光通信中几种调制方式的性能比较

1、桂林电子工业学院学报jo urnal o f gu il in inst itute o f el ectro n ic technolo gy第 22 卷 第 5 期2002 年 10 月v o l. 22, n o. 5o c t. 2002光通信中几种调制方式的性能比较庞志勇, 朴大志, 邹传云(桂林电子工业学院 通信与信息工程系, 广西 桂林 541004)摘要:无线光通信有多种调制和解调方式: oo k 作为一种最早的调制方式易于实现而被广泛应用,但与 p pm 相比, 它的功率利用率不高; p pm 由于其功率利用率比较高而被广泛采用于无线光通信中。d p pm 和 d p im

2、作为两种典型的新兴调制方式, 由于它们的功率利用率和频带利用率都有较好的特性,有可能在未来代替 p pm . 因此对用于无线光通信中的 oo k , p pm , d p pm 和 d p im 几种调制方式的功 率利用率、频带利用率、传输容量以及抗码间干扰的性能进行了分析和比较。关键词: 无线光通信; oo k; p pm ; d p pm ; d p im中图分类号: tn 761文献标识码: a文章编号: 100127437 (2002) 052012043引言线光通信中也很重要 。本文将主要以无线光通信中的 oo k , p pm , d p pm 和 d p im 为例, 对它们的几

3、种 性能, 如功率利用率, 频带利用率和它们的抗码间干扰能力进行分析和比较。波长 在 700 -1500nm 范 围 内, 大 约 200t h z 的带宽可用作无线光通信, 它可以实现室外点到点通信, 也可用于室内近距离无线局域网内的连接。 速率 可达 gb its 的光纤通信的出现为无线光通信的发展奠定了基础, 然而光纤通信系统中良好的性能很大程度上归功于光纤本身的特性, 在无线光通信系统中那 种低损耗的光传播路径已不复存在1 。因此用于无线 光通信中的调制方式必须考虑无线光信道的传输要 求。 首先, 对人眼安全的规定限制了无线光收发器的平均功率, 而且用电池供电的便携式无线光设备也要 求

4、功率损耗作得尽可能低, 这样, 用于无线光通信中 的调制方式的平均功率利用率要比较高。 其次, 漫射 光收发器要求使用大面积的光检测器, 而大面积的光 检测器的高输入电容将限制光接收机的带宽, 所以用 于无线光通信中的调制方式的频带利用率也是一个需要考虑的重要因素2 。 除此以外, 无线光通信虽然 可以免受多径衰落的影响, 但是在通信速率比较高 时, 例如, 在室内红外无线通信中, 在漫射通信时当速率大于 10m b s 和在直射通信时速率大于 100m b s时 我们必须考虑多径弥散引起的 is i ( 码间干扰) 对 调制方式的影响。因此调制方式的抗码间干扰性在无1 符号结构1. 1 oo

5、 k当信源 b it 率为 r b 时, 光发送器在间隔t = 1r b内 发送光脉冲 p ( t) 来表示“1”, 而用不 发 光 来 表 示 “0”. 它所需的带宽与脉冲宽度成反比, 约为r b = 1t .1. 2p pmp pm 的符号间隔 t = lo gl在一个 l -2 r b 中, 被分为 l 个时隙, 每个时隙的宽度为 t l , 当 lo gl2 个信源 b it s 到来时, 光发送器仅在这 l个时隙中的一个内发送脉冲, 而在其它时隙内不发光。当 l 2 时, 任一 l p pm 调制所需要的光功率都要比 oo k 少, 而且当 l 任意大时, 理论上 l - p pm所

6、需要的功率会任意小, 但这是以需要更大的带宽为代价的。1. 3 d p pm 4 收稿日期: 2002- 06- 19基金项目: 国家自然科学基金资助项目 ( 69982004)作者简介: 庞志勇 ( 19752) , 男, 辽宁海城人, 桂林电子工业学院通信与信息工程系硕士研究生, 主要从事无线通信和计算机网络通信等 方面的研究.d p pm 是 p pm 的一种简单改进, 从表 1 可以看1. 4 d p im出, 只要把 p pm信号中的“1”时隙后面的“0”时隙去与 d p pm 类似, 在 d p im中符号长度也是不固掉就可以得到相应的 d p pm 信号。 从文献 2可知,d p

7、 pm 与 p pm 相比, 对符号级的同步没有那么严格 的要求, 但更重要的是它可以提供更高的功率利用率和频带利用率。 因为在 d p pm 中, 我们只是把“1”后 面多余的“0”去掉了, 并没有从本质上影响它的差错率性能。 如果对于固定的 l , 由于 l - d p pm 比相应定的, 它用两个连续的光脉冲间的相对距离 (时隙数)来传递信息。d p im 的每一个符号都是以“1”开始, 如 表 1 所示, 后面跟着长度为 k 的“0”, 其中 1k l .表 1 信源 b it 和传送符号间的一种映射信源 b it soo k4- p pm4- d p pm4- d p im00011

8、011000110111000010000100001101001000110100100010000的 l - p pm的占空比高, 因而它的平均功率利用率会比 p pm 低, 但如果对于固定的平均 b it 率和固定的带宽, 我们可以在 d p pm 中选用更高的 l , 从而会 得到更高的平均功率利用率。图 1各种调制方式相对与 oo k 的归化功率功率利用率n 0 为白高斯噪声的双边功率谱密度。从图 1 中可以看到, 当 l 固定且 l 4 时, p pm( 硬判决) , d p im 和 d p pm 的功率利用率都比 oo k的高, 但略低于 p pm (软判决).2由于 d p

9、pm 和 d p im 的符号长度不固定, 任何一个时隙的错误都会对相邻时隙的判决产生影响。因 此, 图 1 的 结 果 是 在 以 一 定 的 p er ( p ack e t e r ro rr a te ) 情况下发送 1kb 长度包的结果, 并假设在高信 噪比的理想加性白高斯信道中, 而且没有考虑码间干扰的影响。 可以得到当输入为 f b it s, 调制输出为 n频带利用率3图 2 中的计算是相对于oo k (n r z (非归零码) )ch ip 的情况下各种调制方式的 p er 表达式4, 5p oo k n q (r p t (r bn 0 ) 12 ):的结果。当信源 b i

10、t 率为 r b时, 若以功率谱的第一个零点计算, b oo k r b , 对与 l - p pm, 它的带宽大约p ppm n q (r p t (l lo gl 4r bn 0 ) 12 ) , (硬判决) r l lo gl与时隙宽度成反比:2 , 而 d p pm和b l - ppm2bp ppm n q (r p t (l lo gl 2r bn 0 ) 12 ) , (软判决) ,d p im 的 数 据 速 率 不 像 oo k 和 p pm那 样 是 固 定2的, 因此, 我们只能用基于平均符号率的平均 b it 率p d ppm n q (r p t (决)p d p im

11、 n q (r p t (l判决)(l + 1) lo gl 2 8r bn 0 ) ( 硬 判5来分析 。 可以得出它们支持一定的 b it 率所需要的带宽与它们的平均符号长度有关, 即+ 1) r bn 0 ) 12 ) (硬+ 3) 2 lo gl 8 (l2b l - d ppm r b (l + 1) 2 lo g2 ,llb l - d p im r b (l + 3) 2 lo g2.其中 p t 为平均光功率, r 为光检测器的灵敏度,图 2 各种调制方式相对于 oo k 的归一化带宽从图 2 仿真结果可得出, d p pm 和 d p im所需d p pm 和d p im 的

12、归一化信息量比 p pm 和oo k 都有显著的提高, 即具有更大的传输容量, 而且随着m的增加, 这种优势更加明显。要的带宽相差不多, 但都比相应的 p pm着 l 的增加, 这种带宽的优势更加明显。少, 而且随码间干扰4传输容量5以上已经提到, 在高速或漫射无线光通信系统中, 码间干扰比较严重, 因此我们有必要讨论一下各 种调制方式在多径弥散引起的码间干扰中的性能。研究 室 内 无 线 光 通 信 的 码 间 干 扰 性 能 时, 一 般 认 为c a r ru th e r s 和 k ah n 的 天 花 板 反 射 的 信 道 模 型7 比 较精确。综合各种文献4, 5, 8 的分析

13、, 可以得到下面的结果: 在非均衡和硬判决接收中, oo k 的抗码间干 扰能力最强, 因为它的光脉冲宽度比其它的调制方式p pm 与 oo k 具有同样的传输 容 量, 但 d p pm和 d p im 具 有 更 高 的 传 输 容 量, 因 为 它 们 不 用 象p pm 那样浪费时间等待计满一个确定的计数周期。 如 果 p pm 的 传 输 容 量 为 m b sym bo l, 则 相 应 的d p pm 和 d p im 的传输容量分别为2m 2m (2m +cd ppm =1)+ 3) 6相同的情况下,2m (2m + 1) (2mcd p im =从图 3 仿真结果可得出, 在

14、m都 宽, 而 d p im 和 d p pm具 有 相 似 的 性 能, 但 比的性能稍差。比如当接收误码率为 10- 6 时, 在多p pm径延时与 b it 间隔之比固定时, d p pm 和 d p im 所需的光功率大约比相应的 p pm 高 1 - 2db. 具体的性 能比较结果可以在文献 4, 5, 8中找到, 因此我们在这里就不再重复。从上述文献中, 我们可以得出, d p im 和 d p pm抗码间干扰能力会略有降低。而且在码间干扰比较严 重的时候它们的性能都会受到更大影响。 因此, 在高速或漫射无线光通信系统中应该采取一定的措施对 码间干扰进行抑制。人们为了提高它们在码间

15、干扰信道中的性能, 进行了许多的研究和探索。 其中最有效的 方法是用 m l sd (m ax im um l ik e lihoo d sequ en ce图 3 各种调制方式的归一化信息量d e tec t io n ) , 它可以使 p pm 和 d p pm对光功率的要求降低 1- 2db , 另外, 对码间干扰的抑制可以使用信道均衡或调制与编码的结合, 例如 t cm 码与 p pm ,借鉴意义。t u rbo 码与 p pm 等, 但m l sd 用于 d p im析还未见文献发表。的性能分参考文献:1d av id j t , e t a l. o p t ica l w ire

16、 le ss: th e sto ry so fa r j . ie e ecomm un ica t io n m agazine. 1998, 12: 72-82.2gh a ssem loo y z and h aye s a r. d ig ita l p u lse in te rva l结束语6m o du la t io n fo r op t ica l comm un ica t io n s j .comm un ica t io n m agazine, 1998, 12: 95- 99.ie e e3kah n j m , e t a l. e xp e r im en

17、 ta l ch a rac te r iza t io n o f no nd irec tedindoo r inf ra red ch anne ls j . ie e e t ran s. comm un. , 1996, 43 ( 2) : 1613- 1623.sh iu d a2sh an and m kah n. d iffe ren t ia l p u lse2po sit io n m o du la t io n fo r pow e r2eff ic ien t op t ica l comm un ica t io n j . ie e e t ran s. com

18、m u , 1999, 47 ( 8) : 1201- 1209.j in lo ng zh ang. m o du la t io n ana ly sis fo r o u tdoo r s app lica t io n s o f op t ica l w ire le ss comm un ica t io n s j . comm un ica t io n t ech no lo gy p ro ceed ing s, w cc 2icc t 2000. in te rna t io na l co nfe rence o n ,2000, 2 ( 2) : 1483- 1487

19、 .gh a ssem loo y z, e t a l. d ig ita l p u lse in te rva l and w ith m o du la t io noo k 是一种最容易实现的用于 im dd 系统的调制方式, 因此在许多商用无线光通信系统中得到了 应用, 但这是以牺牲功率利用率为代价的。 当无线光 信道中受到背景光的影响较大时, 或者在高速无线光 通信时, 就需要选择一种具有更高光功率利用率和频带利用率的调制方式。通过仿真分析可知, p pm 就是 满足这样要求的一种调制方式。目前, p pm 已在高速红外无线光通信、光纤通信等许多领域得到了广泛应用。d p pm

20、和 d p im 作为两种典型的新兴调制方式 与 p pm 相比, 具有更高的传输容量, 不要求符号级456fo r op t ica l f ibe r comm un ica t io n j . p ro c. sp ie ,68.1995, 2: 60 -同步, 因此, d p pm 和 d p im 可以选用更高 l值, 获7c a r ru th e r s j b , e t a l. m o de ling o f no nd irec ted w ire le ss inf ra red取更高的功率利用率, 频带利用率, 因而有可能代替p pm , 在高速无线光通信中得到广泛

21、应用。d p pm 和d p im 的仿真分析, 对它们在无线光通信中应用具有ch anne ls. ie e e t ran s. comm u. , 1997, 45 ( 10) : 1260-1268.8kah n j m and b a r ry j r. w ire le ss inf ra red comm un ica t io n s j .p ro ceed ing s o f th e ie e e , 1997, 85 ( 2) : 265-298.perf orm an ce com pa r ison s ofsevera l m odu la t ion schem

22、 e sf or o p t ica l w ire le ss comm un ica t ionpa n g z h i2y on g , p ia o d a 2z h i, zou c h u a n 2y u n(d ep t. o f comm u n ica t io n an d in fo rm a t io n e n g in ee r in g, gu ilin 541004, c h in a)a bstra c t: t h e re a re m an y m o du la t io n m e tho d s su itab le fo r op t ica l w ire le ss comm u n ica t io n. oo k , th e ea r lie stm o du la t io n sch em e, w a s w ide ly u sed fo r it s sim p lic ity, b u t com p a red w ith p pm it s pow e r eff ic ien cy is low e r.p pm h a s h en ce rep laced oo k an d b een