基于可見光通信的雙寬差分脈沖位置調(diào)制

宋小慶， 賈勝杰， 趙梓旭， 魏有財

(裝甲兵工程學(xué)院控制工程系， 北京 100072)

?

基于可見光通信的雙寬差分脈沖位置調(diào)制

宋小慶， 賈勝杰， 趙梓旭， 魏有財

(裝甲兵工程學(xué)院控制工程系， 北京 100072)

摘要：針對車內(nèi)可見光通信系統(tǒng)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(diào)制(DualDurationDifferentialPulsePositionModulation，DD-DPPM)方式，對其符號結(jié)構(gòu)、帶寬需求、平均發(fā)射功率及誤時隙率進(jìn)行了分析計(jì)算，并與開關(guān)鍵控(On-OffKeying,OOK)調(diào)制、脈沖位置調(diào)制(PulsePositionModulation,PPM)、差分脈沖位置調(diào)制(DifferentialPulse-PositionModulation,DPPM)、雙頭脈沖間隔調(diào)制(DualHeaderPulseIntervalModulation,DH-PIM)和反向雙頭脈沖間隔調(diào)制(ReverseDualHeaderPulseIntervalModulation,RDH-PIM) 5種調(diào)制方式進(jìn)行了仿真對比。結(jié)果表明：DD-DPPM具有比OOK和RDH-PIM更強(qiáng)的抗干擾能力，以及比DPPM、DH-PIM更高的帶寬利用率和平均發(fā)射功率，是一種綜合性能優(yōu)良的調(diào)制方式，在可見光通信系統(tǒng)中具有一定的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：可見光通信； 調(diào)制； 雙寬差分脈沖位置調(diào)制； 誤時隙率

LED具有亮度高、功耗小、價格低、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，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]?；诎坠釲ED的可見光通信技術(shù)兼具光纖通信和移動通信的優(yōu)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(rèn)證等突出優(yōu)點(diǎn)[2-3]，受到了廣泛的關(guān)注。

調(diào)制技術(shù)是一種提高可見光通信系統(tǒng)傳輸速率的重要途徑，其主要包括開關(guān)鍵控(On-OffKeying,OOK)調(diào)制和脈沖位置調(diào)制(PulsePositionModulation,PPM)[4]等經(jīng)典調(diào)制方式，以及差分脈沖位置調(diào)制(DifferentialPulse-PositionModulation,DPPM)[5]、雙頭脈沖間隔調(diào)制(DualHeaderPulseIntervalModulation,DH-PIM)[6]和反向雙頭脈沖間隔調(diào)制(ReverseDualHeaderPulseIntervalModulation,RDH-PIM)[7]等衍生調(diào)制方式。OOK實(shí)現(xiàn)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?guī)捫枨蟠?；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(diào)制方式，可以獲得遠(yuǎn)大于其他調(diào)制方式的平均發(fā)射功率，其不足在于誤時隙率較高，難以應(yīng)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(jié)合脈沖寬度調(diào)制和差分脈沖位置調(diào)制方式，提出雙寬差分脈沖位置調(diào)制(DualDurationDifferentialPulsePositionModulation，DD-DPPM)方式，分析可見光通信系統(tǒng)采用該調(diào)制方式時的符號結(jié)構(gòu)，并與上述5種調(diào)制方式進(jìn)行仿真對比。

1符號結(jié)構(gòu)

在OOK調(diào)制方式中，二進(jìn)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(jìn)行信息的傳輸；在PPM調(diào)制方式中，碼元周期由2M個時隙組成(M為調(diào)制階數(shù))，所傳輸?shù)腗位二進(jìn)制數(shù)據(jù)映射為碼元周期中某個時隙的單脈沖信號；DPPM是在PPM基礎(chǔ)上的改進(jìn)型調(diào)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(yīng)的DPPM信號；在DH-PIM調(diào)制方式中，每個符號由2種不同的頭部脈沖時隙和后續(xù)若干個空時隙組成[9]；而在RDH-PIM調(diào)制方式中，信息位用空時隙表示，調(diào)制符號由2種不同的頭部空時隙和后續(xù)若干個脈沖時隙組成。

DD-DPPM調(diào)制方式是將M位比特信息所占據(jù)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(biāo)志位，發(fā)送脈沖信號進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其符號結(jié)構(gòu)可以表示為

式中：WP為脈沖寬度;k為傳輸二進(jìn)制數(shù)據(jù)所對應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)。

假設(shè)要傳輸?shù)亩M(jìn)制數(shù)據(jù)為“01001100”，調(diào)制階數(shù)M=4，則OOK、PPM、DPPM、DH-PIM、RDH-PIM和DD-DPPM6種調(diào)制方式的符號結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1M=4時各調(diào)制方式的符號結(jié)構(gòu)

2調(diào)制方式性能分析

2.1帶寬需求與平均發(fā)射功率

在基帶調(diào)制技術(shù)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(diǎn)的區(qū)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(shù)來估計(jì)帶寬需求的大小[11]。本文在假設(shè)傳輸信息比特率相等且為Rb的條件下，對各調(diào)制方式的帶寬需求進(jìn)行對比分析。

假設(shè)OOK調(diào)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(nèi)不同調(diào)制方式可以傳輸相同的信息，可得τOOK·M=τPPM·2M，因此PPM調(diào)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(yīng)由寬度為α/2的脈沖決定[12]。同理，可得其他調(diào)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(nèi)可見光通信系統(tǒng)的平均發(fā)射功率受到了限制，因此，平均發(fā)射功率是評估一種調(diào)制技術(shù)是否適用于室內(nèi)光無線通信的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。假設(shè)各調(diào)制方式的峰值發(fā)射功率均為PS，“0”和“1”兩種符號出現(xiàn)概率相等，則OOK調(diào)制方式的平均發(fā)射功率POOK=PS/2。同理，可得其余5種調(diào)制方式的平均發(fā)射功率。表1為各調(diào)制方式的帶寬需求和平均發(fā)射功率。

圖2為各調(diào)制方式按照OOK歸一化后的帶寬需求與調(diào)制階數(shù)M的關(guān)系曲線對比(這里取α=2)?？梢钥闯觯篛OK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(dāng)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(diào)制方式按照OOK歸一化后的帶寬需求對比

圖3為各調(diào)制方式按照OOK歸一化后的平均發(fā)射功率與調(diào)制階數(shù)M的關(guān)系曲線對比?？梢钥闯觯?/p>

圖3各調(diào)制方式按照OOK歸一化后的平均發(fā)射功率對比

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

2.2誤時隙率

在分析調(diào)制方式的誤時隙率之前，需進(jìn)行以下假設(shè)：1)發(fā)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(guān)的噪聲可以忽略，主要噪聲來源是背景發(fā)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(fā)送機(jī)和接收機(jī)沒有帶寬限制[13]。

基于以上假設(shè)，抽樣判決器輸入端脈沖信號函數(shù)x(t)可以表示為[14]

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

(1)

(2)

式中：

為余補(bǔ)誤差函數(shù)；

為最佳判決門限。則系統(tǒng)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(shè)定調(diào)制階數(shù)M=4且α=2，通過仿真計(jì)算，得到各調(diào)制方式的誤時隙率與信噪比的關(guān)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(yōu)于OOK和RDH-PIM；隨著信噪比的增加，各調(diào)制方式的誤時隙率均逐漸降低。

圖4M=4,α=2時各調(diào)制方式的誤時隙率

3結(jié)論

筆者提出了一種新型室內(nèi)可見光通信調(diào)制方式DD-DPPM，給出了其符號結(jié)構(gòu)，并與5種調(diào)制方式在帶寬需求、平均發(fā)射功率和誤時隙率3個方面進(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明：雖然DD-DPPM調(diào)制方式符號長度不固定，容易造成調(diào)制器等待或緩存器溢出，但其能獲得與OOK相當(dāng)?shù)膸捫枨螅划?dāng)調(diào)制階數(shù)M≤2時，DD-DPPM能獲得最大的平均發(fā)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(yōu)良的調(diào)制方式，DD-DPPM可應(yīng)用于室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)。本文研究為進(jìn)一步選擇更實(shí)用的調(diào)制方式提供了理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]潘愷. 白光LED現(xiàn)狀與相關(guān)問題思考[J]. 科技展望,2015,(13):165.

[2]李榮玲,商慧亮,雷雨,等. 高速可見光通信中關(guān)鍵使能技術(shù)研究[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2013,50(5): 40-50.

[4]KahnJM,BarryJR.WirelessInfraredCommunications[J].ProceedingsoftheIEEE, 1997, 85(2): 265-298.

[5]ShiuD,KahnJM.DifferentialPulse-positionModulationforPower-efficientOpticalCommunication[J].IEEETransactionsonCommunications, 1999, 47(8): 1201-1210.

[6]AldibbiatNM,GhassemlooyZ,McLaughlinR.ErrorPerformanceofDualHeaderPulseIntervalModulation(DH-PIM)inOpticalWirelessCommunications[J].IEEEProceedings:Optoelectronics, 2001, 148(2): 91-96.

[7]劉洋,章國安. 可見光通信調(diào)制方式及其性能研究[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2014,51(9): 61-67.

[8]郭惠軍,趙春玲,嚴(yán)林芳. 無線光通信調(diào)制方式性能分析[J]. 計(jì)算機(jī)仿真,2015,43(6): 38-41.

[9]薛德寬,胡愛芹,黃興洲,等. 可見光通信系統(tǒng)中光源的調(diào)制技術(shù)的研究[J]. 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2015,28(5): 32-35.

[10]李湘. 基于LED的室內(nèi)可見光通信菲涅爾光學(xué)接收天線的研究[D].北京:北京理工大學(xué),2015.

[11]徐荃,周春,彭金花,等.室內(nèi)無線光通信調(diào)制方式的性能研究[J]. 量子電子學(xué)報,2012,29(5): 622-628.

[12]程剛,王紅星,孫曉明,等.無線光通信雙脈沖間隔調(diào)制方法[J]. 中國激光,2010,37(7): 1750-1755.

[13]GhassemlooyZ,PopoolaW,RajbhandariS.OpticalWirelessCommunications[M].BocaRaton:Taylor&FrancisGroup, 2013:172-175.

[14]孫華燕,張來線,趙延仲,等.逆向調(diào)制自由空間激光通信技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2013,(4):33-41.

[15]張建昆,楊宇,陳弘達(dá).室內(nèi)可見光通信調(diào)制方法分析[J]. 中國激光,2011,38(4):137-140.

(責(zé)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(xiàng)目：軍隊(duì)科研計(jì)劃項(xiàng)目

作者簡介：宋小慶(1971-)，女，教授，博士。

中圖分類號：TN929.12

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-1497.2016.03.017