空间光通信中调制与编码技术研究

摘要：调制和编码是提升空间光通信性能的重要技术之一，对它们的研究具有重要意义。本文主要研究与介绍了目前空间光通信中主要用到的调制和编码技术，并对它们的性能进行了比较，所得出的结论对于以后如何在实际中提高光通信系统的抗干扰能力，实现更好的无线传输性能给出了理论指导。

关键词：空间光通信 调制技术 编码技术

中图分类号：TN929.1文献标识码：A文章编号：1007-9416(2012)02-0040-01

1、引言

开关键控调制（OOK）和脉冲位置调制（PPM）是空间光通信中使用得最多的两种调制方式。在OOK调制系统中，编码调制只需要通过光源的闪烁即可完成，是空间光通信系统调制方式中最初级、最简单的形式。但是它受背景光的影响大，功率效率低，而且信噪比很难提高，光信号经过长距离的大气衰减后已经变的很微弱，此时OOK调制方式已经无法保证通信的全天候与可靠性，并且通信率也很难提高，难以很好地发挥光通信的频宽优势。相比OOK调制方式，PPM调制能大大降低对发射端激光平均功率的要求，可以取得较好的平均功率效率。在空间光通信中，如果在给定的激光脉冲重复频率下采用PPM调制方式，可以利用很小的光平均功率就达到很高的数据传输率。近年来的研究还发现，PPM调制与OOK调制相比不仅提高了激光器的功率效率，而且抗信道误码能力也有显著增强，非常适合于信道噪声复杂且功率受限的空间光通信。

早期广泛应用于空间光通信的编码方式有里德-所罗门码（Reed-Solomon,RS码）和卷积吗。因为空间光通信中通信距离遥远，RS编码后的信息经过长距离传输后变得非常微弱，无法满足FSO的需求。为了弥补RS码的不足，Turbo码和LDPC码相继被提出，最近，将编码与调制相结合的LDPC+APPM等新型编码技术也得到了提出。

2、空间光通信的系统模型和信道模型

2.1 系统模型

从研究调制和编码的角度，空间光通信系统的系统组成可表示成如图1所示。

空间光通信系统工作原理：(1)信源经过编码器编码后送入调制器进行调制，系统选用PPM调制作为调制方式；(2)已调信号通过光发射机发射出去，为便于研究，本文将大气信道选定为加性高斯白噪声信道；(3)光接收机接收光信号，接收到的光信号被转换成电信号，电信号经过放大等处理经过PPM解调，送入译码器译码，还原出原来的信息。

2.2 信道模型

高斯随机过程是一种十分重要且普遍存在的随机过程，大量的研究观察表明，高斯噪声始终存在与任何一种信道中，本文将大气信道选为加性高斯白噪声信道具有重要的实际意义。

高斯噪声是指存在于通信系统中的某些数字特征或者统计特性符合高斯过程的数字特征或者统计特性的噪声，它的概率密度函数为：，其中：α为噪声的均值，δ为噪声的均方差。

3、编码方式和性能分析

3.1 RS码

RS码是一种非二进制循环码，假设RS码的码元是m比特，m为大于2的正整数，则该RS码成立的条件是：n和k同时满足，其中n和k分别是已编码组中的总码元数和已编码组中的数据码元数。对大多数RS码而言，，其中和t分别是监督码元个数和RS码能够纠正的错误码元个数。

3.2 LDPC码

LDPC码是一种与众不同的线性分组码，它不是由生成矩阵表示，而是由校验矩阵来表示。作为一种典型的奇偶校验码，LDPC码的校验矩阵H具有稀疏性，即矩阵中只有很少数“1”元素，而“0”元素则居多。规则LDPC的校验矩阵H中每一行和每一列中“1”元素的个数是相同的。规则LDPC码的描述可以采用的形式，n表示分组码长度，j和k分别表示校验矩阵H中每一列和每一行中包含“1”元素的个数。LDPC码是一种在线性时间内可编译的码，它在经过很好的设计后能够非常逼近Shannon限。

3.3 性能曲线

本文对相应码长、码率的RS码、LDPC码以及LDPC-APPM码进行了仿真和比较，仿真结果如图2和图3所示，纵坐标表示误码率（BER），横坐标表示每个时隙内探测器吸收的光子数。

从图1可以看出，经过RS和LDPC编码后的信号比未经编码的信号误码率要小很多，另外在PPM调制阶数（512-PPM）相同下，相同码长的LDPC码性能明显优于RS码。从图2又可看出在相同调制阶数下，新型的LDPC-APPM编码方式比LDPC码性能要优越很多。

4、结语

仿真结果表明，LDPC码性能明显优于RS码，而新型的LDPC-APPM编码在性能上则更加突出。可以预知，基于PPM调制和LDPC编码的新型编码方式将在空间光通信中将有很好的应用前景。

参考文献

[1]王佳,俞信.自由空间光通信技术的研究现状和发展方向综述[J].光学技术,2005.3.

[2]郭建中,谭莹,艾勇.基于LDPC码和PPM调制的深空光通信系统性能分析[J].光通信技术,2007,31(12).