湍流信道下类脉冲位置调制的信道容量分析

柳美平

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

摘 要：类脉冲位置调制是应用在无线激光通信强度调制/直接检测系统中的调制方式的统称，比如开关键控（OOK）、脉冲位置调制（PPM）等。该文详细介绍了各调制方式的符号结构，分析了弱、中强、强三种湍流信道下这些调制方式的平均信道容量。通过比较分析得出OOK的信道容量最大，PPM的信道容量最小。

关键词：无线激光通信 类脉冲位置调制 信道容量 湍流信道

中图分类号：TN929.1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）12（c）-0020-04

无线光通信作为一种新型的通信技术结合了光纤通信和移动通信的优势，近年来受到了广泛的重视。在无线光通信系统中，激光在大气中传播会受到大气湍流的影响从而会使信息失真，同时对人眼安全的要求限制了激光器的平均发射功率，所以就对调制方式提出了更高的要求。文献[1-2]提出了几种新的调制方式。文献[3]推导了在湍流信道下平均信道容量的计算公式，并进行了数值仿真。文献[4]提出在弱湍流状态下，光强服从对数正态分布，从弱湍流到强湍流变化过程中光强服从Gamma-Gamma分布。文献[5]指出在强湍流情况下，光强近似服从K分布。

该文分析了湍流信道下不同调制方式的平均信道容量。通过仿真比较不同湍流信道下各调制方式的平均信道容量的变化情况。

1 不同调制方式的符号结构

1.1 开关键控

开关键控（on-off keying，OOK）是最简单的调制方式，利用光脉冲的有无来传递信息，在一个比特时隙内有光脉冲表示传输信息“1”，无光脉冲表示传输信息“0”。

1.2 脉冲位置调制

脉冲位置调制（pulse position modulation，PPM），是将一组n位二进制数据映射为2n个时隙组成的时间段上的某一个时隙处的单个脉冲信号。光脉冲的位置即是二进制数据所对应的十进制数。

1.3 数字脉冲间隔调制

数字脉冲间隔调制（digital pulse interval modulation，DPIM）[1]属于脉冲间隔调制。符号以一个脉冲时隙开始，后面加上该符号表示的十进制数值个空时隙作为信息时隙。

1.4 双头脉冲间隔调制

双头脉冲间隔调制（dual-header PIM，DHPIM）[2]，每个符号由长度为个时隙的头部时隙与后续的空时隙组成，当，头部时隙为个脉冲时隙加个空保护时隙，后续的空时隙个数为；当时，头部时隙为个脉冲时隙和一个保护时隙，后续的空时隙为。

以调制比特数M=4为例，各调制方式的符号结构图如图1所示。

2 平均信道容量分析

4 仿真结果

用MATLAB软件对上述的三种湍流信道下的平均信道容量计算公式（6）、（13）和（15）进行仿真，不同调制方式的值分别为：

，，，

。光电转换效率取为0.5，光子效率取为0.8，接收端孔径取为8 cm，波长取为850 nm，噪声方差取为25×10-5 A。各调制方式在湍流情况下的平均信道容量的比较如图2、图3和图4所示。

5 结语

该文分析研究了OOK、PPM、DPIM、和DHPIM四种调制方式在湍流信道下的平均信道容量。推导出了三种湍流情况下各调制方式的平均信道容量的计算公式并对这些公式进行了数值仿真。从数值仿真结果可以看出，OOK的平均信道容量最大，PPM最小，随着湍流强度的增大平均信道容量在减小，在同一湍流信道下采用同一调制方式，通过减小信息传送距离能有效地提高调制方式的平均信道容量。

参考文献

[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.