您好,欢迎来到小侦探旅游网。
搜索
您的当前位置:首页偏振差分脉冲位置调制方法

偏振差分脉冲位置调制方法

来源:小侦探旅游网
弱鳃 固值 中文核心期刊 偏振差分脉冲位置调制方法 蒋军敏,汤琦,巩稼民 (西安邮电大学通信与信息工程学院,西安710121) 摘要:高效调制技术可以最大化消除背景噪声对紫外光通信的影响,从而有效提高紫外光通信距离。因 此,提出了一种适用于无线紫外光通信的偏振差分脉冲位置调制(PDPPM)方法,该方法利用圆偏振光可 以分解成两路正交线偏振光,两路正交的线偏振光构成了原始信息的差分信号,有用信息为双极性差分 信号传输信息;给出了PDPPM的实现结构,并对其误码率性能进行了分析比较。实验结果表明,PDPPM解 调信噪比比脉冲位置调制(PPM)提高2dB左右,在紫外光远距离通信上具有优异的性能。 关键词:调制;紫外光通信;偏振差分脉冲;偏振光 中图分类号:TN957 文献标识码:A 文章编号:1002—5561(2018)03—0039—04 DOl:10.139218.cnki.issnl002—5561.2018.03.01 1 Polarization differential pulse position modulation method JIANG Junmh ̄,TANG Qt GONG Jiamin (School of Communications and Information Engineering, Xi’an University of Posts&Telecommunications,Xi’an 7 1 0 1 2 1,China) Abstract:Hi eficiency fmodulation technology can eliminate the influence of background noise to ultravio— let communication maximally,which effectively improve the distance of ultraviolet communication.So a po— larization diferential pulse position modulation(PDPPM)method for wireless ultraviolet communication is proposed in this paper,the method utilizes circularly polarized light which can be divided into two orthogonal polarization lines,which constitutes a differential signal of the original information,useful information is the transmission information of bipolar differential signa1.The implementation structure of PDPPM is given,the BER performance of the demodulation is analyzed and compared,the results show that the signal—to—noise ra— tio of the demodulation is about 2dB hiher gthan that of pulse position modulation(PPM).it has excellent properties in ultraviolet communication. Key words:modulation;ultraviolet communication;polarization diferential pulse position;polarized lihtg 0引言 紫外光通信利用大气粒子散射作用进行信息传 输.实现非视距散射传输.极大地降低了通信终端间 捕获、跟踪和瞄准(ATP)的实现难度,保证了快速、可 靠通信;同时,紫外光在大气中呈指数衰减、保密性 高,适用于海洋、山区和无人机等特种通信场合,正成 为保密通信等特种通信的研究热点_l j由于大气层对紫外波段的吸收较强.近地空间太 收稿Et期:2017—10—10。 阳光中紫外波段成分相对较少,并且基于GaN、InGaN 和AIInGa的紫外LED具有高调制带宽、寿命长和驱 动电路简单等优点.所以.紫外LED光通信在军事和 民用领域均具有重要的应用价值『2I3] 紫外光通信系统通常采用强度调制/直接检Nt4]方 案.如开关键控调制(OOK)[51,其优点是实现方式简 单,但功率利用率低;脉冲位置调制(PPM)同功率利用 率最高.但带宽需求高,并且需要符号同步:数字脉冲 间隔调制(DPIM)问的优点是带宽效率高.但它的符号 长度不固定.接收端必须进行复杂的同步才能正确解 调:多脉冲位置调制(MPPM)本质上是PPM的变形, 基金项目:国家自然科学基金(F050302)资助 作者简介:蒋军敏(1977一),女,硕士,讲师主要研究方向为光通信与现 代通信网等方面 2018年第3期 兜叠镭致书⑩ 弱国 固值 蒋 敏.汤琦.巩稼 :偏振照分脉冲位臀蒯制力法 MPPM不仅可以改善带宽效率和信息传输容量.而且 具有较高的功率效率【8'91.在工程中应用较多 在紫外LED光通信系统中.由于太阳光等噪声光 源导致接收信号的背景噪声较大;在远距离通信中. 基于强度调制/直接检测类调制系统的性能急速下降 为此.本文提出一种基于偏振光的差分脉冲位置调 制(Polarization differential pulse position modulation. 。 =l、埘 2余元素为0; 各元素分别为:m2:=Cos220+ eosiSsin ̄20、m;3=m:2=(1一c0s ·sin20cos20、m;3=sin220+ cosmos220、m =-m=2=-sin8·sin20、m =一m:3= sinSeos20、J =COS ̄,其余元素为0。 如果 90o、6=45 ̄.则可得: 1 PDPPM)方法,通过解差分消除了背景噪声的影响.提 高了接收信号信噪比 s = M2 s_} —0 0 1 (2) 1圆偏振光的Stokes向量描述及实现 1.1 Stokes向量 即两个偏振器件把紫外LED发出的自然光转换成左 旋圆极化光。同理,当线极化方向0=-0。时,则得到的发 射光为右旋圆极化光。 2 PDPPM方法 2.1系统组成 Stokes向量可以描述任何状态的光.其形式为 5_【50,5 ,s2,53]。其中,50为全部光强,5 为线偏振向量 在水平和垂直两个方向上的强度差,51为±45。线偏振 方向上的强度差,51为右旋圆和左旋圆极化的强度差。 其定义为: 基于圆偏振光的PDPPM紫外LED光通信系统如 图2所示。在发射端,首先对信源数据进行编码、调制; S0= + st=E0x一 Sz=2Eo E0 cost3 S3=2Eo sin8 然后用调制信号控制驱动电路驱动紫外LED:最后经 (1) 过圆偏振光转换装置(由偏振片和M4相位延迟器组 成)得到分别对应原始信息“0”和“1”的左旋、右旋两种 正交圆偏振态光信号 而接收端的处理过程是发射端 其中, 、E0 和6分别为光矢量沿X坐标轴、Y坐标 轴的振幅分量和相位因子 -21。 1.2圆偏振光调制器实现 LED发射的光通过偏振片和入/4相位延迟器可以 得到圆偏振光如图1所示。当偏振片的极化方向为9O。 时.得到左旋 处理过程的逆过程 首先.经过由M4相位延迟器和正 交偏振片组成的圆偏振光接收装置.如果输入光为左 旋圆偏振光,则得到90 ̄线偏振光.否则输入右旋偏振 光,则得到Oo线偏振光;然后,光电探测器P。和P 分 别对90 ̄线偏振光和O。线偏振光进行光电转换:最后. 差分放大电路对所得到的电信号进行解差分和放大处 圆偏振光:当 偏振片的极化 方向为0o时. + 广、、 、 理.实现对原始信息的解调 圆偏振光 / s。 自由空间信道中的背景光为自然光.其主要由无 偏振光和少量偏振光等组成[13, 当背景光进入图2 所示的接收系统后.经过接收端中的圆偏振光接收装 U 一 + 得到右旋圆偏 振光 由图1 I 。\j‘  ● S : ;!偏振片  位拒 A/4相位延;警廷j .。.................。......................置,在P 和P2两个光电探测器上能够检测到同样强 可知.透射光 的Stokes向量 图1左旋圆偏振光的产生原理图 为 ’=M Ml弓 其中,M。为偏振片的Mueller矩阵,0为光透射方向和y 轴的夹角;M2为入,4相位延迟器的Mueller矩阵,6为光 透射方向和x轴的夹角。 和 均为4x4的矩阵, 各元素分别为:m: :埘 :1、m :m 1 :。。 29、埘 :m: : sin20、m 2=m 3=cos20sin20、m212 ̄-cos 20、m 3=sin220,其 图2基于圆偏振光的PDPPM通信系统原理图 ⑩‘圯是活技矗20l 8 q 第3期 弱国 固值 蒋军敏.汤琦.巩稼民:偏振差分脉冲位置调制方法 度的背景光信号。并且其光生电流是一样的.所以差分 放大器输出结果为0.即得到: 端采用差分接收,消除了背景杂散光的影响,极大降 低了紫外光远距离通信误码率。 由上述编码结构可 f 1.左旋圆偏振光 S=S 一 :{一1,左旋圆偏振光 l 0.背景光 (3) 以得到O0K、PPM和 PDPPM 3种调制方式的 其中,5为解差分后的信号,5I和 为光电转换后的信 号。所以,基于圆偏振光PDPPM的调制/解调系统能有 效地消除背景噪声的影响,提高系统通信性能。 2.2编码结构 带宽、功率需求如图5 所示.从图中可以看出 OOK调制占用带宽最 小、功率需求最大。PPM 和PDPPM的调制带宽 需求一致.但PDPPM的 功率需求比PPM大 图5 OOK、PPM和PDPPM调制 归一化带宽和功率需求 紫外光通信中常用的调制方式为幅度调制.典型 的有OOK、PPM和DPIM等。OOK、PPM和DPIM的编 码结构如图3所示.OOK调制方式采用二进制编码. 并用光强的有、无表示要传输的信息“0”和“1”.优点是 实现简单且带宽需求小.但功率需求大:PPM是把 M bit占用的时间划分为2 个时隙.用其中的一个唯 一3 PDPPM性能分析 设s。(f)= f)表示左旋圆极化信号, (f)=一 f)表示右 旋圆极化信号。假定要传输的两个信号等概率出现. 当发送s。( 时接收端解调器得到的接收信号为: 位置时隙表示要传递的信息.优点是降低了功率需 求,但对带宽需求较高,当M:1时.PPM就退化为 OOK调制.所以OOK调制本质上是PPM的特例: DPIM利用不同的时隙数表示信息的分组,由于信息 I=:s】+朋=、/ +n 其中,n是均值为0、方差 : 判决准则为: (4) 的高斯白噪声,,的 分布不均衡导致时隙数是随机的.也即调制信息速率 是变化的.增加了系统处理的复杂性.并且随机时隙数 也会引起误码的后向传播,所以在工程中应用较少 初始波形 Q匠团Q困o0K后的 f)+mPPM后的s(t) 广_1Q Q回Q i- 广] J一1【 c) o s2(f),r<0 在给定发送s 情况下,接收误码率为: (~5J,) 。PtM后的 。 嚣 垂 学 垂 图3各调制方式时隙序列脉冲波形示意图(M=-2) p(e『s1)=J一 f s1)dr : f e_争dx 由以上分析可知。OOK、PPM等调制方式都属于 无极性正交幅度调制.在Stokes空间中的最小欧几里 德距离为1。本文提出的PDPPM为极性正交幅度调制 =Q[ 】 (6) 其中, i : i I[ (f)一xf(£)]‘dt是不同分组对应的调 制波形间的最小欧几里德距离, (f)和xj(f)表示不同信 息组合对应的调制信号波形 PPM的最大似然接收的误码率【1】公式为: 如图4所示。其在Stokes空间中的最小欧几里德距离 为2。最小欧几里德距离增加直接提高系统的通信性 能,所以相对于无极性幅度调制.采用PDPPM的紫外 光通信系统的性能得到较大提高 另外.由于在接收 跚=Q( 一J (7) 其中,如 是不同分组对应的调制波形间的最小欧几里 ,岛 …’岛 德距离。 假定P为平均发射功率, 为调制信号的速率, ‘0’ (a)OOK/PPM (b)PDPPM 要传输的信息为二进制“0”和“1”.且等概率出现.则对 于PPM其峰值功率为2P.M bit信息分组对应的最小 2018年第3期 .允盈,蓄致书( 图4 Stokes空间o0K/PPM和PDPPM调制方式比较 鳃 固值 蒋 :敏.汤琦,巩稼l∈:偏振茇分脉冲位嚣渊制方法 4结束语 本文提出了一种适用于无线紫外光 辞 壁 通信的PDPPM方法.该方法利用圆偏振 哲 噬 光可以分解成两路正交线偏振光.两路正 I 交的线偏振光构成了原始信息的差分信 县 号.有用信息为极性信号通过差分传输 实验结果表明.相比非归零单极性强度调 制(如PPM、OOK等).该方法具有更高的 (a)误码率性能比较 (b)误时隙率性能比较 分集增益.并且能有效地抑制背景噪声. 在紫外光远距离通信上具有优异的性能 图6不同信息分组长度时PDPPM和PPM调制性能比较 和重大工程应用价值 欧几里德距离为d2…: 『[l 1 一(f)一 (f)] (,f: I L, 。 参考文献: 把如 代人到式(6)、式(7)可得PPM和PDPPM的误 [1]xu Zhengyuan,SADLER B M.Ultraviolet Communications:Potential and State—of*the—Art[J].IEEE Journals&Magazines,2008,46(5):67-73. 码率如式(8)所示: [2】ZHANG Hailiang,YIN Hongwei,JIA Honghui,et a1.Study ofeffects of Q(瞎2 MP) obstacle on non—line—of-sight ultraviolet communication links[J] Optics Permr-PPM:Express,2011,19(22):21216—21226. [3]D1NG Haipeng,CHEN Gang,MAJUMDAR A K et a1.Modeling of ne—of-Si【ght Ultraviolet Scattering Channels for Communication[J1. 肋 =。l\/ ) (8) Non—LiIEEE Journals&Magazines,2009,27(9):l 535一l 544. 在信息分组长度M分别为3、4和5的情况下. [4]程刚,王红星,孙晓明,等.无线光通信双脉冲间隔调制方法[J].中国 PDPPM和PPM性能比较如图6所示.由图6(a)可见. 激光。2010.37(7):1750—1754. 【5]庞志勇,朴大志,邹传云.光通信中几种调制方式的性能比较[J].桂 在加性高斯白噪声信道下,当误码率为10-4时. 林电子丁业学院学报,2002.22(5):1—4. PDPPM接收功率比PPM低2dB左右.即PDPPM的解 [6]吴继礼,赵尚弘,胥杰,等.相干光脉冲位置调制信道容量及传信率 调信噪比比PPM提高2dB左右;由图6(b)可以看出, 最大化研究[J】.光学学报,2008,28(4):643—647. 当平均接收光功率相同时.PDPPM误时隙率比PPM ̄b 【7】GHASSEMLO0Y Z,HAYES A R,SEED N L,et a1.Digital pulse 一倍左右。 interval modulation for optical communications[J].IEEE communications 我们利用本文的方法搭建了测试系统对PDPPM Magazine,1998,36(12):95—99. [8]秦岭,柯熙政.无背景噪声下的光MPPM信道容量分析【JJ.光电工 的调制性能进行了实验研究.实验中采用中心波长为 程.2007,34(7):107—110. 365nm、光谱宽度为20nm的LED光源;发送端由一个 [9]秦岭,柯熙政.一种二脉冲的MPPM编码映射方法研究[J]l西安理一r 表面贴装的商用蓝紫光LED和可调焦手电筒组成光 大学学报.2007.27(3):269—272. 学准直系统(接收口径为60ram).接收端由双反射天 [10】GOLDSTEIN D H.Polarized Light(Third Edition)[M].New York: CRC Press.201 l:61—97. 线(主口径为300mm)、滤光片、圆偏振光转换器和光 [1 1]ZHAO X J,PAN X F,FAN X L,et al,Patterned dual—layer ac ̄omatic 电倍增管组成。为了便于对准.发射角设计为180。,在 micro—quarter-wave—retrader array for active polarization imaging[J] Optics 接收端.通过高速模数转换器实现数字化.并在FPGA Express,2014,22(7):8024—8034 中实现了解调、解码。完成了语音通信,图7为lkm处 [12】QIAN H,ZHAO S,CAI S z,et a1.Digitally Controlled Micro—LED FPGA采集到的语音编 Array ofr Linear Visible Light Communication Systems[J].1EEE Photonics 码波形。仿真结果表明:妻 500 Journal,2015,7(3):501—508. 『l31 MODEPALLI I4,PARASA L.Dual—Purpose Omine LED Driver for 叠加了50Hz工频信号差 300 Illumination and Visible LJight Communication[J].IEEE transactions on 后接收信号的幅度在 100 industry applications,2015,51(1):406—419. 900mV左右.接收端接 1000 3000 5000 7000 【14]ZHAO X,BERMAK A,BOUSSAID F,et a1.Chignnov Hihg—resolu— 栗样值 收到的语音质量较好、 tion photo—aligned liquid—crystal micro—polarizer array for polarization 图7基于PDPPM 没有失真 imaging in visible spectrum[J].Opt.Lett.,2009,34(23):3619—3621. 紫外远距离接收语音编码信号 兜龟箔执矗201 8年第3期 

因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容

Copyright © 2019- xiaozhentang.com 版权所有 湘ICP备2023022495号-4

违法及侵权请联系:TEL:199 1889 7713 E-MAIL:2724546146@qq.com

本站由北京市万商天勤律师事务所王兴未律师提供法律服务