[科普中国]-脉冲相位调制

脉冲相位调制（PPM）最早由Pierce提出并应用于空间通信，是利用脉冲的相对位置来传递信息的一种调制方式。在光通信中，这种调制方式可以以最小的光平均功率达到最高的数据传输速率。PPM的优点在于：它仅需根据数据符号控制脉冲位置，不需要进行极性和脉冲幅度的控制，便于以较低的复杂度实现调制与解调，PPM特别适用于室内计算机红外线通信和对潜通信等要求低平均功率传输信息的场合。PPM信号调制广泛应用于超宽带移动通信、光通信等现代通信前沿技术领域。PPM信号的调制和接收对通信系统的性能起很大作用。

PPM调制采用断续的周期性光脉冲作为载波，利用信源的二进制信息控制脉冲的位置。脉冲位置调制的形式主要有三种：单脉冲相位调制（L-PPM）、多脉冲相位调制（MPPM）以及差分脉冲相位调制（DPPM）1。

单脉冲相位调制(L-PPM)，是将一个二进制的n位数据组映射为由 个时隙组成的时间段上的某一个时隙处的单个脉冲信号。可见，一个L位的PPM调制信号传送的信息比特为 。如果将n位数据组写成M={m1，m2，m3，Λ，mn}，而将时隙位置记为l，则单脉冲PPM调制的映射编码关系可以写成是：

(1)

例如对于～个4-PPM调制：

若M=(0，0)，则l=0；

若M=(1，0)，则l=1；

若M=(0，1)，则l=2；

若M=(1，1)，则l=3；

0、1、2、3分别对应时隙位置，如图所示。

可以看出，(1)式决定的映射Φ是一一映射，满足调制唯一性的要求。

对于一个码元速率为 =1/ 的数字基带信号，它对理想低通信道带宽的要求是B= /2。假设OOK信号的码元速率为 =1/ ，L-PPM信号的码元速率为 =1/ ，在要求传信率相同的情况下，有： L= ，所以B/B’= /L。一般，L= ，n为整数。可见，L-PPM调制对带宽的要求比OOK要大。但是，对于一个应用L-PPM调制的光通信系统，它的平均光发送功率为 /L， 是码元为1时的发送光功率。而应用OOK调制的光系统(不归零码)，在1和0出现概率相同的情况下，平均光发送功率为 /2。这一点对于一些用光作为通信载体的手持设备，便携式终端特别有利。分析表明，PPM的功率及频带利用率两者之间的折中率较好，IEEE802.11委员会于1995年11月推荐PPM调制方式用于速率为0~10 MHz的红外无线通信。

比较不同调制方式的一个参数是单位传信率，即每秒每赫兹传输比特数γ

(2)

式中：

R是传输速率(bit* )；

B是信号带宽(Hz)。

在光通信中，激光器通常工作于脉冲状态，脉冲持续时间为τ，相应的信号带宽定义为

(3)

对于占空比为 的OOK调制码元，则它的单位传信率是

(4)

对于单脉冲L-PPM调制，若时隙数为L= ，占空比同样为 ，则 个时隙的宽度为 。因此，相应的单位传信率为

(5)

从(4)式和(5)式可以看出，在相同传信率时，单脉冲PPM调制要求传输码率比OOK调制高，相应的带宽也大。

差分脉冲位置调制(DPPM)是一种在单脉冲PPM调制基础上改进的调制方式。前文提到，对于一个L-PPM码组，它的位数是固定的L位，其中一位为1，其他的位都为0。而L-DPPM的码组位数是不定的，它是由一串低电平后跟着一位高电平构成。如图所示。

从图中可知，DPPM调制信号将PPM调制信号的一个码组中高电平以后的信号全部去掉。可见，对于L-DPPM信号与L-PPM信号仍然有相同的分析。一个L-DPPM码组传输的信息比特和一个L-PPM码组相同，都为 比特。但是在相同传信率的情况下，DPPM调制比PPM调制占用的信道带宽少，而与OOK调制相比，它的平均光发送功率要小。

显而易见，DPPM调制后的信号数据量是不确定的，这限制了DPPM在某些系统中的应用。在下面对DPPM单位传信率的分析中，我们假定送来调制的信息元中l出现的概率P(1)和0出现豹概率P(0)是相等的，并且在一个L-DPPM码组的任一位时隙上出现1的机会都相同。那么对于占空比为 的DPPM信号，它的码元速率为R=1/T= / ，信号带宽B=1/ 。因为一个码组包含的码元位数是不定的，所以这里只能得如L-DPPM一个码组的平均码元位数。这样，平均一个鹨组的时段宽度为

(6)

所以，DPPM调制的单位传信率是

(7)

需要说明的是这个单位传信率只是统计意义上的单位传信率。在具体某一段时问内，1和0出现的次数可能是不同的，经DPPM调制后输出信号码流量可能是时变的。

多脉冲PPM调制方式是将n个二进制的信息元映射为有M个时隙组成的时段上的多个脉冲。比如双脉冲PPM调制，如图所示。

若记2脉冲位置分别是 ， ，则可描述为

(8)

由于PPM调制信号是时间序列，脉冲位置也就是时闻的先后，因此，多脉冲PPM调制可以按多个脉冲的组合或排列方式分为多脉冲组合和多脉冲排列PPM，这种排列或组合的种类表征了它们各自的传信能力。对于多脉冲排列PPM，各个脉冲应有不同的特征，如选取不同的电平值，或是不同的脉宽等。由于这种调制方式在实现上较为复杂，所以一般很少用到。

对于多脉冲组合PPM方式，记I= 个时隙上k脉冲PPM的组合种类为 ，则有

(9)

多脉冲的传信能力随着k的增加而不断变大。它的单位传信率可以写为

(10)

其中[ ]是指取值最接近 但比 要小的数，并且[ ]= (n是≥m的一整数)。

由上面的分析可以看出，L-PPM调制和L-DPPM调制与一般的OOK调制相比，都有不同程度的带宽扩张。多脉冲PPM调制和前2种PPM调制不同，选择合适静脉冲数可以减小带宽扩张甚至没有带宽扩张，并且可以在相同传输速率情况下，比OOK调制有更高的传信率。它们的平均发送光功率都有所降低。此外，L-PPM和多脉冲PPM解码需要码组同步时钟来确定一个码组的开始和结束，而DPPM不需要。

在接收端，要对接收到的信号进行解码，最重要的就是对信号进行判决。对于无线光通信，不论是室内的光通信还是应用于室外的光通信或是空间光通信，由于各种原因，光脉冲总会有色散延时，脉冲波形会展宽，不仅会导致一个码组内码元的串扰，还会引起码组见码元的相互干扰。这对在接收端的判决解码会产生很严重的影响，需要想办法克服或尽量减小其影响。

对于L-PPM信号，判决可以分为软判决和硬判决。硬判决解码就是对每一个抽样根据判决门限直接进行判决，高电平为1，低电乎为0。然后将已经判决的一个L位的码组的解码交给解码器。融解码器来决定解码输出，包括在所有抽样都为0或是不止一位抽样为1的情况下的解码输出(这时候显然会有误妈产生)。通常，这种判决解码较容易实现。软判决解码对每一个抽样值不量化，而是比较一个码组中的所有L位值，由解码器选择L位中值最大的位作为脉冲位置进行解码。有研究表明，在一定条件下硬判决解码比软判决解码要多1.5dB功率损伤。明显的，DPPM和多脉冲PPM就无法应用软判决解码2。

在光无线通信系统中，大多设计为强度调制/直接检测系统，OOK虽然是此系统中最容易实现的调制方式，但OOK的传输速率太低，而且不能满足背景光较强或高速率通信时的要求，PPM调制则可以满足这些要求，因为它是一种具有更高光功率利用率的调制方式。在PPM通信中，信息是由光脉冲所在的位置来表示的。将PPM帧的时隙划分为M个时隙。在发射端，每log2M位的二进制信息转化为一帧中某特定位置的一个光脉冲，在接收端，通过检测判决光脉冲在帧中的位置，从而还原成为二进制信息。

图所示是PPM调制解调系统方案模型，该模型由FPGA处理单元、DSP控制单元和外围处理单元组成。其中FPGA的功能是提取时隙同步信号和帧同步信号及对PPM信号解码。DSP的功能是进行二进制信号的PWM编码、控制系统、与主机通信、处理信号以及数字化模拟信号。外围处理单元包括激光器调制驱动电路、PPM输出单元、APD光电转换、光学系统、预处理单元1。

信息的调制解调方式对通信性能具有决定性作用，在可靠的前提下，应选择具有高的传输速率（单位时间传输的信息量）和高的传输效率（单位能量传输的信息量）的调制方式，虽然两者可能会发生矛盾，在一个实际系统中应根据实际需要偏重一个方面。在速率一定的光无线通信领域中，要求传输功率尽可能小或者说效率尽可能高，PPM就满足了以上要求。L-PPM脉冲功率与平均功率之比可以做得特别高，因为它采用断续的周期性光脉冲作为载波，载波受到调制信号的控制，脉冲时间位置随之发生变化而传递信息。L-PPM比OOK更能降低光辐射平均功率的要求。小辐射功率可以延长电源工作寿命，光L-PPM特别适合于室内计算机红外无线通信要求低平均功率传输信息和对潜通信的场合，IR物理层采用PPM是无线局域网标准草案IEEE802.11的规定。

由表可见当保护时隙个数大于32时，L-PPM的功率利用率可以做得比OOK的高。只要取L大于16，L-PPM的能量利用率就可比OOK的高，因此L-PPM也称为功率有效的调制。L-PPM特别适合于带宽比较丰富而功率比较珍贵的通信环境或脉冲重复间隔有限制的通信系统。