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摘 要:本文详细地分析了五种典型无线激光通信调制方式:OOK、PPM、DPPM、DPIM和DH-PIM,并结合无线激光信道特点,对各种调制方式的平均发射功率、带宽需求和误时隙率进行了分析比较。结果表明:DPPM、DPIM和DH-PIM更具有优势,更适合于未来无线激光通信系统。
关键词:无线激光通信 调制方式 发射功率 带宽 误时隙率
中图分类号:TN92 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2011)06(a)-0021-01
无线激光通信作为一种新型通信技术,可实现宽带传输,组网机动灵活,无需频率申请,且抗电磁干扰,保密性好,因此具有良好的应用前景。适用于强度调制/直接检测无线激光通信系统的调制方式主要包括:开关键控调制(OOK)、各类脉冲位置调制(PPM)和脉冲间隔调制(DPIM)等。本文在分析OOK、PPM、DPPM、DPIM和DH-PIM调制结构的基础上,对这几种调制方式的性能进行了分析比较。通过分析可知PPM类调制方式与其它调制方式相比,它可以用较低的占空比实现高能量利用率,并可提高信道的抗干扰能力,是最适合作为未来无线激光通信的调制方式。
1 调制结构分析
1.1 开关键控调制(OOK)
在OOK调制方式中,对二进制信息比特进行逐比特的调制。通过激光器的开断来生光脉冲,当所要发送的信息为“1”时,激光器在对应时隙内发送一个光脉冲;当所要发送的信息为“0”时,激光器完全关闭,在对应的时隙内不发送光脉冲,利用光信号的通断实现信息传输。
1.2 脉冲位置调制(PPM)
单脉冲位置调制(L-PPM),是将一个二进制的M位数据组映射为由L=2M个时隙组成的时间段上的某一个时隙处的单个脉冲信号,其符号间隔为:T=log2L/Rb,被分为L个时隙。如果将M位数据组写成K=(m1,m2,…,mM),将时隙位置记为k,则L-PPM调制方式的映射编码关系可表示为[1]:
(1)
其中,为脉冲时隙在第k个位置。
差分脉冲位置调制(DPPM)是一种在L-PPM调制基础上改进的调制方式。对于一个L-PPM符号,它的时隙数是固定的L位,其中一位为1,其余位为0。而DPPM的时隙数不定,它由一串低电平跟着一位高电平构成。DPPM与L-PPM相比,DPPM不仅对符号级的同步没有那么严格的要求,它还能提供较高的功率利用率和频带利用率。
1.3 脉冲间隔调制(DPIM)
数字脉冲间隔调制(DPIM)与PPM类似,也是一种脉冲位置调制方式。但是DPIM调制每个符号所包含的时隙数不是固定的:分为无保护时隙和有保护时隙两种。有保护时隙的DPIM调制方式通常采用一个保护时隙,这样可以有效地减少码间串扰的影响,该调制方式的符号Sk(k是符号所表示的十进制数)的时隙个数为k+2,脉冲在每个符号的起始时隙上,后加一个保护空时隙,再加上k个空时隙来表示信息。当接收端解调时,判断接收到脉冲时隙后,只需数脉冲时隙后的空时隙数,再减1就行了。因此,DPIM在接收端只需时钟同步而不需符号同步,简化了系统结构。
双头脉冲间隔调制(DH-PIM)方式比较复杂,每个符号所包含的时隙数也不是固定的,但是它采用两种起始脉冲。符号Sk由头部时隙和后续的m个空时隙所组成,其中:
(2)
头部时隙数为α+1个(α为整数),假设两种头部形式H1和H2。H1起始脉冲宽度是α/2个时隙,其后是α/2+1个保护时隙;H2脉冲宽度为α个时隙,其后为1个保护时隙。当k<2M-1时,Sk符号的头部时隙为H1,反之则为H2。
2 调制性能比较
本文在码速率相同的条件下,分析比较了五种调制方式的平均发射功率、带宽需求和误时隙率。
2.1 平均发射功率
假设峰值功率为Ps,在二进制信息比特“0”、“1”等概出现的情况下,则OOK(非归零码)的平均发射功率为:POOK=Ps/2;由于在一个PPM符号所包含的2M个时隙中,只发射一个时隙的光脉冲,则L-PPM的平均发射功率为:PPPM=Ps/2M;一个DPPM符号包含(2M+1)/2个时隙,则PDPPM=2Ps(2M+1);同理,PDPIM=2Ps/(2M+3);在DH-PIM调制方式下,其头部脉冲的平均宽度为1.5个脉冲(假设两种头部等概出现),每个脉冲占用α/2个时隙,因此,头部脉冲的平均时隙数为3α/4,则其平均发射功率为:PDH-PIM=(3αPs)/2(2M-1+2α+1)。
分析可知,当M一定时,PPM、DPPM、DPIM和DH-PIM的功率利用率都比OOK的高。除OOK随M的增大平均发射功率不变以外,其它的调制方式随M的增大,平均发射功率均逐渐下降。
2.2 带宽需求
设激光通信系统的传输比特率为Rb,则OOK所占带宽为BOOK=Rb;PPM相对于OOK的归一化带宽BPPM=2MRb/M;DPPM的平均时隙数为(1+2n)/2,则BDPPM=(2M+1)Rb/2M;同理,DPIM平均时隙数为(3+2n)/2,则BDPIM=(2M+3)Rb/2M;DH-PIM的平均时隙数为α+2M-2+1/2,则BDH-PIM=(2M-1+2α+1)Rb /2M。
由分析可知,当M一定时,PPM、DPPM、DPIM和DH-PIM所需的带宽都比OOK的高,其中PPM所需的带宽最高。
2.3 误时隙率
本文采用强度调制/直接检测(IM/DD)的无线激光通信系统的等价基带信道模型,假定只有噪声均值为0,方差为σn2的加性高斯白噪声存在。
由各种调制方式相对于信噪比的误时隙率曲线可知,信噪比一定时,PPM、DPPM、DPIM和DH-PIM的误时隙率比OOK的低,其中PPM的误时隙率最低。
3 结语
本文从平均发射功率、带宽需求以及误时隙率三方面对各种调制方式进行分析,通过分析可知,各种调制方式各有优势也存在不足,但在通信系统,主要考虑带宽利用率和误时隙率。因此DPPM、DPIM和DH-PIM更具有优势,更适用于未来无线激光通信系统。
参考文献
[1] David JT,David R Wisely,lan Neild et OPtieal wlreless:the story so far [J].IEEE Communication Magazine,1998:72～82.
[2] 柯熙政,席晓莉.无线激光通信概论[M].北京:北京邮电大学出版社,2004：148～150.
[3] 毛昕蓉,李荣.无线光通信调制技术的性能分析[J].通信技术,2009,3(42):54～59.
[4] 何攀,李晓毅,侯倩,等.基于LED的紫外光通信调制方式研究[J].光通信技术,2010,4:51～53.
①作者简介:赵婷(1989—),学士,长春理工大学电信学院,主要从事通信信息处理、光通信技术。
陈宇(1980—),博士,讲师,长春理工大学电信学院,主要从事通信理论与通信系统、光通信技术。
关键词:无线激光通信 调制方式 发射功率 带宽 误时隙率
中图分类号:TN92 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2011)06(a)-0021-01
无线激光通信作为一种新型通信技术,可实现宽带传输,组网机动灵活,无需频率申请,且抗电磁干扰,保密性好,因此具有良好的应用前景。适用于强度调制/直接检测无线激光通信系统的调制方式主要包括:开关键控调制(OOK)、各类脉冲位置调制(PPM)和脉冲间隔调制(DPIM)等。本文在分析OOK、PPM、DPPM、DPIM和DH-PIM调制结构的基础上,对这几种调制方式的性能进行了分析比较。通过分析可知PPM类调制方式与其它调制方式相比,它可以用较低的占空比实现高能量利用率,并可提高信道的抗干扰能力,是最适合作为未来无线激光通信的调制方式。
1 调制结构分析
1.1 开关键控调制(OOK)
在OOK调制方式中,对二进制信息比特进行逐比特的调制。通过激光器的开断来生光脉冲,当所要发送的信息为“1”时,激光器在对应时隙内发送一个光脉冲;当所要发送的信息为“0”时,激光器完全关闭,在对应的时隙内不发送光脉冲,利用光信号的通断实现信息传输。
1.2 脉冲位置调制(PPM)
单脉冲位置调制(L-PPM),是将一个二进制的M位数据组映射为由L=2M个时隙组成的时间段上的某一个时隙处的单个脉冲信号,其符号间隔为:T=log2L/Rb,被分为L个时隙。如果将M位数据组写成K=(m1,m2,…,mM),将时隙位置记为k,则L-PPM调制方式的映射编码关系可表示为[1]:
(1)
其中,为脉冲时隙在第k个位置。
差分脉冲位置调制(DPPM)是一种在L-PPM调制基础上改进的调制方式。对于一个L-PPM符号,它的时隙数是固定的L位,其中一位为1,其余位为0。而DPPM的时隙数不定,它由一串低电平跟着一位高电平构成。DPPM与L-PPM相比,DPPM不仅对符号级的同步没有那么严格的要求,它还能提供较高的功率利用率和频带利用率。
1.3 脉冲间隔调制(DPIM)
数字脉冲间隔调制(DPIM)与PPM类似,也是一种脉冲位置调制方式。但是DPIM调制每个符号所包含的时隙数不是固定的:分为无保护时隙和有保护时隙两种。有保护时隙的DPIM调制方式通常采用一个保护时隙,这样可以有效地减少码间串扰的影响,该调制方式的符号Sk(k是符号所表示的十进制数)的时隙个数为k+2,脉冲在每个符号的起始时隙上,后加一个保护空时隙,再加上k个空时隙来表示信息。当接收端解调时,判断接收到脉冲时隙后,只需数脉冲时隙后的空时隙数,再减1就行了。因此,DPIM在接收端只需时钟同步而不需符号同步,简化了系统结构。
双头脉冲间隔调制(DH-PIM)方式比较复杂,每个符号所包含的时隙数也不是固定的,但是它采用两种起始脉冲。符号Sk由头部时隙和后续的m个空时隙所组成,其中:
(2)
头部时隙数为α+1个(α为整数),假设两种头部形式H1和H2。H1起始脉冲宽度是α/2个时隙,其后是α/2+1个保护时隙;H2脉冲宽度为α个时隙,其后为1个保护时隙。当k<2M-1时,Sk符号的头部时隙为H1,反之则为H2。
2 调制性能比较
本文在码速率相同的条件下,分析比较了五种调制方式的平均发射功率、带宽需求和误时隙率。
2.1 平均发射功率
假设峰值功率为Ps,在二进制信息比特“0”、“1”等概出现的情况下,则OOK(非归零码)的平均发射功率为:POOK=Ps/2;由于在一个PPM符号所包含的2M个时隙中,只发射一个时隙的光脉冲,则L-PPM的平均发射功率为:PPPM=Ps/2M;一个DPPM符号包含(2M+1)/2个时隙,则PDPPM=2Ps(2M+1);同理,PDPIM=2Ps/(2M+3);在DH-PIM调制方式下,其头部脉冲的平均宽度为1.5个脉冲(假设两种头部等概出现),每个脉冲占用α/2个时隙,因此,头部脉冲的平均时隙数为3α/4,则其平均发射功率为:PDH-PIM=(3αPs)/2(2M-1+2α+1)。
分析可知,当M一定时,PPM、DPPM、DPIM和DH-PIM的功率利用率都比OOK的高。除OOK随M的增大平均发射功率不变以外,其它的调制方式随M的增大,平均发射功率均逐渐下降。
2.2 带宽需求
设激光通信系统的传输比特率为Rb,则OOK所占带宽为BOOK=Rb;PPM相对于OOK的归一化带宽BPPM=2MRb/M;DPPM的平均时隙数为(1+2n)/2,则BDPPM=(2M+1)Rb/2M;同理,DPIM平均时隙数为(3+2n)/2,则BDPIM=(2M+3)Rb/2M;DH-PIM的平均时隙数为α+2M-2+1/2,则BDH-PIM=(2M-1+2α+1)Rb /2M。
由分析可知,当M一定时,PPM、DPPM、DPIM和DH-PIM所需的带宽都比OOK的高,其中PPM所需的带宽最高。
2.3 误时隙率
本文采用强度调制/直接检测(IM/DD)的无线激光通信系统的等价基带信道模型,假定只有噪声均值为0,方差为σn2的加性高斯白噪声存在。
由各种调制方式相对于信噪比的误时隙率曲线可知,信噪比一定时,PPM、DPPM、DPIM和DH-PIM的误时隙率比OOK的低,其中PPM的误时隙率最低。
3 结语
本文从平均发射功率、带宽需求以及误时隙率三方面对各种调制方式进行分析,通过分析可知,各种调制方式各有优势也存在不足,但在通信系统,主要考虑带宽利用率和误时隙率。因此DPPM、DPIM和DH-PIM更具有优势,更适用于未来无线激光通信系统。
参考文献
[1] David JT,David R Wisely,lan Neild et OPtieal wlreless:the story so far [J].IEEE Communication Magazine,1998:72～82.
[2] 柯熙政,席晓莉.无线激光通信概论[M].北京:北京邮电大学出版社,2004：148～150.
[3] 毛昕蓉,李荣.无线光通信调制技术的性能分析[J].通信技术,2009,3(42):54～59.
[4] 何攀,李晓毅,侯倩,等.基于LED的紫外光通信调制方式研究[J].光通信技术,2010,4:51～53.
①作者简介:赵婷(1989—),学士,长春理工大学电信学院,主要从事通信信息处理、光通信技术。
陈宇(1980—),博士,讲师,长春理工大学电信学院,主要从事通信理论与通信系统、光通信技术。