CN102664688A - 偏振差分脉位调制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种偏振差分脉冲位置调制方法及一种水下无线光通信的通信方法，所述偏振差分脉冲位置调制方法对DPPM调制方式的符号结构进行优化，在符号中引入不同偏振方向的光脉冲，从而形成由起始脉冲和不发送任何脉冲的连续“0”时隙组成的信号，所述通信方法采用所述偏振差分脉冲位置调制方法。
Description
技术领域
本发明涉及无线光通信领域，特别是水下无线光通信领域，具体提出了一种偏振差分脉位调制方法以提高光通信的带宽利用率和通信距离，以此提升光通信的通信性能并扩大器应用场景。
背景技术
在过去的十年中，光学组件技术已发展的相当成熟，并具有很高的普遍性，因此通过改进现有光学器件来提高水下无线光通信性能会带来相当高的成本。在这种背景下，通过对光信号的处理从而降低系统复杂度和整体成本已变成了一种可行的选择。通过对光信号的调制处理可以在不牺牲成本的情况下尽可能地提高水下光通信系统的通信性能。
目前应用于水下无线光通信系统中的调制方式主要有开关键控（On-Off Keying，OOK）、脉位调制（Pulse Position Modulation，PPM）及差分脉位调制（Differential Pulse Position Modulation，DPPM）等。OOK是利用脉冲的有无来代表二进制0、1信息，这种调制方式最简单，但能量利用率低。PPM是利用脉冲的位置来代表信息，通过牺牲带宽利用率来获得相对OOK更高的能量利用率。DPPM通过将PPM脉冲时隙一侧（前面或者后面）的“0”时隙去掉来提高带宽效率，同时在接收端不需要符号同步，较大程度上降低了系统复杂度。但DPPM这种调制方式在编码过程中仍然会产生过多的冗余“0”时隙，使得其带宽利用率仍然不够高，在保证传输距离的情况下，误码率过高，不适用于水下海量数据传输。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对上述缺陷，提供一种偏振差分脉冲位置调制（P-DPPM）方法及一种水下无线光通信的通信方法，提高带宽利用率和传输距离，降低误码率。
本发明中提出的新调制方式是对DPPM调制方式的一种改进。DPPM方式是针对PPM方式将脉冲时隙一侧（如后面）的“0”时隙省略，而当编码符号位数M增多时，码字平均长度增大，码字中“0”时隙的平均数量也相应增大。为了进一步提高系统的带宽利用率，需要减少“0”时隙数量，压缩码字平均长度。对DPPM引入不同偏振方向的光脉冲，如图1所示的两个偏振方向的信号示意图，水平偏振脉冲代表前 
个较短码字；竖直偏振脉冲代表后
个较长码字，可以与前
个码字长度对应相同。通过这种方式产生本发明中的偏振差分脉冲位置调制方法，其技术方案如下：
一种偏振差分脉冲位置调制方法，在编码符号中引入不同偏振方向的光脉冲来表示起始脉冲，利用N（N≥2）种不同偏振方向的光脉冲来代表不同的信息，其包括以下步骤：
A、将原始数据细分成M位二进制数据的组的有序序列；
B、对每一组所述M位二进制数据，将其写成
，并定义
；
令2 M =aN+b，其中a和b分别是2 M 除以N的商和余数,
(1)如果L<(a+1)b：
令L=(a+1)i+j，其中i和j分别是L除以(a+1)的商和余数，则该符号的偏振方向为第（i+1）个偏振方向，起始光脉冲记为P(i+1)，后面的“0”时隙个数为j个；
(2)如果L≥(a+1)b：
令(L-(a+1)b)=ai+j，其中i和j分别是(L-(a+1)b)除以a的商和余数，则该符号的偏振方向为第(b+i+1)个偏振方向，起始光脉冲记为P(b+i+1)，后面的“0”时隙个数为j个。
其中，N优选2的倍数，更优选N=2。
一种水下无线通信的通信方法，采用上述的信号调制方法。
关于有益效果：
通信理论中，带宽利用率即单位带宽条件下所能发送的数据率，常被用作通信系统的性能指标。通常情况下带宽资源稀缺且昂贵。对于水下光通信系统，传输信号的带宽取决于光脉冲宽度，占用的带宽越多就意味着要求更窄的光脉冲宽度，也就对激光器和光信号接收机的性能提出更高的要求，这样会导致系统复杂度和成本的增高。由此可见，在传送一定数据量的情况下使用较少的带宽是有益的。
对于DPPM和P-DPPM这两种调制方式，一个时隙判断错误会对后续所有符号的判断产生影响。实际通信中，常把若干组M位信息比特的编码符号组成数据包，数据包之间用保护时隙分隔。当保护间隔足够大时，相邻两个数据包可以认为相互独立，即前一个数据包的判断正确与否不会影响下一个数据包。因此数据包发生错误的概率即误包率能够更公平、准确的比较不同调制方式下的通信质量。
本发明的方法的性能分析：
1）带宽利用率：DPPM平均每个符号所包含的时隙数为
，而利用两个偏振方向的P-DPPM平均每个符号所包含的时隙数位是
，当M较大时，P-DPPM的符号平均时隙数仅约为DPPM的一半，带宽利用率提升非常明显。在相同的数据率情况下，图3显示了几种调制方式的带宽需求曲线。通过曲线可以看出，当编码符号位数M较大时，P-DPPM的带宽需求比DPPM节省了近1/2，换言之，带宽利用率提高了近100%。而多偏振方向的方案能够进一步地提高带宽利用率。
2）误包率与传输距离：由于光信号在水下传输的衰减要大幅高于在空气中传输，因此水下无线光通信对调制方法的误包率和传输距离有着更高的要求，本发明的方法尤其适用于水下无线光通信，具体原理如下：对于同一种水下光通信环境，在固定发送脉冲高度的情况下，误包率的大小取决于噪声大小和每个包所包含的时隙个数。当噪声功率谱密度相同时带宽越大所包含的噪声也越大。而每个包所包含的时隙个数则由采用的调制方式决定。图4给出了纯净的海水中光通信三种调制方式的误包率随通信距离变化曲线。仿真设置编码符号位数M=4，每包比特数为40，比特速率R b =105bps，图中直线为理论结果，符号为蒙特卡罗仿真结果。可以看出，同一种调制方式下，蒙特卡罗仿真符合理论结果。在相同的通信距离下，P-DPPM调制方式下的误包率小于DPPM。当通信距离为60米时，P-DPPM误包率比DPPM小25dB。这是因为P-DPPM缩短了符号长度，降低了信号带宽，经过水下信道后引入的噪声功率小于DPPM，因此信号质量更好。另外，在相同通信质量情况下，如误包率为10-4，采用P-DPPM调制方式的系统通信距离比利用DPPM提高15m，增幅为30%，这对提高水下光通信距离产生了积极的意义。
附图说明
图1是本发明具体实施例的偏振信号示意图；
图2是本发明具体实施例的调制方法流程图；
图3是本发明具体实施例的调制方法与现有方法在相同数据量情况下的带宽需求；
图4是是本发明具体实施例的调制方法与现有方法的误包率对比图。
具体实施方式
下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。
本发明主要是对DPPM调制方式的符号结构进行优化，在符号中引入不同偏振方向的光脉冲，从而形成由起始脉冲和不发送任何的连续“0”时隙组成的信号，其具体方法如下“
偏振差分脉冲位置调制方法，在编码符号中引入不同偏振方向的光脉冲来表示起始脉冲，利用N（N≥2，优选2或2的倍数）不同偏振方向的光脉冲来代表不同的信息，其包括以下步骤：
A、将原始数据细分成M位二进制数据的组的有序序列；
B、对每一组所述M位二进制数据，将其写成
，并定义
；
令2 M =aN+b，其中a和b分别是2 M 除以N的商和余数,
(1)如果L<(a+1)b：
令L=(a+1)i+j，其中i和j分别是L除以(a+1)的商和余数，则该符号的偏振方向为第（i+1）个偏振方向，起始光脉冲记为P(i+1)，后面的“0”时隙个数为j个；
(2)如果L≥(a+1)b：
令(L-(a+1)b)=ai+j，其中i和j分别是(L-(a+1)b)除以a的商和余数，则该符号的偏振方向为第(b+i+1)个偏振方向，起始光脉冲记为P(b+i+1)，后面的“0”时隙个数为j个。
例如：
当N=2时，可得a=2 M-1，b=0。记P(1)为H，记P(2)为V，则
1） i=0且j=0,1,2,…,2 M-1对应的符号均在H偏振方向上；
2） i=1且j=0,1,2,…,2 M-1对应的符号均在V偏振方向上。
此即为双偏振方向调制，其信号调制流程图如图2所示，符号结构如图1中二偏振方向的P-DPPM所示。
当N=4时，可得a=2 M-2，b=0，则有4个偏振方向P(1)，P(2)，P(3)，P(4)，则
1） i=0且j=0,1,2,…,2 M-2对应的符号均在P(1)偏振方向上；
2） i=1且j=0,1,2,…,2 M-2对应的符号均在P(2)偏振方向上；
3） i=2且j=0,1,2,…,2 M-2对应的符号均在P(3)偏振方向上；
4） i=3且j=0,1,2,…,2 M-2对应的符号均在P(4)偏振方向上；
此即为四偏振方向调制。
如下表是M=3时，OOK、DPPM、P-DPPM三种调制方式的编码表。其中P-DPPM编码中，H代表水平偏振脉冲，V代表竖直偏振脉冲。
本实施例的方法尤其适用于水下无线光通信，在水下无线光通信方法中采用上述偏振差分脉冲位置调制技术能够有效地提高传输距离、降低误包率。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种偏振差分脉冲位置调制方法，其特征在于，在编码符号中引入不同偏振方向的光脉冲来表示起始脉冲，利用N（N≥2）种不同偏振方向的光脉冲来代表不同的信息，其包括以下步骤：
A、将原始数据细分成M位二进制数据的组的有序序列；
B、对每一组所述M位二进制数据，将其写成 
，并定义
；
令2 M =aN+b，其中a和b分别是2 M 除以N的商和余数,
(1)如果L<(a+1)b：
令L=(a+1)i+j，其中i和j分别是L除以(a+1)的商和余数，则该符号的偏振方向为第（i+1）个偏振方向，起始光脉冲记为P(i+1)，后面的“0”时隙个数为j个；
(2)如果L≥(a+1)b：
令(L-(a+1)b)=ai+j，其中i和j分别是(L-(a+1)b)除以a的商和余数，则该符号的偏振方向为第(b+i+1)个偏振方向，起始光脉冲记为P(b+i+1)，后面的“0”时隙个数为j个。
2.根据权利要求1所述的偏振差分脉冲位置调制方法，其特征在于：所述N取2的倍数。
3.根据权利要求2所述的偏振差分脉冲位置调制方法，其特征在于：所述N=2，起始脉冲分别用水平偏振脉冲或竖直偏振脉冲表示。
4.一种水下无线光通信的通信方法，其特征在于，采用权利要求1-3任意一项所述的偏振差分脉冲位置调制方法。
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