大連海事大學信息科學與技術(shù)學院 遼寧大連 116023

可見光通信是在LED基礎(chǔ)上快速發(fā)展起來的一項有競爭力的技術(shù)，可作為無線通信的補充[1]，具有頻譜資源豐富、不產(chǎn)生電磁輻射、可防止信息泄露、信道穩(wěn)定、價格低廉、信噪比高等優(yōu)點，可應(yīng)用于室內(nèi)通信、水下通信、室內(nèi)定位、航空通信等多種場合，具有廣闊的發(fā)展前景。

可見光通信系統(tǒng)具有收發(fā)結(jié)構(gòu)簡單的特點，適于將該題目經(jīng)過簡化設(shè)計引入到本科實驗教學中。教師通過深入研究可見光通信調(diào)制解調(diào)方式與傳統(tǒng)無線通信調(diào)制解調(diào)方式的區(qū)別與聯(lián)系，設(shè)計了適用于本科實驗教學的MatLab仿真實驗，使學生通過實踐了解科研領(lǐng)域新興技術(shù)，激發(fā)學生的學習興趣。

可見光通信和無線通信一樣具有多徑傳輸?shù)奶攸c，會產(chǎn)生多徑時延及碼間串擾，隨著環(huán)境復雜性的提高，采用開關(guān)鍵控(OOK)調(diào)制、脈沖位置調(diào)制(PPM)等單載波調(diào)制方式，系統(tǒng)很容易受到碼間串擾的影響。因此，引入抗多徑效應(yīng)的OFDM調(diào)制方式，提高可見光通信系統(tǒng)的傳輸速率及抗多徑干擾的能力。OFDM技術(shù)在無線通信系中被廣泛應(yīng)用，但在光通信中的應(yīng)用從近幾年才開始。OFDM信號應(yīng)用到可見光系統(tǒng)中須表示為強度，信號必須是實數(shù)、正極性，因此需要對OFDM信號進行實數(shù)化、單極化處理，表1列出了無線OFDM與光OFDM主要不同之處，主要包括極性、信號性質(zhì)、接收方法等。

表1 無線OFDM與光OFDM的比較

1 ACO-OFDM原理

傳統(tǒng)的OFDM系統(tǒng)，傳輸?shù)氖请娦盘?，對信號沒有實數(shù)、虛數(shù)以及極性的限制，采用本地振蕩器進行相干解調(diào)。而光OFDM中，信號采用IM/DD(強度調(diào)制/直接檢測)技術(shù)，在發(fā)射端信號體現(xiàn)為LED燈的發(fā)光強度，因此必須是實數(shù)、正極性的，在應(yīng)用時要對信號進行特殊處理。

光OFDM實數(shù)化的過程，利用的是離散傅里葉變換的性質(zhì)，如果IFFT輸入端序列滿足Hermitian對稱性(共軛對稱性)，那么經(jīng)IFFT后得到的信號就為實信號。

對光OFDM信號單極化方法，主要有加直流偏置光OFDM(DC DCO-OFDM)、非對稱性限幅光OFDM(ACO-OFDM)、單極性光OFDM(U-OFDM)、翻轉(zhuǎn)OFDM(Flip-OFDM)等。其中非對稱限幅光OFDM系統(tǒng)(ACO-OFDM)是被廣泛應(yīng)用的一種技術(shù)，具有收發(fā)機結(jié)構(gòu)簡單、光功率效率高、調(diào)制深度高、受非線性影響小的優(yōu)點[2]。ACO-OFDM算法的工作原理為IFFT的輸入端在滿足共軛對稱性的基礎(chǔ)上，只在奇載波上傳輸數(shù)據(jù)，偶載波上傳輸零，而在接收端負值部分的信息可以完全由正值部分反映。

在可見光通信系統(tǒng)中，噪聲是影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。主要分為散彈噪聲和接收機端電子元器件產(chǎn)生的熱噪聲。理想的光電檢測器噪聲主要是由光量子本身的性質(zhì)產(chǎn)生的，稱為量子噪聲。

熱噪聲出現(xiàn)在所有導電材質(zhì)中，通常被認為是白噪聲，服從均值為零的高斯分布。因此，在可見光通信系統(tǒng)的仿真中將噪聲看為高斯白噪聲。

2 MatLab仿真實驗設(shè)計

在實驗教學中設(shè)計4個實驗，逐層深入地使學生掌握應(yīng)用ACO-OFDM技術(shù)將OFDM信號實數(shù)化、單極化的方法，并最終基于ACO-OFDM實現(xiàn)可見光通信系統(tǒng)的MatLab仿真實驗。

2.1 OFDM信號實數(shù)化方法

實驗原理：根據(jù)離散傅里葉變換的性質(zhì)，如果IFFT輸入端序列滿足共軛對稱性，即那么經(jīng)IFFT后得到的信號就為實信號。

實驗要求：采用子載波數(shù)N=32，6QAM調(diào)制，構(gòu)造共軛對稱序列，進行IFFT計算，觀察輸出信號。

實驗過程及仿真結(jié)果：首先利用modem.qammod函數(shù)產(chǎn)生16QAM信號，根據(jù)實驗原理構(gòu)造共軛對稱序列，并對得到的共軛對稱序列進行IFFT計算，仿真結(jié)果如圖1所示。

圖1 OFDM信號實數(shù)化方法

2.2 OFDM信號單極化方法

實驗要求及步驟：在實驗1基礎(chǔ)上，采用奇載波傳輸數(shù)據(jù)，偶載波傳輸零的處理方法，觀察數(shù)據(jù)處理后序列波形(如圖2所示)，對處理過的數(shù)據(jù)進行IFFT變換，觀察輸出序列波形(如圖3所示)。

圖2 奇載波傳輸數(shù)據(jù)

圖3 對數(shù)據(jù)進行IFFT變換

經(jīng)過IFFT變換后，符號負值部分的信息完全可以體現(xiàn)在正值部分，因此將負值部分限幅(歸為0)，OFDM符號的信息仍能完全傳出。對得到的特殊對稱信號進行限幅，消掉負值部分，即得到單極化實數(shù)OFDM信號，處理后的序列如圖4所示。

圖4 負值部分限幅

2.3 仿真驗證接收端負值部分信息可以由正值部分完全反映

實驗原理：在接收端對接收信號進行FFT變換，根據(jù)k為奇數(shù)時，通過計算可得到

實驗要求及步驟：利用MatLab中的FFT函數(shù)ACOOFDM信號進行解調(diào)，并與限幅前的ACO-OFDM信號進行比較(如圖5所示)。仿真結(jié)果顯示，奇載波上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)經(jīng)FFT解調(diào)后變?yōu)樵瓉淼亩种弧?/p>

圖5 限幅噪聲對奇偶載波的影響

通過仿真可以觀察到，由限幅產(chǎn)生的噪聲只出現(xiàn)在偶載波上，奇載波上的數(shù)值變?yōu)樵瓟?shù)據(jù)的二分之一，因此可以說明，限幅噪聲只對偶載波產(chǎn)生了影響，可以根據(jù)奇載波解調(diào)傳輸?shù)男畔ⅰ?/p>

2.4 ACO-OFDM的調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)仿真

(1)ACO-OFDM調(diào)制系統(tǒng)原理：首先對輸入的二進制信號進行QAM映射得到復信號，對得到信號進行共軛對稱，僅用奇載波傳輸數(shù)據(jù)，偶載波傳輸0，送入IFFT模塊。對IFFT模塊產(chǎn)生的雙極性信號進行非對稱限幅，加循環(huán)前綴后，進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。

(2)ACO-OFDM解調(diào)系統(tǒng)原理：首先對接收到的信號進行D/A轉(zhuǎn)換、串并轉(zhuǎn)換，去循環(huán)前綴，F(xiàn)FT變換，QAM解調(diào)得到接收數(shù)據(jù)。實驗要求ACO-OFDM系統(tǒng)在AWGN下的性能進行仿真并與無線OFDM系統(tǒng)性能進行分析比較，星座映射采用16QAM。實驗結(jié)果如圖6所示。學生可以舉一反三地實現(xiàn)4QAM，64QAM調(diào)制，并進行性能對比。

圖6 ACO-OFDM系統(tǒng)16QAM性能仿真結(jié)果

3 結(jié)語

將可見光通信這一科研領(lǐng)域新技術(shù)經(jīng)過設(shè)計與實踐，引入到本科實驗教學中，具有借鑒價值。通過4個MatLab仿真實驗，詳細闡述了ACO-OFDM系統(tǒng)信號實數(shù)化、單極化以及系統(tǒng)建模及仿真的過程，學生通過完成上述實驗，可以由淺入深地理解ACOOFDM實現(xiàn)原理、系統(tǒng)模型及仿真方法，通過了解通信領(lǐng)域前沿技術(shù)，激發(fā)學生深入研究可見光通信的興趣。