基于PWM 调制的ACO-OFDM 混合技术的研究*

张 娜 任青青 刘 皎

（商洛学院电子信息与电气工程学院 商洛 726000）

1 引言

随着LED 与无线光通信的结合，基于LED 的可见光通信（Visible Light Communication，VLC）关注度较高，VLC是利用LED灯光线的强弱变化实现照明和传递信息［1～2］。VLC 与传统无线通信相比较，具有频谱资源丰富、安全、绿色节能等特性，是未来移动通信无线网络的一大发展趋势，可推广应用于智能交通、智能家居、无线接入等场景［3～6］。

OFDM 技术由于子信道具有正交特性，能有效克服多径干扰、消除码间串扰，能充分利用频谱资源［7～8］。而 VLC 系统要求传输的信号必须为“正、实”信号，将OFDM 复数信号转换为正实数信号的常用方法为直流偏置光正交频分复用调制（DCO-OFDM）和非对称剪切光正交频分复用调制（ACO-OFDM）［9］。DCO-OFDM 系统采用奇偶子载波同时传输符号，但其IFFT 输出为双极性的实数信号，驱动LED 需要将其负数波形被拉高为正实数，因此要选择一个较高的直流偏置电流，而直流偏置不传输信息，所以DCO-OFDM 光功率效率不高；对于ACO-OFDM 系统只采用奇数子载波传输符号，进行IFFT 变换后的信号为正实数，只需一个小的直流偏置信号，保证系统的照明需求即可［10］，其光功率效率优于DCO-OFDM 系统，解决了高PAPR 问题，但其频谱利用率、传输速率仅为DCO-OFDM 系统的二分之一。但当ACO-OFDM系统转换一个振幅很小的信号时，需要更大的通信带宽，对于目前的LED 显然是不能实现的。基于此，为了与ACO-OFDM 系统具有相同的频谱效率，使VLC 系统具有更小的PAPR、更低的误码率（BER）、更高的亮度等级，提出将ACO-OFDM 信号进行IFFT 变换得到时域复数信号，取其前半帧信号再线性的把O-OFDM 信号转换成PWM 信号，再对每一个PWM信号进行一个采样周期的时域扩展即OFDM-PWM调制信号。

2 ACO-OFDM系统

随着半导体照明技术的快速发展，基于LED的VLC（Visible Light Communication，可见光通信）技术被越来越多的人所关注。传统的OFDM 信号是双极性的复数信号，VLC 系统传送的光信号必为正实数信号，因此要对OFDM 调制方式进行改进［11～13］。在 IM/DD 调制中，使 OFDM 信号变成正实数信号的方法为直流偏置光正交频分复用调制（DCO-OFDM）和非对称剪切正交频分复用调制（ACO-OFDM）。对于DCO-OFDM 系统，其进行IFFT 变换后为双极性的实数，要一个大的直流偏置信号，使负数波形被拉高为正实数，来驱动LED；而对于ACO-OFDM 系统，进行IFFT 变换后的信号为正实数，只需一个小的直流偏置信号，保证系统的照明。

对于目前存在的高PAPR，保障VLC 系统高速稳定运行要求采用高阶调制、高线性度的LED。而LED 的启动发光电压为2.2V，仅在2.5V～2.9V 区间内具有非常好的线性度［14～15］，ACO-OFDM 不需要DCO-OFDM 那么大的线性范围，因此采用ACO-OFDM系统，其原理图如图1所示。

图1 ACO-OFDM系统原理框图

图1 为VLC 系统ACO-OFDM 的调制解调过程。在发送端，先对二进制数据进行QAM 映射再进行补零和对称操作得到复数对，再通过N点的逆傅里叶变换（IFFT）变为时域信号，然后经过并串转换后加上循环前缀，经D/A、LPF 和直流偏置后，最终驱动LED。在接收端，先由PD 将光信号转换成电信号，A/D 将模拟信号转换成数字信号，最后经过与调制相反的处理得到解调后的信号。

在ACO-OFDM 中的频域序列，其序列表示式如下：

频域子载波序列X(K)经过IFFT 变换后的时域序列x(n)表示为式（2），其特性如式（3）：

由式（3）知x(n)具有反对称关系，其中的负值可以被去掉，x(n)就变为

3 基于PWM 调制的ACO-OFDM混合调制信号

目前，光ACO-OFDM 调制的VLC 系统存在着如下问题：1）当转换一个振幅很小的信号时，需要更大的通信带宽，引起高PAPR（Peak to Average Power Ratio，峰均功率比）问题，要求LED 有高的线性度，否则将严重衰退系统性能，降低系统的传输速率；2）不适合发光亮度的调节；3）长的循环前缀导致的传输吞吐量降低等问题。基于此，针对LOS链路下的光ACO-OFDM 可见光通信系统，提出将原信号转化成脉宽可变的脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）信号。

将原信号经PPM 调制与PWM 调制后的信号进行振幅叠加，可实现信息的亮度调节与数据传输。图2 为基于PWM 调制的光OFDM 信号原理图。在发送端，输入数据由二进制的PPM 数据流和PWM 的亮度控制信号合并组成，然后送入LED驱动模块。在接收端，由PD 对接收信号信号检测及恢复。这种融合了PPM 与PWM 调制的方法实现了通信和照明的控制。由于LED 发送的信号被调制在高电平和零电平两个点上，从根本上解决OFDM系统的高PAPR的问题。

图2 基于PWM调制的光OFDM信号原理图

该系统发送信号的振幅表示为

其中，Aw为 PWM 调制的振幅，Ap为 PPM 调制的振幅。当不需要照明的时候，控制LED的亮度等级为其最小值，从而只有PPM信号被传送。

基于PWM 调制的光OFDM 信号是利用占空比的不同来改变时域的脉冲宽度，来消除PAPR 的影响，其原理框图如图3所示。

图3 OFDM-PWM调制的原理框图

在发送端，输入信号经串并转换后再进行QAM 调制，经IFFT 变换后截取前半帧信号后再转换成PWM 信号，最终由LED 灯发送。图4 为选取的一组8点的时域ACO-OFDM信号。

图4 原始的ACO-OFDM 信号的时域采样点

在图4 中，截取前半帧信号后由单极性的PWM 信号表示，如图 5（a）所示的时域 PWM 信号。由于只需要原始ACO-OFDM 信号一半，因此频谱利用率为ACO-OFDM 的二分之一。再对其进行一个采样周期的扩展，称为OFDM-PWM 混合调制信号，如图5（b）所示。与ACO-OFDM 系统具有相同的信道容量、频谱利用率、传输速率和带宽。

图5 信号时域采样点

4 系统性能分析

4.1 PAPR性能

PAPR 是衡量 OFDM 系统性能的主要指标［16］。由于一个OFDM 信号是由多个子载波调制叠加而成，叠加后的信号就会有很高的峰值，其PAPR 就会很高，而较高的PAPR 对系统中的功率放大器、数模转换器的要求也较高，其次受LED非线性的影响，会产生信号的非线性失真，而影响系统的性能［17］，因此，降低PAPR 能够提升系统的性能。PAPR定义如式（6）所示：

式中，PAPR 的单位为分贝（dB），E[·]为求期望，x(n)为OFDM 系统经过IFFT 变换后得到的输出信号。其中互补累积分布函数（CCDF）用来表示PAPR 的分布特性，是一个评估PAPR 性能好坏的函数［18］。对 16-QAM 的 ACO-OFDM 信号和转换后的OFDM-PWM 信号进行CCDF 计算，其仿真结果如图6所示。

由图6可以看出：ACO-OFDM信号仍具有较高的PAPR值，而OFDM-PWM信号的PAPR值很小。

4.2 频带利用率

频带利用率是衡量数据通信系统有效性的指标［19］。频带利用率的计算公式为

图6 ACO-OFDM与OFDM-PWM信号PAPR的CCDF

式（7）中，N 为OFDM 系统子载波数目，Ncp为CP长度，M为M-QAM映射的阶数。

ACO-OFDM的带宽利用率为

式（8）中 ，与 RF 通 信 中 的 OFDM 相 比 ，ACO-OFDM 只有约为四分之一的带宽利用率。OFDM-PWM 承载信息的子载波是总载波数的四分之一，因此OFDM-PWM 与ACO-OFDM 的频带利用率相同。

4.3 亮度等级

在可见光通信中，PWM 技术主要被应用于亮度控制，由不同的脉冲宽度时间来控制LED发光信号的亮度等级［20］。脉宽τ(n)的计算公式为

式（9）中，xmax和xmin为一帧OFDM 符号中采样点值的最大值和最小值，T 为采样周期，先用其振幅求出相应的占空比，再乘以采样周期便得到时域脉宽。图 5（b）中 OFDM-PWM 对每一个 PWM 信号进行一个采样周期的时域扩展，该信号的占空比比ACO-OFDM 信号的采样周期要大，因此具有更高的亮度等级。

4.4 BER性能

在接收端由PD 检测器进行光电转换后，其接收信号表示为

式（10）中：η为光电转换效率，f[·] 为 ACOOFDM 到OFDM-PWM 的转换过程，r(t)是双极性的OFDM 信号，h(t)是信衰落矩阵，n(t)是高斯白噪声，⊗为卷积操作。

分别对ACO-OFDM 系统与OFDM-PWM 进行16/64QAM 调制，其误码率仿真结果如图7（a）、（b）所示。通过对比图 7（a）、（b）可得：随着SNR 的增加，ACO-OFDM 与 OFDM-PWM 系统的 BER 都在逐渐减小；随着QAM调制阶数的增加，ACO-OFDM与 OFDM-PWM 系统的 BER 都在增加；在 BER 为10-4时 ，对 于 16-QAM 调 制 ，OFDM-PWM 和ACO-OFDM 系统的SNR 需求分别为14dB和18dB，相同误码率下OFDM-PWM 比ACO-OFDM 系统节省 了 4dB；对 于 64-QAM 调 制 ，OFDM-PWM 和ACO-OFDM 系统的SNR 需求分别为15dB和24dB，相同误码率下OFDM-PWM 比ACO-OFDM 系统节省了 9dB；ACO-OFDM 系统采用 PWM-PPM 调制，在保证可靠通信的前提下，具有低低误码率，还得到一个更高的亮度等级。

图7 误码率曲线图

5 结语

为改善VLC 采用OFDM 调制产生高PAPR 问题，提出采用PWM 的ACO-OFDM 混合调制方案。在发送端，将ACO-OFDM 信号进行PWM 调制并进行一个采样周期的时域扩展，得到OFDM-PWM 调制信号。与传统ACO-OFDM 系统频谱利用率相等的情况下，OFDM-PWM 具有更低的PAPR 性能、更高的亮度等级、更低的误码率。在BER 为10-4时，采 用 16-QAM 调 制 OFDM-PWM 比 ACO-OFDM 系统节省了4dB，采用64-QAM 调制节省了9dB。因此，OFDM-PWM 调制方式能有效解决PAPR 高的问题，能有效抑制LED 有限的动态范围的影响，使得VLC系统在高速传输过程中具有更高的稳定性，因此该混合调制方法具有可行性和实用性。