第４２卷第５期 ２００７年ｌＯ月 西南交通大学学报 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＯＵＴＨＷＥＳＴ ＪＩＡＯＴＯＮＧ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ Ｖｏ１．４２ Ｎｏ．５ ０ｃｔ．２ＯＯ７
文章编号：０２５８－２７２４（２００７）０５－０６００－０４
大气激光通信中几种调制方式的性能比较
钟晓春， 韩佳佳
（西南交通大学应用物理系，四川成都６１００３１）
摘要：为选择适合大气激光通信的信道调制方式，对湍流信道下的大气激光通信系统中的ＯＯＫ，ＰＰＭ，ＤＰＰＭ 和ＤＰＩＭ调制方式的包误码率（ＰＥＲ）和带宽性能进行了仿真分析．结果表明，ＤＰＩＭ的ＰＥＲ性能最好，ＰＰＭ和 ＤＰＰＭ次之，ＯＯＫ最差．当调制参数较小时，ＰＰＭ的带宽性能较好；当调制参数较大时，ＤＰＰＭ和ＤＰＩＭ的带宽性 能较好．除ＯＯＫ之外的３种调制方式需要的功率都较小． 关键词：大气激光通信；ＯＯＫ；ＰＰＭ；ＤＰＰＭ；ＤＰＩＭ；性能 中图分类号：ＴＮ２４９ 文献标识码：Ａ
Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，Ｓｃｈｅｍｅｓ ｆｏｒ
Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ
ＺＨＯＮＧ Ｘｉａｏｃｈｕｎ，ＨＡＮ Ｊｉａｊｉａ
（Ｄｅｐｔ．ｏｆ Ａｐｐ１．Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００３１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ｏｆ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅｓ，ＯＯＫ（ｏｎ ｏｆｆ ｋｅｙ），ＰＰＭ（ｐｕｌｓｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ
ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ），ＤＰＰＭ（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｐｕｌｓｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）ａｎｄ ＤＰＩＭ（ｄｉｇｉｔａｌ ｐｕｌｓｅ ｉｎｔｅｒｖａｌ
ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ），ｕｓｅｄ ｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｏｖｅｒ ｔｈｅ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ｃｈａｎｎｅｌ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ
ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｉｎ ｔｅｒｍｓ ｏｆ ｐａｃｋｅｔ ｅｒｒｏｒ ｒａｔｅ（ＰＥＲ）ａｎｄ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｉｎ ｔｅｒｍｓ ｏｆ ＰＥＲ，ＤＰＩＭ
ｉｓ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｆｏｌｌｏｗｅｄ ｂｙ ＰＰＭ ａｎｄ ＤＰＰＭ，ａｎｄ ＯＯＫ ｉｓ ｔｈｅ ｗｏｒｓｔ．Ｗｉｔｈ ｒｅｇａｒｄ ｔｏ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，
ＰＰＭ ｉｓ ｄｅｓｉｒａｂｌｅ ｗｉｔｈ ａ ｓｍａｌｌ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒ．ａｎｄ ＤＰＰＭ ａｎｄ ＤＰＩＭ ａｒｅ ｇｏｏｄ ｗｉｔｈ ａ ｌａｒｇｅ
ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒ．Ａｌｌ ｔｈｅｓｅ ｓｃｈｅｍｅｓ，ｅｘｃｅｐｔ ＯＯＫ，ｒｅｑｕｉｒｅ ａ ｓｍａｌｌ ｌａｓｅｒ ｐｏｗｅｒ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ；ＯＯＫ；ＰＰＭ；ＤＰＰＭ；ＤＰＩＭ；ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
在大气激光通信系统中，光信号调制方式的选择受人眼安全标准的限制，对发射端的激光功率提出了
非常严格的要求，且对于使用电池供电的便携式无线光设备，也要求功率损耗尽可能低．因此，在给定码速
率、误码率以及通信距离的前提下，根据所需求的平均功率的大小，可以直观地判断调制技术的优劣，需要
的平均功率越小，这种调制技术就越有效．
笔者研究了目前应用于无线光通信领域最多的开关键控ＯＯＫ（ｏｎ ｏｆ ｋｅｙ）调制和脉冲位置调制ＰＰＭ
（ｐｕｌｓｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）以及新兴的两种光调制方式：差分脉冲位置调制ＤＰＰＭ（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｐｕｌｓｅ
ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）和数字脉冲间隔调制ＤＰＩＭ（ｄｉｇｉｔａｌ ｐｕｌｓｅ ｉｎｔｅｒｖａｌ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）Ｈ ．在大气湍流信道下分
析了它们的包误码率（ｐａｃｋｅｔ ｅｒｒｏｒ ｒａｔｅ，ＯＰＥＲ）以及带宽性能，提出了适合于大气激光通信的调制方式的
选择．
１不同的调制方式
１．１ ｏｏＫ
在ＯＯＫ中，每个信息位时间 （单位Ｓ）内光脉冲处于开或关的状态，“１”表示有光脉冲，“０”则被表
收稿日期：２００６－０１—１１ 基金项目：国家自然科学基金项目（６０５７２０７９） 作者简介：钟晓春（１９６５一），女，副教授，硕士，主要研究方向为空间光电探测与通信，Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｘｃｅｍａｉｌ＠１６３．ｃｏｒｎ
维普资讯 http://www.cqvip.com 第５期 钟晓春等：大气激光通信中几种调制方式的性能比较 ６０１
示为无光脉冲．若发射脉冲功率为Ｐ （单位Ｗ），则所需的平均光功率为 Ｐ 。。。 ＝Ｐ ／２．假设发射机的传
信率为Ｒ（单位ｂ／ｓ），则其所需要的带宽为Ｂ。。 ＝Ｒ．
１．２ ＰＰＭ 在ＰＰＭ大气激光通信系统中，信息是由光脉冲所在的位置表示的．用ｎ位二进制值表示一帧中某特
定位置的光脉冲，ｎ是调制参数，为正整数．２ 个时隙构成ＰＰＭ帧，光脉冲位于Ｍ＝２ 个时隙位置之一．当
ＰＰＭ与ＯＯＫ系统的传信率Ｒ相同时，时隙间隔长度为 ＝ｎ 发射端在特定的时隙中将信号以光脉
冲的形式发射，接收端探测到光脉冲后判断其所属时隙，然后恢复出信号．其发射光脉冲功率Ｐ 所需的平
均功率为Ｐ 。ＰＰＭ＝Ｐ ／２ ，带宽为ＢＰＰＭ＝２＂Ｒ／ｎ 一 ．
１．３ ＤＰＰＭ ＤＰＰＭ是ＰＰＭ的简单改进，只要把ＰＰＭ信号中的“１”时隙后面的“０”时隙去掉就可以得到相应的
ＤＰＰＭ信号．因为ＤＰＰＭ帧没有固定的时间约束，所以ＤＰＰＭ的帧长度即帧时隙数用平均值代替．虽然每
帧只有１个光脉冲，但各个帧的时隙数不同，最小长度为１个时隙，最大长度为２ 个时隙，所以平均帧长
度是Ｍ 。ＤＰＰＭ＝（２ ＋１）／２，则ＤＰＰＭ所需要的平均功率和带宽分别是Ｐ 。ＤＰＰＭ＝２Ｐ ／（２ ＋１）和ＢＤＰＰＭ＝
（２ ＋１）Ｒ／（２ｎ） ．
１．４ ＤＰⅡ
与ＤＰＰＭ类似，在ＤＰＩＭ中，帧长度也是不固定的．它用两个连续的光脉冲间的相对距离（时隙数）传
递信息，每帧都是以“１”开始，Ｍ 。 ＝（２ ＋３）／２是平均帧长度 ，则平均功率和带宽分别为Ｐ ＝
２Ｐ ／（２ ＋３）和Ｂ ＤＰＩＭ＝（２ ＋３）Ｒ／（２ｎ）．
表１［３ 给出了以上几种调制方式当调制参数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 各调制方式信息与传送帧之间的关系 Ｔａｂ．１ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｂｉｔｅｓ ａｎｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｆｒａｍｅｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅｓ
２ ＰＥＲ性能
由于ＤＰＰＭ和ＤＰＩＭ的帧长度不固定，任一时隙的错误不仅影响该时隙的信息位，而且会传递到后续
的信息位中，所以在分析中，比较调制方式的优劣时采用包误码率ＰＥＲ．所谓ＰＥＲ是指发送１ ０２４ ｂ时的 包错误概率，包错误概率的计算表达式为－２
ＰＥＲ＝１一（１一Ｐ）脚 ， （１）
式中：包长为Ｊ７ｖ，Ｎ＝１ ０２４ ｂ；Ｍ 。为用时隙数量表示的调制的平均帧长度；Ｐ是调制方式的平均时隙错
误概率．
由此可见要得到ＰＲＥ，必须先算出每种调制方式的时隙错误概率．对于ＯＯＫ，可把１个位周期看作１
个时隙，所以上述４种调制方式的时隙上有脉冲或无脉冲时的探测电流都可分别表示为（在这里，只考虑
大气激光通信系统中大气湍流对光通信的影响，并认为在整个脉冲周期内闪烁强度近似为常数 ） 】：
，１＝ｒＧＰ ＋ ， （２）
ｘ０＝ｎ０， （３）
式（２）～（３）中：ｒ是接收机中探测器ＡＰＤ（ａｖａｌａｎｃｈｅ ｐｈｏｔｏ ｄｉｏｄｅ）的响应度；Ｇ为ＡＰＤ的平均增益； 是
把系统中包括信道与光接收机的所有热噪声和点噪声等都认为是加性高斯噪声后，相加所得到的总的高
斯噪声，且１７，。～Ｎ（Ｏ， ）， ＝Ｎｏ／２，Ｎｏ为高斯噪声的单边功率谱密度．则， ～Ｎ（ＲＧＰ。 ， ），ｘｏ～Ｎ（Ｏ，
），
的概率密度函数 维普资讯 http://www.cqvip.com 西 南 交 通 大 学 学 报 第４２卷
ｐ（ ）＝ ＿ １ ｘｐ｛一 ） （４）
是对数正态分布，其中， 为Ｘ的对数方差，可用来表征闪烁的强弱，由大气的状态决定，数值越大则表
示闪烁越严重，弱湍流情况下 ＜１．２．于是，在闪烁强度为Ｘ的时候ＯＯＫ调制的时隙错误概率为
ｐ ＝Ｑ（ ）＝Ｑ（２ ｒ２（＿．＿４２ｐ ２ａ：ｖｅＯＯＫ．）＝Ｑ（２Ｘ ）， （５）
其中，Ｒ。。 ＝ｒ２ｂ，＂，２ｒｎ２ 啪 ／（４ｏ－２）为无闪烁情况下的接收机信噪比．那么，系统平均时隙错误概率为
４－∞ ， Ｐｏｏ ＝ ［ｐｅ］＝Ｊ ｐ（Ｘ）Ｑ（２Ｘ ｏｏ ｌ ｄＸ， （６）
可化为
‰ｘ＝ ：： １ Ｑ（２ 唧（ ～予２）ｄｓ． （７）
同理，ＰＰＭ，ＤＰＰＭ和ＤＰＩＭ调制方式在１个时隙上错判概率分别为：
＝ ：： Ｑ（Ｍ… 唧（ 手）） （８）
ｐ ＝Ｊｆ：： Ｑ（ ａｖｅｏ嗍 ｅｘｐ（ ｓ一孚２）ｄｓ， （９）
＝ Ｑ（Ｍａｖｅｏ咖 唧（ 予２）ｄｓ， （１０）
其中：
删：２ ； 嗍：簪２ ２；ＭａｖｅＤＰＰ￣ｌ： ；
一： ２ｆ￣２ ｎ２ ； ： ； ：簪．
令各种调制方式的平均发射光功率相等．把式（７）～
（１Ｏ）的各调制方式的平均时隙错误概率依次代入到式（１）
中可得到ｎ＝１时，ＯＯＫ，ＰＰＭ，ＤＰＰＭ和ＤＰＩＭ的ＰＥＲ性能
比较，如图１所示．
由图１可见，ＤＰＩＭ的ＰＥＲ性能最好，ＰＰＭ次之，ＤＰＰＭ
再次之，ＯＯＫ的ＰＥＲ性能最差．ＤＰＩＭ的功率利用率最高，
因为达到相同的ＰＥＲ时，它所需要的激光发射平均功率最
小；而当发射平均光功率相同时，ＤＰＩＭ系统的ＰＥＲ性能最
好．应该注意的是，图１虽然是针对调制参数ｎ＝１的情况，
但对于ｎ为其他值的情况，上述结论依然成立，且对于同一
种调制方式来说，ｎ（ｎ＝１，２，３，…）越大，任一种调制方式
的包错误概率ＰＥＲ性能都会越好． 图１各调制方式ＰＥＲ性能与 接收机信噪比之间的关系 Ｆｉｇ．１ ＰＥＲ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅｓ ｖｓ ＳＮＲ ｗｉｔｈｏｕｔ ｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｉｏｎ
３ 带宽性能
根据前面的论述，在系统传信率为 时，各调制方式的带宽分别为Ｂ。。 ＝Ｒ，ＢＰＰＭ＝２ Ｒ／ｎ，Ｂ。ＰＰＭ＝
（２ ＋１） ／（２ｎ），－Ｂ Ｄｐ１ ＝（２ ＋３） ／（２ｎ）．其它调制方式与ＯＯＫ的带宽相比所得的相对值（即ＯＯＫ取
为１）与ｎ的关系如图２所示．由图可知，与ＰＰＭ相比，ＤＰＩＭ和ＤＰＰＭ在传信率Ｒ和调制参数ｎ（ｎｔ＞２）
相同的情况下，需要的带宽更小，即可以提供更高的频带利用率．
综合图１和图２可知，对于一定的ｎ，ＤＰＰＭ与相应的ＰＰＭ相比，ＰＥＲ性能较差，功率利用率较低，
但 维普资讯 http://www.cqvip.com