基于可見光通信的雙寬差分脈沖位置調制

宋小慶， 賈勝杰， 趙梓旭， 魏有財

(裝甲兵工程學院控制工程系， 北京 100072)

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基于可見光通信的雙寬差分脈沖位置調制

宋小慶， 賈勝杰， 趙梓旭， 魏有財

(裝甲兵工程學院控制工程系， 北京 100072)

摘要：針對車內可見光通信系統高帶寬、高功率和低誤碼率的要求，提出了一種新型的雙寬差分脈沖位置調制(DualDurationDifferentialPulsePositionModulation，DD-DPPM)方式，對其符號結構、帶寬需求、平均發射功率及誤時隙率進行了分析計算，并與開關鍵控(On-OffKeying,OOK)調制、脈沖位置調制(PulsePositionModulation,PPM)、差分脈沖位置調制(DifferentialPulse-PositionModulation,DPPM)、雙頭脈沖間隔調制(DualHeaderPulseIntervalModulation,DH-PIM)和反向雙頭脈沖間隔調制(ReverseDualHeaderPulseIntervalModulation,RDH-PIM) 5種調制方式進行了仿真對比。結果表明：DD-DPPM具有比OOK和RDH-PIM更強的抗干擾能力，以及比DPPM、DH-PIM更高的帶寬利用率和平均發射功率，是一種綜合性能優良的調制方式，在可見光通信系統中具有一定的應用前景。

關鍵詞：可見光通信； 調制； 雙寬差分脈沖位置調制； 誤時隙率

LED具有亮度高、功耗小、價格低、壽命長等優點，白光LED取代白熾燈、日光燈作為主要照明光源已成為必然趨勢[1]。基于白光LED的可見光通信技術兼具光纖通信和移動通信的優勢，與普通光無線通信和射頻通信相比，具有速度快、成本低、安全性好，以及免電磁干擾、無需無線電頻譜認證等突出優點[2-3]，受到了廣泛的關注。

調制技術是一種提高可見光通信系統傳輸速率的重要途徑，其主要包括開關鍵控(On-OffKeying,OOK)調制和脈沖位置調制(PulsePositionModulation,PPM)[4]等經典調制方式，以及差分脈沖位置調制(DifferentialPulse-PositionModulation,DPPM)[5]、雙頭脈沖間隔調制(DualHeaderPulseIntervalModulation,DH-PIM)[6]和反向雙頭脈沖間隔調制(ReverseDualHeaderPulseIntervalModulation,RDH-PIM)[7]等衍生調制方式。OOK實現簡單，帶寬需求小，但功率利用率低且抗干擾性能差；PPM較大地提高了功率利用率和抗干擾性能，但需要符號同步且帶寬需求大；DPPM和DH-PIM不需要符號同步，具有介于PPM和OOK之間的帶寬需求、功率利用率和誤時隙率[8]；RDH-PIM是一種反向調制方式，可以獲得遠大于其他調制方式的平均發射功率，其不足在于誤時隙率較高，難以應用于某些對傳輸可靠性要求較高的場合。針對上述情況，筆者結合脈沖寬度調制和差分脈沖位置調制方式，提出雙寬差分脈沖位置調制(DualDurationDifferentialPulsePositionModulation，DD-DPPM)方式，分析可見光通信系統采用該調制方式時的符號結構，并與上述5種調制方式進行仿真對比。

1符號結構

在OOK調制方式中，二進制信息中的“1”和“0”分別由傳輸信號載波的高、低電平來表示，以此控制光信號的通斷并進行信息的傳輸；在PPM調制方式中，碼元周期由2M個時隙組成(M為調制階數)，所傳輸的M位二進制數據映射為碼元周期中某個時隙的單脈沖信號；DPPM是在PPM基礎上的改進型調制方式，只要把PPM符號中高電平(“1”)后面的時隙去掉，即可得到相應的DPPM信號；在DH-PIM調制方式中，每個符號由2種不同的頭部脈沖時隙和后續若干個空時隙組成[9]；而在RDH-PIM調制方式中，信息位用空時隙表示，調制符號由2種不同的頭部空時隙和后續若干個脈沖時隙組成。

DD-DPPM調制方式是將M位比特信息所占據的時間段劃分為由N個等長時隙組成的碼元周期，每個碼元周期的最后一個時隙為標志位，發送脈沖信號進行數據傳輸，其符號結構可以表示為

式中：WP為脈沖寬度;k為傳輸二進制數據所對應的十進制數。

假設要傳輸的二進制數據為“01001100”，調制階數M=4，則OOK、PPM、DPPM、DH-PIM、RDH-PIM和DD-DPPM6種調制方式的符號結構如圖1所示。

圖1M=4時各調制方式的符號結構

2調制方式性能分析

2.1帶寬需求與平均發射功率

在基帶調制技術中，帶寬需求通常被定義為傳輸信號的功率譜密度中從直流到第1個零值點的區段，也就是主瓣寬度[10]。光脈沖信號的時隙寬度較窄，可以用其時隙寬度的倒數來估計帶寬需求的大小[11]。本文在假設傳輸信息比特率相等且為Rb的條件下，對各調制方式的帶寬需求進行對比分析。

假設OOK調制方式的時隙寬度為τOOK，則其帶寬需求為BOOK=1/τOOK。由于傳輸信息比特率相等，即在相同時間內不同調制方式可以傳輸相同的信息，可得τOOK·M=τPPM·2M，因此PPM調制方式的時隙寬度τPPM=M·τOOK/2M。對于DD-DPPM，脈沖寬度有α和α/2兩種，顯然帶寬需求應由寬度為α/2的脈沖決定[12]。同理，可得其他調制方式的帶寬需求。

為了滿足人眼和皮膚安全性的要求，室內可見光通信系統的平均發射功率受到了限制，因此，平均發射功率是評估一種調制技術是否適用于室內光無線通信的重要標準之一。假設各調制方式的峰值發射功率均為PS，“0”和“1”兩種符號出現概率相等，則OOK調制方式的平均發射功率POOK=PS/2。同理，可得其余5種調制方式的平均發射功率。表1為各調制方式的帶寬需求和平均發射功率。

圖2為各調制方式按照OOK歸一化后的帶寬需求與調制階數M的關系曲線對比(這里取α=2)。可以看出：OOK的帶寬需求最小，PPM的帶寬需求最大；DD-DPPM比DH-PIM/RDH-PIM帶寬需求略小，三者均介于OOK與DPPM之間；當M≥2時，隨著M增大，PPM的帶寬需求迅速增大，而DH-PIM/RDH-PIM和DD-DPPM的帶寬需求增速較緩。

圖2各調制方式按照OOK歸一化后的帶寬需求對比

圖3為各調制方式按照OOK歸一化后的平均發射功率與調制階數M的關系曲線對比。可以看出：

圖3各調制方式按照OOK歸一化后的平均發射功率對比

DD-DPPM的平均發射功率大于PPM、DPPM和DH-PIM；當M≤2時，DD-DPPM的平均發射功率大于RDH-PIM和OOK；當M>2時，隨著M增大，PPM、DPPM、DH-PIM和DD-DPPM的平均發射功率逐漸減小至趨于0，而RDH-PIM的平均發射功率逐漸增大。

2.2誤時隙率

在分析調制方式的誤時隙率之前，需進行以下假設：1)發射鏈路為視距鏈路(LineOfSight,LOS)，而且信號沒有多徑傳輸和傳輸損耗；2)與接收器相關的噪聲可以忽略，主要噪聲來源是背景發射噪聲，可以假定其為高斯白噪聲；3)沒有來自人造光的干擾；4)發送機和接收機沒有帶寬限制[13]。

基于以上假設，抽樣判決器輸入端脈沖信號函數x(t)可以表示為[14]

假設脈沖時隙出現錯誤的概率為P0/1，空時隙出現錯誤的概率為P1/0[15]，P1、P0分別表示等概率發送“1”(脈沖時隙)和“0”(空時隙)時的概率，則

(1)

(2)

式中：

為余補誤差函數；

為最佳判決門限。則系統總的誤時隙率為

Pser=P0/1P1+P1/0P0。

(3)

(4)

(5)

Pser.DPPM=erfc(((2M+1)RSN)1/2/4-((2M+1)RSN)-1/2×

ln((2M-1)/2))/(2M+1)+(2M-1)×

erfc(((2M+1)RSN)1/2/4+((2M+1)RSN)-1/2×

ln((2M-1)/2))/(2M+1+2)；

(6)

(8α+2M+1+4)-1/2(3α)1/2ln((α+2M+2)/

(8α+2M+1+4)-1/2(3α)1/2ln((α+2M+2)/

(7)

Pser.RDH-PIM=(α+2M+2)erfc((2α+2M-1+1)1/2×

(8α+2M+1+4)+3αerfc((2α+2M-1+1)1/2×

(8α+2M+1+4)；

(8)

Pser.DD-DPPM=erfc(((2M-1+α)RSN/(3α))1/2/2-

((2M+1+4α)RSN/(3α))-1/2×

ln((2M-1+α-2)/2))/(2M-1+α)+

(2M-1+α-2)erfc(((2M-1+α)RSN/

(3α))1/2/2+((2M+1+4α)RSN/(3α))-1/2×

ln((2M-1+α-2)/2))/(2M+2α)。

(9)

設定調制階數M=4且α=2，通過仿真計算，得到各調制方式的誤時隙率與信噪比的關系曲線，如圖4所示。可以看出：DD-DPPM的抗干擾能力劣于PPM、DPPM和DH-PIM，但優于OOK和RDH-PIM；隨著信噪比的增加，各調制方式的誤時隙率均逐漸降低。

圖4M=4,α=2時各調制方式的誤時隙率

3結論

筆者提出了一種新型室內可見光通信調制方式DD-DPPM，給出了其符號結構，并與5種調制方式在帶寬需求、平均發射功率和誤時隙率3個方面進行了對比分析，結果表明：雖然DD-DPPM調制方式符號長度不固定，容易造成調制器等待或緩存器溢出，但其能獲得與OOK相當的帶寬需求；當調制階數M≤2時，DD-DPPM能獲得最大的平均發射功率；DD-DPPM還能保持低于RDH-PIM或接近DH-PIM的誤時隙率。因此，作為一種綜合性能優良的調制方式，DD-DPPM可應用于室內可見光通信系統。本文研究為進一步選擇更實用的調制方式提供了理論依據。

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(責任編輯: 尚彩娟)

Dual Duration Differential Pulse Position Modulation Based on Visible Light Communication

SONGXiao-qing,JIASheng-jie,ZHAOZi-xu,WEIYou-cai

(DepartmentofControlEngineering,AcademyofArmoredForceEngineering,Beijing100072,China)

Keywords:VisibleLightCommunication(VLC);modulation;DualDurationDifferentialPulsePositionModulation(DD-DPPM);sloterrorrate

Abstract：AnovelmodulationschemecalledDualDurationDifferentialPulsePositionModulation(DD-DPPM)isproposedonthebasisofhighbandwidth,highpowerandlowsloterrorraterequirementsofVisibleLightCommunication(VLC)systeminvehicle.Itssymbolstructure,bandwidthrequirement,averagetransmissionpowerandsloterrorrateareanalyzedandcomputed.FivekindsofmodulationsuchasOn-OffKeying(OOK),PulsePositionModulation(PPM),DifferentialPulse-PositionModulation(DPPM),DualHeaderPulseIntervalModulation(DH-PIM)andReverseDualHeaderPulseIntervalModulation(RDH-PIM)aresimulatedandcomparedforanalysis.ThetheoreticalandsimulationresultsindicatethatDD-DPPMhasbettersloterrorperformancethanOOKandRDH-PIM,offershigherbandwidthefficiencyandaveragetransmissionpowerthanDPPMandDH-PIM.Asaresultoftheabovebenefits,theproposedDD-DPPMisakindofmodulationwithexcellentcomprehensiveperformance,andithasacertainapplicationprospectintheVLCsystem.

文章編號：1672-1497(2016)03-0079-04

收稿日期：2016-02-29

基金項目：軍隊科研計劃項目

作者簡介：宋小慶(1971-)，女，教授，博士。

中圖分類號：TN929.12

文獻標志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-1497.2016.03.017