樊慧萍-基于LED的紫外无线通信系统的调制技术研究

基于LED的紫外无线通信系统的调制技术研究樊慧萍，张民，朱洁，李青北京邮电大学信息光子学与光通信教育部重点实验室北京（100876）E-mail:[e-mail]摘要：日盲紫外无线通信具有全天候、全方位、强抗扰、低位辨等优点，在灾后救援、野外团队协作、无线电静默等特殊场合具有重要的应用潜力和价值。论文首先仿真分析了适合基于LED紫外无线通信系统的四种调制技术，接着用实验数据验证分析了OOK和PPM两种调制方式对通信系统性能的影响，论文最后展望提出DPPM和DPIM是适于未来紫外LED无线通信系统较佳的调制方式。关键词：紫外无线通信；紫外LED；OOK；PPM；DPPM；DPIMTheModulationTechnologyResearchofUltravioletCommunicationSystemBasedonLEDFanHui-ping,ZhangMin,ZhuJie,LiQing(KeyLaboratoryofInformationPhotonicsandOpticalCommunications,MinistryofEducation,BeijingUniversityofPostsandTelecommunications,P.O.Box201,Beijing100876,China)Abstract：SolarBlindultravioletcommunicationisverypopularinspecialoccasionlikepost-disasterrescue,outdoorteamwork,radioquiescenceforitsspecifiedadvantages,whichareall-weather,non-lineofsight,highnoiseimmunity,highsecurityandsoon.Thispapersimulatefourmodulationmethodsthatarefitforultravioletwirelesscommunicationfirstly,thentakeexperimentstarttoverifytheinfluenceoftwomodulationmethodswhichareOOKandPPM,atlastthepaperindicatedthatDPPMandDPIMaretwomodulationmethodswhicharefitforUVwirelesscommunicationinthefuture.Keywords:UVWirelessCommunication;UVLED;OOK;PPM;DPPM;DPIM0引言目前广泛采用的通信手段有有线和无线两类通信方式。与有线通信相比，无线通信克服了有线通信需要预先铺设相应线路的缺点，具有灵活、机动和快速反应的特点。然而现有的无线通信存在一些不足，如无线电和微波通信比较容易被窃听、干扰和破坏；常规空间光通信均属于视距通信，收发两端必须具备一系列对准、跟踪捕获等复杂功能，在运动中通信的灵活性、全方位性不够好[1]。紫外无线通信既具有无线通信非视距、灵活机动的特点，又具有光通信高抗扰、低窃听的特点，能满足复杂环境下全天候、全方位的应急通信和保密通信的需求，因此近年来紫外无线通信技术受到国内外研究机构的高度重视[2-4]。目前，紫外无线通信仍处在实验室研究阶段，因阳光中紫外成分的影响，紫外光源的指标影响通信系统的性能，且光源的类型直接限制了调制方式的选择，所以紫外光源的选取一直是项技术难题。现阶段常见的紫外光源主要包括紫外光灯和紫外LED两种。紫外光灯因通过改变高频交流电压的频率来控制荧光灯的发光强度而具有两种不同光强的交替闪烁频率，适合采用FSK调制，但有易碎、体积重量大、寿命短、功耗大、需高压驱动等缺点。紫外LED克服了紫外灯的所有缺点，但发光原理与紫外光灯不同，因不具有两种固定的频率而不宜采用FSK调制。探索适用于紫外LED无线通信系统的调制方案是本论文的研究重点。本论文旨在研究适于我们研究的基于LED的紫外无线通信系统的调制方式[5-7]。论文仿真分析了广泛应用于无线通信和空间光通信领域的OOK和PPM，以及新兴的DPPM和DPIM四种调制方式的性能，并用实验数据证明了OOK和PPM两种调制方式对基于LED的紫外无线通信系统误码率的影响，最后提出了DPPM和DPIM将是适于未来紫外LED无线通信系统的优良方案。1基于LED的紫外无线通信系统结构紫外无线通信系统是以日盲区紫外光为载波，信息经电信号调制后加载在紫外光上，然后以自由空间和大气为信道来传输信息的通信系统。相对传统的通信系统，紫外无线通信系统最根本的特点，就是利用紫外光代替无线电作为传输介质，因此，其调制和解调的手段和传统通信系统有着很大区别。本论文系统采用的紫外无线通信系统发送端用调制后的电信号激发出光信号，以满足通信的需要，相应地接收端将接收到的紫外光信号首先进行光电转换，成为电信号之后再进行解调处理。本论文主要针对文字信息和语音信号进行通信。具体的系统实现流程和整体方案如图1所示[8-11]。信息编码器数据缓存信道编码调制序列数据缓存脉冲计数器锁相环信道解码符号/时隙同步编码数据传输编码数据接收发送端接收端发送端数据处理部分接收端数据处理部分UVLED图1紫外无线通信系统整体设计方案整个通信系统可分为信息发送系统和信息接收系统。发送系统由数据缓存、信息压缩编码、信道编码、调制四个大的功能模块组成，接收系统则由脉冲计数器、锁相环、符号/时隙同步、信道解码、数据缓存五个大的功能模块组成。2紫外无线通信系统主要的调制技术功率利用率和频带利用率是紫外无线非视距通信系统调制方式需要考虑的两因素。紫外无线非视距通信在近距离信号衰减较大，需要发射的光功率较高，但对人眼伤害的规定限制了无线收发器的平均光功率，且电池供电的移动设备需要能量消耗尽可能小，因此，用于紫外无线非视距通信系统的调制解调方式应该具有较高的功率利用率。另一方面，接收端常采用的探测器（如光电倍增管PMT等）需要增大面积以提高接收能量，而大面积PMT的大容量电容会限制接收带宽，所以频带利用率也是需要考虑的因素[7-14]。无线通信和空间光通信常用的调制技术有两种，一种是强度调制／直接检测(IM／DD)，另一种是相干调制／外差检测。直接检测系统具有体积小、重量轻、结构简单、成本低、容易实现等优点。但它的频带利用率较低，接收灵敏度也较低。光外差检测系统较之直接检测系统具有较高的接收灵敏度，但实现起来相当复杂，而且很难保证光信号在大气中传播后的相干性，所以现有的无线空间光通信系统普遍设计为IM／DD系统。IM／DD的大气无线光通信系统的调制方式有很多种，论文根据载波为紫外光脉冲，选取具有较高平均功率效率的脉冲调制。脉冲调制根据脉冲频谱特性是连续还是离散，分为模拟调制和数字调制，具体的分类方式如图2所示[12-13]。脉冲调制模拟数字脉冲时间脉冲形状脉冲时间同步非同步同步非同步PSMPAMPWMPPMOOKPIMPIWMPFMSWFMOOKDPPMMPPMDPWMPCMDPIMDPIWMdifPPM图2调制方式的分类图2中，同步方式通过改变脉冲位置或宽度编码，整体符号结构不变；非同步方式没有固定的符号结构。调制方案确定，需要知道基带信号（调制信号）和载波信号的类型以及特性，通过分析比较，最终选取合适的调制方案。所有的脉冲时间调制（PTM）几乎都适合于光通信系统，其中，OOK是一种应用广泛且最易实现的PTM调制方式；PPM功率利用率高；DPPM和DPIM作为改进型的PPM，具有较好的功率利用率和频带利用率。四种调制方式的功率利用率，频带利用率和它们的抗码间干扰能力的分析和比较请详见参考文献[][]。表1给出了以上四种调制方式当调制参数信源比特n=2时，信息位与调制帧之间的关系，从中可以很清楚地看到其调制方式的区别。表1信源bit和传送符号之间的映射关系信息位OOK（NRZ）4-PPM4-DPPM4-DPIM（有保护位）000010001100101010001100101000100011000111100010001100003仿真分析和设计论文对适于紫外LED无线通信中的OOK、PPM、DPPM以及DPIM四种调制方式的功率利用率和频带利用率进行了仿真分析，比较分析其对紫外LED无线通信系统性能的影响。3.1功率利用率众多周知，调制方式直接影响通信系统的特性，如传输距离，信噪比，以及光源功率，因此整个系统性能的确立与背景噪声的类型有关，不同的背景噪声，系统传输距离与发射功率将不同。论文主要分析在高信噪比的高斯背景噪声[14-19下系统的功率利用率。图4为OOK、4-PPM、4-DPPM和4-DPIM四种调制方式在信噪比均为610，收发仰角均为90o，发送速率分别为2.4Kbps和9.6Kbps时，传输距离与发射功率的变化曲线。0100200300400500600700800050100发送功率（mW）(a)传输距离（m）数据传输速率为2.4Kbps时，传输距离与发射功率的关系图OOKPPMDPPMDPIM01002003004005006007008000204060发送功率（mW）(b)传输距离（m）数据传输速率为9.6Kbps时，传输距离与发射功率的关系图OOKPPMDPPMDPIM图3系统在n=2，不同调制方式下传输距离和发送功率的关系图图3（a）和（b）比较可知在其它参数均相同的情况下，较OOK调制方式，PPM、DPPM和DPIM调制方式更利于改善通信系统性能，延长通信距离。图3（a）在传输速率为2.4Kbps，发射功率为400mW时，4-PPM调制方式下传输距离略小于50m，远远大于OOK（约25m），DPPM和DPIM介于两者之间；当传输速率为9.6Kbps，发射功率仍为400mW时，4-PPM调制方式下传输距离约为22m，均高于其它三种调制方式，如图3（b）所示。采用更大n的调制方式可以获得更大的功率利用率如图4所示。图4（a）和（b）分别为在信噪比为610，收发仰角均为90o，数据传输速率为2.4Kbps，n分别为3和4的情况下，四种调制方式对传输距离的影响。由图4（a）n=3可知，当发射功率为400mW时，8-PPM调制方式下传输距离约为80m，8-DPPM和8-DPIM调制方式下传输距离约为50m；当n=4时，16-PPM调制方式下，传输距离约为120m，16-DPPM和16-DPIM调制方式下传输距离可以达到80m。01002003004005006007008000100200300发送功率（mW）(b)传输距离（m）数据传输速率为2.4Kbps时，传输距离与发射功率的关系图OOKPPMDPPMDPIM0100200300400500600700800050100150200数据传输速率为2.4Kbps时，传输距离与发射功率的关系图发送功率（mW）(a)传输距离（m）OOKPPMDPPMDPIM图4系统在n=3和4时，不同调制方式下传输距离与发射功率的关系图结合图3和图4可知：PPM功率利用率最高，且随着n的增大功率效率不断地增大。具有更大n的PPM、DPPM和DPIM调制方式均可以获得更高的功率利用率，但它们是以牺牲带宽利用率为代价的。3.2频率利用率PPM的高功率利用率是以牺牲带宽为代价的，如图5所示。DPPM和DPIM所需要的带宽相差不多，但都比相应的PPM少，而且随着n的增加，这种带宽的优势更加明显。综合图3、图4和图5可知，当带宽要求较严时，采用较小n的PPM调制方式可以满足紫外无线通信系统的要求。综合考虑功率利用率和带宽利用率，采用大n的DPPM和DPIM调制方式可以获得较高的功率利用率，且带宽要求远远低于PPM。22.533.544.555.561234567891011n归一化带宽（相对于OOK）OOKPPMDPPMDPIM图5各调制方式带宽与n的关系3.3系统设计建议综合上述对功