专利名称：无线光通信双宽脉冲位置调制方法
技术领域：
本发明涉及无线光通信系统的调制方法，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。换言之，追求高功率利用率和高带宽利用率是无线光通信系统调制方法 的研究和发展方向。
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-Off Keying—00K)， 脉冲位置调制(Pulse Position Modulation—PPM)和数字脉冲间隔调制(Digital Pulse 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，容易造成缓存器的冗位(underflow)或繾位(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00K和PPM。有关00K样机 或产品的研制单位主要有Terabeam公司、0raccess公司、LightPointe公司、
3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， 业内己有研究，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。它通过縮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(Dual Duration-Pulse Position Modulation-DD-PPM)。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，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2M等份，每等份称为一个时隙(Sl0t)。以2"个时隙为一组，称作一个PPM符号。这2"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h 则脉冲时隙在2M个时隙中的位置为第"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i/位二进制信源比特组，PPM是将其映射成为2M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(2M—' + a-l) 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，a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"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^+a-l)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A:，设DD-PPM映射中脉冲的位置为w ，脉冲的宽度为& ， 则DD-PPM调制符号的具体映射过程如下如果A: < 2M—1 ，则DD-PPM映射中脉冲 的起始位置在第(A + 1)个时隙处，脉冲宽度为a/2个时隙，同时去掉了相对于PPM 映射中脉冲后面的2"-'个空时隙，保持DD-PPM的符号长度固定为(2M—4a-1); 如果&22^—'时，则取脉冲的起始位置为第(k+l-2^-')个时隙处，宽度为a个时 隙，同时去掉相对于PPM映射中脉冲前面的2^个空时隙，保持DD-PPM的符号 长度不变。用公式表示，则为
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系统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。
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。
权利要求
1. 一种新的无线光通信系统调制方法——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2M等份，每等份称为一个时隙(slot)。一个DD-PPM符号包含(2M-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<2M-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>2M-1-1时，脉冲起始于第(k+1-2M-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l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。
全文摘要
选择合适的调制方案是无线光通信系统设计的重要方面。高功率利用率和高带宽利用率是无线光通信系统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系统调制方法——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。
文档编号H04B10/00GK101488804SQ200910013609
公开日2009年7月22日 申请日期2009年1月4日 优先权日2009年1月4日
发明者孙晓明, 张铁英, 王红星, 刚 程 申请人:刚 程