CN102780531B

CN102780531B - 一种用于无线激光通信的调制方法及解调方法

Info

Publication number: CN102780531B
Application number: CN201210271616.3A
Authority: CN
Inventors: 董宇涵; 张学聃; 张涛; 林孝康
Original assignee: Shenzhen Graduate School Tsinghua University
Current assignee: Shenzhen Graduate School Tsinghua University
Priority date: 2012-08-01
Filing date: 2012-08-01
Publication date: 2014-09-24
Anticipated expiration: 2032-08-01
Also published as: CN102780531A; HK1173276A1

Abstract

本发明公开了一种用于无线激光通信的调制方法及解调方法。调制方法包括以下步骤：1）将待调制的信源数据划分为两部分；2）将第一部分数据采用2^m阶脉冲位置调制；3）确定多进制偏振调制的偏振态方向个数N；4）从k个偏振态信息总计N^k种偏振态组合中选取2ⁿ种偏振态组合，与n位二进制数据组合建立一一对应关系表；5）根据关系表查询得到当前第二部分数据中的n位二进制数据对应的一个偏振态组合，将步骤2）中的k个脉冲信号按照偏振态组合中的k个偏振态信息一一进行调制。本发明得到调制信号既包括反映第一部分数据的脉冲位置信息，又包括反映第二部分数据的脉冲偏振态信息，在相同带宽下，本发明中调制方法可相对PPM调制方式携带较多数据。

Description

一种用于无线激光通信的调制方法及解调方法

【技术领域】

本发明涉及无线激光通信领域，特别是涉及一种用于无线激光通信的调制方法。

【背景技术】

无线激光通信中传输数据时，经常用到调制和解调方法。现有常用到无线激光通信中的调制方式有开关键控方式（On Off Keying，简称OOK），脉冲位置调制方式（Pulse PositionModulation，简称PPM），以及偏振位移键控方式（Polarization Shift Keying，简称PolSK）。

其中，PPM调制方式是将一组包括m位二进制数据映射为2^m个时隙组成的时间段上的某一个时隙处的单个脉冲信号，利用脉冲信号的位置信息反映信源数据。因为涉及到2^m个时隙，所以也称为2^m阶脉冲位置调制方法。记m位数据组为M＝(a1，a2，……，an)，a1至an为0或1的二进制数，这种映射关系可以用下式来表示：Φ：L＝a1+2×a2+4×a3......+2^n-1×an，L代表时隙的位置数。

调制后的脉冲信号其中，Pt代表脉冲功率，Tc代表时隙的长度。具体地，以一组包括2位二进制数据为例，则进行脉冲调制时，二进制数据00，对应时隙位置为0，即在0~Tc的时间上出现脉冲信号；二进制数据01，对应时隙位置为1，即在Tc~2Tc的时间上出现脉冲信号；二进制数据10，对应时隙位置为2，即在2Tc~3Tc的时间上出现脉冲信号；二进制数据11，对应时隙位置为3，即在3Tc~4Tc的时间上出现脉冲信号，具体地原始信源信号与调制信号之间的对应关系示意图如图1所示。

另一种PolSK调制方式中，最常用的是通过两个正交的偏振态信息，分别代表二进制数据“0”和“1”，通过调制脉冲信号的偏振态信息，从而携带二进制数据，进行信息的传输。

然而，如何对上述调制方式进行改进，使得调制得到的调制信号能携带尽可能多的信息，即相同带宽下能传输更多的数据，是本领域技术人员关心的问题。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是：弥补上述现有技术的不足，提出一种用于无线激光通信的调制方法，能相对于PPM调制方式，在相同带宽下携带更多的数据。

本发明进一步所要解决的技术问题是：提出一种用于无线激光通信的解调方法，针对上述调制方法，将调制后的数据解调出来。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种用于无线激光通信的调制方法，包括以下步骤：1）将待调制的信源数据划分为两部分，第一部分数据包括k组m位二进制数据，第二部分数据为包括n位的二进制数据，其中n为正整数；2）将所述第一部分数据采用2^m阶脉冲位置调制，得到包含k个脉冲信号的调制信号；3）根据如下条件确定多进制偏振调制的偏振态方向个数N：N^k大于等于2ⁿ；4）从k个偏振态信息总计N^k种偏振态组合中选取2ⁿ种偏振态组合，与n位二进制数据组合建立一一对应关系表；5）根据所述步骤4）中的关系表查询得到当前所述第二部分数据中的n位二进制数据对应的一个偏振态组合，将所述步骤2）中的k个脉冲信号按照所述偏振态组合中的k个偏振态信息一一进行调制，得到k个加载有偏振信息的脉冲信号作为最终的调制信号输出。

本发明的技术问题通过以下进一步的技术方案予以解决：

一种用于无线激光通信的解调方法，包括以下步骤：1）接收调制信号，所述调制信号为k个加载有偏振信息的脉冲信号；2）对照偏振态组合与n位二进制数据组合的一一对应关系表，查询得到所述调制信号的偏振信息对应的n位二进制数据，作为第二部分数据；3）根据2^m阶脉冲位置调制方法对应的解调方法，解调得到所述调制信号的脉冲位置信息对应的k组m位二进制数据，作为第一部分数据；4）按照调制时的划分规则组合所述第一部分数据与所述第二部分数据，得到调制前的信源数据。

本发明与现有技术对比的有益效果是：

本发明的用于无线激光通信的调制方法，将PPM调制方式与PolSK调制方式结合起来，将调制数据划分为两部分，在PPM调制第一部分数据的基础上，通过建立二进制数据与偏振态信息之间的映射关系，将第二部分n位二进制数据对应的一个偏振态组合中的偏振态信息加载到第一部分PPM调制后的调制信号中，得到调制信号既包括反映第一部分数据的脉冲位置信息，又包括反映第二部分数据的脉冲偏振态信息，也即相对于现有技术中PPM调制方式调制第一部分数据，在相同带宽下，本发明中调制方法可调制第一部分数据和第二部分数据，可相对多携带第二部分数据。

【附图说明】

图1是现有技术中PPM调制方式中原始信源信号与调制信号之间的对应关系示意图；

图2是本发明具体实施方式的用于无线激光通信的调制方法的流程图；

图3是本发明具体实施方式的调制方法中步骤P2）后得到的调制信号的示意图；

图4是本发明具体实施方式的调制方法中步骤P4）后得到的调制信号的示意图；

图5是本发明具体实施方式中仿真得到各调制方式的通信速率和平均功率消耗之间的关系仿真结果图；

图6是本发明具体实施方式中仿真得到各调制方式在不同传输距离的误比特率性能仿真结果图；

图7是本发明具体实施方式的用于无线激光通信的解调方法的流程图。

【具体实施方式】

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明做进一步详细说明。

如图2所示，为本具体实施方式中的用于无线激光通信的调制方法的流程图，调制方法包括以下步骤：

P1）划分数据：将待调制的信源数据L划分为两部分，第一部分L1为k组各包括m位的二进制数据，第二部分L2为包括n位的二进制数据，其中n为正整数。

本具体实施方式中，以信源数据L为11位二进制数据（00001110101）为例进行说明，划分时，取k=4，m=2，n=3，即第一部分L1为4组各包括2位的二进制数据，00，00，11，10，第二部分L2为包括3位的二进制数据，101。划分时，也可取k=3，m=3，n=2，即第一部分L1为3组各包括3位的二进制数据，000，011，101，第二部分L2为包括2位的二进制数据，01。划分时，还可取k=2，m=3，n=5，即第一部分L1为2组各包括5位的二进制数据，000，011，第二部分L2为包括5位的二进制数据，10101。总之，划分时并无特殊要求，只要将原始数据划分为两部分即可。

P2）调制第一部分数据L1：将所述第一部分数据采用2^m阶脉冲位置调制，得到包含k个脉冲信号的调制信号。

具体地，以前述k=4，m=2，n=3为例进行说明，则采用PPM调制方式调制4组各包括2位的二进制数据组成的第一部分数据L1，得到4个脉冲信号，各脉冲信号在4Tc时间段上的时隙位置信息反映了各组中2位二进制数据信息。因此时第一部分数据L1=00，00，11，10，第一组数据00对应时隙位置为0，在0~Tc的时间上出现脉冲信号；第二组数据00对应时隙位置为0，在0~Tc的时间上出现脉冲信号；第三组数据11对应时隙位置为3，在3Tc~4Tc的时间上出现脉冲信号；第四组数据10对应时隙位置为2，即在2Tc~3Tc的时间上出现脉冲信号，因此本步骤后得到的调制信号的示意图如图3所示。

P3）确定偏振态方向个数N：根据如下条件确定多进制偏振调制的偏振态方向个数N，N^k大于等于2ⁿ。

本步骤中确定接下来使用的多进制偏振调制方式所使用的偏振态方向个数。前述k=4，m=2，n=3，根据N⁴≥2³，取N等于2即可满足条件，即选用两个正交的偏振态方向。当然也可取N大于2的任一正整数，如N=3，即选用相隔60°的三个偏振态方向；N=4，即选用相隔45°的四个偏振态方向。

P4）建立对应关系表：从k个偏振态信息总计N^k个偏振态组合中选取2ⁿ个偏振态组合，与n位二进制数据组合建立一一对应关系表。

具体地，前述选取2个偏振态，用H代表水平偏振，V代表垂直偏振，则k=4个偏振态信息，每一位的偏振态信息有2种方向选择，因此总计有4²=16种组合。从这16种组合中选取8种偏振态组合，与3位二进制数据组合建立一一对应关系。本具体实施方式中，建立的对应关系表如下表1所示。

表1

序号	二进制数据	偏振态组合
			1	000	VVVH
2	001	VVHV
			3	010	VHHH
4	011	VHVV
			5	100	HHVH
6	101	HHHV
			7	110	VHVV
8	111	HVVV

上表中选取的8种偏振态组合为任意选取的，所以也可选取部分不同或者完全不同的另外8种组合，只要能与3位二进制数据建立一一对应关系即可。优选地，另外未被选用建立对应关系表的8种偏振态组合可用于调制方式中进行检错和纠错，从而提高通信质量。这里也可看出，如前述待调制的信源数据L为12位二进制数据，取述k=4，m=2，n=4时，且N=2时，则要与4位二进制数据组合建立一一对应关系就需要16种偏振态组合，即4个偏振态信息的16种组合都要被用到，此时调制方法携带额外信息的能力最强，即此时通信的传输效率达到最大。

P5）加载第二部分数据L2的信息：根据所述步骤P4）中的关系表查询得到当前所述第二部分数据L2中的n位二进制数据对应的一个偏振态组合，将所述步骤P2）中的k个脉冲信号按照所述偏振态组合中的k个偏振态信息一一进行调制，得到k个加载有偏振信息的脉冲信号作为最终的调制信号输出。

具体地，前述步骤P1）划分后第二部分数据L2中的3位二进制数据为101，则查询上表可知为第6行3位二进制数据101对应的4个偏振态信息的偏振态组合为“HHHV”，因此将步骤P2）中4个脉冲信号按照“HHHV”进行调制，前三个脉冲信号均调制成水平偏振方向，最后一个脉冲信号调制成垂直偏振方向。得到的调制信号的示意图如图4所示，图中，脉冲信号向下倾斜表示偏振态为水平偏振方向，脉冲信号向上表示偏振态为垂直偏振方向。调制信号中，各脉冲信号的位置信息反映第一部分数据的信息，脉冲信号的偏振态信息反映第二部分数据的信息。

综上所述，原有PPM调制方式仅能调制4组2位的二进制数据，而相同带宽下，本具体实施方式的调制方法，可调制11位二进制数据，在原有PPM调制第一部分数据的基础上，不需要增加带宽即可额外携带第二部分数据信息，即在相同带宽下，可携带较多的数据信息。

为进一步验证本具体实施方式中调制方法的优良性能，如下分别比较OOK调制方式，PPM调制方式以及本具体实施方式的调制方法（如下简称P-PPM）在带宽需求、传输平均功率以及传输效率三个方面的性能。

一、OOK调制方式

以OOK调制方式为参照，设信源通信比特率为R_b（为方便公平地比较，以下几种调制方式均采用此比特率），则脉冲时隙宽度为1/R_b（不考虑保护时隙），即所需带宽为R_b，脉冲峰值功率假设为2P_t，设信息比特0与1的比例为1:1，则OOK调制方式的平均功率为P_t。

二、PPM调制方式

假设此时信源通信比特率不变，仍为R_b；脉冲峰值功率不变，仍为2P_t。

对于PPM调制方式，每组数据包括m位二进制数据，则每个脉冲信号占用的时隙数为2^m，即2P_t的脉冲峰值功率分摊在2^m个时隙上，每个时隙的平均功率如下：

P_{PPM} = \frac{{2 P}_{t}}{2^{m}}

通信的比特速率不变，则m位比特信息需要时间为m/R_b，要求PPM符号（即脉冲信号）要在这段时间完成传输，所以符号周期为m/R_b，包含2^m个时隙，时隙宽度（单位：s）为：

T_{PPM} = \frac{m}{2^{m} R_{b}}

带宽需求（bits/s）为时隙宽度的倒数，即为

传输效率（bits/symbol）为单位带宽下传输的数据的比特位，即为m。

三、P-PPM

对于本具体实施方式的调制方法P-PPM，每个符号（脉冲信号）包含L位信息比特，占用的时隙数为K2^m个时隙，设由于在加载偏振态信息的偏振调制过程中起偏振中的剩余能量的比例为η，则平均功率为：

P_{P - PPM} = \frac{K \times ({2 P}_{t} / η)}{K \times 2^{m}} = \frac{{2 P}_{t}}{{η 2}^{m}}

时隙宽度（s）为：

T_{P - PPM} = \frac{L}{{k 2}^{m} R_{b}} = \frac{km + L_{2}}{{k 2}^{m}} \frac{1}{R_{b}} = \frac{m + \frac{L_{2}}{k}}{2^{m}} \frac{1}{R_{b}} .

带宽需求（bits/s）为：

B_{P - PPM} = \frac{2^{m}}{m + \frac{L_{2}}{k}} R_{b} .

传输效率（bits/symbol）为：m+_L2/k。

将上述三种调制方式的各性能参数列表如下，即为表2：

表2

从表2中，即可得到本具体实施方式中的调制方法相对于现有的OOK调制方式和PPM调制方式，带宽需求较少，传输效率较高。

这样，从表2中，能够推导出通信速率和平均功率消耗之间的关系，对其在MATLAB软件中仿真，仿真时设定分组时k=1，加载偏振方向进行偏振调制时的偏振方向N=3，起偏能量衰减为50%，得到图5的结果。图5中，通信速率的归一化参考值为OOK调制方式通信速率R_b，平均功率消耗的归一化参考值为OOK调制方式的平均功率P_t。从图5中可以看到，即使P-PPM的起偏振能量衰减η达到50%，在相同阶PPM的情况下，例如M=1时，P-PPM的通信速率为2，PPM的通信速率约是0.5，因此P-PPM速率是PPM速率的4倍。在同样的等效平均功率情况下，例如，都为Pt，P-PPM的速率约为1.25，PPM的通信速率约是0.5，P-PPM仍然是PPM的2.5倍。

对于误比特率的性能：不考虑因为偏振的退化对系统性能带来的影响，由于P-PPM调制方案实际上是PPM调制方式和PolSK调制方式两种方案的联合调制，联合调制的解调的信息相互独立，可以很自然的得到其误比特率公式如下：

P_{b - P - PPM} = \frac{P_{b - PolSK} n + P_{b - PPM} km}{n + km} = {αP}_{b - PolSK} + (1 - α) P_{b - PPM}

其中n=L2，a=L₂/L，表示偏振所携带的信息占总的信息的比例。P_b-PolSK和P_b-PPM分别表示PolSK和PPM进行单独解调时的误比特率。不考虑偏振激光在传输过程中的背景光噪声。在这种情况下，可以认为PolSK方案在整个传输过程中不会受到背景光的干扰，没有错误发生，即PolSK这部分的信息完全能够正确解调，这样得到

P_b-P-PPM=(1-a)P_b-PPM

对上述结果在MATLAB软件中进行仿真，仿真时设定通信环境衰减系数为0.043，得到信噪比为13dB时不同传输距离的误比特率性能对比结果如图6所示。从图6中可以看出，在相同的信道条件和信噪比的情况下，P-PPM相对于PPM的误比特性能有较大提升。也就是说，在传输相同距离的情况下，P-PPM比PPM的误比特性能好，而在同样误比特率的情况下，P-PPM比PPM能够传输更远的距离。

另外，针对上述调制方法，本具体实施方式中还提出一种用于无线激光通信的解调方法，从而将调制方法调制后的数据解调出来。如图7所示，为解调方法的流程图，解调方法包括以下步骤：

Q1）接收调制信号。按照前述调制方法，则调制信号即为k个加载有偏振信息的脉冲信号。

具体地，本具体实施方式中调制信号即为图4所示的4个脉冲信号，前3个脉冲信号为水平偏振方向，第4个脉冲信号为垂直偏振方向，脉冲信号的偏振方向即为携带的偏振信息。第1个脉冲信号的时隙位置为0，第2个脉冲信号的时隙位置为0，第3个脉冲信号的时隙位置为3，第4个脉冲信号的时隙位置为2，脉冲信号在时隙中的位置即为携带的位置信息。

Q2）查表得到第二部分数据L2：对照偏振态组合与n位二进制数据组合的一一对应关系表，查询得到所述调制信号的偏振信息对应的n位二进制数据，作为第二部分数据L2。

具体地，调制信号的偏振信息为：前3个脉冲信号为水平偏振方向，第4个脉冲信号为垂直偏振方向，即偏振态组合“HHHV”，查表1得到对应的二进制数据为第6行的101，即得到第二部分数据L2为101。

Q3）解调得到第一部分数据L1：根据2^m阶PPM对应的解调方法，解调得到调制信号的脉冲位置信息对应的k组m位二进制数据，作为第一部分数据L1。

具体地，调制信号的位置信息为：第1个脉冲信号的时隙位置为0，第2个脉冲信号的时隙位置为0，第3个脉冲信号的时隙位置为3，第4个脉冲信号的时隙位置为2。而对应PPM调制，即可解调得到第一个脉冲对应的数据为00，第二个脉冲对应的数据为00，第三个脉冲对应的数据为11，第四个脉冲对应的数据为10，因此得到第一部分数据L1=00，00，11，10。

Q4）组合后得到信源数据L：按照调制时的划分规则组合所述第一部分数据L1与所述第二部分数据L2，得到调制前的信源数据L。

具体地，调制时信源数据L划分后前面部分为第一部分数据L1，后面部分为第二部分数据L2，因此组合时第一部分数据L1在前，第二部分数据L2在后，即得到信源数据L为00001110101，完成解调。

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普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干替代或明显变型，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

1.一种用于无线激光通信的调制方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)将待调制的信源数据(L)划分为两部分，第一部分数据(L1)包括k组m位二进制数据，第二部分数据(L2)为包括n位的二进制数据，其中n为正整数；

2)将所述第一部分数据(L1)采用2^m阶脉冲位置调制，得到包含k个脉冲信号的调制信号；

3)根据如下条件确定多进制偏振调制的偏振态方向个数N：N^k大于等于2ⁿ；

4)从k个偏振态信息总计N^k种偏振态组合中选取2ⁿ种偏振态组合，与n位二进制数据组合建立一一对应关系表；

5)根据所述步骤4)中的关系表查询得到当前所述第二部分数据(L2)中的n位二进制数据对应的一个偏振态组合，将所述步骤2)中的k个脉冲信号按照所述偏振态组合中的k个偏振态信息一一进行调制，得到k个加载有偏振信息的脉冲信号作为最终的调制信号输出；所述调制信号既包括反映所述第一部分数据(L1)的脉冲位置信息，又包括反映所述第二部分数据(L2)的脉冲偏振态信息。

2.根据权利要求1所述的用于无线激光通信的调制方法，其特征在于：所述步骤3)中确定的偏振态方向个数N满足N^k等于2ⁿ；所述步骤4)中N^k个偏振态组合与n位二进制数据组合建立一一对应关系表。

3.根据权利要求1所述的用于无线激光通信的调制方法，其特征在于：所述步骤3)中确定的偏振态方向个数N满足N^k大于2ⁿ，所述调制方法还包括步骤6)，将所述N^k-2ⁿ个偏振态组合用于调制方法中的数据检错和纠错。

4.根据权利要求1所述的的用于无线激光通信的调制方法，其特征在于：待调制的信号数据(L)包括11位二进制数据，所述步骤1)划分后，第一部分数据(L1)为4组各包括2位的二进制数据，第二部分数据(L2)为包括3位的二进制数据；所述步骤3)确定的偏振态方向个数N为2；所述步骤4)中从4个偏振态信息总计16个偏振态组合中选取8个偏振态组合，与3位二进制数据组合建立一一对应关系表；所述步骤5)中，根据所述步骤4)中的关系表查询得到当前所述第二部分数据(L2)中的3位二进制数据对应的一个偏振态组合，将所述步骤2)中的4个脉冲信号按照所述偏振态组合中的4个偏振态信息一一进行调制，得到4个加载有偏振信息的脉冲信号作为最终的调制信号输出。

5.一种用于无线激光通信的解调方法，其特征在于：包括以下步骤：1)接收调制信号，所述调制信号为k个加载有偏振信息的脉冲信号，既包括反映第一部分数据(L1)的脉冲位置信息，又包括反映第二部分数据(L2)的脉冲偏振态信息；2)对照偏振态组合与n位二进制数据组合的一一对应关系表，查询得到所述调制信号的偏振信息对应的n位二进制数据，作为第二部分数据(L2)；3)根据2^m阶脉冲位置调制方法对应的解调方法，解调得到所述调制信号的脉冲位置信息对应的k组m位二进制数据，作为第一部分数据(L1)；4)按照调制时的划分规则组合所述第一部分数据(L1)与所述第二部分数据(L2)，得到调制前的信源数据(L)。