；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務的迅猛發展，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等特點而受到業界的廣泛關注。在現有的通信調制方式中，正交頻分復用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM)技術由于抗多徑衰落能力強、頻域均衡結構簡單、資源分配靈活性高等優點而被眾多國際通信標準采納為基礎接入技術[1-3]。因此，可以將OFDM技術應用在可見光通信系統中。

光OFDM技術根據數據符號調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)及脈沖幅度調制-離散多音頻調制(PAM-DMT)等技術。光OFDM傳輸系統中的光電轉換模塊采用強度調制，時域信號須為非負實數，因此頻域數據符號需要滿足厄米特共軛對稱結構[4-5]。由于采用ACO-OFDM系統中，QAM調制數據符號只在奇數子載波上進行傳輸，單個OFDM符號承載的數據符號數目為N/4(N為子載波數目)[6]；DCO-OFDM系統采用奇偶子載波同時進行QAM調制符號傳輸，傳輸速率較ACO-OFDM提高了近1倍，但為了使得非負時域信號不產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系統存在的問題，PAM-DMT技術應運而生，其調制方式采用PAM且為純虛數，此時無需直流偏置便可進行非對稱削波，但傳輸速率較低[8]。

針對上述系統存在的不足，提出了一種新的光OFDM傳輸方案，即將數據符號的實部和虛部分別進行PAM調制，實部數據則進行DCO-OFDM調制，而虛部數據則進行PAM-DMT調制，最后將這兩路得到的非負時域信號疊加輸入到光調制器中進行無線傳輸。與ACO-OFDM系統相比，由于在奇數及偶數子載波上同時傳輸數據，因此得到的傳輸速率是ACO-OFDM的2倍[9]；與DCO-OFDM系統相比，由于數據分割為實部和虛部兩部分，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系統相比，由于實部虛部同時進行調制，因此得到的傳輸速率也要高出1倍。

1傳統O-OFDM系統模型

(1)

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

DCO-OFDM系統與ACO-OFDM系統不同，QAM調制數據符號同時在奇數子載波及偶數子載波上進行數據傳輸，因此，傳輸速率也相應地提升1倍。此時，IFFT變換得到的時域信號需進行直流偏置及非對稱削波限幅才能得到非負信號，并輸入到光調制器進行無線傳輸。由于直流偏置信號的加入，將會導致信號平均功率的增加。當調制階數較大時，為了使得時域信號在削波過程中不產生非線性失真，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系統不同的是，PAM-DMT系統中采用PAM調制方式，且數據符號為純虛數，即ak=0，bk為PAM調制得到的實數，其對應的時域信號xpam,n可寫為

(2)

可知，上述時域信號同樣滿足嚴格的反對稱關系，因此可以通過非對稱限幅削波直接得到非負信號。

2DCO-OFDM及PAM-DMT混合模型

針對傳統O-OFDM系統存在的不足，提出了一種基于DCO-OFDM及PAM-DMT的混合傳輸系統。充分利用DCO-OFDM和PAM-DMT系統的優勢，將數據符號的實部和虛部進行單獨調制，虛部數據變換到時域之后進行非對稱削波限幅，而實部數據則需要先進行直流偏置再進行限幅，最后將這兩路數據疊加即可，原理如圖1所示。

圖1　DCO-OFDM與PAM-DMT混合系統原理圖

對于實部數據即DCO-OFDM鏈路，第k個子載波上的頻域PAM調制數據符號為Xdco,k=ak，經過厄米特共軛對稱后，其對應的時域信號為

(3)

此時時域信號為單極性實信號，設直流偏置信號為Bdc，則經過直流偏置及非對稱限幅削波后的信號變為

(4)

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

對于虛部數據即PAM-DMT鏈路，第k個子載波上的頻域PAM調制數據符號為Xdco,k=jbk，其對應的時域信號為

(5)

由上式可知，存在

(6)

此時時域信號呈現反對稱特性，正信號和負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，經過光檢測器及模數轉換得到的基帶信號，首先進行去除循環前綴操作，然后進行FFT變換得到頻域數據信號。由于DCO-OFDM數據并不會影響頻域數據符號的虛部，因此，可以先對PAM-DMT數據符號進行檢測，即有

(7)

式中：Rk為頻域接收信號；CPAM為PAM調制的星座點集合；Im(·)表示取數據符號的虛部。

在PAM-DMT數據符號被檢測之后，可根據發射端調制規則，對該鏈路上的非負時域信號進行重構，再通過FFT變換得到對應的頻域信號Ipam,n，并將其作為干擾進行消除，最后對DCO-OFDM鏈路中的PAM數據進行檢測和解調。

(8)

式中：Re(·)表示取數據符號的實部。

綜上所述，改進的O-OFDM系統將數據符號的實部和虛部分別進行PAM調制，一路數據進行DCO-OFDM調制，另一路則進行PAM-DMT調制，最后將這兩路時域信號相互疊加輸入到光調制模塊進行無線傳輸。在接收端，則首先對PAM-DMT鏈路數據符號進行檢測解調，然后將該路數據作為干擾去除，最后再對DCO-OFDM鏈路數據進行檢測和解調。

4仿真結果與分析

仿真試驗中，傳統ACO-OFDM及DCO-OFDM系統均采用M-QAM調制方式，而O-OFDM改進系統及PAM-DMT系統則使用PAM調制。子載波數目為256，蒙特卡洛仿真次數為1 000。

圖2為了保證各系統進行公平的性能比較，所有系統的總傳輸速率保持相等。傳統ACO-OFDM及DCO-OFDM系統采用的調制方式分別為256QAM及16PAM。改進O-OFDM系統的DCO-OFDM及PAM-DMT調制方式分別為2PAM及8PAM。當直流偏置信號為3 dB且誤碼率為10-2時，改進系統較傳統ACO-OFDM及DCO-OFDM系統存在約2.7 dB及5.4 dB的性能增益。對于傳統DCO-OFDM系統，隨著直流偏置信號的增加，其誤碼率將逐漸減小，這是因為直流偏置信號電壓過小時，在非對稱限幅削波過程中將會產生嚴重的非線性失真，從而導致性能惡化。另一方面，當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，進一步導致誤碼率增加。

圖2　不同直流偏置電壓下的性能對比圖

由于改進O-OFDM系統的數據符號劃分為兩路PAM調制進行疊加，因此可以通過改變DCO-OFDM及PAM-DMT鏈路的調制階數得到比傳統OFDM系統更為靈活的數據傳輸速率。直流偏置為5 dB時不同調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，將會導致相鄰數據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鏈路調制階數的降低，誤碼率逐漸下降，表明系統傳輸可靠性得到了改善。這是因為當DCO-OFDM鏈路調制階數較高時，IFFT變換得到的負信號幅值也越大，容易導致信號在限幅過程中產生非線性失真，從而影響系統誤碼率。

圖3　不同調制方式組合下的性能對比圖

5小結

傳統O-OFDM系統中ACO-OFDM及PAM-DMT技術均存在頻譜效率較低的不足，而DCO-OFDM技術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QAM調制階數較大時，否則將會帶來嚴重的非線性失真。針對上述傳輸技術存在的問題，提出了一種DCO-OFDM及PAM-DMT混合傳輸的設計方案。該算法兩條鏈路均采用PAM調制，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，以提高系統能源利用效率。另一方面，還可以通過對兩路數據的調制方式進行調節，達到更為靈活的傳輸速率配置，且有著更為優越的誤碼率性能。

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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

文獻標志碼:A A

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

基金項目：國家自然科學基金項目(61462070); 內蒙科技計劃項目(20130364)

作者簡介：

李超(1984— )，工程師，研究方向為可見光通信及計算機網絡；

靜永健(1979— )，女，碩士，研究方向為計算機網絡及移動通信。

責任編輯：閆雯雯

收稿日期：2015-10-09

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

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