ACO-OFDM的MatLab仿真实验设计

大连海事大学信息科学与技术学院 辽宁大连 116023

可见光通信是在LED基础上快速发展起来的一项有竞争力的技术，可作为无线通信的补充[1]，具有频谱资源丰富、不产生电磁辐射、可防止信息泄露、信道稳定、价格低廉、信噪比高等优点，可应用于室内通信、水下通信、室内定位、航空通信等多种场合，具有广阔的发展前景。

可见光通信系统具有收发结构简单的特点，适于将该题目经过简化设计引入到本科实验教学中。教师通过深入研究可见光通信调制解调方式与传统无线通信调制解调方式的区别与联系，设计了适用于本科实验教学的MatLab仿真实验，使学生通过实践了解科研领域新兴技术，激发学生的学习兴趣。

可见光通信和无线通信一样具有多径传输的特点，会产生多径时延及码间串扰，随着环境复杂性的提高，采用开关键控(OOK)调制、脉冲位置调制(PPM)等单载波调制方式，系统很容易受到码间串扰的影响。因此，引入抗多径效应的OFDM调制方式，提高可见光通信系统的传输速率及抗多径干扰的能力。OFDM技术在无线通信系中被广泛应用，但在光通信中的应用从近几年才开始。OFDM信号应用到可见光系统中须表示为强度，信号必须是实数、正极性，因此需要对OFDM信号进行实数化、单极化处理，表1列出了无线OFDM与光OFDM主要不同之处，主要包括极性、信号性质、接收方法等。

表1 无线OFDM与光OFDM的比较

1 ACO-OFDM原理

传统的OFDM系统，传输的是电信号，对信号没有实数、虚数以及极性的限制，采用本地振荡器进行相干解调。而光OFDM中，信号采用IM/DD(强度调制/直接检测)技术，在发射端信号体现为LED灯的发光强度，因此必须是实数、正极性的，在应用时要对信号进行特殊处理。

光OFDM实数化的过程，利用的是离散傅里叶变换的性质，如果IFFT输入端序列满足Hermitian对称性(共轭对称性)，那么经IFFT后得到的信号就为实信号。

对光OFDM信号单极化方法，主要有加直流偏置光OFDM(DC DCO-OFDM)、非对称性限幅光OFDM(ACO-OFDM)、单极性光OFDM(U-OFDM)、翻转OFDM(Flip-OFDM)等。其中非对称限幅光OFDM系统(ACO-OFDM)是被广泛应用的一种技术，具有收发机结构简单、光功率效率高、调制深度高、受非线性影响小的优点[2]。ACO-OFDM算法的工作原理为IFFT的输入端在满足共轭对称性的基础上，只在奇载波上传输数据，偶载波上传输零，而在接收端负值部分的信息可以完全由正值部分反映。

在可见光通信系统中，噪声是影响系统性能的关键因素。主要分为散弹噪声和接收机端电子元器件产生的热噪声。理想的光电检测器噪声主要是由光量子本身的性质产生的，称为量子噪声。

热噪声出现在所有导电材质中，通常被认为是白噪声，服从均值为零的高斯分布。因此，在可见光通信系统的仿真中将噪声看为高斯白噪声。

2 MatLab仿真实验设计

在实验教学中设计4个实验，逐层深入地使学生掌握应用ACO-OFDM技术将OFDM信号实数化、单极化的方法，并最终基于ACO-OFDM实现可见光通信系统的MatLab仿真实验。

2.1 OFDM信号实数化方法

实验原理：根据离散傅里叶变换的性质，如果IFFT输入端序列满足共轭对称性，即那么经IFFT后得到的信号就为实信号。

实验要求：采用子载波数N=32，6QAM调制，构造共轭对称序列，进行IFFT计算，观察输出信号。

实验过程及仿真结果：首先利用modem.qammod函数产生16QAM信号，根据实验原理构造共轭对称序列，并对得到的共轭对称序列进行IFFT计算，仿真结果如图1所示。

图1 OFDM信号实数化方法

2.2 OFDM信号单极化方法

实验要求及步骤：在实验1基础上，采用奇载波传输数据，偶载波传输零的处理方法，观察数据处理后序列波形(如图2所示)，对处理过的数据进行IFFT变换，观察输出序列波形(如图3所示)。

图2 奇载波传输数据

图3 对数据进行IFFT变换

经过IFFT变换后，符号负值部分的信息完全可以体现在正值部分，因此将负值部分限幅(归为0)，OFDM符号的信息仍能完全传出。对得到的特殊对称信号进行限幅，消掉负值部分，即得到单极化实数OFDM信号，处理后的序列如图4所示。

图4 负值部分限幅

2.3 仿真验证接收端负值部分信息可以由正值部分完全反映

实验原理：在接收端对接收信号进行FFT变换，根据k为奇数时，通过计算可得到

实验要求及步骤：利用MatLab中的FFT函数ACOOFDM信号进行解调，并与限幅前的ACO-OFDM信号进行比较(如图5所示)。仿真结果显示，奇载波上传输的数据经FFT解调后变为原来的二分之一。

图5 限幅噪声对奇偶载波的影响

通过仿真可以观察到，由限幅产生的噪声只出现在偶载波上，奇载波上的数值变为原数据的二分之一，因此可以说明，限幅噪声只对偶载波产生了影响，可以根据奇载波解调传输的信息。

2.4 ACO-OFDM的调制解调系统仿真

(1)ACO-OFDM调制系统原理：首先对输入的二进制信号进行QAM映射得到复信号，对得到信号进行共轭对称，仅用奇载波传输数据，偶载波传输0，送入IFFT模块。对IFFT模块产生的双极性信号进行非对称限幅，加循环前缀后，进行数模转换。

(2)ACO-OFDM解调系统原理：首先对接收到的信号进行D/A转换、串并转换，去循环前缀，FFT变换，QAM解调得到接收数据。实验要求ACO-OFDM系统在AWGN下的性能进行仿真并与无线OFDM系统性能进行分析比较，星座映射采用16QAM。实验结果如图6所示。学生可以举一反三地实现4QAM，64QAM调制，并进行性能对比。

图6 ACO-OFDM系统16QAM性能仿真结果

3 结语

将可见光通信这一科研领域新技术经过设计与实践，引入到本科实验教学中，具有借鉴价值。通过4个MatLab仿真实验，详细阐述了ACO-OFDM系统信号实数化、单极化以及系统建模及仿真的过程，学生通过完成上述实验，可以由浅入深地理解ACOOFDM实现原理、系统模型及仿真方法，通过了解通信领域前沿技术，激发学生深入研究可见光通信的兴趣。