无线光通信中几种调制方式的性能比较

DOI:10.16661/j.cnki.1672-3971.2015.35.077

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无线光通信中几种调制方式的性能比较①

柳美平

(西安思源学院 陕西西安 710038)

摘 要:应用在无线激光通信系统中的调制方式有多种。该文详细地分析了开关键控(OOK)、脉冲位置调制(PPM)、双头脉冲间隔调制(DHPIM)和双脉冲间隔调制(DPPIM)等调制方式的符号结构、带宽需求、平均发射功率和误时隙率等性能,通过分析比较得出DHPIM的综合性能最佳,更适合于无线光通信系统。关键词:无线激光通信 脉冲位置调制 平均发射功率 误时隙率中图分类号:TN929.1

文献标识码:A

文章编号:1672-3791(2015)12(b)-0077-03

Performance Comparison of Various Pulse PositionModulation for Pptical Wireless Communication

Liu Meiping

(Xi'an Siyuan University,Xi’an Shaanxi,710038,China)

Abstract:There are a lot of modulation schemes applied on wireless laser communication. The main purpose of this paper is

.com.cn. All Rights Reserved.to analyse and compare the performance of symbol structure,bandwidth requirement,average transmit power and slot error rate

about the modulation schemes of OOK,PPM,DHPIM,DPPIM.The simulation results show that the DHPIM is fitter for the opticalwireless communication.

Key Words:Optical Wireless Communication;PPM;Average transmit power;Slot error rate(SER)在无线光通信系统中,光信号在大气信道中传播会受到各种噪声的影响从而导致信息的丢失或传输错误,为减小这种影响,调制解调是一项关键技术。应用在大气激光通信中的调制方式有多种,该文从符号结构、带宽需求和误时隙率等方面对OOK、PPM、DHPIM以及DPPIM这几种调制方式进行了详细分析,并进行了综合比较。

1.3 双头脉冲间隔调制

双头脉冲间隔调制(Dual-Header Pulse IntervalModulation,DHPIM)[1],每个符号由头部时隙与后续的空时隙组成。头部时隙固定长度为 1个时隙(为正整数),分两种情况: /2个时隙和 /21个时隙;个时隙和1个时隙。 k为二进制数据对应的十进制数。当 k2M1时,头部时隙组合为前一种情况,后续的空时隙个数为 k;当 k≥2M1时,头部时隙组合

M

为后一种情况,后续的空时隙的个数为 21k。

1 各调制方式的符号结构分析

1.1 开关键控

开关键控(On-Off Keying,OOK)是最简单的调制方式,利用光脉冲的有无来传递信息,在一个比特时隙内有光脉冲表示传输信息“1”,无光脉冲表示传输信息“0”。1.2 脉冲位置调制

脉冲位置调制(Pulse Position Modulation,PPM)是将一组n位二进制数据映射为2n个时隙组成的时间段上的某一个时隙处的单个脉冲信号。脉冲在时隙中的位置即是二进制数据对应的十进制数。

1.4 双脉冲间隔调制

双脉冲间隔调制(Dual Pulse PIM,DPPIM)利用一个固定的起始脉冲和一个变化的标示脉冲以及起始脉冲和标示脉冲之间的时间间隔来表示传递的信息[2]。起始脉冲固定位于符号的第一个时隙,宽度为一个时隙。当 k2M1时,标示脉冲的宽度为 /2个时隙,标示脉冲与起始脉冲之间的间隔为k个时隙; k≥

2M1时,标示脉冲的宽度为个时隙,标示脉冲与起始脉冲之间

的间隔为( k2M1)个时隙。

①作者简介:柳美平(1988,1—),女,汉,湖北黄冈人,硕士研究生,助教,研究方向:电路与系统。

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图1 各调制方式的符号结构图

图2 不同调制方式的平均符号长度

以调制比特数M=4为例,得各调制方式的符号结构如图1所示。

2 基本性能分析

2.1 平均符号长度

各调制方式的符号长度指的是一帧信息中时隙的个数。假设每符号的调制比特数为 M,每时隙的宽度为 Ts,则按照符号结构的描述OOK调制方式的符号长度就是其调制比特数;PPM调制方式的符号长度为 LPPM2MTs;DHPIM平均符号长度为

LDHPIM2

M1

21Ts/2;DPPIM调制方式的平均符号长度为

LM1DPPIM2Ts。利用MATLAB做数值仿真得不同调制方式的平均符号长度的比较如图2所示。2.2 带宽需求

大气激光通信系统传输信息需要一定的带宽。假设信源的传输比特率为 Rbbit/s,每一符号发送Mbit信息,若以功率谱的第一个零点计算, BOOKRb,则可以认为OOK所需的带宽是脉冲宽度的倒数,即 BOOK1/TbRb, Tb为OOK调制时隙宽度。所以对于PPM调制方式有 2MTPPMMTb, TPPM是PPM调制方式的时隙宽度,PPM调制方式的带宽需求为:

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图3 不同调制方式的带宽需求

B

2M

PPM



M

BOOK (1)

同理可得DHPIM和DPPIM的带宽需求分别为:

B2M121

DHPIM

MBOOK

(2) 2MB

2DPPIM



M

BOOK

(3)

对各调制方式的带宽需求进行仿真比较如图3所示。2.3 误时隙率

光信号在大气信道中传输,假设叠加在信号上的噪声 n(t)是均值为0方差为 2n的高斯白噪声[4],接收端的信号在发送信号为时为 Prn(t),发“0”时为 n(t),其中 Pr是判决器输入端信号

的峰值功率。根据高斯分布的概率密度函数公式,得发送信号“1”时接收信号

y的概率密度函数为:

21Pyrf21y2e2n (4)

n发送信号“0”时接收信号的概率密度函数为:

f0yy21e22n2 (5)

n接收端判决器对接收到的信号进行判决,设判决门限为b,

若 yb,判为

“1”;若 y≤b,判为“0”。设发送信号为“1”错误接收为“0”的概率为 P01,发送信号为“0”错误接收为“1”的概率为 P10,则有[4]:

P

01Pyb

1

≤bf1ydy1

b2erfcPr2 (6)n P10Pyb





b

f0ydy

1

erfcb22(7)

n 设发送信号“1”的概率为 P1,发送信号“0”的概率为 P0,则系统的总的误时隙率可表示为:

PseP1P01P0P10

(8)

那么可经过推导得出各调制方式的误时隙率并可将其概括

为:

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(a) M=4 (b) M=5

图4 高斯信道下各调制方式的误时隙率

bPr1

Pse2erfc22l1nblerfc2n 

符号结构、带宽需求和误时隙率等性能。通过比较可知OOK带宽

(9)

利用率高,但误时隙率也高;PPM误时隙率最小,但带宽需求高;DHPIM误时隙率高于PPM;DPPIM的误时隙率略高于DHPIM。综合来看,DHPIM的性能更佳。

“0”出现的概率和“1”出现其中, l为发送的数字信号序列中的概率的比值,不同调制方式的 l值不同。

对式(9)两边 b进行求导可得最佳判决门限为[4]:

b

2n2lnlPr2Pr参考文献

(10)

[1]N. Aldibbiat, Z. Ghassemlooy,R.Saatchi.Pulse Inter-val Modulation-Dual Header (PIM-DH)[C]//2nd In-ternational Conference on Information Communications& Signal processing (ICICS'99) Singapore.1999:7-10.

(11)

[2]程刚,王红星,张铁英,等.无线光通信双脉冲间隔调制方法

[J].中国激光,2010,37(7):1750-1755.

[3]王红星,朱银兵,张铁英,等.无线光通信调制方式性能分析[J].

激光与光电子学进展,2006,43(6):38-42.

[4]张铁英,王红星,朱银兵,等.判决门限对无线光通信调制方式

差错率影响分析[J].弹箭与制导学报,2006,26(4):323-325.[5]柯熙政,陈锦妮.无线激光通信类脉冲位置调制性能比较[J].

激光技术,2012,36(1):67-76.

将式(10)代入到式(9)并假设信噪比用 Pr

.com.cn. All Rights Reserved.那么式(9)可以写为：

lnlPse2erfc22l1

1

lnllerfc2

 

2n2来表示,

对式(11)进行数值仿真,其中 lOOK1, lPPM2M1,

lDHPIM2M2/3, lDPPIM2M14/43。可得在

高斯信道下OOK、PPM、DHPIM、DPPIM这4种调制方式关于信噪比的误时隙率的比较如图4所示。

3 结语

该文分析了OOK、PPM、DHPIM和DPPIM 4种调制方式的

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