Gamma-Gamma湍流下新型脉冲位置调制性能分析

为改进脉冲位置调制方式的性能,结合差分脉冲位置调制和多脉冲位置调制的优势,提出一种新型差分脉冲位置调制方式。在给出其符号结构的基础上,分析了其传输容量、带宽需求和功率需求,推导出Gamma-Gamma湍流信道下自由空间光通信系统的平均误时隙率和误包率模型,仿真分析了湍流强度、传输距离和调制阶数对该系统性能的影响,并将其与开关键控和三种脉冲位置调制方式进行比较。理论分析与仿真结果表明,新型差分脉冲调制方式比单脉冲位置调制、差分脉冲位置调制和多脉冲位置调制具有更高的传输容量,比单脉冲位置调制和差分脉冲位置调制具有更低的带宽需求,比多脉冲位置调制和开关键控具有更高的功率利用率和更好的差错性能,而且不需要符号同步,可以简化系统实现的复杂度。     

多调制方式下的强度叠加编码多发多收大气光通信系统性能分析

对开关键控(OOK)、脉冲位置调制(PPM)、差分脉冲位置调制(DPPM)和数字脉冲间隔调制(DPIM)下强度叠加编码多发多收(MIMO)光通信系统的性能进行了比较分析。研究表明:随着调制阶数的提高,后三种调制在平均发射功率需求方面较OOK调制有很大优势,但是相应的传输容量却有所下降。在差错性能方面,OOK调制在接收功率较低时误包率相对其它三种调制要小,当接收功率提高到一定程度时,PPM,DPPM和DPIM调制相对OOK调制均体现出了3～10dB的误包率优势。     

相关信道下无线光多输入多输出系统的平均容量

大气信道中,信道衰落以及天线间距的限制导致无线光多输入多输出(MIMO)系统的各光束间存在一定的相关性,这种相关性严重影响无线光通信系统的性能.基于脉冲位置调制(PPM)建立了相关信道下无线光MIMO系统的信道模型,并采用Wilkinson方法推导出对数正态衰落时无线光MIMO系统的平均信道容量.模拟结果表明:空间相关性的存在降低了系统的平均信道容量,而且随着总能量的增大,相关性带来的容量损失也增大.在完全相关信道中,发送端相关对信道容量产生的影响比接收端相关的影响更为严重.     

无背景噪声时光多输入多输出系统的信道容量

信道容量是通信系统能够达到的最大传输速率,是衡量通信系统通信能力的重要指标之一。在建立了光多输入多输出(MIMO)的信道模型之后,结合脉冲位置调制(PPM)分析了光MIMO系统的平均容量和中断容量;在无背景辐射的条件下,分别推导出了有无衰落时光MIMO平均容量封闭形式的近似表达式。在相同发射功率和传输带宽条件下,得到了光MIMO技术能成倍提高现有系统信道容量的结论。通过Monte Carlo仿真实验进一步证明了理论的正确性。     

无线光通信中脉冲位置调制信号误码率的蒙特卡罗仿真

分析了在无线光通信链路中对激光脉冲应用脉冲位置调制的误码率,介绍了蒙特卡罗仿真方法的基本思想及其处理概率问题的方法步骤,并用蒙特卡罗仿真方法得到了脉冲位置调制信号的误码率.仿真结果表明,脉冲位置调制信号的误码率随入射光强的增大而减小,可用雪崩光电二极管对其进行探测以得到良好的接收性能.这对探讨脉冲位置调制光通信链路的系统特性和无线光通信接收系统的设计具有一定的参考价值.     

基于DPIM调制的MIMO空间光通信系统

为了抑制空间光通信中大气湍流效应和降低误包率,提出了一种引入分布式多出多入技术,基于数字脉冲间隔调制的多出多入空间光通信系统.在弱湍流信道模型和APD探测器下建立了多出多入系统链路模型,推导了最大似然检测下的最佳阈值和误包率.计算结果表明:发射分集通过多路径传输平滑接收信号光强起伏;接收分集增加孔径平滑效应,减弱接收光强起伏;在发射平均功率、接收孔径总面积和背景噪音相同的条件下,数字脉冲间隔调制的不同多出多入系统存在几乎相同的最佳雪崩光电二极管增益;比较多出多入通信系统下三种调制方式,数字脉冲间隔调制的误包率较少劣于PPM调制而大大优于OOK调制.     

基于双电平脉冲宽度调制的低功耗可见光通信技术

为降低可见光通信系统中的额外功耗,对可见光通信中发光二极管结电容充放电导致的额外功耗进行了理论分析,给出了通信速率、结电容和调制方式对额外功耗的影响.基于此,提出了新型的双电平脉冲宽度调制技术,从额外功耗、带宽需求和差错性能三方面对双电平脉冲宽度调制进行了理论分析,并与非归零开关键控调制、脉冲位置调制和数字脉冲间隔调制进行了对比。结果表明,双电平脉冲宽度调制和非归零开关键控调制误时隙率相同,但额外功耗仅为非归零开关键控调制的M/2,(M为调制阶数);虽然相比于脉冲位置调制和数字脉冲间隔调制,双电平脉冲宽度调制需要更高的信噪比,但额外功耗仅为脉冲位置调制和数字脉冲间隔调制的1/2,带宽需求也小于脉冲位置调制和数字脉冲间隔调制,在功耗和带宽敏感的可见光通信系统中有较大优势。     

大气激光通信中的多层空间脉冲位置幅度调制

针对现有光空间脉冲位置调制频谱效率低、激光器利用率不高等问题,将分层技术与空间脉冲位置幅度调制相结合,提出了一种适合于大气激光通信的多层空间脉冲位置幅度调制方案.通过额外增加少量几个激光器构成多层结构,并通过脉冲位置幅度调制中的脉冲位置携带比特信息,不同层通过脉冲幅度得到区分.介绍了系统中层映射、空间脉冲位置幅度映射及其逆映射的原理,并推导出该方案的误码率表达式.利用蒙特卡洛仿真方法进一步验证了该方案的正确性,并与传统空间调制系统的性能进行了对比.结果表明:与传统光空间调制系统相比,所提方案提高了系统的频谱效率,且所用激光器数目更少.在传输比特相同的条件下,相对于(32,4,128)-空间脉冲位置调制系统,(9,4,8,2)-多层空间脉冲位置幅度调制系统的频谱效率提高了16倍,当误码率为10-3时,其信噪比改善了约1dB,且所用激光器数目不到前者的1/3.其中,括号中的参数分别表示激光器数目、探测器数目、采用调制方式的阶数及层数,层数为1时忽略.     

无线光通信中的增强型光空间调制

针对传统光空间调制传输速率低、激光器利用率不高等问题,提出了一种激活激光器数目可变的增强型光空间调制(EOSM)系统。通过每次激活一个或两个激光器的索引组合增大空间域映射,并结合脉冲位置调制(PPM)的特点来区分不同类的映射。详细介绍了空间域和信号域的映射规则,利用联合界技术推导出EOSM系统在弱湍流信道下的误码率的理论上界,并对EOSM系统与现有的三种光空间调制进行性能对比。结果表明:当激光器数和调制阶数固定时,EOSM系统的传输速率大于空间脉冲位置调制(SPPM)和空间脉冲幅度调制(SPAM)系统。当传输速率为6 bit/s、调制阶数为4时,EOSM系统的误码率与SPPM系统相近,但明显优于SPAM系统和广义空间脉冲位置调制(GSPPM)系统。当误码率为10~(-3)时,EOSM系统的信噪比比SPAM和GSPPM系统分别改善了约4.5 dB和1.2 dB。EOSM系统的计算复杂度比SPAM和GSPPM系统分别提高了17.78%和2.6%,比SPPM系统降低了70.2%。EOSM系统提高了激光器的利用率,大幅降低了系统的建设成本。     

基于RS编码及网格编码调制的光PPM通信纠错技术

分析了RS(Reed-Solomon)纠错码和网格编码调制（Trellis Coded Modulation,TCM）技术在光脉冲位置调制通信中的应用.在此基础上,提出了以RS码作为外码,以网格编码调制技术作为内码,用于光脉冲位置调制通信的新编码方案,能以几乎不减少通信速率的优势,提高传统RS码系统在时变带限光信道中的通信性能.模拟研究了在不同空间光信道条件下,传统RS码的符号正确传输率和误码率,并对网格编码调制的编码增益、RS码与网格编码调制级联时的编码增益进行了仿真研究,证实了本方案的有效性.     

Theoretical analysis of optical pulse position modulation communication systems using semiconductor lasers

In this paper the performance of a pulse position modulation (PPM) optical system is analysed both for direct and coherent detection schemes taking into account time jitter of the semiconductor laser. This phenomenon can introduce a large sensitivity penalty if the system parameters are not accurately selected. In particular, the optimum value of the PPM order is strongly influenced by the laser time jitter, and the modulation index cannot be chosen below a threshold value that, with the assumed laser parameters, is about 0.7.     

Detection probability of single photons in a slant path atmospheric turbulence communication channel

Using Rytov approximation and modified von Karman spectrum model of the index-of-refraction, the detection probability of single-photon beam propagation in a atmospheric turbulence communication channel is investigated and developed. In this research, the single-photon beam is assumed as a pulse beam which has an initial Gaussian temporal shape of the pulse and a Laguerre-Gaussian fundamental-model spatial distribution. It is found that in order to obtain the messages probability greater than or equal 0.1, we should encode and dispatch 66680 photons in identical information carriers at the transmitting side, and the radius of the detector at the receiving plane must be at least up to 0.4 m when the photons propagate in a turbulent atmosphere communication channel.     

基于DPIM调制的MIMO空间光通信系统

为了抑制空间光通信中大气湍流效应和降低误包率,提出了一种引入分布式多出多入技术,基于数字脉冲间隔调制的多出多入空间光通信系统.在弱湍流信道模型和APD探测器下建立了多出多入系统链路模型,推导了最大似然检测下的最佳阈值和误包率.计算结果表明：发射分集通过多路径传输平滑接收信号光强起伏|接收分集增加孔径平滑效应,减弱接收光强起伏|在发射平均功率、接收孔径总面积和背景噪音相同的条件下,数字脉冲间隔调制的不同多出多入系统存在几乎相同的最佳雪崩光电二极管增益|比较多出多入通信系统下三种调制方式,数字脉冲间隔调制的误包率较少劣于PPM调制而大大优于OOK调制.     

Modulator‐Free Coherent‐One‐Way Quantum Key Distribution

Time‐bin encoding is an attractive method for transmitting photonic qubits over long distances with minimal decoherence. It allows a simple receiver for quantum key distribution (QKD) that extracts a key by measuring time of arrival of photons and detects eavesdropping by measuring interference of pulses in different time bins. In the past, coherent pulses have been generated using a CW laser and an intensity modulator. A greatly simplified transmitter is proposed and demonstrated here that works by directly modulating the laser diode. Coherence between pulses is maintained by a weak seed laser. The modulator‐free source creates time‐bin encoded pulses with a high extinction ratio (29.4 dB) and an interference visibility above 97 %. The resulting QKD transmitter gives estimated secure key rates up to 4.57 Mbit/s, the highest yet reported for coherent‐one‐way QKD, and can be programmed for all protocols using weak coherent pulses.     

Fuzzy control of optical PPM–CDMA with M-ary orthogonal signaling

This paper introduces an incorporated spectral-amplitude coding (SAC) optical code-division multiple-access (OCDMA) scheme. One novel class of optical signature codes based on combinatorial designs is employed with M-ary pulse-position modulation (PPM) signaling to improve the system performance beyond the interference limit. A union upper bound on the bit error rate (BER) is derived and the performance characteristics are then discussed with a variety of system parameters. Furthermore, fuzzy logic (FL) control is proposed to provide tolerance of different degrees of reliability in multirate transmission and to achieve distinct service differentiation for multimedia applications. It is shown that the proposed system can effectively suppress noise effects and offer improved adaptation capabilities for multi-quality network requirements in comparison with systems without optimization.     

水下平台对卫星上行激光通信研究

在合理选择通信系统参量和通信信道参量的基础上,利用Monte Carlo方法模拟了卫星接收到的水下平台上行激光通信信号.分析了卫星接收信号的空间和时间分布特性,以及与望远镜接收视场角的关系,并计算了接收信号的信噪比,得出了3°望远镜视场角和15 μs信号积分时间的优化参量.基于计算结果,根据激光脉冲的PPM调制方式和最大似然检测方法,计算了系统的通信误码率,同时分析了海气界面、云等传输介质对通信的影响.研究结果表明:根据文中给定通信系统参量,在典型海水、海气界面、云等环境条件下,卫星与激光信号中心水平距离5 km范围内信号误码率<10－4.因此位于水下60 m的水下平台可能实现对卫星上行激光通信.     

星载激光对水下目标通信可行性研究

简要分析了通信信道中各传输介质的特性,确定了合理的传输介质光学参量。并根据一定的通信系统参量,利用蒙特卡罗方法模拟了水下目标接收信号的时间和空间分布。蒙特卡罗估计误差与平均值比值的上限小于0.3%。根据模拟的结果,得出了优化的接收系统采样时隙和接收望远镜视场角,进而计算了接收信噪比。在此基础上,基于激光脉冲的脉冲位置调制(PPM)方式和最大似然检测,计算出通信系统的误码率。研究结果表明,在较恶劣环境条件下,利用星载激光系统可以实现对水下目标的良好通信。     

On the transmission rate of classical information through quantum communication channels

The coding of quantum communication channels in real time is considered as applied to the situation when information is coded into continuous quantum degrees of freedom (into the shape of the amplitude of quantum states with an arbitrary number of photons). It is shown that the nonlocalizability of states in quantum field theory requires that the identity of particles should be taken into account. This, together with the finiteness of the limit speed of propagation, leads to the fact that the formulas for the transmission rate of nonrelativistic communication channels have an asymptotic character; i.e., these formulas are formally valid only when the separation between messages is infinite (when the identity of particles can be neglected) and, hence, when the transmission rate in [bit/message s] is infinitely small. A real-time information capacity of a sequential relativistic quantum communication channel is obtained that takes into account the identity of particles for pure signal states with an arbitrary number of photons. An explicit analytic expression is obtained for the transmission rate of a quantum channel of finite bandwidth for one-photon input states.