基于PWM 調制的ACO-OFDM 混合技術的研究*

張 娜 任青青 劉 皎

（商洛學院電子信息與電氣工程學院 商洛 726000）

1 引言

隨著LED 與無線光通信的結合，基于LED 的可見光通信（Visible Light Communication，VLC）關注度較高，VLC是利用LED燈光線的強弱變化實現照明和傳遞信息［1～2］。VLC 與傳統無線通信相比較，具有頻譜資源豐富、安全、綠色節能等特性，是未來移動通信無線網絡的一大發展趨勢，可推廣應用于智能交通、智能家居、無線接入等場景［3～6］。

OFDM 技術由于子信道具有正交特性，能有效克服多徑干擾、消除碼間串擾，能充分利用頻譜資源［7～8］。而 VLC 系統要求傳輸的信號必須為“正、實”信號，將OFDM 復數信號轉換為正實數信號的常用方法為直流偏置光正交頻分復用調制（DCO-OFDM）和非對稱剪切光正交頻分復用調制（ACO-OFDM）［9］。DCO-OFDM 系統采用奇偶子載波同時傳輸符號，但其IFFT 輸出為雙極性的實數信號，驅動LED 需要將其負數波形被拉高為正實數，因此要選擇一個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；對于ACO-OFDM 系統只采用奇數子載波傳輸符號，進行IFFT 變換后的信號為正實數，只需一個小的直流偏置信號，保證系統的照明需求即可［10］，其光功率效率優于DCO-OFDM 系統，解決了高PAPR 問題，但其頻譜利用率、傳輸速率僅為DCO-OFDM 系統的二分之一。但當ACO-OFDM系統轉換一個振幅很小的信號時，需要更大的通信帶寬，對于目前的LED 顯然是不能實現的。基于此，為了與ACO-OFDM 系統具有相同的頻譜效率，使VLC 系統具有更小的PAPR、更低的誤碼率（BER）、更高的亮度等級，提出將ACO-OFDM 信號進行IFFT 變換得到時域復數信號，取其前半幀信號再線性的把O-OFDM 信號轉換成PWM 信號，再對每一個PWM信號進行一個采樣周期的時域擴展即OFDM-PWM調制信號。

2 ACO-OFDM系統

隨著半導體照明技術的快速發展，基于LED的VLC（Visible Light Communication，可見光通信）技術被越來越多的人所關注。傳統的OFDM 信號是雙極性的復數信號，VLC 系統傳送的光信號必為正實數信號，因此要對OFDM 調制方式進行改進［11～13］。在 IM/DD 調制中，使 OFDM 信號變成正實數信號的方法為直流偏置光正交頻分復用調制（DCO-OFDM）和非對稱剪切正交頻分復用調制（ACO-OFDM）。對于DCO-OFDM 系統，其進行IFFT 變換后為雙極性的實數，要一個大的直流偏置信號，使負數波形被拉高為正實數，來驅動LED；而對于ACO-OFDM 系統，進行IFFT 變換后的信號為正實數，只需一個小的直流偏置信號，保證系統的照明。

對于目前存在的高PAPR，保障VLC 系統高速穩定運行要求采用高階調制、高線性度的LED。而LED 的啟動發光電壓為2.2V，僅在2.5V～2.9V 區間內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，其原理圖如圖1所示。

圖1 ACO-OFDM系統原理框圖

圖1 為VLC 系統ACO-OFDM 的調制解調過程。在發送端，先對二進制數據進行QAM 映射再進行補零和對稱操作得到復數對，再通過N點的逆傅里葉變換（IFFT）變為時域信號，然后經過并串轉換后加上循環前綴，經D/A、LPF 和直流偏置后，最終驅動LED。在接收端，先由PD 將光信號轉換成電信號，A/D 將模擬信號轉換成數字信號，最后經過與調制相反的處理得到解調后的信號。

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)經過IFFT 變換后的時域序列x(n)表示為式（2），其特性如式（3）：

由式（3）知x(n)具有反對稱關系，其中的負值可以被去掉，x(n)就變為

3 基于PWM 調制的ACO-OFDM混合調制信號

目前，光ACO-OFDM 調制的VLC 系統存在著如下問題：1）當轉換一個振幅很小的信號時，需要更大的通信帶寬，引起高PAPR（Peak to Average Power Ratio，峰均功率比）問題，要求LED 有高的線性度，否則將嚴重衰退系統性能，降低系統的傳輸速率；2）不適合發光亮度的調節；3）長的循環前綴導致的傳輸吞吐量降低等問題。基于此，針對LOS鏈路下的光ACO-OFDM 可見光通信系統，提出將原信號轉化成脈寬可變的脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）信號。

將原信號經PPM 調制與PWM 調制后的信號進行振幅疊加，可實現信息的亮度調節與數據傳輸。圖2 為基于PWM 調制的光OFDM 信號原理圖。在發送端，輸入數據由二進制的PPM 數據流和PWM 的亮度控制信號合并組成，然后送入LED驅動模塊。在接收端，由PD 對接收信號信號檢測及恢復。這種融合了PPM 與PWM 調制的方法實現了通信和照明的控制。由于LED 發送的信號被調制在高電平和零電平兩個點上，從根本上解決OFDM系統的高PAPR的問題。

圖2 基于PWM調制的光OFDM信號原理圖

該系統發送信號的振幅表示為

其中，Aw為 PWM 調制的振幅，Ap為 PPM 調制的振幅。當不需要照明的時候，控制LED的亮度等級為其最小值，從而只有PPM信號被傳送。

基于PWM 調制的光OFDM 信號是利用占空比的不同來改變時域的脈沖寬度，來消除PAPR 的影響，其原理框圖如圖3所示。

圖3 OFDM-PWM調制的原理框圖

在發送端，輸入信號經串并轉換后再進行QAM 調制，經IFFT 變換后截取前半幀信號后再轉換成PWM 信號，最終由LED 燈發送。圖4 為選取的一組8點的時域ACO-OFDM信號。

圖4 原始的ACO-OFDM 信號的時域采樣點

在圖4 中，截取前半幀信號后由單極性的PWM 信號表示，如圖 5（a）所示的時域 PWM 信號。由于只需要原始ACO-OFDM 信號一半，因此頻譜利用率為ACO-OFDM 的二分之一。再對其進行一個采樣周期的擴展，稱為OFDM-PWM 混合調制信號，如圖5（b）所示。與ACO-OFDM 系統具有相同的信道容量、頻譜利用率、傳輸速率和帶寬。

圖5 信號時域采樣點

4 系統性能分析

4.1 PAPR性能

PAPR 是衡量 OFDM 系統性能的主要指標［16］。由于一個OFDM 信號是由多個子載波調制疊加而成，疊加后的信號就會有很高的峰值，其PAPR 就會很高，而較高的PAPR 對系統中的功率放大器、數模轉換器的要求也較高，其次受LED非線性的影響，會產生信號的非線性失真，而影響系統的性能［17］，因此，降低PAPR 能夠提升系統的性能。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 系統經過IFFT 變換后得到的輸出信號。其中互補累積分布函數（CCDF）用來表示PAPR 的分布特性，是一個評估PAPR 性能好壞的函數［18］。對 16-QAM 的 ACO-OFDM 信號和轉換后的OFDM-PWM 信號進行CCDF 計算，其仿真結果如圖6所示。

由圖6可以看出：ACO-OFDM信號仍具有較高的PAPR值，而OFDM-PWM信號的PAPR值很小。

4.2 頻帶利用率

頻帶利用率是衡量數據通信系統有效性的指標［19］。頻帶利用率的計算公式為

圖6 ACO-OFDM與OFDM-PWM信號PAPR的CCDF

式（7）中，N 為OFDM 系統子載波數目，Ncp為CP長度，M為M-QAM映射的階數。

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

在可見光通信中，PWM 技術主要被應用于亮度控制，由不同的脈沖寬度時間來控制LED發光信號的亮度等級［20］。脈寬τ(n)的計算公式為

式（9）中，xmax和xmin為一幀OFDM 符號中采樣點值的最大值和最小值，T 為采樣周期，先用其振幅求出相應的占空比，再乘以采樣周期便得到時域脈寬。圖 5（b）中 OFDM-PWM 對每一個 PWM 信號進行一個采樣周期的時域擴展，該信號的占空比比ACO-OFDM 信號的采樣周期要大，因此具有更高的亮度等級。

4.4 BER性能

在接收端由PD 檢測器進行光電轉換后，其接收信號表示為

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

分別對ACO-OFDM 系統與OFDM-PWM 進行16/64QAM 調制，其誤碼率仿真結果如圖7（a）、（b）所示。通過對比圖 7（a）、（b）可得：隨著SNR 的增加，ACO-OFDM 與 OFDM-PWM 系統的 BER 都在逐漸減小；隨著QAM調制階數的增加，ACO-OFDM與 OFDM-PWM 系統的 BER 都在增加；在 BER 為10-4時 ，對 于 16-QAM 調 制 ，OFDM-PWM 和ACO-OFDM 系統的SNR 需求分別為14dB和18dB，相同誤碼率下OFDM-PWM 比ACO-OFDM 系統節省 了 4dB；對 于 64-QAM 調 制 ，OFDM-PWM 和ACO-OFDM 系統的SNR 需求分別為15dB和24dB，相同誤碼率下OFDM-PWM 比ACO-OFDM 系統節省了 9dB；ACO-OFDM 系統采用 PWM-PPM 調制，在保證可靠通信的前提下，具有低低誤碼率，還得到一個更高的亮度等級。

圖7 誤碼率曲線圖

5 結語

為改善VLC 采用OFDM 調制產生高PAPR 問題，提出采用PWM 的ACO-OFDM 混合調制方案。在發送端，將ACO-OFDM 信號進行PWM 調制并進行一個采樣周期的時域擴展，得到OFDM-PWM 調制信號。與傳統ACO-OFDM 系統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、更低的誤碼率。在BER 為10-4時，采 用 16-QAM 調 制 OFDM-PWM 比 ACO-OFDM 系統節省了4dB，采用64-QAM 調制節省了9dB。因此，OFDM-PWM 調制方式能有效解決PAPR 高的問題，能有效抑制LED 有限的動態范圍的影響，使得VLC系統在高速傳輸過程中具有更高的穩定性，因此該混合調制方法具有可行性和實用性。