無(wú)線光通信OOK、PPM、DPPM性能分析研究

無(wú)線光通信中PPM和DPPM調(diào)制方式的研究作者：常新棟ChangXindong（電子工程學(xué)院，光電子技術(shù)系，電子科學(xué)與技術(shù)，1101班）指導(dǎo)老師：謝東華XieDonghua(電子工程學(xué)院，光電子技術(shù)系，講師）摘要：隨著信息化社會(huì)的到來(lái)，通信技術(shù)也得到了日新月異的發(fā)展。在過(guò)去的幾年中，人們對(duì)傳輸速率的要求越來(lái)越高，使用高速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠脩魯?shù)量每年都在遞增，光纖通信因?yàn)槟軅鬏敻咚俾实臄?shù)據(jù)，成為廣域通信網(wǎng)的骨干網(wǎng)絡(luò)，如今在廣域通信網(wǎng)中80%以上的信息是通過(guò)光纖傳輸?shù)?。但是從光纖骨干網(wǎng)到用戶之間的"最后一英里"，如果鋪設(shè)光纜，不僅花費(fèi)大而且耗時(shí)；許多無(wú)線通信技術(shù)可以解決"最后一英里"的問(wèn)題。在無(wú)線光通信技術(shù)中，為了保證鏈路的可靠穩(wěn)定，必須要有很好的鏈路功率預(yù)算。無(wú)線光通信普遍采用強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(cè)（IM/DD）系統(tǒng)，其主要調(diào)制方式有開(kāi)關(guān)鍵控（OOK），脈沖位置調(diào)制（PPM），差分脈沖位置調(diào)制(DPPM)，數(shù)字脈沖間隔調(diào)制（DPIM）和雙頭脈沖間隔調(diào)制（DH-PIM）等。本文主要分析開(kāi)關(guān)鍵控（OOK），脈沖位置調(diào)制（PPM），差分脈沖位置調(diào)制(DPPM)等調(diào)制方式的符號(hào)結(jié)構(gòu)，發(fā)射功率，帶寬需求和誤時(shí)隙率。關(guān)鍵詞：無(wú)線光通信；開(kāi)關(guān)鍵控調(diào)制（OOK）；脈沖位置調(diào)制（PPM）；差分脈沖位置調(diào)制（DPPM）；符號(hào)結(jié)構(gòu)；發(fā)射功率；帶寬需求；誤時(shí)隙率Researchon

wirelessopticalcommunication

PulsePositionModulation

andDifferentialpulsepositionmodulationAbstract:Withtheadventofinformationsociety,communicationtechnologyhasalsobeenrapiddevelopment.

Inthepastfewyears,peoplehavebecomeincreasinglydemandinghightransmissionrate,usinghigh-speeddatatransferrateofthenumberofusersincreaseeveryyear,opticalfibercommunicationbecauseitcantransmithigh-speeddata,awide-areacommunicationsnetworkbackbonenetwork,Nowinwide-areacommunicationsnetworksformorethan80%oftheinformationistransmittedthroughopticalfibers.Butfromthe

opticalfiber

backbonenetwork

tothe

users‘lastmile’.If

thelayingoffiberopticcable,

notonly

costly

andtimeconsumingand

manywirelesscommunication

technologycansolve

the‘lastmile’problem．Inthe

wirelessopticalcommunicationtechnology,

inorderto

ensure

the

stableandreliablelink,

musthavethegood

linkpowerbudget.Wirelessopticalcommunication

iswidelyusedin

intensitymodulation/directdetection

(IM/DD)system,

themain

modulation

with

onoffkeying

(OOK),

pulsepositionmodulation

(PPM),differentialpulsepositionmodulation

(DPPM),

digitalpulseintervalmodulation

(DPIM)

anddualheaderpulseintervalmodulation

(DH-PIM).Thispapermainlyanalyzesthe

on-offkeying

(OOK),

pulsepositionmodulation(PPM),differentialpulsepositionmodulation

(DPPM)

modulation

symbolstructure,

transmissionpower,

bandwidthrequirementand

sloterrorrate.Keywords:Wireless

opticalcommunication;

on-offkeying

modulation

(OOK);

pulsepositionmodulation(PPM);differentialpulsepositionmodulation

(DPPM);

symbols;

power;

bandwidth;

thesloterrorrate簡(jiǎn)介無(wú)線光通信作為一種新型的通信技術(shù),同時(shí)具有光纖通信和移動(dòng)通信的優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)寬帶傳輸，組網(wǎng)機(jī)動(dòng)靈活，無(wú)需頻率申請(qǐng)，并且抗電磁干擾，保密性好，因此近年來(lái)對(duì)無(wú)線光通信的研究受到了廣泛的重視。在無(wú)線光通信系統(tǒng)中低損耗的光傳輸路徑不復(fù)存在。無(wú)線光通信系統(tǒng)鏈路通過(guò)大氣信道，受天氣影響較大，例如：大氣衰減、光強(qiáng)閃爍、背景輻射等，同時(shí)還有光鏈路對(duì)準(zhǔn)問(wèn)題，而且人眼安全限制了激光平均發(fā)射功率,從而對(duì)調(diào)制方式提出較高要求。因此為了保證鏈路的可靠穩(wěn)定，必須要有很好的鏈路功率預(yù)算。無(wú)線光通信普遍采用強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(cè)（IM/DD）系統(tǒng)，其主要調(diào)制方式有開(kāi)關(guān)鍵控（OOK），脈沖位置調(diào)制（PPM），差分脈沖位置調(diào)制(DPPM)，數(shù)字脈沖間隔調(diào)制（DPIM）和雙頭脈沖間隔調(diào)制（DH-PIM）等。符號(hào)結(jié)構(gòu)2.1開(kāi)關(guān)鍵控調(diào)制（OOK）當(dāng)信源bit率為Ry時(shí)，光發(fā)送器在間隔T=1/R。內(nèi)發(fā)送光脈沖P(t)來(lái)表示‘1'，而用不發(fā)光來(lái)表示‘0'。它所孺的帶寬與脈沖寬度成反比，約為Re=1/T。2.2脈沖位置調(diào)制（PPM）在一個(gè)L-PPM的符號(hào)間隔T=log2L/R。中，被分為L(zhǎng)個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙的寬度為T/L，當(dāng)log2L個(gè)信源bits到來(lái)時(shí)，光發(fā)送器僅在這L個(gè)時(shí)隙中的一個(gè)內(nèi)發(fā)送脈沖，而在其它時(shí)隙內(nèi)不發(fā)光。當(dāng)L>2時(shí)，任一L-PPM調(diào)制所需要的光功率都要比OOK少，而且當(dāng)L任意大時(shí)，理論上L-PPM所需要的功率會(huì)任意小，但這是以需要更大的帶寬為代價(jià)的。2.3差分脈沖位置調(diào)制（DPPM）DPPM是PPM的一種簡(jiǎn)單改進(jìn)，從表1可以看出，只要把PPM信號(hào)中的‘1’時(shí)隙后面的‘0’時(shí)隙去掉就可以得到相應(yīng)的DPPM信號(hào)。上文已經(jīng)提到，DPPM與PPM相比，對(duì)符號(hào)級(jí)的同步?jīng)]有那么嚴(yán)格的要求，但更重要的是它可以提供更高的功率利用率和頻帶利用率。因?yàn)樵贒PPM中，我們只是把‘1’后面多余的‘0’去掉了，并沒(méi)有從本質(zhì)上影響它的差錯(cuò)率性能。如果對(duì)于固定的L，由于L-DPPM比相應(yīng)的L-PPM的占空比高，因而它的平均功率利用率會(huì)比PPM低，但如果對(duì)于固定的平均bit率和固定的帶寬，我們可以在DPPM中選用更高的L，從而會(huì)得到更高的平均功率利用率。功率利用率圖1的結(jié)果是在以一定的PER(packeterrorrate)情況下發(fā)送IkB長(zhǎng)度包的結(jié)果，并假設(shè)在高信噪比的理想加性白高斯信道中，而且沒(méi)有考慮碼間千擾的影響?？梢缘玫疆?dāng)輸入為Fbits，調(diào)制輸出為Nchip的情況下各種調(diào)制方式的PER表達(dá)式。其中Pt為平均光功率，R為光檢測(cè)器的靈敏度，N0位白高斯噪聲的雙邊功率密度。頻帶利用率圖2中的計(jì)算是相對(duì)于OOK（NRZ(非歸零碼)）的結(jié)果，當(dāng)信源bit率為Rb時(shí).若以功率譜的第一個(gè)零點(diǎn)計(jì)算，Book≈Rb，對(duì)與L-PPM，它的帶寬大約與時(shí)隙寬度成反比:BL-PPM≈L/log2L，而DPPM和DPIM的數(shù)據(jù)速率不像OOK和PPM那樣是固定的，因此，我們只能用基于平均符號(hào)率的平均bit率來(lái)分析?？梢缘贸鏊鼈冎С忠欢ǖ腷it率所需要的帶寬與它們的平均符號(hào)長(zhǎng)度有關(guān)，即從圖2中可見(jiàn)，DPPM和DPIM所需要的帶寬相差不多，但都比相應(yīng)的PPM少，而且隨著乙的增加，這種帶寬的優(yōu)勢(shì)更加明顯。5.傳輸容量PPM與OOK具有同樣的傳輸容量，但DPPM和DPIM具有更高的傳輸容量，因?yàn)樗鼈儾挥孟驪PM那樣浪費(fèi)時(shí)間等待計(jì)滿一個(gè)確定的計(jì)數(shù)周期.如果PPM的傳輸容量為Mb/symble,則相應(yīng)的DPP和箱DPIM的傳翰容量為6.抗碼間干擾能力上文己經(jīng)提到，在高速或漫射無(wú)線光通信系統(tǒng)中，碼間干擾比較嚴(yán)重，因此我們有必要討淪一下各種調(diào)制方式在多徑彌散引起的碼間干擾中的性能。研究室內(nèi)無(wú)線光通信的碼間干擾性能時(shí)，一般認(rèn)為Carruthers和Kahn的天花板反射的信道模型比較精確。綜合各種文獻(xiàn)的分析，可以得到下面的結(jié)果:在非均衡和硬判決接收中，OOK的抗碼間干擾能力最強(qiáng)，因?yàn)樗墓饷}沖寬度比其它的調(diào)制方式都寬，而DPIM和DPPM具有相似的性能，但比PPM的性能稍差.比如當(dāng)接收誤碼率為10-6時(shí)，在多徑延時(shí)與bit間隔之比固定時(shí)，DPPM和DPIM所需的光功率大約比相應(yīng)的PPM高1-2bB。人們?yōu)榱颂岣吒鞣N調(diào)制方式在碼間千擾信道中的性能，進(jìn)行了許多的研究和探索。其中最有效的方法是用MLSD(MaximumLikelihoodSequenceDetection)，它可以使PPM和DPPM對(duì)光功率的要求降低1-2dB，另外，對(duì)碼間干擾的抑制可以使用信道均衡或調(diào)制與編碼的結(jié)合，例如TCM碼與PPM,Turbo碼與PPM等，但MLSD用于DPIM的性能分析還未見(jiàn)文獻(xiàn)發(fā)表。7.參考文獻(xiàn)【1】汪景園，張正線。無(wú)線光通信中的PPM調(diào)制。電訊技術(shù)報(bào)。2005/view/fc29aa0116fc7