樊慧萍-基于LED的紫外無(wú)線通信系統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)研究.doc

基于LED的紫外無(wú)線通信系統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)研究樊慧萍，張民，朱潔，李青北京郵電大學(xué)信息光子學(xué)與光通信教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京（100876）E-mail: 摘 要：日盲紫外無(wú)線通信具有全天候、全方位、強(qiáng)抗擾、低位辨等優(yōu)點(diǎn)，在災(zāi)后救援、野外團(tuán)隊(duì)協(xié)作、無(wú)線電靜默等特殊場(chǎng)合具有重要的應(yīng)用潛力和價(jià)值。論文首先仿真分析了適合基于LED紫外無(wú)線通信系統(tǒng)的四種調(diào)制技術(shù)，接著用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證分析了OOK和PPM兩種調(diào)制方式對(duì)通信系統(tǒng)性能的影響，論文最后展望提出DPPM和DPIM是適于未來(lái)紫外LED無(wú)線通信系統(tǒng)較佳的調(diào)制方式。關(guān)鍵詞：紫外無(wú)線通信；紫外LED；OOK；PPM；DPPM；DPIMThe Modulation Technology Research of Ultraviolet Communication System Based on LEDFan Hui-ping, Zhang Min, Zhu Jie, Li Qing (Key Laboratory of Information Photonics and Optical Communications, Ministry of Education, Beijing University of Posts and Telecommunications, P.O. Box 201, Beijing 100876, China)Abstract：Solar Blind ultraviolet communication is very popular in special occasion like post-disaster rescue, outdoor teamwork, radio quiescence for its specified advantages, which are all-weather, non-line of sight, high noise immunity, high security and so on. This paper simulate four modulation methods that are fit for ultraviolet wireless communication firstly, then take experiment start to verify the influence of two modulation methods which are OOK and PPM, at last the paper indicated that DPPM and DPIM are two modulation methods which are fit for UV wireless communication in the future.Keywords: UV Wireless Communication; UV LED;OOK;PPM;DPPM;DPIM0引 言目前廣泛采用的通信手段有有線和無(wú)線兩類通信方式。與有線通信相比，無(wú)線通信克服了有線通信需要預(yù)先鋪設(shè)相應(yīng)線路的缺點(diǎn)，具有靈活、機(jī)動(dòng)和快速反應(yīng)的特點(diǎn)。然而現(xiàn)有的無(wú)線通信存在一些不足，如無(wú)線電和微波通信比較容易被竊聽、干擾和破壞；常規(guī)空間光通信均屬于視距通信，收發(fā)兩端必須具備一系列對(duì)準(zhǔn)、跟蹤捕獲等復(fù)雜功能，在運(yùn)動(dòng)中通信的靈活性、全方位性不夠好1。紫外無(wú)線通信既具有無(wú)線通信非視距、靈活機(jī)動(dòng)的特點(diǎn)，又具有光通信高抗擾、低竊聽的特點(diǎn)，能滿足復(fù)雜環(huán)境下全天候、全方位的應(yīng)急通信和保密通信的需求，因此近年來(lái)紫外無(wú)線通信技術(shù)受到國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的高度重視2-4。目前，紫外無(wú)線通信仍處在實(shí)驗(yàn)室研究階段，因陽(yáng)光中紫外成分的影響，紫外光源的指標(biāo)影響通信系統(tǒng)的性能，且光源的類型直接限制了調(diào)制方式的選擇，所以紫外光源的選取一直是項(xiàng)技術(shù)難題?，F(xiàn)階段常見的紫外光源主要包括紫外光燈和紫外LED兩種。紫外光燈因通過改變高頻交流電壓的頻率來(lái)控制熒光燈的發(fā)光強(qiáng)度而具有兩種不同光強(qiáng)的交替閃爍頻率，適合采用FSK調(diào)制，但有易碎、體積重量大、壽命短、功耗大、需高壓驅(qū)動(dòng)等缺點(diǎn)。紫外LED克服了紫外燈的所有缺點(diǎn)，但發(fā)光原理與紫外光燈不同，因不具有兩種固定的頻率而不宜采用FSK調(diào)制。探索適用于紫外LED無(wú)線通信系統(tǒng)的調(diào)制方案是本論文的研究重點(diǎn)。本論文旨在研究適于我們研究的基于LED的紫外無(wú)線通信系統(tǒng)的調(diào)制方式5-7。論文仿真分析了廣泛應(yīng)用于無(wú)線通信和空間光通信領(lǐng)域的OOK和PPM，以及新興的DPPM 和DPIM四種調(diào)制方式的性能，并用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明了OOK和PPM兩種調(diào)制方式對(duì)基于LED的紫外無(wú)線通信系統(tǒng)誤碼率的影響，最后提出了DPPM 和DPIM將是適于未來(lái)紫外LED無(wú)線通信系統(tǒng)的優(yōu)良方案。1基于LED的紫外無(wú)線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)紫外無(wú)線通信系統(tǒng)是以日盲區(qū)紫外光為載波，信息經(jīng)電信號(hào)調(diào)制后加載在紫外光上，然后以自由空間和大氣為信道來(lái)傳輸信息的通信系統(tǒng)。相對(duì)傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)，紫外無(wú)線通信系統(tǒng)最根本的特點(diǎn)，就是利用紫外光代替無(wú)線電作為傳輸介質(zhì)，因此，其調(diào)制和解調(diào)的手段和傳統(tǒng)通信系統(tǒng)有著很大區(qū)別。本論文系統(tǒng)采用的紫外無(wú)線通信系統(tǒng)發(fā)送端用調(diào)制后的電信號(hào)激發(fā)出光信號(hào)，以滿足通信的需要，相應(yīng)地接收端將接收到的紫外光信號(hào)首先進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，成為電信號(hào)之后再進(jìn)行解調(diào)處理。本論文主要針對(duì)文字信息和語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行通信。具體的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程和整體方案如圖1所示8-11 。圖1紫外無(wú)線通信系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案整個(gè)通信系統(tǒng)可分為信息發(fā)送系統(tǒng)和信息接收系統(tǒng)。發(fā)送系統(tǒng)由數(shù)據(jù)緩存、信息壓縮編碼、信道編碼、調(diào)制四個(gè)大的功能模塊組成，接收系統(tǒng)則由脈沖計(jì)數(shù)器、鎖相環(huán)、符號(hào)/時(shí)隙同步、信道解碼、數(shù)據(jù)緩存五個(gè)大的功能模塊組成。2 紫外無(wú)線通信系統(tǒng)主要的調(diào)制技術(shù)功率利用率和頻帶利用率是紫外無(wú)線非視距通信系統(tǒng)調(diào)制方式需要考慮的兩因素。紫外無(wú)線非視距通信在近距離信號(hào)衰減較大，需要發(fā)射的光功率較高，但對(duì)人眼傷害的規(guī)定限制了無(wú)線收發(fā)器的平均光功率，且電池供電的移動(dòng)設(shè)備需要能量消耗盡可能小，因此，用于紫外無(wú)線非視距通信系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)方式應(yīng)該具有較高的功率利用率。另一方面，接收端常采用的探測(cè)器（如光電倍增管PMT等）需要增大面積以提高接收能量，而大面積PMT的大容量電容會(huì)限制接收帶寬，所以頻帶利用率也是需要考慮的因素7-14。無(wú)線通信和空間光通信常用的調(diào)制技術(shù)有兩種，一種是強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)(IMDD)，另一種是相干調(diào)制外差檢測(cè)。直接檢測(cè)系統(tǒng)具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。但它的頻帶利用率較低，接收靈敏度也較低。光外差檢測(cè)系統(tǒng)較之直接檢測(cè)系統(tǒng)具有較高的接收靈敏度，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)相當(dāng)復(fù)雜，而且很難保證光信號(hào)在大氣中傳播后的相干性，所以現(xiàn)有的無(wú)線空間光通信系統(tǒng)普遍設(shè)計(jì)為IMDD系統(tǒng)。IMDD的大氣無(wú)線光通信系統(tǒng)的調(diào)制方式有很多種，論文根據(jù)載波為紫外光脈沖，選取具有較高平均功率效率的脈沖調(diào)制。脈沖調(diào)制根據(jù)脈沖頻譜特性是連續(xù)還是離散，分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制，具體的分類方式如圖2所示12-13。圖2 調(diào)制方式的分類圖2中，同步方式通過改變脈沖位置或?qū)挾染幋a，整體符號(hào)結(jié)構(gòu)不變；非同步方式?jīng)]有固定的符號(hào)結(jié)構(gòu)。調(diào)制方案確定，需要知道基帶信號(hào)（調(diào)制信號(hào)）和載波信號(hào)的類型以及特性，通過分析比較，最終選取合適的調(diào)制方案。所有的脈沖時(shí)間調(diào)制（PTM）幾乎都適合于光通信系統(tǒng)，其中，OOK是一種應(yīng)用廣泛且最易實(shí)現(xiàn)的PTM調(diào)制方式；PPM功率利用率高；DPPM和DPIM作為改進(jìn)型的PPM，具有較好的功率利用率和頻帶利用率。四種調(diào)制方式的功率利用率，頻帶利用率和它們的抗碼間干擾能力的分析和比較請(qǐng)?jiān)斠妳⒖嘉墨I(xiàn)。表1給出了以上四種調(diào)制方式當(dāng)調(diào)制參數(shù)信源比特n=2時(shí)，信息位與調(diào)制幀之間的關(guān)系，從中可以很清楚地看到其調(diào)制方式的區(qū)別。表1 信源bit和傳送符號(hào)之間的映射關(guān)系信息位OOK（NRZ）4-PPM4-DPPM4-DPIM（有保護(hù)位）000010001100101010001100101000100011000111100010001100003仿真分析和設(shè)計(jì)論文對(duì)適于紫外LED無(wú)線通信中的OOK、PPM、DPPM以及DPIM四種調(diào)制方式的功率利用率和頻帶利用率進(jìn)行了仿真分析，比較分析其對(duì)紫外LED無(wú)線通信系統(tǒng)性能的影響。3.1功率利用率眾多周知，調(diào)制方式直接影響通信系統(tǒng)的特性，如傳輸距離，信噪比，以及光源功率，因此整個(gè)系統(tǒng)性能的確立與背景噪聲的類型有關(guān)，不同的背景噪聲，系統(tǒng)傳輸距離與發(fā)射功率將不同。論文主要分析在高信噪比的高斯背景噪聲14-19下系統(tǒng)的功率利用率。圖4為OOK、4-PPM、4-DPPM和4-DPIM四種調(diào)制方式在信噪比均為，收發(fā)仰角均為90o，發(fā)送速率分別為2.4Kbps和9.6Kbps時(shí)，傳輸距離與發(fā)射功率的變化曲線。 圖3 系統(tǒng)在n=2，不同調(diào)制方式下傳輸距離和發(fā)送功率的關(guān)系圖圖3（a）和（b）比較可知在其它參數(shù)均相同的情況下，較OOK調(diào)制方式，PPM、DPPM和DPIM調(diào)制方式更利于改善通信系統(tǒng)性能，延長(zhǎng)通信距離。圖3（a）在傳輸速率為2.4Kbps，發(fā)射功率為400mW時(shí)，4-PPM調(diào)制方式下傳輸距離略小于50m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于OOK（約25m），DPPM和DPIM介于兩者之間；當(dāng)傳輸速率為9.6Kbps，發(fā)射功率仍為400mW時(shí)，4-PPM調(diào)制方式下傳輸距離約為22m，均高于其它三種調(diào)制方式，如圖3（b）所示。 采用更大n的調(diào)制方式可以獲得更大的功率利用率如圖4所示。圖4（a）和（b）分別為在信噪比為，收發(fā)仰角均為90o ，數(shù)據(jù)傳輸速率為2.4Kbps，n分別為3和4的情況下，四種調(diào)制方式對(duì)傳輸距離的影響。由圖4（a）n=3可知，當(dāng)發(fā)射功率為400mW時(shí)，8-PPM調(diào)制方式下傳輸距離約為80m，8-DPPM和8-DPIM調(diào)制方式下傳輸距離約為50m；當(dāng)n=4時(shí)，16-PPM調(diào)制方式下，傳輸距離約為120m，16-DPPM和16-DPIM調(diào)制方式下傳輸距離可以達(dá)到80m。圖4 系統(tǒng)在n=3和4時(shí)，不同調(diào)制方式下傳輸距離與發(fā)射功率的關(guān)系圖結(jié)合圖3和圖4可知：PPM功率利用率最高，且隨著n的增大功率效率不斷地增大。具有更大n的PPM、DPPM和DPIM調(diào)制方式均可以獲得更高的功率利用率，但它們是以犧牲帶寬利用率為代價(jià)的。3.2 頻率利用率PPM的高功率利用率是以犧牲帶寬為代價(jià)的，如圖5所示。DPPM 和DPIM 所需要的帶寬相差不多，但都比相應(yīng)的PPM 少，而且隨著n的增加，這種帶寬的優(yōu)勢(shì)更加明顯。綜合圖3、圖4和圖5可知，當(dāng)帶寬要求較嚴(yán)時(shí)，采用較小n的PPM調(diào)制方式可以滿足紫外無(wú)線通信系統(tǒng)的要求。綜合考慮功率利用率和帶寬利用率，采用大n的DPPM和DPIM調(diào)制方式可以獲得較高的功率利用率，且?guī)捯筮h(yuǎn)遠(yuǎn)低于PPM。圖5 各調(diào)制方式帶寬與n的關(guān)系3.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)建議綜合上述對(duì)功率利用率和頻帶利用率的仿真分析結(jié)果，系統(tǒng)調(diào)制技術(shù)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的可以借鑒和參考的具體建議方案為：在頻帶要求不受限時(shí)，采用PPM更好；在功率要求不受限時(shí)，用成熟的OOK調(diào)制技術(shù)即可滿足實(shí)驗(yàn)需求，用DPPM和DPIM調(diào)制技術(shù)均優(yōu)于PPM；在系統(tǒng)功率要求不高的情況下，四種調(diào)制方式均能滿足實(shí)驗(yàn)需求；在功率利用率要求不斷增高的情況下，PPM最先滿足要求，但對(duì)頻帶受限的系統(tǒng)，用n較大的DPPM和DPIM調(diào)制技術(shù)將是更好的選擇；4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證及展望論文前面部分介紹了紫外LED無(wú)線通信系統(tǒng)，從理論上論述了可以適用于該系統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)，并且從功率利用率和頻帶利用率兩方面仿真分析了現(xiàn)有四種調(diào)制方式的性能差別。論文目的是研究適于紫外LED無(wú)線通信系統(tǒng)的調(diào)制方式，因此，當(dāng)理論分析完成后，實(shí)驗(yàn)小組進(jìn)行了基于LED的紫外通信系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了OOK和PPM兩種調(diào)制方式的對(duì)系統(tǒng)性能的影響，并且展望了DPPM和DPIM兩種新興的調(diào)制方式對(duì)未來(lái)紫外LED通信系統(tǒng)性能的改善。圖6是實(shí)驗(yàn)小組搭建的系統(tǒng)平臺(tái)：系統(tǒng)發(fā)射機(jī)部分由PC機(jī)、UV LED、電源驅(qū)動(dòng)模塊、FPGA調(diào)制電路組成；系統(tǒng)接收機(jī)部分由PC機(jī)、窄帶濾光片、PMT接收單元、放大電路、FPGA解調(diào)電路組成。圖6 硬件平臺(tái)實(shí)驗(yàn)圖調(diào)制解調(diào)在FPGA上來(lái)實(shí)現(xiàn)，圖7為實(shí)驗(yàn)組FPGA硬件實(shí)現(xiàn)平臺(tái)。圖7 FPGA硬件平臺(tái)實(shí)物圖系統(tǒng)搭建完成后，由于客觀原因，小組成員只驗(yàn)證了OOK和PPM兩種調(diào)制方式對(duì)通信系統(tǒng)性能的影響。如表2所示，在發(fā)送錐角=8o，傳輸距離=7m ，光源發(fā)射功率=1mW時(shí)，OOK和PPM調(diào)制方式在不同接收仰角和發(fā)送功率下誤碼率的變化情況。表2 調(diào)制方式對(duì)系統(tǒng)誤碼率的影響調(diào)制方式接收仰角發(fā)送速率 誤碼率OOKPPM0100102.4K4.63 E-055.20 E-053.13 E-054.58 E-054.8K5.88 E-056.51 E-053.78 E-055.23 E-059.6K6.25 E-056.75 E-054.27 E-055.65 E-05相應(yīng)的仿真圖如圖8所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表：在其他條件一定時(shí)，任何一種調(diào)制方式下，隨著通信速率增加，紫外無(wú)線通信系統(tǒng)的誤碼率逐漸增加；同一調(diào)制方式下，誤碼率隨著傳輸速率的增加而增大，但幅度不大；同一調(diào)制方式下，非視距通信誤碼率明顯高于視距通信；在相同的條件下，PPM的誤碼率明顯小于OOK。圖8 OOK和PPM調(diào)制方式下，視距和非視距紫外無(wú)線通信仿真圖實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了PPM有較低的誤碼率，誤碼率降低，系統(tǒng)可以延長(zhǎng)傳輸距離或降低發(fā)射功率，即PPM提高了系統(tǒng)功率利用率。實(shí)驗(yàn)組將后續(xù)對(duì)DPPM和DPIM進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)合理論我們推斷，DPPM和DPIM均可以提高功率利用率，且由于二者的頻帶利用率較優(yōu)，因此，它們是未來(lái)紫外LED無(wú)線通信調(diào)制方式的 選擇。4結(jié)論本論文對(duì)基于LED的日盲紫外無(wú)線通信系統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)進(jìn)行了研究，仿真分析了適用于該系統(tǒng)的OOK、PPM、DPPM和DPIM四種調(diào)制方式的功率利用率和頻帶寬利用率，并用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了OOK和PPM兩種調(diào)制方式對(duì)系統(tǒng)性能的影響，最后論文綜合DPPM和DPIM具有較高的功率利用率和帶寬利用率，且接收端不需要符號(hào)級(jí)同步，系統(tǒng)復(fù)雜度大大簡(jiǎn)化8-19等優(yōu)勢(shì)，展望提出DPPM和DPIM是未來(lái)應(yīng)用于紫外LED無(wú)線通信系統(tǒng)較佳的調(diào)制方案。參考文獻(xiàn)1 李義文自由大氣紫外光通信系統(tǒng)研究D北京：中國(guó)科學(xué)院研究生院（空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心），2007. 2 劉榴娣，倪國(guó)強(qiáng)，鐘生東，等. 紫外線的應(yīng)用、探測(cè)及其新發(fā)展J光學(xué)技術(shù)1998(02).3 龐華偉，劉天山紫外光通信及其軍事應(yīng)用J云南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2005(S2).4 張建勇紫外線技術(shù)在軍事工程技術(shù)中的應(yīng)用J光學(xué)技術(shù)2000，26(4)：308-312.5 雷小明日盲紫外自由空間通信調(diào)制系統(tǒng)的研究D重慶：重慶大學(xué)，20086 徐智敏自由空間光通信調(diào)制與編碼的研究D重慶：重慶大學(xué)，20077 藍(lán)玉偵紫外光通信系統(tǒng)解調(diào)技術(shù)的研究D重慶：重慶大學(xué)，20088 劉宇紫外光語(yǔ)音通信接收系統(tǒng)的研制D重慶：重慶大學(xué)，20079 汪科日盲紫外光語(yǔ)音通信系統(tǒng)的研究D重慶：重慶大學(xué)，200610 Shaw Gary A., Siegel Andrew M., Model Joshua, et alRecent progress in short-range ultraviolet communicationJUnattended Ground Sensor Technologies and Applications VII，2005，5796：214-22511 Shaw Gary A., Siegel Andrew M., Nischan Melissa L. Demonstration system and applications for compact wireless ultraviolet communicationsC/ Sensors, and Command, Control, Communications, and Intelligence (C3I) Technologies for