无线光通信：类脉冲位置调制的进展与展望

       无线光通信是利用光载波进行信息传输的一种通信方式，具有传输速率高、抗电磁干扰、可靠性高等优点，在解决“最后一公里”问题、应急通信、卫星(星地)通信等方面具有广泛的应用前景。

       在无线光通信中强度调制/直接检测(intensity modulation/direct detection，IM/DD)最普遍和最简单的调制方式是开关键控(on-off keying，OOK)，只需用信源控制光源闪烁就可完成编码调制，但是OOK频谱效率比较低，抗干扰能力差，易受背景光的影响，降低了该调制方式通信的可靠性，并且通信数据传输速率很难提高，不能发挥光通信的频宽优势。

       类脉冲位置调制是指脉冲位置调制(pulse position modulation，PPM)、差分脉冲位置调制(differential pulse position modulation，DPPM)及其组合以及由此演变而成的各种脉冲位置调制方式。但是激光光束经过大气信道传输时，由于大气衰减以及大气湍流等各种因素会使光通信系统的差错控制性能变差。为了提高通信的效率，人们研究了一系列调制技术。选择先进的调制格式以及相应的解调技术可以降低大气环境对通信系统的干扰，保证高效率传输和低误码率。因此，对调制方式的研究是无线光通信领域的重要课题之一。

       西安理工大学柯熙政教授团队在《光电工程》2022年第3期上发表了题为“无线光通信类脉冲位置调制技术研究进展”的特邀综述文章。

       为了选择出合适的调制方式，西安理工大学柯熙政课题组对类脉冲位置调制进行了系统的分析。2005年，丁德强[1]等分析了PPM的性能并通过硬件进行了实现。2006年，赵黎[2]研究了DPPM并对其性能进行了分析。2007年，秦岭[3]等对多脉冲位置调制(multiple pulse position modulation，MPPM)的符号结构、星座图进行了研究，并通过硬件实现了MPPM。2007年，黄蕾[4]分析了重叠脉冲位置调制(overlapping pulse position modulation，OPPM)产生的基本原理及其性能。2010年，马丽娜[5]将PPM和偏振态调制有机结合，提出一种新的大气激光通信调制技术。2011年，孙长梅[6]对双幅度脉冲位置调制(dual amplitude pulse position modulation，DAPPM)的符号结构、功率谱密度、带宽需求等进行了分析。2011年，贾超[7]对双头脉冲间隔调制(double headed pulse interval modulation，DHPIM)的性能进行了分析。2013年，柳美平[8]对类脉冲位置调制的符号结构、功率谱密度、误码率等进行了系统研究。2016年，石碧瑶[9]研究了正交幅度调制(quadrature amplitude modulation，QAM)调制解调程序并对结果进行了分析。2015年，田晓超[10]讨论了自适应阈值检测模型并分析了其性能。2012年，裴国强[11]研究了多光束发射和多孔径接收两种抑制湍流改善通信性能的方法。2019年，刘昭辉[12]研究了半导体激光器和光电探测器的响应特性并进行优化，提高了通信系统的调制速率。

图1 不同调制方式的平均符号长度

图2 不同调制方式的带宽需求

图3 不同调制方式的带宽利用率

       类脉冲位置调制的研究从对PPM性能的研究向多种调制性能相互比较发展，各种调制方式之间都相互有联系，每一种调制方式的提出都是基于已有调制方式存在的缺点，同时这种调制方式本身也会有一些缺点。到目前为止，类脉冲位置调制共有近二十种，这二十种调制方式都存在着一些没能解决的问题，因此在以后的对大气激光通信系统的研究中还将会有更多的调制方式被提出来改善通信系统的性能。

[1] 丁德强. 大气激光通信PPM调制解调系统设计[D].西安: 西安理工大学,2005.

[2] 赵黎. 大气激光通信 DPPM 调制解调技术研究[D]. 西安：西安理工大学, 2006: 13-28.

[3] 秦岭. 大气激光通信中多脉冲调制系统的设计[D].西安: 西安理工大学, 2007.

[4] 黄蕾. TCM技术在大气激光通信系统中的应用研究[D]. 西安：西安理工大学, 2007.

[5] 马丽娜.大气激光通信中PPM偏振调制及其实验研究[D].西安:西安理工大学，2010.

[6] 孙长梅. 大气激光通信DAPPM调制解调系统仿真研究[D]. 西安：西安理工大学, 2011: 9-20.

[7] 贾超. 大气激光通信DHPIM调制解调技术研究[D]. 西安：西安理工大学: 2011: 14-30.

[8] 柳美平. 无线光通信中类脉冲位置调制性能分析[D].西安：西安理工大学, 2013: 13-33.

[9] 石碧瑶. 无线光通信系统中64-QAM调制实验研究[D]. 西安：安理工大学，2016.

[10] 田晓超. 强湍流下大气激光通信接收信号的自适应处理[D]. 西安：安理工大学, 2015.

[11]裴国强. 湍流大气中多光束发射/多孔径接收技术的性能研究[D]. 西安：安理工大学, 2012.

[12] 刘昭辉. 半导体激光器和光电探测器响应特性的研究[D]. 西安：西安理工大学, 2019.

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