CN101488804A - 无线光通信双宽脉冲位置调制方法 - Google Patents

Abstract

选择合适的调制方案是无线光通信***设计的重要方面。高功率利用率和高带宽利用率是无线光通信***调制方法追求发展的方向。针对PPM带宽利用率低和DPIM存在缓存器冗位或溢位等问题，本发明提供了一种新的无线光通信***调制方法——双宽脉冲位置调制方法(Dual Header－Pulse Position Modulation－DD－PPM)，理论分析及仿真试验结果表明，与PPM相比，DD－PPM的功率利用率有所下降，但大大提高了带宽利用率和传输容量。与DPIM相比，在解调时不存在缓存器的冗位或溢位等问题，而且在差错性能方面接近、甚至优于DPIM。

Description

无线光通信双宽脉冲位置调制方法

所属技术领域

本发明涉及无线光通信***的调制方法，也就是采用何种方法把二进制信息比特调制到光信号上，利用无线光进行数据传输。

背景技术

无线光通信不仅同时具有光纤通信和移动通信的优势，而且无需频率申请，组网灵活，保密性好，可实现宽带传输，尤其是能够满足当前大数据量传输的要求，因而近年来备受关注。由于人眼安全和移动装置便携性的要求，无线光通信的发射光功率受到了很大限制。在噪声及信号平均功率一定情况下，要降低误码率就需要提高信号峰值功率和平均功率的比值，而功率效率的提高通常是通过增大带宽需求而获得。当散弹噪声为主要噪声时，信噪比正比于光电探测器的面积，所以实际中要尽可能选择大的接收探测器。但探测器面积的变大其电容也变大，又限制了***带宽。因此，对调制方案的设计存在一个带宽需求和功率需求平衡的问题。换言之，追求高功率利用率和高带宽利用率是无线光通信***调制方法的研究和发展方向。

目前无线光通信***普遍采用强度调制/直接检测(IM/DD)***，可用的调制方式有很多种，其中典型的三种方式为：开关键控调制(On-Off Keying—OOK)，脉冲位置调制(Pulse Position Modulation—PPM)和数字脉冲间隔调制(DigitalPulse Interval Modulation—DPIM)。三者比较，OOK方式实现简单，但功率利用率太低，而且抗干扰能力差；PPM的功率利用率最高，但同时增加了带宽需求和需要符号同步；DPIM在接收端不需要符号同步，而且相比于PPM具有更高的带宽利用率，近年来引起了人们的注意。但是DPIM的功率利用率远远低于PPM，而且符号长度是随机变化的，连续多个符号都为短符号或长符号的情况将以一定的概率发生，容易造成缓存器的

(underflow)或

(overflow)，无法保证通信的可靠性，因此，DPIM实际实现起来也比较困难。

国内外工程实际中，目前主要采用的调制方式为OOK和PPM。有关OOK样机或产品的研制单位主要有Terabeam公司、Oraccess公司、LightPointe公司、清华同方和中科院成都光电技术研究所，以及上海光机所等。OOK方式抗干扰能力差，功率利用率低，相应地在一定的功率条件下，传输距离就受到限制，保证不了军事通信中远距离、可靠的数据传输。因此，在军事应用中，OOK方式势必被其它性能优异的调制方式所取代。1995年11月PPM调制方式被IEEE802.11委员会推荐用于无线光通信。为此，国内桂电开展了相关的研究，并进行了样机研制。然而PPM调制方式自提出几十年来，工程上一直没有得到应用，其主要原因之一就是因为带宽效率较低和信号同步复杂。如何实现PPM的精确符号同步，业内已有研究，目前我们也研发出两种新的方法并申报了两项专利。关于如何提高带宽效率和传输容量，这正是本申请专利致力于解决的问题。

发明内容

本发明的目的是发明一种新的无线光通信脉冲位置调制方法。该方法可视为基于PPM的一种改进方法。它通过缩短符号长度并保持符号长度固定，既可避免DPIM存在的缓存器冗位或溢位等问题，又比PPM极大提高了带宽效率和传输容量，同时在差错性能方面接近甚至高于DPIM。

为达到上述目的，本发明提出了一种双宽脉冲位置调制方法(DualDuration-Pulse Position Modulation-DD-PPM)。无线光通信***的调制方法属于数字调制，也就是说，通过二进制信息比特与离散光脉冲的对应关系实现数据调制，通过把二进制信息比特调制到离散的光脉冲上进行数据传输。无线光通信的通信时间被分为宽度相同的时间段，每一时间段称为一个时隙，每个时隙有两种状态，第一种状态是发送光脉冲，称为脉冲时隙，另一种状态是不发送光脉冲，称为空时隙，每个时隙处于哪种状态取决于所采用的调制方法、调制参数以及所传输的二进制信息比特。

本发明是通过如下技术措施来达到：

下面介绍脉冲位置调制的符号结构。

1、PPM脉冲位置调制方法的调制结构：

在PPM调制方法中，将二进制信息比特以组为单位进行传输，每组所包含的比特个数用M表示，称为比特分辫率。将传递M比特的时间分成2^M等份，每等份称为一个时隙(slot)。以2^M个时隙为一组，称作一个PPM符号。这2^M个时隙中只有一个时隙发送光脉冲，脉冲的位置取决于M位二进制信息比特组所对应的十进制值，具体关系如下：如果设M比特二进制所对应的十进制值为k，则脉冲时隙在2^M个时隙中的位置为第k+1个时隙处，因此称这种调制方法为脉冲位置调制方法。

2、双宽脉冲位置调制方法的调制结构：

对于M位二进制信源比特组，PPM是将其映射成为2^M个时隙组成的时间段上某一个时隙处的单脉冲信号，而DD-PPM则是将该数组映射成为(2^M-1+α-1)个时隙组成的时间段上某一个时隙处开始的单脉冲信号。其中，α为正整数。DD-PPM的映射过程和PPM类似，每个符号也只含有一个脉冲，但二者的符号长度和单脉冲宽度不同，即所包括的时隙个数不同。一般设定如下：PPM中每个符号的长度为2^M个时隙，单脉冲的宽度为一个时隙；DD-PPM中每个符号的长度为(2^M-1+α-1)个时隙，单脉冲的宽度有2种，详见下述定义。如果设M比特二进制所对应的十进制值为k，设DD-PPM映射中脉冲的位置为m，脉冲的宽度为D_p，则DD-PPM调制符号的具体映射过程如下：如果k<2^M-1，则DD-PPM映射中脉冲的起始位置在第(k+1)个时隙处，脉冲宽度为α/2个时隙，同时去掉了相对于PPM映射中脉冲后面的2^M-1个空时隙，保持DD-PPM的符号长度固定为(2^M-1+α-1)；如果k≥2^M-1时，则取脉冲的起始位置为第(k+1-2^M-1)个时隙处，宽度为α个时隙，同时去掉相对于PPM映射中脉冲前面的2^M-1个空时隙，保持DD-PPM的符号长度不变。用公式表示，则为：

$\left\{\begin{array}{cc}m=k+1,& \mathrm{Dp}=\mathrm{\&alpha;}/2;k<2^{M-1}\\ m=k+1-2^{M-1},& \mathrm{Dp}=\mathrm{\&alpha;};k\&GreaterEqual;2^{M-1}\end{array}\right.---\left(1\right)$

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.本发明为无线光通信***提供了一种新的高功率利用率和高带宽利用率的调制方法。

2.无线光通信中常用的OOK，PPM和DPIM三种典型的调制方式中，PPM方法功率利用率最高，但带宽利用率太低。DPIM的带宽利用率高于PPM，但是功率利用率低于PPM，而且符号长度变化随机，存在接收机缓存器冗位或溢位等问题，工程上难以实现。DD-PPM的设计正是基于对以上情况进行了扬长避短的考虑。

3.DD-PPM通过采用两种时宽的脉冲表示信源比特、相对于PPM的平均符号长度减少近一半，使其带宽利用率和传输容量比PPM得到了显著提高。另外，DD-PPM和PPM方式一样具有固定的符号长度，在解调时不存在缓存器的冗位或溢位等问题，比DPIM方式更易于工程实现，而且在差错性能方面DD-PPM接近、甚至优于DPIM。

附图说明

图1是M＝4时传输二进制信息比特00101010所对应PPM和DD-PPM的调制符号结构示意图。

Claims (2)

1.一种新的无线光通信***调制方法——双宽脉冲位置调制方法(DualHeader-Pulse Position Modulation-DD-PPM)。其特征是将二进制信息比特以组为单位进行传输，每组所包含的比特个数用M表示，称为比特分辫率。将传递M比特的时间分成2^M等份，每等份称为一个时隙(slot)。一个DD-PPM符号包含(2^M-1+α-1)个时隙，其中脉冲的幅度相同，但宽度有两种。例如，定义第一种脉冲的宽度占α/2个时隙，第二种脉冲脉冲宽度占α个时隙。脉冲开始的位置与二进制信息比特组对应的十进制值相对应。其对应关系如下：二进制信息比特对应的十进制值用k表示，当k<2^M-1时，脉冲起始于第(k+1)个时隙的位置，脉冲的宽度为α/2个时隙。当k>2^M-1-1时，脉冲起始于第(k+1-2^M-1)个时隙的位置，脉冲的宽度为α个时隙。

2.权利要求1所述的双宽脉冲位置调制方法的符号结构，其特征在于：一个DD-PPM的符号长度是固定的，其中脉冲个数只有1个，且幅度固定，但脉冲的宽度有两种；同时脉冲的起始位置与二进制信息比特组所对应的十进制值相对应。

Images