大气激光通信中几种调制方式的性能比较

Ｚ Ｎ ｉ ｃｕ ， Ｈ Ｎ Ｊ ｊ ＨＯ Ｇ Ｘａ ｈ ｎ ｏ Ａ ｉ ｉ ａａ
（ ｅｔ ｆ ｐ１ ｈ ｓ ｓ Ｓ ｕｈ ｅｔ ｉ ｔｎ ｎｖｒｔ ， ｈｎ ｄ １０ １ Ｃ ｉ ） Ｄ ｐ．ｏ ｐ．Ｐ ｙｉ ， ｏｔｗ ｓＪ ｏｏｇＵ ｉｅｓｙ Ｃ ｅ ｇｕ６ ０ ３ ， ｈｎ Ａ ｃ ａ ｉ ａ
作者简介 ： 钟晓春 （９ ５一 ， ， 授 ， 士， １６ ） 女 副教 硕 主要研究方 向为空间光电探测与通信 ， — ａ ： ｃｍ ｉ ６ ．ｏ Ｅｍ ｉ ｚ ｅ ａ ＠１３ ｃ ｒ ｌｘ ｌ ｎ
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第 ５期
钟 晓春 等 ： 气激光 通信 中几种 调制 方 式 的性 能 比较 大
选择．
１ 不 同的调 制方式
１ １ ｏｏＫ ．
在 Ｏ Ｋ中 ， Ｏ 每个 信 息位 时间 （ 单位 Ｓ 内光 脉 冲处 于 开 或关 的状 态 ， １ 表 示 有 光脉 冲 ，０ 则 被 表 ） “” “”
收 稿 日期 ：０６０ —１ ２０ －１１ 基金项 目： 国家 自然科学基金项 目（０ ７ ０ ９ ６５ ２ ７ ）
Ａ ｓ ａ ｔ ｈ ｅｆ ｍ ｎ ｅ ｆｍｏ ｕａ ｏ ｃ ｅ ｓ Ｏ （ ｎ ｏ ｅ ） Ｐ （ ｕｓ ｏｉｏ ｂ ｔ ｃ ：Ｔ ｅ ｐｒ ｒ ａ ｃｓ ｏ ｄ ｌ ｉ ｓｈ ｍｅ ，Ｏ Ｋ ｏ ｆ ｋ ｙ ，Ｐ Ｍ ｐ ｌ ｐ ｓ ｎ ｒ ｏ ｔｎ ｅ ｉ ｔ ｍｏｕａｉ ） ｄ ｌ ｏ ，Ｄ Ｐ （ ｉｅｅ ｔ ｌｐ ｌ ｐｓ ｉ ｄ ｌ ｏ ａｄ Ｄ Ｉ （ ｉ ｔｌｐ ｌ ｎｅｖｌ ｔｎ Ｐ Ｍ ｄｆ ｒｎｉ ｕｓ ｏｉｏ ｍｏ ｕａ ｎ） ｎ ＰＭ ｄｇ ａ ｕｓ ｉｔ ａ ｆ ａ ｅ ｔｎ ｉ ｔ ｉ ｅ ｒ ｍ ｄ ｌｔ ｎ ，ｕｅ ｎ ｏ ｔ ａ ｃｍｍ ｎｃｔ ｎ ｏｅ ｅａｍ ｓｈ ｒ ｕｂ ｌ ｃ ｈ ｎ ｅ ｅｅ ａ ａ ｚｄ ｏ ｕａ ｏ ） ｓｄｉ ｐｉ ｌ ｏ ｕ ｉａ ｏ ｖｒｔ ｔ ｏｐ ｅｉ ｔｒｕｅ ｅ ｃａ ｎ ｌ ｒ ｎ ｌ ｅ ｉ ｃ ｉ ｈ ｃ ｎ ｗ ｙ ａ ｄｃｍ ａ ｄｉ ｒ ｓｏ ａｋ ｔ ｒ ｒ ａ Ｐ Ｒ）ａｄｂ ｎ ｗ ｄ ｆｃｅ ｃ ．Ｉ ｒ ｓｏ Ｅ Ｄ Ｉ ｎ ｏ ｐ ｒ ｔ ｆ ｃｅ ｒ ｔ Ｅ ｎ ａ ｄ ｉｔ ｅ ｉ ｎ ｙ ｎｔ ｆ Ｒ， ＰＭ ｅ ｎｅ ｍ ｐ ｅ ｏ ｒ ｅ（ ｈ ｉ ｅ ｍ Ｐ
ｍｏ ｕ ａ ｉｎ ｐ ｒ ｍｅｅ ．Ａｌ ｔ ｅ ｅ ｓ ｈ ｍｅ ，ｅ ｃ ｐ ｄ ｌｔ ａ ａ ｔ ｒ ｏ ｌ ｈ ｓ ｃ ｅ ｓ ｘ ｅ ｔＯＯＫ，ｒ ｑ ｉ ｍａ ｌ ａ ｅ ｏ ｒ ｅ ｕ ｒ ａ ｓ ｌ ｌ ｓ ｒ ｐ ｗｅ ． ｅ Ｋｅ ｒ ｓ： ａｍｏ ｐ ｅ ｉ ｏ ｔ ａ ｏ ｙ ｗｏ ｄ ｔ ｓ ｈ ｒ ｐ ｃ ｌｃ ｍｍｕ ｉ ａｉ ｎ；ＯＯＫ；Ｐ Ｍ ；ＤＰ Ｍ ；ＤＰ Ｍ ；ｐ ｒｏ ａ ｃ ｃ ｉ ｎｃ ｔ ｏ Ｐ Ｐ Ｉ ｅ ｒ ｎｅ ｆ ｍ
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第４ ２卷
第 ５期
西
南交Βιβλιοθήκη 通大学学
报
Ｖｏ ． ２ Ｎｏ ５ １４ ．
０ｃ ．２Ｏ ｔ Ｏ７
２０ ０ ７年 ｌ Ｏ月
Ｊ ＯＵＲ ＮＡＬ Ｏ ＯＵ ＨＷ Ｅ Ｔ ＪＡＯＴ ＮＧ ＦＳ Ｔ Ｓ Ｉ Ｏ ＵＮＩ ＲＳＴ ＶＥ Ｉ Ｙ
大气激光通信系统 中大气湍流对光通信 的影 响， 并认为在整个脉冲周期 内闪烁强度近似为常数 ） ： 】
， １＝ ｒ Ｐ ＋ ， Ｇ （） ２
ｘ ｎ， ０＝ ０
（） ３
式（ ） （ ） ： 是接收机 中探测器 Ａ Ｄ ａａ ｎｈ ｈｔ ｄ ｄ ） ２ ～ ３中 ｒ Ｐ （ｖｌ ｃｅ ｏ ｉ ｅ 的响应度 ； ａ ｐ ｏ ｏ Ｇ为 Ａ Ｄ的平均增益 ； 是 Ｐ 把系统 中包括信道与光接收机的所有热噪声和点噪声等都认为是加性高斯噪声 后 ， 相加所 得到的总的高 斯噪声 ， １ ～ （ ， ） ＝ ｏ ， ｏ 且 ７ Ｎ Ｏ ， Ｎ ／ Ｎ 为高斯噪声 的单边功率谱密度． ， ～ Ｒ Ｐ ， ） ｘ ～ Ｏ ， 。 ２ 则 Ｎ（ Ｇ 。 ， ｏ Ｎ（ ，
在大气激光通信 系统中， 光信号调制方式 的选择受人眼安全标准的限制 ， 对发射端的激光功率提 出了 非常严格 的要求 ， 且对于使用电池供电的便携式无线光设备 ， 也要求功率损耗尽可能低． 因此 ， 在给定码速 率、 误码率以及通信距离 的前提下 ， 根据所需求 的平均功率的大小 ， 可以直观地判断调制技术的优劣 ， 需要 的平 均功 率越 小 ， 这种 调 制技术 就 越有 效 ． 笔者研究 了目前应用于无线光通信领域最多的开关键控 Ｏ Ｋ（ｎｏ ｙ 调制 和脉 冲位置调制 Ｐ Ｍ Ｏ ｏ ｋ ） ｆ ｅ Ｐ （ｕｓ ｐｓｉ ｏｕ ｔｎ 以及 新兴 的两种 光 调 制 方式 ： ｐｌ ｏｉ ｎｍ ｄｌ ｉ ） ｅ ｔ ｏ ａｏ 差分 脉 冲位 置 调制 Ｄ Ｐ （ ｉｅ ｎ ａ ｐ ｌ Ｐ Ｍ ｄ ｆ ｅｔｌ ｕ ｅ ｆ ｒ ｉ ｓ ｐｓｉ ｏｕ ｔｎ 和数字脉冲间隔调制 Ｄ Ｉ （ ｉｔ ｕ ｅ ｎ ｒ ｌ ｏｕ ｔｎ Ｈ ． ｏｉｏ ｍ ｄ ｌｉ ） ｔｎ ａｏ ＰＭ ｄ ｉ ｌ ｌ ｔ ｖ ｄｌ ｉ ） 在大气湍流信道下分 ｇａ ｐ ｓ ｉ ｅ ａ ｍ ａ ｏ 析 了它们的包误码率（ ａｋｔ ｒ ｒａ ， Ｐ Ｒ 以及带宽性能 ， 出了适合 于大气激光通信 的调制方式的 ｐｃｅ ｅ ｏ ｒ ｅ Ｏ Ｅ ） ｔ 提
２ （ ＋ ） ＢＤＭ＝（ ＋ ） ／ ２ ） Ｐ／ ２ ３ 和 Ｉ Ｐ ２ ３ Ｒ （ｎ ．
＝
表 １ ［ 给出了以上几种调制方式当调制参数 ｎ＝ ３ ２时 ， 信息位与调制帧之间的关 系， 中可以很清楚 从
地看 到 其调 制方 式 的 区别 ．
表 １ 各 调制方式信息 与传 送帧之间的关系
Ｔ ｂ １ Ｒｅ ａｉｎ ｈ ｐ ｂ ｔ ｅ ｎ ｏｍａｉ ｎ ｂ ｔ ｓａ ｄ ｔａ ｓ ｓ ｉｎ ｆ ｍｅ ｆｄｆｅｅ ｔ ｍｏ ｕ ａ ｉｎ ｓ ｈ ｍｅ ａ ． ｌｔ ｓ ｉ ｅｗｅ ｎ ｉ ｆ ｒ ｔ ｉ ｎ ｒｎ ｍｉｓ ｒ ｏ ｏ ｅ ｏ ａ ｓｏ ｉ ｒ ｎ ｄ ｌ ｔ ｃ ｅ ｓ ｆ ｏ
能 较好 ． Ｏ Ｋ之外的 ３种调制方式需要 的功率都较小 ． 除 Ｏ 关键词 ： 大气激光通信 ； Ｏ Ｐ Ｍ； Ｐ Ｍ； ＰＭ； 能 Ｏ Ｋ；Ｐ Ｄ Ｐ Ｄ Ｉ 性
中图分 类号 ：Ｎ ４ Ｔ ２９ 文献标识码 ： Ａ
Ｐｅ ｆ ｒ ｎ ｅ Ｃｏ ｒ ｏ ｍａ ｃ ｍｐ ｒｓ ｎ ｏ ｏ ｕ ａ ｉ ｎ Ｓ ｈ ｍｅ ｏ ａ ｉｏ ｆＭ ｄ ｌｔｏ ， ｃ ｅ ｓ ｆ ｒ Ａｔ ｏ ｐ ｅ ｉ ｔｃ ｌＣｏ ｍｕ ｉａ ｉ ｎ ｍ ｓ ｈ ｒｃ Ｏｐ ｉａ ｍ ｎｃ ｔ ｏ
Ｐ Ｒ＝ １一（ Ｅ １一Ｐ 脚 ， ） 误 概率 ． （） １
式 中 ： 长为 Ｊ， ＝１ ２ ； 。 包 ７ Ｎ ４ｂ Ｍ 为用 时 隙数量 表示 的调 制 的平 均 帧长 度 ； ｖ ０ Ｐ是 调 制 方 式 的平 均 时 隙错
由此可见要得到 Ｐ Ｅ 必须先算 出每种调制方式的时隙错误概率． Ｒ ， 对于 Ｏ Ｋ， Ｏ 可把 １ 个位周期看作 １ 个时隙 ， 所以上述 ４种调制方式 的时隙上有脉冲或无脉冲时的探测 电流都可分别表示为（ 在这 里 ， 只考虑
６１ ０
示为无光脉冲． 若发射脉冲功率为 Ｐ （ 单位 Ｗ） 则所需的平均光功率为 Ｐ 。 ＝ ． ， 。 Ｐ／ 假设发射机的传 。 ２
信率 为 Ｒ（ 位 ｂ ｓ ， 单 ／ ） 则其 所需 要 的带 宽 为 Ｂ 。 。 ＝Ｒ ．
１ ２ ＰＰＭ ．
在 Ｐ Ｍ大气激光通信系统中， Ｐ 信息是 由光脉 冲所在 的位置表示 的． ｎ 用 位二进制值表示一帧中某特 定位 置 的光 脉 冲 ， 调 制参 数 ， 正整数 ． 时 隙构 成 Ｐ Ｍ 帧 ， 脉 冲位 于 Ｍ ＝ 个 时 隙位 置 之一． ｎ是 为 ２个 Ｐ 光 ２ 当 Ｐ Ｍ与 Ｏ Ｋ系统 的传信率 Ｒ相 同时 ， Ｐ Ｏ 时隙间隔长度为 ＝ ｎ
ｉ ｅ ｂｅ ｔｆｌｏ ｄ ｂｙ ＰＰＭ ｎ ｓ ｔ ｓ ｏｌ ｗｅ ｈ ａ ｄ ＤＰＰ ，ａ ｄ ＯＯＫ ｓｔ ｅ ｗｏ ｓ． Ｗ ｉ ｅ ａ ｄ ｔ ａ ｄ ｄｈ ｅ ｃ ｅ ｙ， Ｍ ｎ ｉ ｈ ｒｔ ｈ ｔ ｒ ｇ ｒ ｏ ｂ ｎ ｗｉ ｔ ｆ ｉｎｃ ｉ ＰＰＭ ｓ ｅ ｉａ ｌ ｗｉｈ ａ ｓ ｌ ｉ ｄ ｓｒ ｂ ｅ ｔ ｍａ ｌ ｍｏ ｕ ａｉ ｎ ａ ａ ｔｒ．ａ ｄ ｄ ｌ ｔ ｐ ｒ ｍｅ ｅ ｏ ｎ ＤＰＰＭ ａ ｎｄ ＤＰＩ ａ ｅ ｏ ｄ ｗｉ ａ ｌｒ ｅ Ｍ ｒ ｇ ｏ ｔ ａ ｇ ｈ
均 功率 为 Ｐ 。Ｍ＝ ２ ， 宽 为 Ｂ Ｐ ２Ｒ ｎ 一． Ｐ Ｐ／ 带 Ｐ Ｐ Ｍ＝ ＂／
１． ＤＰＰＭ ３
发射端在特定 的时 隙中将信号 以光脉
冲的形式发射 ， 接收端探测到光脉冲后判断其所属时隙， 然后恢复出信号． 其发射光脉冲功率 Ｐ 所需的平
Ｄ Ｐ 是 Ｐ Ｍ 的 简单 改进 ， ＰＭ Ｐ 只要 把 Ｐ Ｍ 信 号 中 的“ ” 隙 后 面 的 “ ” 隙 去 掉 就 可 以得 到 相 应 的 Ｐ １时 ０时
２ Ｐ Ｒ 性 能 Ｅ
由于 Ｄ Ｐ Ｐ Ｍ和 Ｄ Ｉ 的帧长度不 固定 ， ＰＭ 任一时隙的错误不仅影响该时隙的信息位 ， 而且会传递到后续 的信息位中 ， 以在分析 中， 所 比较调制方式 的优劣时采用包误码率 Ｐ Ｒ 所谓 Ｐ Ｒ是指发送 １ ２ Ｅ． Ｅ ４ｂ时的 ０ 包 错误 概 率 ， 错 误概 率 的计 算表 达 式 为 － 包 ２
文章编号 ：２ ８２ ２ （０ ７ ０ －６ ００ ０ ５ － ４ ２ ０ ）５００ －４ ７
大 气 激 光 通 信 中几 种 调 制 方 式 的 性 能 比较
钟晓春 ， 韩佳佳
（ 西南 交通 大学应用物理 系 ，四川 成都 ６ ０ ３ ） １０ １
摘 要 ： 择适合大气激光通信 的信道调制方式 ， 为选 对湍流信 道下 的大气激光 通信 系统 中的 Ｏ Ｋ Ｐ Ｍ， Ｐ Ｍ Ｏ ， Ｐ ＤＰ 和ＤＩ ＰＭ调制 方式的包误码率 （ Ｅ 和 带宽 性能进 行 了仿 真 分析 ． 果表 明 ， ＰＭ 的 Ｐ Ｒ 性能 最好 ， Ｐ 和 Ｐ Ｒ） 结 ＤＩ Ｅ ＰＭ ＤＰ Ｐ Ｍ次 之 ， Ｏ Ｏ Ｋ最差 ． 当调制参数 较小时 ，Ｐ 的带宽性能较 好 ； ＰＭ 当调制 参数较 大 时 ， Ｐ Ｍ 和 Ｄ Ｉ 的带 宽性 ＤＰ ＰＭ
（ ＋１ Ｒ （ ｎ） ． ２ ） ／２
１． ＤＰⅡ ４
与ＤＰ Ｐ Ｍ类似 ， Ｄ Ｉ 中， 在 ＰＭ 帧长度也是不固定的． 它用两个连续 的光脉冲间的相对距 离（ 隙数） 时 传
递信息 ， 每帧都是 以“ ” １ 开始 ， 。 ＝（ ３ ／ 是平均帧长度 ， Ｍ ２ ＋ ）２ 则平均功率 和带宽分别 为 Ｐ
Ｄ Ｐ 信号． ＰＭ 因为 Ｄ Ｐ 帧没有固定的时间约束 ， 以 Ｄ Ｐ 的帧长度 即帧时隙数用平均值代替． ＰＭ 所 ＰＭ 虽然每 帧 只有 １ 光脉 冲 ， 各 个 帧 的时 隙数 不 同 ， 小长 度 为 １个 时 隙 ， 大 长度 为 ２ 个 但 最 最 个 时 隙 ， 以平 均 帧长 所 度是 Ｍ ＤＭ ２ ＋ ） ２ 则 Ｄ Ｐ 所需要 的平 均功率 和带宽分别是 Ｐ 。 Ｐ ２ （ ＋１ 和 Ｂ Ｐ 。Ｐ ＝（ １／ ， Ｐ Ｍ Ｐ Ｄ Ｍ＝ Ｐ／ ２ Ｐ ） Ｄ Ｍ＝ Ｐ