可見光通信中的自適應OFDM調制的性能探究

王海玉 王國盛

【摘要】 可見光通信以制造成本低、無線頻譜寬而受到人們的關注。采用自適應OFDM技術能減少多路徑傳輸的時延和衰落，靈活配置調制模式，提高可見光通信的系統性能。

【關鍵字】 可見光通信 自適應 OFDM調制 系統性能

一、引言

光通信技術最早稱為自由空間光互聯，而光纖通信稱為光波導技術。現在，全光網絡正在研發過程中。可見光通信采用發光二極管LED而不是激光當作光源，采用強度調制/直接（IM/DD）檢驗技術，現在的調制帶寬在500M以上。LED頻譜與405THz的帶寬相同，而無線通信的頻譜則受到限制，屬于通信的低通響應。LED光載波信號與自然光不同，是調制的通信信號。射頻通信產生電磁波干擾，因此可見光通信是高速、廉價、沒有電磁波干擾的有前途的未來通信技術。然而，LED的輸入范圍有限，而且有非線性效應，可見光的信道傳遞是多徑特征。因此，2005 年，西班牙的研究人員Gonzalez等在可見光通信中，應用自適應OFDM 技術，減小存在碼間干擾導致的多徑衰落。OFDM技術頻譜效率高，把速率高的信號分解成多個低速率的并行子數據信號，在互為正交的子信道系統上傳遞。自適應技術是數據信號在不同子載波傳輸時，由于載波的頻率響應特性不同，可選擇特定的編碼實現調制。因此，可見光通信系統能適應子載波的變化，滿足用戶的不同通信需求，提高系統數據通信性能。

二、可見光通信的OFDM技術

可見光通信系統能進行參數配置，包括子載波數、子載波間隔，FFT大小等。應用自適應技術，根據信道狀況和用戶的數據通信需求，配置傳輸參數，有編碼和調制方式、映射方式、功率配置、帶寬分配方式等，提高系統容量和數據傳輸性能。自適應技術可用在信道容量的可變性和誤碼率較高的衰落載波的識別上。編碼方式可采用格雷碼。

在可見光通信系統的自適應OFDM調制解調過程中，首先是發送方高速編碼脈沖串并轉換，根據信道響應狀況，OFDM技術將并行的不同比特信號調制到正交子載波上構成一個符號，并且分配功率實現低速傳遞。然后，接收端對正交的子數據信號進行解調，采用信道估計方法校正，復原成原高速脈沖信號。子載波間的正交性導致頻譜復用，提高系統的數據傳輸率。LED光源在OFDM技術對信號幅度的變化調制為載波，實現強度調制。OFDM技術具有抗多徑干擾能力，原因是高速脈沖調制為多路低速信號，脈沖寬度展寬，能更清晰鑒別信號，提高了每路子載波對抗頻率選擇性衰落和多徑時延的能力。可見光的OFDM調制一般采用FFT和逆FFT技術，將數據變到時域上，顯著降低大量的浮點運算。因此在實際系統中，載波信號采用實數形式計算和傳輸。

OFDM的一個符號是多個子載波信號的合成，在符號間設置保護間隔，可防止符號間干擾和信號串擾。子載波調制方式有QPSK、16QAM和64QAM等，將數字脈沖轉換成子載波，可分別采用碼速1/2、3/4、2/3的卷積碼進行差錯控制。根據瞬時特性在每個符號周期，分配給子載波不同的信息比特和功率。將數字信號轉換成子載波的幅度和相位映射。映射方式是，在情況較差信號衰減較大的信道，分配的子載波應用低階映射方式；而條件較好衰減小的信道對應的子載波應用高階映射，能提高數據傳輸率。信道估計和檢測信息稱為導頻，在數據信號OFMD符號中間。

自適應OFDM可見光系統權衡數據傳輸效率和系統誤碼率BER，關鍵技術正在研發和試制階段。自適應技術用計算機軟件實現，有Hughes-Hartogs 、Chow 和Fischer-Huber 算法等。算法有三個提高方向，包括比特誤碼率、傳輸速率和發射功率，算法性能由搜索和排序次數，收斂速度決定。

三、自適應OFDM技術的性能

OFDM不同的調制模式對應不同的系統誤碼率，因此分析多載波OFDM技術和自適應技術的組合，能提高可見光通信系統的靈活性和性能。根據參考文獻1，自適應模式符號的數據量136b，比QPSK模式多40b，盡管比64QPSK調制模式少152b，但是64QPSK的誤碼率不符合應用系統要求。可見光通信的自適應OFDM系統的性能包括LED性能和門限電壓、直流偏置壓強、編碼方式、噪聲功率、抗噪聲性能、非線性影響所致信噪比。調制性能包括：調制方式、調制階數。為方式LED電壓超過門限值，因此要對OFDM信號進行限制幅度。噪聲包括熱噪聲和散彈噪聲，以及系統限幅噪聲。

總結：可見光通信是光通信的新技術，可采用點到點、廣播和星型拓撲結構。廣播方式的應用中，LED廣告牌作為主節點，而多個手機可作為從節點，是最常見的可見光通信方式。星型拓撲結構的中央節點能轉發信息，與廣播方式的主節點不同。OFDM技術組合自適應方法，能在子載波的實際傳輸狀況下，對信道選擇不同的調制方式，分配發送功率。因此，自適應算法的應用能提高可見光通信系統的綜合性能。在PC機之間采用可見光通信，能實現TCP/IP協議。可見光技術的實用應解決的問題有： LED的頻率響應、降低OFDM的高峰均功率比等。

參 考 文 獻

[1]黃繼鵬，李欣，欒泊等. OFDM系統中自適應調制結構設計與性能分析.國外電子測量技術.2010（11）：31～34.

[2]曾福來，劉洛琨，朱義君等.APSK 調制在基于自適應OFDM 的可見光通信系統中的應用研究.信息工程大學學報.2014（6）：293～298.