无线光通信OOK、PPM、DPPM性能分析研究

无线光通信中PPM和DPPM调制方式的研究作者：常新栋ChangXindong（电子工程学院，光电子技术系，电子科学与技术，1101班）指导老师：谢东华XieDonghua(电子工程学院，光电子技术系，讲师）摘要：随着信息化社会的到来，通信技术也得到了日新月异的发展。在过去的几年中，人们对传输速率的要求越来越高，使用高速率数据传输的用户数量每年都在递增，光纤通信因为能传输高速率的数据，成为广域通信网的骨干网络，如今在广域通信网中80%以上的信息是通过光纤传输的。但是从光纤骨干网到用户之间的"最后一英里"，如果铺设光缆，不仅花费大而且耗时；许多无线通信技术可以解决"最后一英里"的问题。在无线光通信技术中，为了保证链路的可靠稳定，必须要有很好的链路功率预算。无线光通信普遍采用强度调制/直接检测（IM/DD）系统，其主要调制方式有开关键控（OOK），脉冲位置调制（PPM），差分脉冲位置调制(DPPM)，数字脉冲间隔调制（DPIM）和双头脉冲间隔调制（DH-PIM）等。本文主要分析开关键控（OOK），脉冲位置调制（PPM），差分脉冲位置调制(DPPM)等调制方式的符号结构，发射功率，带宽需求和误时隙率。关键词：无线光通信；开关键控调制（OOK）；脉冲位置调制（PPM）；差分脉冲位置调制（DPPM）；符号结构；发射功率；带宽需求；误时隙率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简介无线光通信作为一种新型的通信技术,同时具有光纤通信和移动通信的优势，可实现宽带传输，组网机动灵活，无需频率申请，并且抗电磁干扰，保密性好，因此近年来对无线光通信的研究受到了广泛的重视。在无线光通信系统中低损耗的光传输路径不复存在。无线光通信系统链路通过大气信道，受天气影响较大，例如：大气衰减、光强闪烁、背景辐射等，同时还有光链路对准问题，而且人眼安全限制了激光平均发射功率,从而对调制方式提出较高要求。因此为了保证链路的可靠稳定，必须要有很好的链路功率预算。无线光通信普遍采用强度调制/直接检测（IM/DD）系统，其主要调制方式有开关键控（OOK），脉冲位置调制（PPM），差分脉冲位置调制(DPPM)，数字脉冲间隔调制（DPIM）和双头脉冲间隔调制（DH-PIM）等。符号结构2.1开关键控调制（OOK）当信源bit率为Ry时，光发送器在间隔T=1/R。内发送光脉冲P(t)来表示‘1'，而用不发光来表示‘0'。它所孺的带宽与脉冲宽度成反比，约为Re=1/T。2.2脉冲位置调制（PPM）在一个L-PPM的符号间隔T=log2L/R。中，被分为L个时隙，每个时隙的宽度为T/L，当log2L个信源bits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-PPM调制所需要的光功率都要比OOK少，而且当L任意大时，理论上L-PPM所需要的功率会任意小，但这是以需要更大的带宽为代价的。2.3差分脉冲位置调制（DPPM）DPPM是PPM的一种简单改进，从表1可以看出，只要把PPM信号中的‘1’时隙后面的‘0’时隙去掉就可以得到相应的DPPM信号。上文已经提到，DPPM与PPM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DPPM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-DPPM比相应的L-PPM的占空比高，因而它的平均功率利用率会比PPM低，但如果对于固定的平均bit率和固定的带宽，我们可以在DPPM中选用更高的L，从而会得到更高的平均功率利用率。功率利用率图1的结果是在以一定的PER(packeterrorrate)情况下发送IkB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，而且没有考虑码间千扰的影响。可以得到当输入为Fbits，调制输出为Nchip的情况下各种调制方式的PER表达式。其中Pt为平均光功率，R为光检测器的灵敏度，N0位白高斯噪声的双边功率密度。频带利用率图2中的计算是相对于OOK（NRZ(非归零码)）的结果，当信源bit率为Rb时.若以功率谱的第一个零点计算，Book≈Rb，对与L-PPM，它的带宽大约与时隙宽度成反比:BL-PPM≈L/log2L，而DPPM和DPIM的数据速率不像OOK和PPM那样是固定的，因此，我们只能用基于平均符号率的平均bit率来分析。可以得出它们支持一定的bit率所需要的带宽与它们的平均符号长度有关，即从图2中可见，DPPM和DPIM所需要的带宽相差不多，但都比相应的PPM少，而且随着乙的增加，这种带宽的优势更加明显。5.传输容量PPM与OOK具有同样的传输容量，但DPPM和DPIM具有更高的传输容量，因为它们不用象PPM那样浪费时间等待计满一个确定的计数周期.如果PPM的传输容量为Mb/symble,则相应的DPP和箱DPIM的传翰容量为6.抗码间干扰能力上文己经提到，在高速或漫射无线光通信系统中，码间干扰比较严重，因此我们有必要讨沦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Carruthers和Kahn的天花板反射的信道模型比较精确。综合各种文献的分析，可以得到下面的结果:在非均衡和硬判决接收中，OOK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都宽，而DPIM和DPPM具有相似的性能，但比PPM的性能稍差.比如当接收误码率为10-6时，在多径延时与bit间隔之比固定时，DPPM和DPIM所需的光功率大约比相应的PPM高1-2bB。人们为了提高各种调制方式在码间千扰信道中的性能，进行了许多的研究和探索。其中最有效的方法是用MLSD(MaximumLikelihoodSequenceDetection)，它可以使PPM和DPPM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TCM码与PPM,Turbo码与PPM等，但MLSD用于DPIM的性能分析还未见文献发表。7.参考文献【1】汪景园，张正线。无线光通信中的PPM调制。电讯技术报。2005/view/fc29aa0116fc7