CN102638315B - 用于光通信系统中的多进制数字脉冲周期调制和解调方法 - Google Patents

Abstract

用于光通信系统中的多进制数字脉冲周期调制和解调方法，涉及一种多进制数字脉冲周期调制和解调方法。它是为了提升光通信系统数据传输速率。调制方法：将光通信系统的M进制的系统数据采用MDPCM的方法调制为二进制脉冲；所述调制方法是通过改变M进制的系统数据中各码元所对应的二进制脉冲的周期实现的；解调方法：将调制后的二进制脉冲根据解调公式获得解调制后的数据。本发明适用于光通信系统中。

Description

用于光通信系统中的多进制数字脉冲周期调制和解调方法

技术领域

本发明涉及一种多进制数字脉冲周期调制和解调方法。

背景技术

目前光通信领域主要使用强度调制/直接检测(IM/DD，Intensity Modulated/DirectDetection)技术，基于IM/DD技术的调制方式主要有3种：开关键控(OOK，On-Off-Keying)、脉冲位置调制(PPM，Pulse Position Modulation)和数字脉冲间隔调制(DPIM，Digital PulseInterval Modulation)调制方式。

开关键控方式通过控制光通信中发光二极管(LED)的亮灭来实现信息的传递，LED熄灭时，表示传递数据“0”；LED点亮时，表示传递数据“1”；开关键控调制方式对电路要求简单，不需要进行码元同步，而且其带宽利用率高，是目前支持IM/DD带宽利用率最高的调制技术。

脉冲位置调制将发射波形进行等比例划分成多个小时隙，小时隙的位置不同，表示的信息不同。脉冲位置调制的优点是提高了能量利用效率，但是其对带宽的要求高，并且在接收端需要时隙同步和码元同步，这也增加了电路的难度。

数字脉冲间隔调制则是在脉冲位置调制的基础上进行改进而提出的非等时脉冲间隔调制方式，使用和脉冲位置调制相同的小时隙，但是码元长度是变化的，不同的码元长度表示不同的信息；与开关键控调制相比，数字脉冲间隔调制有更高的能量利用率；与脉冲位置调制相比，在接收端不需要进行时隙同步和码元同步，降低了电路的复杂程度。但是，数字脉冲间隔调制对带宽的要求同样很高。

对于实际光通信系统，由于发光元件LED的开关速度有限，往往成为传输速度瓶颈，导致光通信链路的通信效率受到限制，典型的往往仅有几十MHz，如何在带宽受限制情况下，提高现有光通信系统的数据传输速率，成为研究新型调制和解调方式的目标。

发明内容

本发明是为了提升光通信系统数据传输速率，从而提供一种用于光通信系统中的多进制数字脉冲周期调制和解调方法。

用于光通信系统中的多进制数字脉冲周期调制和解调方法，调制方法：将光通信系统的M进制的系统数据采用MDPCM的方法调制为二进制脉冲；

所述调制方法是通过改变M进制的系统数据中各码元所对应的二进制脉冲的周期T(n)实现的；

所述周期T(n)是根据公式：

T(n)＝t_BS+(n+1)·t_slot

获得的；其中：n为M进制的系统数据中的码元，n＝0，1，...，M-1；t_BS为MDPCM调制基本波形的持续时间，t_slot为相邻两个码元的调制脉冲周期之间的时间分辨间隔；M为大于2的正整数。

解调方法：将调制后的二进制脉冲根据公式：

$n=[\frac{\mathrm{Tx}-t_{\mathrm{BS}}}{t_{\mathrm{slot}}}-1]$

获得解调制后的数据；其中Tx为解调接收到的二进制脉冲周期时间，[·]表示取整函数，当n＜0或者n＞M-1时，表示n为空码元，不代表任何信息。

M进制的系统数据中的各码元的调制脉冲周期之间的时间分辨间隔t_slot与基本波形持续时间t_BS的关系，满足下式：

t_slot＜t_BS

MDPCM调制基本码元的持续时间t_BS的取值为：

$t_{\mathrm{BS}}\≥\frac{1}{0.55B}$

式中，B为光通信系统的带宽。

MDPCM相邻码元的调制脉冲周期之间的时间分辨间隔t_slot的取值为：

t_slot＞2|TIE|

式中，TIE为调制相邻两个码元的时间间隔误差。

有益效果：本发明是一种MDPCM调制方法，本发明根据发送码元周期的不同来区别不同的信息，提高了带宽利用率，相同带宽下能大幅提高信息传输速率。

附图说明

图1是本发明的调制方法的波形示意图；图2是本发明的光通信系统的结构示意图；图3是脉冲触发误差原理示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本具体实施方式，用于光通信系统中的多进制数字脉冲周期调制和解调方法，调制方法：将光通信系统的M进制的系统数据采用MDPCM的方法调制为二进制脉冲；

所述调制方法是通过改变M进制的系统数据中各码元所对应的二进制脉冲的周期T(n)实现的；

所述周期T(n)是根据公式：

T(n)＝t_BS+(n+1)·t_slot

获得的；其中：n为M进制的系统数据中的码元，n＝0，1，..，M-1；t_BS为MDPCM调制基本波形的持续时间，t_slot为相邻两个码元的调制脉冲周期之间的时间分辨间隔；M为大于2的正整数。

解调方法：将调制后的二进制脉冲根据公式：

$n=[\frac{\mathrm{Tx}-t_{\mathrm{BS}}}{t_{\mathrm{slot}}}-1]$

获得解调制后的数据；其中Tx为解调接收到的二进制脉冲周期时间，[·]表示取整函数，当n＜0或者n＞M-1时，表示n为空码元，不代表任何信息。

原理：MDPCM调制(Multi-ray Digital Pulse-Cycle Modulation，M进制数字脉冲周期调制)是一种针对多进制传输系统的非等时脉冲时间调制方式，属于脉冲周期调制范畴。通过将原始数据编码到发送符号周期上的方式来传输信息。发送符号的周期是可变的，由符号中所携带的信息所决定。为了保证高的传输速率，相邻数据所对应的周期时间差别很小。然后根据周期的不同，精确的构建码元传输的波形。

MDPCM调制是将多进制数调制不同周期的二进制脉冲，在MDPCM调制中，将M进制中信息所有的符号表示成n，n＝0，1，...，M-1，那么码元n所对应的调制信号周期T(n)为：

T(n)＝t_BS+(n+1)·t_slot                                          (1)

其中t_BS为MDPCM调制基本波形持续时间，t_slot为MDPCM调制后各码元的调制脉冲周期之间的时间分辨间隔。

MDPCM调制中，t_slot与t_BS的关系，满足下式：

t_slot＜t_BS                                          (2)

接收端解调时可以由式(1)求出n，即：

$n=[\frac{\mathrm{Tx}-t_{\mathrm{BS}}}{t_{\mathrm{slot}}}-1]---\left(3\right)$

其中Tx为解调接收到的脉冲周期时间，[·]表示取整函数，当n＜0或者n＞M-1时，表示n为空码元，不代表任何信息。

根据式(1)，可以得出MDPCM调制信号波形如图1所示。MDPCM波形由两个部分组成，分别为基本波形部分和信息波形部分。基本波形部分是MDPCM调制波形的固定部分，由持续时间为t_BS的“10”脉冲组成，其中“1”电平持续时间t_H，“0”电平持续时间t_L。信息波形部分是MDPCM调制波形的变化部分，持续时间为t_IS(n)，由n+1个时间分辨间隔t_slot组成。

由图1，MDPCM调制信号表达式为：

$s\left(m_i\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& 0\&le;t<t_H\\ 0& t_H\&le;t<t_{\mathrm{BS}}+(n+1)\&CenterDot;t_{\mathrm{slot}}\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，

每个码元的周期是指当前码元的上升沿到下一个码元的上升沿之间的时间间隔，由于每个码元波形在结束时均需要恢复到零电平，因此该调制方式属于归零码范畴。

在式(4)中，涉及到t_H、t_L以及t_slot的取值。下面详细分析t_H、t_L以及t_slot取值与系统性能之间的关系。

t_H、t_L的选择方法：

由式(1)得出，min{T(n)}＝T(-1)＝t_BS，是本调制方式中波形最小周期时间，根据时间和频率的倒数关系，t_BS所对应的带宽为本调制方式的最高带宽。

由奈奎斯特带宽知道，若每秒传输R_b个二进制码元，需要的最小带宽是B＝R_b/2Hz，由于实际滤波器的限制，系统带宽一般是奈奎斯特最小带宽的1.1～1.4倍。当带宽B确定后，t_H和t_L的取值应满足：

$\left\{\begin{array}{c}{t}_H\&GreaterEqual;\frac{1}{1.1B}\\ t_L\&GreaterEqual;\frac{1}{1.1B}\end{array}\right.---\left(5\right)$

又t_BS＝t_H+t_L，那么MDPCM调制基本符号的持续时间t_BS满足：

$t_{\mathrm{BS}}\&GreaterEqual;\frac{1}{0.55B}---\left(6\right)$

t_slot的确定方法：

由式(4)知：t_slot是MDPCM调制中区分各码元波形的时间分辨间隔，其取值将确定MDPCM调制的数据传输效率。光通信的系统框图如图2所示。

MDPCM通过改变发射符号的周期方式来传输信息，所以在接收端测量波形周期的准确度是正确恢复出原码的关键。从图2可以分析出，MDPCM调制波形的周期测量误差主要来自于MDPCM调制波形的发生、电光转换、光电转换、以及解调端对MDPCM解调部分。把这些误差进行归类，采用数字调制和数字解调，可以将时间间隔误差TIE(TimeInterval Error)表示为：

TIE＝±[TE_clock1+TE_trigger1+TE_counter1+TE_trigger2+TE_trigger3+TE_clock2+TE_trigger4+TE_counter2]

                                                                                          (7)

公式(7)的系统随机误差采用了最不利情况下绝对值合成法，其中：

TE_clock1：发射端调制电路周期脉冲发生器所用时钟准确度误差，通常在10^-5以内；

TE_trigger1：发射端调制电路生成MDPCM调制波形时的脉冲触发误差；

TE_counter1：发射端调制电路周期脉冲发生器的±1计数误差；

TE_trigger2：发射端发送电路的电光转换抖动误差；

TE_trigger3：接收端接收电路的光电转换抖动误差；

TE_clock2：接收端解调电路周期脉冲测时所用时钟准确度误差，通常在10^-5以内；

TE^trigger4：接收端调制电路恢复MDPCM波形时的脉冲触发误差；

TE^counter2：接收端调制电路周期脉冲发生器的±1计数误差。

TE_clock1、TE_clock2在电路采用准确度为10^-5或者更高的晶振时，与TE_counter1、TE_counter2的±1误差相比可以忽略不计。

脉冲触发误差包括上升沿触发误差TE_LH、下降沿触发误差TE_HL，由图3所示，对于给定的判决门限V_t，脉冲触发误差产生的原因包括输入信号中的噪声和失真，由于温度改变、线性电压改变以及元件老化引入的触发电平漂移，以及迅速上升信号所带来的能量效应。

脉冲触发误差中，TE_trigger1是发射端调制电路生成MDPCM调制波形时的脉冲触发误差，与发射端±1计数误差TE_counter1相比可以忽略。同理，TE_trigger4与接收端±1计数误差TE_counter2相比可以忽略。

因此式(7)可以近似表示成：

TIE＝±[TE_counter1+TE_trigger2+TE_trigger3+TE_counter4]                 (8)

对于电光光电转换的误差TE_trigger2、TE_trigger3，在可见光通信系统中，接收机抖动的三个典型来源为LED以及驱动电路所引起的LED开关波动、发射和接收端路径引起的多径效应以及接收机噪声引起的抖动。按照图3的分析，发射和接收端路径引起的多径效应，当发射器和接收器静止的时候，到达接收机的光多径效应只能造成接收机下降沿的抖动，MDPCM的解调只测量码元的周期时长，对下降沿的抖动不敏感，所以原因二可以忽略。可以设光电、电光转换触发误差的最大值为TE_LHmax，则TE_trigger2+TE_trigger3＜2TE_LHmax，式(8)可以写成：

TIE＝±[TE_counter1+2TE_LHmax+TE_counter2]                               (9)

由式(9)可得t_slot的选择关系式为：

t_slot＞2|TIE|                                                         (10)。

Claims (4)

1.用于光通信系统中的多进制数字脉冲周期调制和解调方法，其特征是：

调制方法：将光通信系统的M进制的系统数据采用M进制数字脉冲周期调制的方法调制为二进制脉冲；

所述调制方法是通过改变M进制的系统数据中各码元所对应的二进制脉冲的周期T(n)实现的；

所述周期T(n)是根据公式：

T(n)=t_BS+(n+1)·t_slot，

获得的；其中：n为M进制的系统数据中的码元，n=0,1,...,M-1；t_BS为M进制数字脉冲周期调制中基本波形的持续时间，t_slot为相邻两个码元的调制脉冲周期之间的时间分辨间隔；M为大于2的正整数；

解调方法：将调制后的二进制脉冲根据公式：

$n=[\frac{\mathrm{Tx}-t_{\mathrm{BS}}}{t_{\mathrm{slot}}}-1],$

获得解调制后的数据；其中Tx为解调接收到的二进制脉冲周期时间，[·]表示取整函数。

2.根据权利要求1所述的用于光通信系统中的多进制数字脉冲周期调制和解调方法，其特征在于M进制的系统数据中的相邻码元的调制脉冲周期之间的时间分辨间隔t_slot与基本波形持续时间t_BS的关系，满足下式：

t_slot<t_BS。

3.根据权利要求1所述的用于光通信系统中的多进制数字脉冲周期调制和解调方法，其特征在于M进制数字脉冲周期调制基本波形的持续时间t_BS的取值为：

$t_{\mathrm{BS}}\&GreaterEqual;\frac{1}{0.55B},$

式中，B为光通信系统的带宽。

4.根据权利要求1所述的用于光通信系统中的多进制数字脉冲周期调制和解调方法，其特征在于相邻码元的调制脉冲周期之间的时间分辨间隔t_slot的取值为：

t_slot>2|TIE|，

式中，TIE为调制相邻两个码元的时间间隔误差。

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