湍流信道下類脈沖位置調制的信道容量分析

柳美平

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2015.36.020

摘 要：類脈沖位置調制是應用在無線激光通信強度調制/直接檢測系統中的調制方式的統稱，比如開關鍵控（OOK）、脈沖位置調制（PPM）等。該文詳細介紹了各調制方式的符號結構，分析了弱、中強、強三種湍流信道下這些調制方式的平均信道容量。通過比較分析得出OOK的信道容量最大，PPM的信道容量最小。

關鍵詞：無線激光通信 類脈沖位置調制 信道容量 湍流信道

中圖分類號：TN929.1 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）12（c）-0020-04

無線光通信作為一種新型的通信技術結合了光纖通信和移動通信的優勢，近年來受到了廣泛的重視。在無線光通信系統中，激光在大氣中傳播會受到大氣湍流的影響從而會使信息失真，同時對人眼安全的要求限制了激光器的平均發射功率，所以就對調制方式提出了更高的要求。文獻[1-2]提出了幾種新的調制方式。文獻[3]推導了在湍流信道下平均信道容量的計算公式，并進行了數值仿真。文獻[4]提出在弱湍流狀態下，光強服從對數正態分布，從弱湍流到強湍流變化過程中光強服從Gamma-Gamma分布。文獻[5]指出在強湍流情況下，光強近似服從K分布。

該文分析了湍流信道下不同調制方式的平均信道容量。通過仿真比較不同湍流信道下各調制方式的平均信道容量的變化情況。

1 不同調制方式的符號結構

1.1 開關鍵控

開關鍵控（on-off keying，OOK）是最簡單的調制方式，利用光脈沖的有無來傳遞信息，在一個比特時隙內有光脈沖表示傳輸信息“1”，無光脈沖表示傳輸信息“0”。

1.2 脈沖位置調制

脈沖位置調制（pulse position modulation，PPM），是將一組n位二進制數據映射為2n個時隙組成的時間段上的某一個時隙處的單個脈沖信號。光脈沖的位置即是二進制數據所對應的十進制數。

1.3 數字脈沖間隔調制

數字脈沖間隔調制（digital pulse interval modulation，DPIM）[1]屬于脈沖間隔調制。符號以一個脈沖時隙開始，后面加上該符號表示的十進制數值個空時隙作為信息時隙。

1.4 雙頭脈沖間隔調制

雙頭脈沖間隔調制（dual-header PIM，DHPIM）[2]，每個符號由長度為個時隙的頭部時隙與后續的空時隙組成，當，頭部時隙為個脈沖時隙加個空保護時隙，后續的空時隙個數為；當時，頭部時隙為個脈沖時隙和一個保護時隙，后續的空時隙為。

以調制比特數M=4為例，各調制方式的符號結構圖如圖1所示。

2 平均信道容量分析

4 仿真結果

用MATLAB軟件對上述的三種湍流信道下的平均信道容量計算公式（6）、（13）和（15）進行仿真，不同調制方式的值分別為：

，，，

。光電轉換效率取為0.5，光子效率取為0.8，接收端孔徑取為8 cm，波長取為850 nm，噪聲方差取為25×10-5 A。各調制方式在湍流情況下的平均信道容量的比較如圖2、圖3和圖4所示。

5 結語

該文分析研究了OOK、PPM、DPIM、和DHPIM四種調制方式在湍流信道下的平均信道容量。推導出了三種湍流情況下各調制方式的平均信道容量的計算公式并對這些公式進行了數值仿真。從數值仿真結果可以看出，OOK的平均信道容量最大，PPM最小，隨著湍流強度的增大平均信道容量在減小，在同一湍流信道下采用同一調制方式，通過減小信息傳送距離能有效地提高調制方式的平均信道容量。

參考文獻

[1] E.D.Kaluarachi， Z. Ghassemlooy， B. Wilson. Digital pulse interval modulation for optical free space communication links [C]//IEEE Couoquium on Optical Free Space Communication Links.1996.

[2] N. Aldibbiat， Z. Ghassemlooy， R. Saatchi. Pulse Interval Modulation-Dual Header （PIM-DH）[C]//2nd International Conference on Information Communications & Signal processing （ICICS'99） Singapore.1999.

[3] Hector E. Nistazakis， Evangelia A. Karagianni， Andreas D. Tsigopoulos. Average Capacity of Optical Wireless Communication System over Atmospheric Turbulence Channels [J].Journal of Lightwave Technology， 2009，27（8）：974-979.

[4] A.K.Majumdar.Free-space laser communication performance in the atmospheric channel [J].Journal of Opt. Fiber Commun. Rep，2005，2（4）：345，396.

[5] H.G. Sandalidis， T.A. Tsiftsis. Outage probability and ergodic capacity of free-space optical links over strong turbulence [J].Electronics Letters，2008，44（1）：46-47.

[6] YI Xiang， Liu Zengji， Yue Peng， et al.BER Performance Analysis for M-ary PPM over Gamma-Gamma Atmospheric Turbulence Channels[C]//Wireless Communications Networking and Mobile Computing （WiCOM），2016 6th Internaitonal Conference.2010.