可见光通信中的OFDM技术的改进与仿真
鲍晶晶 董华锋
摘 要： 传统无需增加直流的可见光通信OFDM技术（PAM?DMT），对子载波的利用率较低，受噪声干扰大。提出融合PAM?DMT以及DCO?OFDM信号的PDO?OFDM调制解调方法并对其进行改进，在PAM?DMT系统中融入DCO?OFDM信号，充分利用子载波资源，提升通信速率。对PDO?OFDM中三项参数进行合理设置，提高系统解码性能。通过频域分集合并方法改进系统的接收端，依据傅里叶变换的线性特征，直接在频域中进行减法运算，获取纯净的PAM?DMT信号在子载波实部中的数值，采用PAM?DMT改进接收端完成解调，增强系统的解码性能。仿真结果表明，所提方法优化了可见光通信的误码率，显著提升了系统的调整性能。
关键词： 可见光通信； OFDM技术； 技术改进； 调制解调
中图分类号： TN929.1?34； TN91 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）16?0032?03
Abstract： The traditional visible light communication OFDM （orthogonal frequency division multiplexing） technology （PAM?DMT） which does not need to add DC has low utilization ratio of subcarriers and is greatly affected by noise interference. The PDO?OFDM modulation?demodulation method fusing PAM?DMT and DCO?OFDM signals is proposed and improved. The DCO?OFDM signal is fused into the PAM?DMT system to improve the communication rate by making full use of the subcarrier resources. The three parameters of PDO?OFDM are rationally set up to improve the decoding performance of the system. The receiving end of the system is improved with frequency diversity combining method. The subtraction operation is performed directly in the frequency domain according to the linear features of Fourier transform to obtain the numerical value of pure PAM?DMT signal in subcarrier real part. The PAM?DMT is used to modify the receiver for demodulation and enhance the decoding performance of the system. The simulation results show that the proposed method can improve the adjustment performance of the system obviously by optimizing the bit error rate of the visible communication.
Keywords： visible light communication； OFDM technology； technological improvement； modulation?demodulation
当前的可见光通信在医学、探测以及军事等领域具有重要的应用价值。可见光通信系统采用强度调制方案对信号频率进行调控，其要求传递的信号为实信号[1]。正交频分复用（OFDM）调制技术能够确保可见光通信中信号为实信号。传统无需增加直流的可见光通信OFDM技术（PAM?DMT）对子载波的利用率较低，受噪声干扰大，无法完成高速率可见光通信的调制。通过增加直流偏置的手段提升可见光通信系统中负值波形，确保信号为正的方法（DCO?OFDM），存在功率消耗高的缺陷[2]。设计改进可见光通信中的OFDM技术成为相关人员分析热点方向。
1 可见光通信中的OFDM技术的改进
1.1 PDO?OFDM系统发送端和接收端设计
PDO?OFDM系统是一种融合两种信号的可见光通信OFDM调制系统，其发送端和接收端结构如图1所示。其中传递的信号包括只调制子载波虚部的PAM?DMT信号[3]，以及只调制实部的DCO?OFDM信号。DCO?OFDM信号具有较低的裁剪噪声，对调制资源外信号的影响较小。因此，通过PAM?DMT接收机能够对融合DCO?OFDM信号的PAM?DMT信号进行有效调制。PAM?DMT信号对DCO?OFDM信号具有一定的干扰作用，需要从混合信号中解调出PAM?DMT路数据，对PAM?DMT信号实施重建，从接收信号中过滤掉重建信号，得到纯净的DCO?OFDM信号，并对该信号进行调制。
1.3 基于频域分集合并的PDO?OFDM接收端改进方法
通过频域分集合并法改进系统接收端，可增强系统性能，提高系统信噪比增益[6?7]。用频域分集合并法优化PDO?OFDM系统接收端，如图2所示。其先重建DCO?OFDM信号，该信号同接收信号相减获取单纯PAM?DMT信号，通过PAM?DMT改进PAM?DMT信号实施调制。
图2描述的改进方法需要对信号实施时域频域的重复变换，导致信号调制过程较为繁琐。为了提高系统调制效率，应依据傅里叶变换的线性特征[8]，直接在频域中进行减法运算，获取纯净的PAM?DMT信号在子载波实部中的数值。
2 仿真分析
本文采用仿真实验验证本文提出的PDO?OFDM接收端改进方法，进行信号调制过程中的误码率性能对比。本文方法对PDO?OFDM系统的接收端实施了优化，PAM?DMT信号在接收端的[12]系统损失都得到了补偿，因此采用第1.2节中的方法设置有效的参数，对系统参数中的两路信号功率分配也就是[apamadco]和直流偏置片值实施合理的调制。实验检测了本文方法和传统PAM?DMT系统采用的频域分解合并改进方法，在μ=4.2 dB和μ=6.8 dB条件下进行信号调制的误码率仿真结果，分别如图3、图4所示。
图3中PDO?OFDM以及PAM?DMT系统两路星座组合是8PAM+2PAM，星座点间距比例[apamadco]是1.04，1.54。由图3可知PDO?OFDM系统对接收端实施改进后性能提升。传统PAM?DMT系统优化了1.5 dB信噪比增益，改进PDO?OFDM系统优化了1 dB信噪比增益，呈现微小优势。
图4中PDO?OFDM和及PAM?DMT系统两路星座姐合均为16PAM+4PAM，星座点间距比例[apamadco]分别为1.3和1.6。可知PDO?OFDM系统对接收端实施改进后性能出现大幅度提升，增加了1.6 dB信噪比增益。從图4中可看出，采用改进接收端后，使得PAM?DMT系统性能达到DCO?OFDM系统性能，采用改进接收端POD?OFDM系统性能提升。
3 结 论
本文提出PDO?OFDM系统，其在PAM?DMT系统上融入DCO?OFDM信号，在合理的参数设置下，具有较佳的性能，并采用频域分集合并方法对系统的接收端进行改进，增强了系统的调制性能。
参考文献
[1] 徐宪莹，王旭东，吴楠.基于U?OFDM的室内可见光通信系统调光控制方法[J].半导体光电，2015，36（3）：455?460.
[2] 王旭东，徐宪莹，吴楠，等.室内可见光OFDM通信系统调光控制技术[J].光子学报，2015，44（11）：7?13.
[3] 杨欣华，刘洋，康文炜，等.基于OFDM可见光通信系统发送器研究[J].吉林大学学报（信息科学版），2015，33（3）：267?273.
[4] 亢烨，柯熙政.可见光通信中的多维编码[J].中国激光，2015，42（2）：130?136.
[5] 张俊，张剑.降低可见光通信OFDM系统峰均比的非线性压扩变换研究[J].信息工程大学学报，2016，17（1）：1?5.
[6] 郭心悦，李鑫.基于OFDM调制的可见光通信系统的导频设计[J].半导体光电，2016，37（3）：396?400.
[7] 张明轩，张在琛.改进DCO?OFDM系统中的接收端检测算法[J].东南大学学报（自然科学版），2016，46（5）：912?916.
[8] 王旭东，冯海燕，吴楠，等.并行翻转?正交频分复用调光控制室内可见光通信系统[J].光学精密工程，2015，23（10z）：85?91.
[9] 陈思源，王智鑫，赵嘉琦，等.基于自适应比特加载OFDM的白光LED音频通信系统研究[J].照明工程学报，2016，27（2）：59?63.
[10] 陆云峰，李会银，周扬.测井电缆高速遥测OFDM技术同步策略[J].测井技术，2015，39（3）：330?334.
摘 要： 传统无需增加直流的可见光通信OFDM技术（PAM?DMT），对子载波的利用率较低，受噪声干扰大。提出融合PAM?DMT以及DCO?OFDM信号的PDO?OFDM调制解调方法并对其进行改进，在PAM?DMT系统中融入DCO?OFDM信号，充分利用子载波资源，提升通信速率。对PDO?OFDM中三项参数进行合理设置，提高系统解码性能。通过频域分集合并方法改进系统的接收端，依据傅里叶变换的线性特征，直接在频域中进行减法运算，获取纯净的PAM?DMT信号在子载波实部中的数值，采用PAM?DMT改进接收端完成解调，增强系统的解码性能。仿真结果表明，所提方法优化了可见光通信的误码率，显著提升了系统的调整性能。
关键词： 可见光通信； OFDM技术； 技术改进； 调制解调
中图分类号： TN929.1?34； TN91 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）16?0032?03
Abstract： The traditional visible light communication OFDM （orthogonal frequency division multiplexing） technology （PAM?DMT） which does not need to add DC has low utilization ratio of subcarriers and is greatly affected by noise interference. The PDO?OFDM modulation?demodulation method fusing PAM?DMT and DCO?OFDM signals is proposed and improved. The DCO?OFDM signal is fused into the PAM?DMT system to improve the communication rate by making full use of the subcarrier resources. The three parameters of PDO?OFDM are rationally set up to improve the decoding performance of the system. The receiving end of the system is improved with frequency diversity combining method. The subtraction operation is performed directly in the frequency domain according to the linear features of Fourier transform to obtain the numerical value of pure PAM?DMT signal in subcarrier real part. The PAM?DMT is used to modify the receiver for demodulation and enhance the decoding performance of the system. The simulation results show that the proposed method can improve the adjustment performance of the system obviously by optimizing the bit error rate of the visible communication.
Keywords： visible light communication； OFDM technology； technological improvement； modulation?demodulation
当前的可见光通信在医学、探测以及军事等领域具有重要的应用价值。可见光通信系统采用强度调制方案对信号频率进行调控，其要求传递的信号为实信号[1]。正交频分复用（OFDM）调制技术能够确保可见光通信中信号为实信号。传统无需增加直流的可见光通信OFDM技术（PAM?DMT）对子载波的利用率较低，受噪声干扰大，无法完成高速率可见光通信的调制。通过增加直流偏置的手段提升可见光通信系统中负值波形，确保信号为正的方法（DCO?OFDM），存在功率消耗高的缺陷[2]。设计改进可见光通信中的OFDM技术成为相关人员分析热点方向。
1 可见光通信中的OFDM技术的改进
1.1 PDO?OFDM系统发送端和接收端设计
PDO?OFDM系统是一种融合两种信号的可见光通信OFDM调制系统，其发送端和接收端结构如图1所示。其中传递的信号包括只调制子载波虚部的PAM?DMT信号[3]，以及只调制实部的DCO?OFDM信号。DCO?OFDM信号具有较低的裁剪噪声，对调制资源外信号的影响较小。因此，通过PAM?DMT接收机能够对融合DCO?OFDM信号的PAM?DMT信号进行有效调制。PAM?DMT信号对DCO?OFDM信号具有一定的干扰作用，需要从混合信号中解调出PAM?DMT路数据，对PAM?DMT信号实施重建，从接收信号中过滤掉重建信号，得到纯净的DCO?OFDM信号，并对该信号进行调制。
1.3 基于频域分集合并的PDO?OFDM接收端改进方法
通过频域分集合并法改进系统接收端，可增强系统性能，提高系统信噪比增益[6?7]。用频域分集合并法优化PDO?OFDM系统接收端，如图2所示。其先重建DCO?OFDM信号，该信号同接收信号相减获取单纯PAM?DMT信号，通过PAM?DMT改进PAM?DMT信号实施调制。
图2描述的改进方法需要对信号实施时域频域的重复变换，导致信号调制过程较为繁琐。为了提高系统调制效率，应依据傅里叶变换的线性特征[8]，直接在频域中进行减法运算，获取纯净的PAM?DMT信号在子载波实部中的数值。
2 仿真分析
本文采用仿真实验验证本文提出的PDO?OFDM接收端改进方法，进行信号调制过程中的误码率性能对比。本文方法对PDO?OFDM系统的接收端实施了优化，PAM?DMT信号在接收端的[12]系统损失都得到了补偿，因此采用第1.2节中的方法设置有效的参数，对系统参数中的两路信号功率分配也就是[apamadco]和直流偏置片值实施合理的调制。实验检测了本文方法和传统PAM?DMT系统采用的频域分解合并改进方法，在μ=4.2 dB和μ=6.8 dB条件下进行信号调制的误码率仿真结果，分别如图3、图4所示。
图3中PDO?OFDM以及PAM?DMT系统两路星座组合是8PAM+2PAM，星座点间距比例[apamadco]是1.04，1.54。由图3可知PDO?OFDM系统对接收端实施改进后性能提升。传统PAM?DMT系统优化了1.5 dB信噪比增益，改进PDO?OFDM系统优化了1 dB信噪比增益，呈现微小优势。
图4中PDO?OFDM和及PAM?DMT系统两路星座姐合均为16PAM+4PAM，星座点间距比例[apamadco]分别为1.3和1.6。可知PDO?OFDM系统对接收端实施改进后性能出现大幅度提升，增加了1.6 dB信噪比增益。從图4中可看出，采用改进接收端后，使得PAM?DMT系统性能达到DCO?OFDM系统性能，采用改进接收端POD?OFDM系统性能提升。
3 结 论
本文提出PDO?OFDM系统，其在PAM?DMT系统上融入DCO?OFDM信号，在合理的参数设置下，具有较佳的性能，并采用频域分集合并方法对系统的接收端进行改进，增强了系统的调制性能。
参考文献
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[10] 陆云峰，李会银，周扬.测井电缆高速遥测OFDM技术同步策略[J].测井技术，2015，39（3）：330?334.
