CN101494507A - 无线光通信系统双脉冲间隔调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线光通信系统双脉冲间隔调制(DP－PIM)方法，该方法基于数字脉冲间隔调制。本发明的调制符号结构，具有固定的符号长度，一个起始脉冲固定置于每个符号的首时隙，利用一个脉冲宽度二选一的标识脉冲及其与起始脉冲的不同间距来表示所传信息。本发明不仅继承了PPM固定符号长度带来的优势，克服了DPIM、DH－PIM和DAPIM容易出现缓存器冗位和溢位等缺点，而且继承了DPIM、DH－PIM和DAPIM缩短符号长度带来的优势，平均符号长度相对于PPM减少近一半。同时还具有内置符号同步能力。另外，本发明不仅继承了FDPIM方式的优势，而且较之缩短符号长度逾一半，显著提高了带宽利用率和传输容量。

Description

无线光通信系统双脉冲间隔调制方法

技术领域

本发明涉及无线光通信系统的调制方法，尤其涉及一种基于双脉冲间隔调制符号结构的调制方法。

背景技术

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。但探测器面积变大其电容也变大，又限制了系统带宽。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。

目前无线光通信系统普遍采用强度调制/直接检测(IM/DD)系统，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-OffKeying-OOK)，脉冲位置调制(PulsePosition Modulation-PPM)和数字脉冲间隔调制(Digital Pulse Interval Modulation-DPIM)。三者比较结果，正如张凯2004年在《无线光通信双幅度脉冲间隔调制研究及其在光波ETC中的应用》(张凯著，清华大学工学博士学位论文，2004，8-15)一文中所述，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，抗干扰能力强，但同时增加了带宽需求和需要符号同步；DPIM不需要符号同步，带宽效率高，比OOK功率效率高，近年来引起了人们的深入研究。后来以DPIM为基础，先后又有N.M.Aldibbiat在《无线光通信系统双头脉冲间隔调制方法(Dual Header-Pulse Interval Modulation-DH-PIM)的性能分析》(Aldibbit，N.M.，Ghassemlooy，Z.and Mclaughlin，R.：Performance of Dual Header-PulseInterval Modulation(DH-PIM)for optical wireless communication systems.

http://soe.inn.ac.uk/ocr/downloads/dh-pim-spie/DH-PIM_spie.pdf)一文中提出了双头脉冲间隔调制(DH-PIM)和张凯提出了双幅度脉冲间隔调制(Dual-amplitude Pulse Interval ModulationDAPIM)。DH-PIM和DAPIM具有内置时隙和符号同步能力，进一步提高了等宽效率和传输容量，但是它们的符号长度与DPIM一样都是随机变化的，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，解调时容易造成缓存器的冗位(underflow)或溢位(overflow)，难以保证通信的可靠性，工程实现起来都比较困难。针对上述问题，2007年张铁英等人在《无线光通信中的定长数字脉冲间隔调制》(张铁英、王红星等著，中国激光，2007，第34卷，第12期，1655-1656)一文中提出了一种定长数字脉冲间隔调制(Fixed-Length Digital PulseInterval Modulation FDPIM)方法，FDPIM方法虽然克服了缓冲器冗位或溢位等问题，而且解决了符号同步问题，但同时存在符号长度过长等问题，并且带宽需求相对较高，平均发射功率也没有优势。

发明内容

1.要解决的技术问题

本发明的目的就是发明一种新的调制方法，该方法中，具有内置的符号同步能力，可解决解调时缓存器存在的冗位或溢位等问题，能适当缩短符号长度，提高带宽效率和传输容量。

为了实现上述目的，本发明提出了一种新的无线光通信双脉冲间隔调制(Dual Pulse-PulseInterval Modulation-DP-PIM)方法。具体讲就是该方法中的符号结构设计，既要继承DPIM、DH-PIM和DAPIM具有内置符号同步的能力和缩短符号长度带来的优势，又要解决DPIM、DH-PIM和DAPIM共同存在的缓存器冗位和溢位等问题；既要继承PPM固定符号长度带来的优势，又要比PPM显著提高带宽效率和传输容量，同时能解决符号同步问题；另外，就是与FDPIM相比，DP-PIM可明显缩短符号长度，极大提高带宽效率和传输容量。

2.技术方案

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

(1)无线光通信双脉冲间隔调制(Dual Pulse-Pulse Interval Modulation，DP-PIM)方法是基于脉冲间隔传输信息的无线光通信调制方法，每个DP-PIM调制符号的结构特征是利用一个固定的起始脉冲和一个变化的标识脉冲，以及起始脉冲与标识脉冲之间的时间间隔变化来表示所传输信息的不同，具体产生方法如下：

①将二进制信息比特以组为单位进行传输，每组所包含的二进制比特个数用M表示；

②将传递M比特的时间分成2^M等份，每等份称为一个时隙，每个DP-PIM符号中包含的时隙个数固定，即符号长度固定；

③每个DP-PIM符号中含有一个起始脉冲和一个标识脉冲；

④每个DP-PIM符号中起始脉冲固定始于第一个时隙，且幅度和宽度固定；

⑤每个DP-PIM符号中标识脉冲的位置(即标识脉冲与其前面起始脉冲之间的距离)和宽度，根据所传递M位二进制信息比特数组对应的十进制值确定。

(2)根据以上所述的方法，如果设M位二进制信息比特数组所对应的十进制值用k表示，每个DP-PIM的符号长度用L_S表示，每个时隙的长度用T_S表示，则DP-PIM的符号结构具体定义如下：

①起始脉冲和标识脉冲的幅度相同。

②起始脉冲固定始于第一个时隙，且宽度为1个时隙。

③每个DP-PIM的符号长度固定为L_S＝(2^M-1+α)T_S。其中，α为正整数。一般取0＜α≤2。

④当k＜2^M-1时，对应标识脉冲的宽度为α/2个时隙，标识脉冲和起始脉冲之间的时间间隔为k个时隙；当k≥2^M-1时，对应标识脉冲的宽度为α个时隙，标识脉冲和起始脉冲之间的时间间隔为(k-2^M-1)个时隙。当然，相反设定对应的方式也可以。

如果设每个DP-PIM符号中标识脉冲的起始位置为m，标识脉冲的宽度为D_p，则以上可用公式表示如下：

$\left\{\begin{array}{ccc}m=k+2,& \mathrm{Dp}=0.5\mathrm{\&alpha;}{T}_s\mathrm{or\&alpha;}{T}_s;& k<2^{M-1}\\ m=k+2-2^{M-1},& \mathrm{Dp}=\mathrm{\&alpha;}{T}_s\mathrm{or}0.5\mathrm{\&alpha;}{T}_s;& k\&GreaterEqual;2^{M-1}\end{array}\right.---\left(1\right)$

⑤根据情况，标识脉冲之后补充若干空时隙使每个DP-PIM的符号长度固定不变。

(3)如果考虑避免脉冲发生粘连导致码间串扰(ISI)，可分别在起始脉冲和标识脉冲之后加若干空时隙作为保护时隙。相应地，DP-PIM的符号长度也应随之增加。为了分析方便，上述符号结构定义和附图中把保护时隙省略掉了。

3.有益效果

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明通过采用两种脉冲表示信源比特，平均符号长度相对于PPM减少近一半，带宽利用率和传输容量比PPM得到了显著提高。(见说明书附图1、图2和图3)

(2)本发明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和DH-PIM方式更易于工程实现。

(3)本发明采用的起始脉冲具有内置同步能力，与OOK和PPM相比显著提高了符号同步能力。(见说明书附图1)

(4)本发明不仅继承了FDPIM方式的优势，而且较之缩短符号长度逾一半，显著提高了带宽利用率和传输容量。(见说明书附图1、图2和图3)

附图说明

图1是DP-PIM调制符号的结构示意图。

图2是OOK、PPM、DPIM、FDPIM和DP-PIM的带宽需求比较。

图3是OOK、PPM、DPIM、FDPIM和DP-PIM的传输容量比较。

图1中：为了便于比较还同时给出了相应的OOK，PPM、DPIM和FD-PIM的调制符号结构示意图；因为FDPIM的符号长度过长，按同等尺寸比例图中未能给出S₂对应的完整调制符号结构示意图。

具体实施方式

无线光通信系统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，即通过把二进制的信息比特数组映射成离散的光脉冲进行数据传输。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，每个时隙存在两种状态，一种状态是其上有光脉冲发送，称为脉冲时隙，另一种状态是没有光脉冲发送，称为空时隙，每个时隙处于哪种状态取决于所采用的调制符号结构、调制参数以及所传输的二进制信息比特。

下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例

设计要求：根据上述DP-PIM符号结构的具体定义，起始脉冲和标识脉冲的幅度相同，如图1所示。图中设传输的信息源以M＝4比特为一组进行传输。S₁表示第一个字符所传递的二进制数组为0010，其相应的十进制值为k＝2。S₂表示第二个字符传递的二进制数组为1010，其相应的十进制值为k＝10。T_S表示时隙宽度。L_S表示调制符号长度。

设计分析：根据设计要求，DP-PIM的符号结构需通过标识脉冲宽度的变化以及起始脉冲与标识脉冲间距的变化来反映所传递信息的不同，具体实现过程如下：

①设起始脉冲1和3与标识脉冲2和4的幅度相同。

②设α＝1，则每个DP-PIM符号长度固定为9个时隙。起始脉冲1置于头一个时隙，宽度为1个时隙。

③因为S₁所对应的k＝2＜8，所以第一个标识脉冲2的宽度为1/2个时隙，它与第一个起始脉冲1应相隔2个时隙，即标识脉冲2起始于第4个时隙，也就是说，第一个标识脉冲2占居第4个时隙的前半部分；最后补充5个半空时隙使每个DP-PIM字符的长度固定为9个时隙。因为S₂所对应的k＝10＞8，所以第二个标识脉冲4与第二个起始脉冲3相隔2个时隙，宽度为1个时隙；由于第二个起始脉冲3位于第10个时隙位置，则第二个标识脉冲4应始于并占满第13个时隙，然后补充5个空时隙使DP-PIM字符的长度固定为9个时隙。

Claims (2)

1.一种无线光通信系统双脉冲间隔调制(Dual Pulse-Pulse Interval Modulation-DP-PIM)方法，是基于数字脉冲间隔传输信息的无线光通信调制方法，其特征是，每个DP-PIM调制符号结构包括以下特征：

①将二进制信息比特以组为单位进行传输，每组包含的二进制比特个数用M表示；

②将传递M比特的时间分成2^M个等份，每等份称为一个时隙，每个DP-PIM符号中所包含的时隙个数固定，即符号长度固定；

③每个DP-PIM符号中含有一个起始脉冲和一个标识脉冲；

④每个DP-PIM符号中起始脉冲固定始于第一个时隙，且幅度和宽度固定；

⑤每个DP-PIM符号中标识脉冲的位置(即标识脉冲与其前面起始脉冲之间的距离)和宽度，根据传递M位二进制信息比特数组所对应的十进制值确定。

2.根据权利要求1所述的双脉冲间隔调制(DP-PIM)的符号结构，其特征是，对所述的符号结构按以下定义产生：

①每个DP-PIM符号中起始脉冲固定始于第一个时隙，且幅度固定，宽度为1个时隙；

②DP-PPM符号的长度固定为(2^M-1+α)个时隙，其中，α为正整数，一般0＜α≤2；

③标识脉冲的幅度固定；

④设M位二进制信息比特组所对应的十进制值用k表示，当k＜2^M-1时，对应标识脉冲的宽度为α/2个时隙，标识脉冲和起始脉冲之间的时间间隔为k个时隙；当k≥2^M-1时，对应标识脉冲的宽度为α个时隙，标识脉冲和起始脉冲之间的时间间隔为(k-2^M-1)个时隙；当然，相反设定对应的方式也可以；

⑤根据情况，标识脉冲之后加若干空时隙使每个DP-PIM符号长度固定不变。

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