基于DCO-OFDM与PAM-DMT的混合传输系统性能研究

李　超，静永健

(1. 内蒙古信源信息技术有限公司， 内蒙古 呼和浩特 010000；2. 内蒙古农业大学， 内蒙古 呼和浩特 010018)

基于DCO-OFDM与PAM-DMT的混合传输系统性能研究

李超1，静永健2

(1. 内蒙古信源信息技术有限公司， 内蒙古 呼和浩特 010000；2. 内蒙古农业大学， 内蒙古 呼和浩特 010018)

摘要:针对可见光通信(Visible Light Communication，VLC)系统中传统非对称限幅光正交频分复用(ACO-OFDM)及直流偏置光正交频分复用(DCO-OFDM)系统存在的不足，提出了一种基于DCO-OFDM与脉冲幅度调制-离散多音频调制(PAM-DMT)混合技术传输方案，并给出了一种接收端低复杂度信号检测算法。该混合传输系统不仅可以通过改变调制方式以得到更为灵活的数据传输速率，还可以在相同数据速率下叠加较小的直流信号。最后通过蒙特卡洛仿真验证了所提设计的有效性。

关键词:可见光通信；非对称限幅光正交频分复用；直流偏置光正交频分复用；厄米特对称；误码率

随着超宽带多媒体及高速短距离通信业务的迅猛发展，可见光通信(VisibleLghtCommunication，VLC)因其信道容量大、安全保密性高及抗电磁干扰能力强等特点而受到业界的广泛关注。在现有的通信调制方式中，正交频分复用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM)技术由于抗多径衰落能力强、频域均衡结构简单、资源分配灵活性高等优点而被众多国际通信标准采纳为基础接入技术[1-3]。因此，可以将OFDM技术应用在可见光通信系统中。

光OFDM技术根据数据符号调制方式及子载波映射方式的不同，主要有非对称限幅光OFDM(AsymmetricallyClippedOpticalOFDM，ACO-OFDM)、直流偏置光OFDM(DirectCurrent-biasedOpticalOFDM，DCO-OFDM)及脉冲幅度调制-离散多音频调制(PAM-DMT)等技术。光OFDM传输系统中的光电转换模块采用强度调制，时域信号须为非负实数，因此频域数据符号需要满足厄米特共轭对称结构[4-5]。由于采用ACO-OFDM系统中，QAM调制数据符号只在奇数子载波上进行传输，单个OFDM符号承载的数据符号数目为N/4(N为子载波数目)[6]；DCO-OFDM系统采用奇偶子载波同时进行QAM调制符号传输，传输速率较ACO-OFDM提高了近1倍，但为了使得非负时域信号不产生失真需叠加较大功率的直流偏置信号，此时能源利用率将降低[7]；针对DCO-OFDM系统存在的问题，PAM-DMT技术应运而生，其调制方式采用PAM且为纯虚数，此时无需直流偏置便可进行非对称削波，但传输速率较低[8]。

针对上述系统存在的不足，提出了一种新的光OFDM传输方案，即将数据符号的实部和虚部分别进行PAM调制，实部数据则进行DCO-OFDM调制，而虚部数据则进行PAM-DMT调制，最后将这两路得到的非负时域信号叠加输入到光调制器中进行无线传输。与ACO-OFDM系统相比，由于在奇数及偶数子载波上同时传输数据，因此得到的传输速率是ACO-OFDM的2倍[9]；与DCO-OFDM系统相比，由于数据分割为实部和虚部两部分，因此在相同的传输速率下，提出方案的直流偏置信号幅值要小于DCO-OFDM；与PAM-DMT系统相比，由于实部虚部同时进行调制，因此得到的传输速率也要高出1倍。

1传统O-OFDM系统模型

(1)

可以看出，时域信号xaco,n为单极性纯实数且满足严格反对称特性，因此，时域信号在进行非对称限幅削波后将不会带来任何信息量的损失。

DCO-OFDM系统与ACO-OFDM系统不同，QAM调制数据符号同时在奇数子载波及偶数子载波上进行数据传输，因此，传输速率也相应地提升1倍。此时，IFFT变换得到的时域信号需进行直流偏置及非对称削波限幅才能得到非负信号，并输入到光调制器进行无线传输。由于直流偏置信号的加入，将会导致信号平均功率的增加。当调制阶数较大时，为了使得时域信号在削波过程中不产生非线性失真，通常要求直流信号拥有较大的幅值，一定程度上将会降低能源利用效率。

与DCO-OFDM系统不同的是，PAM-DMT系统中采用PAM调制方式，且数据符号为纯虚数，即ak=0，bk为PAM调制得到的实数，其对应的时域信号xpam,n可写为

(2)

可知，上述时域信号同样满足严格的反对称关系，因此可以通过非对称限幅削波直接得到非负信号。

2DCO-OFDM及PAM-DMT混合模型

针对传统O-OFDM系统存在的不足，提出了一种基于DCO-OFDM及PAM-DMT的混合传输系统。充分利用DCO-OFDM和PAM-DMT系统的优势，将数据符号的实部和虚部进行单独调制，虚部数据变换到时域之后进行非对称削波限幅，而实部数据则需要先进行直流偏置再进行限幅，最后将这两路数据叠加即可，原理如图1所示。

图1　DCO-OFDM与PAM-DMT混合系统原理图

对于实部数据即DCO-OFDM链路，第k个子载波上的频域PAM调制数据符号为Xdco,k=ak，经过厄米特共轭对称后，其对应的时域信号为

(3)

此时时域信号为单极性实信号，设直流偏置信号为Bdc，则经过直流偏置及非对称限幅削波后的信号变为

(4)

当直流偏置信号较小时，将会导致部分采样点在削波过程中产生非线性失真，从而影响传输可靠性；而当直流偏置信号较大时，则会导致时域信号平均功率增大，从而影响能源利用率。

对于虚部数据即PAM-DMT链路，第k个子载波上的频域PAM调制数据符号为Xdco,k=jbk，其对应的时域信号为

(5)

由上式可知，存在

(6)

此时时域信号呈现反对称特性，正信号和负信号携带的信息量相同，因此可以直接通过非对称限幅将负信号削波为零而不会带来任何信息量的损失。

3信号检测算法

在接收端，经过光检测器及模数转换得到的基带信号，首先进行去除循环前缀操作，然后进行FFT变换得到频域数据信号。由于DCO-OFDM数据并不会影响频域数据符号的虚部，因此，可以先对PAM-DMT数据符号进行检测，即有

(7)

式中：Rk为频域接收信号；CPAM为PAM调制的星座点集合；Im(·)表示取数据符号的虚部。

在PAM-DMT数据符号被检测之后，可根据发射端调制规则，对该链路上的非负时域信号进行重构，再通过FFT变换得到对应的频域信号Ipam,n，并将其作为干扰进行消除，最后对DCO-OFDM链路中的PAM数据进行检测和解调。

(8)

式中：Re(·)表示取数据符号的实部。

综上所述，改进的O-OFDM系统将数据符号的实部和虚部分别进行PAM调制，一路数据进行DCO-OFDM调制，另一路则进行PAM-DMT调制，最后将这两路时域信号相互叠加输入到光调制模块进行无线传输。在接收端，则首先对PAM-DMT链路数据符号进行检测解调，然后将该路数据作为干扰去除，最后再对DCO-OFDM链路数据进行检测和解调。

4仿真结果与分析

仿真试验中，传统ACO-OFDM及DCO-OFDM系统均采用M-QAM调制方式，而O-OFDM改进系统及PAM-DMT系统则使用PAM调制。子载波数目为256，蒙特卡洛仿真次数为1 000。

图2为了保证各系统进行公平的性能比较，所有系统的总传输速率保持相等。传统ACO-OFDM及DCO-OFDM系统采用的调制方式分别为256QAM及16PAM。改进O-OFDM系统的DCO-OFDM及PAM-DMT调制方式分别为2PAM及8PAM。当直流偏置信号为3 dB且误码率为10-2时，改进系统较传统ACO-OFDM及DCO-OFDM系统存在约2.7 dB及5.4 dB的性能增益。对于传统DCO-OFDM系统，随着直流偏置信号的增加，其误码率将逐渐减小，这是因为直流偏置信号电压过小时，在非对称限幅削波过程中将会产生严重的非线性失真，从而导致性能恶化。另一方面，当直流偏置信号幅值过大时，相同信噪比时将会造成噪声功率的急剧增加，此时有效信号等效信噪比将下降，进一步导致误码率增加。

图2　不同直流偏置电压下的性能对比图

由于改进O-OFDM系统的数据符号划分为两路PAM调制进行叠加，因此可以通过改变DCO-OFDM及PAM-DMT链路的调制阶数得到比传统OFDM系统更为灵活的数据传输速率。直流偏置为5 dB时不同调制方式组合的性能仿真如图3所示。随着等效频谱效率的增加，将会导致相邻数据符号之间的欧氏距离变短，从而使得误码率上升。对于频谱效率相同时的性能曲线可以看出，随着DCO-OFDM链路调制阶数的降低，误码率逐渐下降，表明系统传输可靠性得到了改善。这是因为当DCO-OFDM链路调制阶数较高时，IFFT变换得到的负信号幅值也越大，容易导致信号在限幅过程中产生非线性失真，从而影响系统误码率。

图3　不同调制方式组合下的性能对比图

5小结

传统O-OFDM系统中ACO-OFDM及PAM-DMT技术均存在频谱效率较低的不足，而DCO-OFDM技术虽然能取得较好的频谱效率，但需要叠加较高功率的直流偏置信号，尤其当QAM调制阶数较大时，否则将会带来严重的非线性失真。针对上述传输技术存在的问题，提出了一种DCO-OFDM及PAM-DMT混合传输的设计方案。该算法两条链路均采用PAM调制，由于只有DCO-OFDM链路需要叠加直流偏置信号，因此较DCO-OFDM系统可以在不损失频谱效率的前提下降低直流偏置功率，以提高系统能源利用效率。另一方面，还可以通过对两路数据的调制方式进行调节，达到更为灵活的传输速率配置，且有着更为优越的误码率性能。

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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

中图分类号：TN949.6 TN93

文献标志码:A A

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

基金项目：国家自然科学基金项目(61462070); 内蒙科技计划项目(20130364)

作者简介：

李超(1984— )，工程师，研究方向为可见光通信及计算机网络；

静永健(1979— )，女，硕士，研究方向为计算机网络及移动通信。

责任编辑：闫雯雯

收稿日期：2015-10-09

文献引用格式：李超，静永健. 基于DCO-OFDM与PAM-DMT的混合传输系统性能研究[J].电视技术，2016，40(4)：101-104.

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