TELKOM NIKA , Vol.13, No .3, Septembe r 2015, pp. 8 80~888   ISSN: 1693-6 930,  accredited  A  by DIKTI, De cree No: 58/DIK T I/Kep/2013   DOI :  10.12928/TELKOMNIKA.v13i3.1976    880      Re cei v ed Ma rch 6, 2 015;  Re vised June  19, 2015; Accepte d  Jul y  4 ,  2015   Performance Analysis of Different Modulation  Techniques for Free-Space Optical Communication  System       Huiy ing Zha ng 1,2 , Hongzuo Li *1 ,Xiao Dongy a 1 , Cai  Chao 1   1 Institute of  sp ace optic al co mmunicati on,  Cha ngch un U n iversit y   of Scie nce an d T e chnolo g y ,   Cha ngch un W e i x in g Ro ad N o . 7089, 130 02 1,Cha ngc hun, Chin a, T e l:185 043 44 559   2 Colle ge of Info rmation a nd C ontrol En gi neer ing ,Jili n Institu t e Of Chemical    T e chnolo g y  ,   Jilin C h e nde R oad N o .45, 13 202 2, Jili n, Chi na, T e l:18504 3 445 59   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : CCLGY19 57 26@ 163.com       A b st r a ct   Free space  opt ical syste m  is  a hot  topic, w h ich has  gai ni ng  mor e  an d mor e  attentio n. Bu t,  w hen  the si gn al tra n s mitted  i n  th chan nel,  the  p e rformanc e co uld  be  sev e rely  de grad ed  d u e  to the  at mos p her e   turbul ent. The purp o se of this  paper is to fin d  a  most su ita b le  mo dul atio n  meth od for FSO system un der  F S O chann el.  T he p e rfor man c e of  pow er  efficienci e s,  b a n d w i dth effici en cy, BER a nd  SNR for t he f o u r   m o dulation schemes have st udied and com p ared in this paper incl ude On-Off keying (OOK), Binary Phase  Shift Keying (B PSK), Differential Ph ase Shift  Keyi ng (DPSK ) and Quadr ature Phas e Shif t Keying (QPSK)   w i thout atmos pher ic turbu l e n c e. Nu meric a exper iments s how  that BPSK and QPSK s c he mes  are b e tter   compar ed to other sche m es in  BER performa nce an d pow er  requir e ments. W hen take  inte nsity scintill atio n   und er Gamma- G amma tur bul ence ch an nel  i n to consi der ati on a nd the  ave r age BER  is de rived w i th Meij er- G function, BER perfor m a n ce s of BPSK and  QPSK sc heme appr oxi m at e the sa me. Co mpare d  w i th BPSK,   BER perfor m ance for QPSK  is 3dB  lower.  From  the  simulation res u lts,  m o dula tion for BPSK is robust  resist turbulenc e. As a result, BPSK schem is suit able for free-space optic a l comm unication system .     Ke y w ords :   free-spac e opt ical co mmunic a tion, b i t erro r rate, mo dul ation sc he me,  signa l– nois e  rate,   ga mma- ga mma turbul enc e chan nel     Copy right  ©  2015 Un ive r sita s Ah mad  Dah l an . All rig h t s r ese rved .       1. Introduc tion   In recent yea r s, FSO com m unication h a s a c hi eve d  con s id era b le  attentions d u e  to its   outstan ding band width,  capa city  and high data  rat e . However,  whe n  the laser be am ca rried   informatio n transmitting  in  the spa c e, it i s  g r eat ly influ enced  by atm o sp heri c  tu rb ulen ce which i s   called scintillation. The behavior of  turbulence is non-predi ctive,  produces random fluctuation  to  the received  optical irradi a n ce t hat ca n cau s seri ou s disto r tion o f  the receive d  front of wa ve thus g r eatly redu cing th e receive r  sen s i t ivity and  detection efficie n cy  re sult  in perfo rman ce of  the FSO syst em seve rely  decrea s e d  [1]. In order  to i m prove thi s   probl em,a va riety of methods  have be en u s ed to combat  the effect for  turbule n ce, such  as  red u ci ng the receiving ap ertu re,  an   adaptive o p tics  syste m  fo r wavefront  corre c tion,  th e multiple i n put multiple  output (MIM O)  techn o logy i s  adapte d  and  an  effective  modulatio n schem e is  co n s ide r ation. Previous  studi e s   have sho w n t hatmodul atio n sche me i s   an effectiv mean s to  re sist atmo sph e ric turbule n ce. I n   this pap er, p e rform a n c e f o r four m o d u lation sch e m es  comp ared in order  to find the most  suitabl e sche mes for FSO  system.   There are m any modul ation metho d in  FSO syst em,su c h a s a m plitude mo dulation,   freque ncy m odulatio n an d phase mod u lation. In t he former research,the int ensity modul ation  techni que  th at is  On -Off-keying  (OOK ) mo dul atio n   sche me  i s  widely used becau se of  i t s   band width eff i cien cy an d it is ea sy to mo dulati on  and  demod ulation .  However,th e ability to re sist   atmosp he ric  turbule n ce fo r O O K mo du lation i s  p a rti c ula r ly wea k . Co mpa r ed   with tradition al  intensity mo d u lation/direct  detectio n  (IM/ DD), ph ase  modulatio ndu e to its  high e r  sen s itivity and    excelle nt p r o pertie s  th at  better  suite d  for  FS O sy stem, wavefront  comp en sation  te chn o l o g y   doe s not  re q u ired  but th e  atmosphe ri c turbul en ce  can b e  bette sup p re ssed  [2]. In this p a per,  s e veral modulation inc l ude On-Off k e ying(OOK),  Binary Phas e Shif t Keying (BPSK), Different ial   Phase S h ift Keying (DPSK), and  Quadrature   Phase S h ift Keying (QPSK) descri bed  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Perform a n c Analysis of Di fferent Modul ati on Techniq ues for F r e e -Space  (Hui ying Zh ang 881 respe c tively.  In addition, p e rform a n c e such a s    power efficien cy, band width eff i cien cy,bit error  rate  (BER) a nd  sign al to  n o ise  rate  (S NR) fo r th e fou r  mo dulatio scheme s   are  comp ared  un der  the FSO cha nnel  with an d witho u t the  atmosphe ri fluctuation. Und e the si mulation re sults,  perfo rman ce  for the four modulation  scheme s  a r e  compa r e, combine d  wit h  the theore t ical   analysi s  re su lts,  a suitabl e   modul ation scheme   t hat  best fo r free  spa c e  opti c al  co mmuni cati on     system i s  ca rried out.   The  re st of the pa pe r is  orga nized  as fo llows. Se ction 2 the  FS O sy stem m odel a nd  cha nnel m o d e l has i n tro duced in thi s  pa per. In   Section 3, t he pe rform a nce  of the four  modulatio n schem es a r e d i scusse d with out rega rd  to the atmosp he re turbul ent. In Section 4,the  BER pe rformance fo r t he fou r   mo dulation  sch e mes u nde r Gamm a-Ga mma  cha n n e l is  comp ared  an d the  Meije r-G fun c tion i s  used to   si m p lify the an al ysis. Fi nally,  the pe rforma nce  are si mulate d  and com p a r e d  according t o  the theory  model.       2.  Modelof FS O Sy stemand Chann e 2.1. Sy stem  Model  A typical FSO system i s  consi s ted of la ser  so urce, transmitte r,  re ceiver an d   informatio sin k . Th e re ceiving  en d i s  m a inly in cl udeo ptic al  a n tenna s, p h o t o-dete c tor,  d e modul ator a n d   pro c e s sor [3]. The block di agra m  of FS O system i s  shown in Figu re 1.          Figure 1.   Blo ck di agram of  FSO system       Tran smitting  sign al modul ated by pha se m odulato r   and then tra n s mitted by light beam  into the FSO  cha nnel. Ge n e rally, the ch annel  refe rs t o  the atmo sp heri c  chan nel  and the  spa c cha nnel. As  the sign al travel throug h  the spa c e chann el, prop erties of FS O system  wil l  be  deteriorated because  of at mosphere turbulent, such  as ab sorption, scattering  and scintillations.  Assu ming tha t  the chan nel  without mem o ryand  with  a dditive white  Gau ssi an noi se (A WG N).  At  the re ceive r , the re ceive d  signal is  assu med to  be  distorted by the  noise  and  det ected  by the PD  then the d e te cted p hoto c u rre nt is extra c ted  by the B P F and  the  received  sign al is Y= hx+N.  Whe r e, is the  efficien cy of  photo - ele c tri c   conve r si on , h re presen ts the  ch ann el state  that   distrib u ted b y  Gamma -G amma mo del , x is the transmitted  si gnal, N i s  th e Additive white  Gau ssi an noi se that ze ro  mean an d variance is N 0 /2.     2.2.  Chan nel Mo del Distribu ted b y  Gamma-Gamma   When the  optical  signal  transmittedi n t he  channel it will be affected  by various   interferen ce, l i ke  rain,  clou ds, fog  and  a t mosph e ri c tu rbule n ce, which i s  e a sily  l ead to i n ten s i t sci ntillation, beam wand e r , scatte ring, refra c ting,  ph ase vari ation s , wavefro n t aberratio n s a nd  turbule n ce. T herefo r e, th pha se-co h e r e n t mod u lation  and  de mod u lation te chni q ues a r used  to  degrade  the   impact  of at mosp he ric di sturb a n c e   in  sp ace  optical commu nication. Ge ne rally,  there a r e fou r  models to d e scrib e  the in tensity  distrib u tion. Becau s e, this pape mainly focu ses  on the p a ralle l link in  the F S O system, t herefo r e,   we  take G a mma -gamma  mode l that both fit for  stron g  tu rbul ence a nd  we ak tu rb ulen ce to  describe  atmo sph e ri c ch ann el, an d its pa ramet e rs  most suita b le  for the actu al param eters. The  beam  intensity fluctuation pro b a b ility density of  Gamma -ga m ma model i s  given by [4, 5].  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 13, No. 3, September 20 15 :  880 – 888   882       () / 2 (1 ) 2 2( ) (I) ( 2 ) () ( ) fI K I         (1)     Whe r e, I > 0, i t  is inte nsity  of sig nal li ght (·) is  the Gamma func tion, K represents  the  solutio n  of Bayesia n  equ ation,  and a r e p a r a m e t ers  th a t  r e p r es en t th e  la r g e s c a l e  and  small - scal e o p tical wave in tensity fluctua t ion, which are given as:       2 1 12 / 5 7 / 6 0. 49 (e x p [ ] 1 ) ( 1 1. 11 ) R R  2 1 12 / 5 5 / 6 0. 51 (e x p [ ] 1 ) ( 1 0. 69 ) R R      (2)     Whe r e, 2 R represents the scin tillation index whi c h is   con s ide r  a s  Ryto v paramete r ,  the  mathemati c al  model i s  gi ven by 22 7 / 6 1 1 / 6 1. 23 Rn Ck L  . Here, 2/ k   , is wavel ength,L i s  th comm uni cati on distan ce, 2 n C is the refra c tive indexstru ctu r e par a m eter t hat is determi ned by wind  spe ed an d al titude acco rdi ng to the H-V turbulen ce  model.When   2 1 R , it means the light   intensity flu c tuation i s   we a k  a nd    whe n  t h e 2 1 R it mean s th e st ron g  inte n s ity fluctuatio n. Since  the Gamm a-Gamma  mod e l cove r the  all po ssi ble  of the turb ulen ce, so i n  this  pape r the   perfo rman ce  of BER under Gamma -Ga mma model i s  used.       3. Basic Mod u lation Sche mes  As we  all kn o w , there  are  different ki nd of pha se  m odulatio n sch e mes  are fit for FSO   comm uni cati on sy stem. In this  section,we will di scuss the SNR,  the bandwidt h  efficiency and    power  efficie n cy u nde r dif f erent m odul ation  schem e s , but th e at mosp he ric tu rbule n ce n o take   into c o ns ideration [5].    3.1. OOK Mo dulation   Becau s e  of  On-off  key (OOK)  schem e is the  sim p lest m odula t ion form of  bina ry   amplitude shift k e ying  (2ASK), it is   widely  us ed in  FSO c o mmunication sys tem.  For NRZ- OOK,the si gn al is  defined   as      00 (t ) A ( t n T ) c o s kn T b c n sa g w t . Here, the value of  n a is 0  or 1, T g rep r e s ent s n o -return - to-ze r o p u lse,Tb  is th e sy mbol inte rva l . Take  no  turbul en ce  into   con s id eratio n ,  conditional  bit erro r ratio  (p e-OOK ) for the NRZ-OO K coded o p tical data can  be  expre s sed  as a fun c tion of the Signal -to-Noise Ratio (SNR) as follo ws     11 1 () 22 22 e OOK p er f c S N R Q S N R .      In NRZ -OOK,  the requi red  band width is  equal to bit rate ,that is B OOK =R b . Ac c o rding to  comm uni cati on theo ry, the band width  efficien cy is   defined a s  th e ratio b e twe en the bit rat e  R can  be t r an smitted and  re quire d b and width B. Th e r efore, the b and width effi cien cy of O O K  is   1 b ook R B . Powe r requi reme ntis  one   of the in dicators  that n eed  to be  con s id ered. A c cordi n g   to BER exp r e ssi on, the  req u ired  po we r i s  d e fined  a s 2 1 N PS N R . Here, is  t he  re spo n siv i t y   of the PD, 2 N is the total n o ise  power. T o  g e t the pa rt icul ar  BER whil e transmitting OOK  throug h   an ideal  cha n nel, the norm a lize d  avera g e  power requi reme nt is  2 1 OO K N PS N R   3.2. BPSK M odulation    In pha se  mo dulation te ch nique,the i n formatio is  expre s sed i n  term s of th e carrier.   Whe n  bina ry digital sig nal  to control the  phase  of a sinusoidal  ca rrier that called  Binary Phase   Shift Keying (BPSK). It is a two  stage  phase  shift  ke ying where the phase of the carrier i s  set  to   0 or   a c cording the  val ue of the  m odulatin g si g nal. If a sy mbol '1 ' is tran smitted, t h e   modulate d  si gnal  i s  exactl as  th e ca rri er with pha se   0,  a s   the  sa me,  pha se   standin g  for '0'.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Perform a n c Analysis of Di fferent Modul ati on Techniq ues for F r e e -Space  (Hui ying Zh ang 883 The BPSK modulation is the simpl e st f o rm of PSK  and it more robust to resi st noise than OOK  [6-8].  As  for BPSK,eac bit of the modulating s i gn al caus es  a trans m itting s y mbol with T duratio n that  equal  with t h e bit d u ratio n  T b . That i s , t he requi red bandwidth for  BPSK is equal to   the bit rate. B BPSK =R b. This is con s ist ent with the  OOK. Acco rding to the  definition of the   band width eff i cien cy, the b and width effi cien cy for BP SK can be  e x presse d a s    1 b BP Sk R B that is the theoretical bandwidth effi ciency fo r BPSK i s  unit. And the condi tional  BER equation of  BPSK is    1 2 e BPS K p er f c S N R . The powe r  re qu ireme n ts can  readily be d e rived from t he BER   expre ssi on s. In the ca se  o f  equal BER,  usin the n o rmali z ed  average p o wer  re quire ment s o f     BPSK to NRZ-OOK, the po wer requirement for BPSK c a n be  written as 1 22 BP SK NRZ O O K P P Theo retically, the NRZ-O O K req u ire   as m u ch a s 22 times  power  than BPSK to obtain  particular BER performance.    3.3. DPSK M odulation   DPSK is a relative phase modul ation model , the information  whi c h is t r ansmitted  rep r e s ente d  by the pha se  differen c b e twee n the a d jacent symb ols. When eq uals 0, thi s   mean s two  adja c ent sy mbol sig nal s that before  and after are the sam e . And so, the   phen omen on  of inverted   π  can be  avoided  with  DPSK modulat ion scheme.  As synchronous  demodulation, compared to BPSK modulation, t he phase and f r equency of  the carrier need  not  to k n ow,  but,  the loc a c a rrier is nec e ss ary.  The BER for  DPSK  c a n be  calculated as  follows     1 2 2 e D PSK SNR pe r f c Whe n   u s in g differential de codi ng,  the   in formatio n  bit  “1” will  be  tra n s m itted by  shift the  pha se of  mod u lated  sign al  180°  rel a tive  to the p r eviou s  p h a s e of th e mod u late  si gnal. And  bit ' 0'    will be t r ansmitted without shift the  phase of  m o dulated  signal rel a tive to the previous of  modulate d  si gnal. The  re q u ired  ban dwi d th for DPSK  is eq ual to t he bit rate B DPSK =R [9]. The  spe c tru m  effi cien cy of  DP SK is  relative ly highe r,  di spersion  tole rance, no nline a r tole ra nce  and   PMD tole ran c e can  be im proved. When   getting the  sa me  bit er ror rate, the receiver  sens itivity  is   3dB hig h e r  th an O O K mo d u lation. In te rms  of re si st n o ise,it i s  b e tter th an  OOK.  The  ba nd wid t h   efficien cy is  equal  to BPS K and  OOK,  that is, 1 D PSk . For t he  conve n ien c of an alysi s , the   average power  requi rem e nt of DPSK  nor m a lized to OOK  can be expressed  as 1 2 D PSK NR Z O O K P P Under the same BER condition, the averag e power of NRZ -OOK  is twice than  DPSK.    3.4. QPSK Modulation   Different  from  BPSK and  DPSK, the QP SK schem e using two bits  are grouped t ogether  to form sign als. Wh en si gnal s tran sm itted, t here are fou r  part i cula r pha se s. The sp ect r al   efficiency can be further enhan ced by QPSK modul ation. Since  the QPSK can be regarded as   the com p osition of two  ort hogonal  signals of BPSK. Theref ore, each  bit occupies T se con d s,   the sign als  correspon ding  to the bits last for T s =2T b . This me an s that the requi red ban dwidth  for   QPSK is double to BPSK modulation, that is, B QPSK =0. 5 R b .And the theo retical ba nd wi dth   effic i enc y  for QPSK is    2 0. 5 b QPS k b R R . But, the practically the band width  efficien cy is  1.4 1.6bps / H z .  Sinc e the QPSK is a four-s tate p hase  s h ifting k e ying in  whic h two bits are  grou ped tog e t her an d the carrie r is p h a s e mo dulated , each bit ha s half of the origin al re cei v ed   intensity. Therefore, BER f o r QPSK  can considered  as two orthogonal of BPSK combi ned. B E for QPSK c a n be described as  2 QPSK BP SK BE R e r f c S NR BER . Because of the average po we requi rem ent  of BPSK requires a factor of  22 more po wer th an NRZ-OOK, con s eque ntly, the   average power require ment by the QPSK normaliz e d to  NRZ-OOK c an be express  as :     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 13, No. 3, September 20 15 :  880 – 888   884 1 1 1( B E R ) (2 ) 22 QP S K NR Z O O K P er f c P e r f c BER          (3)     From  Equati on  (10), we  assumed that inve rse  error  of BER for QPSK m o dulation i s   equal to 2 as BPSK modulation. Therefore, the  average power  requirement by  the QPSK is the   same as BPSK, or it only a few amount power  m o re than BPSK. From theoreti c al analysis  above, it  shows that the b andwidth  efficiency for OOK,  BPSK and  DPSK modulation schemes  are the  s a me, only the QPSK twic e than other  s c he mes .  Als o  from the disc uss i on above, it is   c l ear that the required bandwidth for QPSK is  the lowes t  than other modulation sc hemes however, the  data  rate i s  t he do uble d   compa r ed to  o t hers.  With  re spe c t to the   perfo rman ce   of  BER, BPSK and QPSK perform  better.  From the equat ion of the  average power requi rem e nt for  BPSK, DPSK and QPSK  schemes norma lized to NRZ-OOK respective ly, it is cl ear that the  DPSK requires  1.5dB more  power than  BPSK to obtain the  partic ular BE R performance, and t he  requi re power for BPSK and QPSK  are the  sa me.  So the BPSK  and  QPSK schem es are t h less po wer ef ficient modul ation.      4. BER unde r Atmos pher i c Turbulenc e   Apparently, the BER perf o rma n ce of OOK is  sev e rely influen ced be ca use  of the   intensity scintillation in the  FSO channel. Therefor e, taking the detecto r noi se and channel   turbule n ce int o  acco unt, the bit error  rat e  on t he  re cei v ing termin al  of OOK can b e  cal c ul ated  by  ( 0 )( e | 0 ) ( 1 )( e | 1 ) e Pp p p p [9, 10]. Where, p(0) and p(1)are t he probability of transmitting 1 and 0  respe c tively. p(e|0 )  a nd  p(e|1)a r e th condition al  p r o bability in th e  ca se  of  sen d ing 0  an d 1.  The  averag e bit e rro r rate (BE R )can  be  de scrib ed a s 0 0 hI (I ) ( ) 2 e Pf Q d I N . Where,  N 0  represe n ts  noise, owin to  (x ) 2 Q ( 2 x ) er f c , Q()i s the  Gau ssi an-Q functio n , su bstituting (1)  an () er f c   the  averag e BER is rep r e s ente d  as:             () / 2 (1 ) 2 0 0 11 2 ( ) (I ) ( ) ( 2 ) 22 ( ) ( ) e hI Pe r f c I K I d I N      (4)     Ac c o rding to the Meijer-G f unc tions ,  the () v K and  () er f c will be expressed as follows [12]:        2, 0 1, 2 1 1 () | 1 0, 2 er f c x G x 2 2, 0 0, 2 1 () | 24 , 22 v x Kx G vv       (5)     For th conv enien ce  of th e an alysis,  d e fine  0 h N makin g   (5) into  (4)  t he ave r ag e   bit erro r rate  can b e  simplif ied as:          2, 2 3, 2 11 1, 1 , 1 | 1 2( ) ( ) 2 2 0, 1 , 22 e ook PG       (6)     If the FSO sy stem using B PSK modulat ion sc heme, under  the atmosp here turbulence  and d e tecto r   noise, and  a s sumin g  that t he bal an ced   detectio n  is u s ed, th e ave r age BE R of t h e   system i s  rep r esent as:     () / 2 (1 ) 2 00 0 11 2 ( ) (I ) ( ) ( ) ( ) ( 2 ) 22 ( ) ( ) e hI P erf c S N R f I d I e rf c I K I d I N             (7)     All the sa me,  define  0 h N , by u s ing th e form ula (5) to  sim p lified the  expre ssi on  (7 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Perform a n c Analysis of Di fferent Modul ati on Techniq ues for F r e e -Space  (Hui ying Zh ang 885 is:             2 2, 2 2 2, 3 1 1, () 22 | 2( ) ( ) ,, 22 2 e BPSK PG     (8)     Similarly, average BER for DPSK and QPSK can be derived:                2 2, 2 2 2, 3 1 1, () 22 | 2( ) ( ) 2 ,, 22 2 e D PSK PG          2 2, 2 2 2, 3 1 1, () 22 | () ( ) ,, 22 2 eQ P S K PG      (9)       5. Simulation and Re sults  Followi ng th e  com p a r ison  pre s ente d  a b o ve, in thi s   section, fo ur  modulatio n m odel  will  be sim u late d to verify the analytica l  result s by  experim ent s. Co nsi deri ng the inte nsity  sci ntillationan d without intensity sci ntillation wh e n  talk abo ut the BER perfo rman ce. Whi l e   discu ss th band width  efficien cy and  the req u ir em ent po wer fo r the  signal  transmitted, the   cha nnel  fadi ng a nd tu rb ulen ce  have n ’t take   into  co nsi deratio n [13]. Assu med the  ma in  simulatio n  pa ramete rs of F S O use d  in the experim ent as Tabl e1.       Table1. Simul a tion paramet ers  Parameter  value  Modulation mode   NRZ-OOK,BPSK ,DPSK ,QPSK   Wavelength    1550nm   Efficiency   0.8  Maximum optical po w e r   10mW  Beam divergence   10 mra d   Modulation band w i dth   100MHz  Responsivity  of  PIN  1A/W  Dark current   10nAmp   Time duration pe r slot  10ns  Spectral densit 10N w / m 2   Attenuation of  F S 20dB/km            Figure 2. Co mpari s o n  of the four mo dul ation  scheme s  for  BER  Figure 3. Fou r  modul ation  scheme s  for  BER  with turbulenc e       Simulation of   BER performance for  NRZ-OOK, BPSK, DPSK a nd QPSK is   given in  Figure 2. In orde r to make  a com pari s o n ,  the atmo sp heri c  turb ulen ce is  not into  con s ide r atio n.  With the SNR inc r eas e the BER for the mo dulat ion scheme s   sh ow de creased from t he  0 5 10 15 20 25 10 -1 2 10 -1 0 10 -8 10 -6 10 -4 10 -2 10 0 SN R BE R OOK B PSK D PSK QP S K 0 5 10 15 20 25 10 -12 10 -10 10 -8 10 -6 10 -4 10 -2 10 0 SN R BER OOK O O K  w i th  tu r b u l e n c e BPSK BPSK  w i th  tu r b u l e n c e D PSK D PSK  w i th  tu r b u l e n c e QP S K Q P S K  w i th  tu r b u l e n c e Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 13, No. 3, September 20 15 :  880 – 888   886 simulatio n  re sults. Co ncl u sion   that  th e BER  pe rform ance fo r BPS K is l o wer th an oth e rs  ca n be  obtaine co mpared with other mod u la tion  sch e me s. Whe n  SNR is  10dB  ach i eved, the B E R   performance  of BPSK modulation i s  better than QP S K  modulation  by 0.4 dB, and 2.56  dB bet ter   than  DPSK, 4.46 dB  better than OOK. Hence,   when under the  same SNR,  BPSK modul ation  displ a y a  better performance. On the ot her  hand,  it i s   clear that  BPSK  requi res the less S NR  than other  schemes at the particul a r BE R from Fi gure 2. That is, the  BPSK requires lest power.   The BER=10 -1 0  for instance, SNR for B PSK is 13.10 dB  and for QPSK is 13.24 dB, for DPS K  is  16.33, for  OOK is 22.5  dB, it illu strates that the BPSK is 0.14  dB,  3.23 dB and 9. 4 dB better than  QPSK, DPSK and OOK m odulation respectively. From  the sim u lat i on result s,  it can  be inferred  that when th e value of BER is 10 -15  achieved, difference of SNR between BPSK and QPSK is   small. Wh en  the value for BER<1 0 -15 , it can co ncl u d e  that the performa n ce of BER for BPSK  and QPSK is approximatel y the same.  Experimental  re sults and theoretical  analysis results are  consi s tent. But, the structure of BPSK modulation  is simpler than QPSK.  Therefore, the BP SK  modulatio n schem es i s  b e tter for FSO .  Taking the  atmosp he ric  fluctuation int o  con s id erati on,    the simulatio n  results a s  shown in Figu re 3 [14].  Und e r mod e rate turbule n ce, it is clear that  the performan ce of  the four mod u lation   scheme s  di splay a di stin ct de crease i n  BER. In  this pa per, o n l y  the atmosp heri c  fluctu ation  taken  into  co nsid eratio n.  Comp ared  Fi gure  2  with   Fi gure  3,  we  ca n seen  that th e pe rforman c e of  BER lead to 8.2dB, 1.4dB, 5.8dB, 1.8dB det erioration for OOK, BPSK, D PSK and QPSK  respe c tively. Con c lu sio n  that the p e rform a n c e s  of the fou r  modul ation  are  dramat ically  aggravated b y  the fluctuation. Although , under t he a t mosph e ri c tu rbule n ce ca n  be dra w n, the   performanc e   of BPSK s t ill bette r than  other sc hemes   and QP S K  sc heme is approximatel y   c o ns is tent  with BPSK [15]. Therefore,  the  performance for BPSK and QPSK modulation sc heme   are m o st outstandi ng than OOK and  DPSK scheme  in against the fluctuati on. Furtherm ore,  compared  with OOK,BER f o r DPSK i s  about 3dB be tter. The  relati onship between transmitting  power an d BER can b e  sh own fro m  the Figure 4.            Figure 4. Rel a tionship bet wee n  BER an transmitting p o we r   Figure 5. BER performance of BPSK in  different scint illation situati o     Based on  the  compari s on among OOK,   QPSK  and  BPSK schem es, it is obvious that  the trans m itting power for BPSK is  the lowes t. When the trans m itting power is 4mW, OOK is  18dB hi gher  and  QPSK is 3dB  hi gher than  BPSK.  Hence, only co nsidering t he transmitting  power, modulation of BPSK is  s u itable for FSO s y s t em. In this  part, BPSK  s c h eme for average   BER unde r di fferent levels  of turbule n ce  is simul a ted.  Assumi ng th e tran smitting  rate is fixed  to   1Gbit/s, the  deviation o f  the re ceiv ed si gnal f r eque ncy i s   about 1 00M Hz.  Und e wea k   turbule n ce, st rong  turbule n c and  mod e rate turbulen ce,simulatio result s a r e  sh own  in  Figu re  5.  From  Figu re   5 we  can   see n  that i n  the   wea k   atmo sp here  turbule n t, the sy stem  has lo w BER  and  whe n  the atmosp here turb ulent is hi gh,  the BER is hi gh also. Whe n  the  2 R  is 0.2, 0.5, 1.0, 5.0,  if keep the BER at 10 -10 the SNR that  we nee d ab out  are 17.5 d B, 18.7dB, 21.8dB, 28.6 d respe c tively.  That mean s if we want de cre a se  the SNR, effective  measu r e sh ould be take n to   comp en sate  the p o wer of t he  sign al  wh en tran smit  u nder the  turb ulen ce  ch ann el [16]. F r om   the  simulation results, the conclusion that BPSK has  a better perform ance unde r the weak turbulent  c an be derived. That is  to s a y the BPSK s c h eme  eff e c t ively res i s t  weak  turbulent. Theoretic a analysi s  for the band width  efficiency of the four  mod u lation sche mes ab ove, we ca n se en  that  the band widt h efficien cy for the fou r  modulatio n a ll are c on stan t. The simul a tion re sult s are   0 0. 5 1 1. 5 2 2. 5 3 3. 5 4 10 -10 10 -8 10 -6 10 -4 10 -2 10 0 T r a n s m i t ti n g  P o w e r BER OO K QP S K B PSK 0 5 10 15 20 25 30 10 -2 0 10 -1 5 10 -1 0 10 -5 10 0 10 5 S NR( dB ) BER R 2 =5 . 0 R 2 =1 . 0 R 2 =0 . 5 R 2 =0 . 2 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Perform a n c Analysis of Di fferent Modul ati on Techniq ues for F r e e -Space  (Hui ying Zh ang 887 dra w n in  Fig u re 6 th at a s  the  sam e   as  we  di scu s sed. Simula tion re sult re veals that th e   bandwidth  efficiency for  OOK, BPSK and DPSK schem e are about  1 respec tivel y , but for QP SK  is equal to 2. This suggest   that the QPSK modulation scheme  ca n make full use of the syst em   band width util ization a nd th e transmissio n rate can be  improve d           Figure 6.Simulation re sult s of band widt ef f i cien cy   Figure 7. Simulation for tra n smi ssi on po wer  requi rem ent       Simulation of  the power  requirement  for  OOK, BP SK, DPSK and QPSK  m odulation  schemes are shown in Fi gure  7. Just as  we di scussed above, the BPSK and QPSK schem requi re app roximately the  sa me  po wer. But wh en t he  sam e  BE R p e rfo r man c e fo r th DPSK  and OOK scheme achiev ed, the DPSK requires   l e ss power than OOK,  about 1.5dB lower.   From Figure  7 it is clear t hat the BPSK  and the QPSK need the lowest  power, and about  4.52  dB lower than the OOK and  1.5dB lower than  DPSK. Hence, the BPSK and QPSK are m o re  suitabl e for free sp ace co mmuni cation   base d  on re q u irem ent po wer.       6. Conclu sion   The pu rp ose  of this pap er is to  pre s ent  the  co mpari s o n  for the four m odulatio n   scheme s , fro m  the theore t ical analy s is and exper i m ental re sults  we can seen  that compa r ed  with OOK and DPSK modulation, the B PSK and  QP SK shows a  much be tter performance in  terms of th e BER without con s ide r ing the  atmosp heri c  di sturba nces. When take the     atmosp he ric fluctuation  into the Ga mma-G amma  distri buted  cha nnel, the  avera ge B E R   perfo rman ce   of the fo ur m odulatio ns sh ows di re ct  d e clin re spe c tively. From t he  simul a tion  it  can be seen that in the  weak and strong turbulent , the BPSK  and QPSK format s still have  almos t  the  s a me BER performance. Simulation  under different turbulence conditions  for BPSK  modulatio n, the expe rime ntal sh ow s th at it has go o d  ch ara c te ristics to resi sta n ce tu rbul en ce.  For the  bandwidth effici ency of OOK, B PSK and QP SK are  closed to uint, only  the QPSK is  th e   twice times than others. Also t he require  power for  QP SK is the same as BPSK  format, and t hey  need the lowest powe r compared others.  Therefore,  BPSK and QPSK show outstanding  performanc e .  Compared with QPSK, there  is  3dB  lower for BPSK of BER  performance.  Furthermore,  the modulat i on and dem odulation for BPSK is  si mpler than  QPSK, and  the  transmissio n band width i s   halved comp ared  with BP SK under th e  same BE R. Con s e quently BPSK schem e is thought t o  be th e most suitable  modulation  and demodul ation  scheme for F S comm uni cat i ons sy st em.        Referen ces   [1]  Gnauck AH, W i nzer PJ. Optic a l ph ase-s h ift-ke yed tra n smiss i on.  J Li ghtw a ve T e chn o lo gy . 200 5; 23(1) :   115- 130.   [2]  KP Ho. Phase  modu lated  opti c al commu nica tion s y stem. Ne w  Y o rk: Sprin ger. 200 5.  [3]  VW S Chan. F r ee-sp ace Optic a l Commn un ic ations.  J Lig h t w ave T e chnol o g y . 2006; 2 4 : 4750- 476 2.   [4]  Z i xi on g W a n g , W end e Z h o n g , Son gni an   F u , Chin lo n L i n. Performa nc e Com paris on  of Differe nt  Modu latio n  F o r m at Over F r ee -Space  Optica l  (F SO)  T u rbule n ce  Links  W i th  Spac e D i versit Rec eptio n   T e chnique.  IE EE Photonics J ourn a l . 20 09; 1 :  277-28 4.  [5]  HE Nistazakis,  T A   T s iftsis, G S  T o mbras. Performanc e a n a l y sis  of free-s pace  optic al c o mmunic a tio n   s y stems ov er  atmosph e ric tu rbul ence c han nels.  Jo urna of IEF  Communic a tions . 2 0 09; 50: 1 402- 140 9.  0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 0 2 4 6 8 10 12 14 16 BER Tr an s m i s s i on P o w er  R equi r e m ent ( W ) OO K D PSK Q PSK BPSK Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 13, No. 3, September 20 15 :  880 – 888   888 [6]  WO Popool a, Z Ghassemloo y .  BPSK  subcarri er i n tensit y  mo d u late d free-s pace  optica l   communic a tio n s  in atmosph e ri c turbule n ce.  Journ a l of Li ght w a ve T e chnol o g y . 2009; 2 7 : 967-9 73.   [7]  X T ang, S Raj bha nd ari, W O   Popo ola,  Z  Gh asseml oo y, E Leitg eb, SS M uhamm ad.  Per f orma nce of   BPSK subcarr i er intensity  m o dula ted free-spac e optic al comm unic ations using a log-nor m al  atmos p h e ric t u rbu l enc mo del . S y m posi u m on  Photo n i cs an d o p toe l ectronic  (SOPO). Chen gdu,   Chin a. 20 10: 1 - 4.  [8]  Yan Li, Mi Li, Yin Poo, Jiac h en Di ng, Ming hui  T ang, Yua nga ng L u . Performance a nal ysis of OOK,   BPSK, QPSK  modu latio n  sch emes in  up link  of grou nd-to-s atellit e las e r co mmunicati on s y stem u n d e r   atmosph e ric flu c tion.  Optics Communications . 2014; 3(1 7 ): 57-61.   [9]  Kamran Kiasaleh. Performance of  Coherent DPSK Free-S pace Optic a l Communic a tion  S y stems in K-  Distribut ed T u rbul ence.  IEEE Transactions on Comm unications . 200 6; 54: 604- 607.   [10]  W ilfried Ga pp mair, Markus  F l ohb erger. Er ror  Performa n c e of C ode F S O Links i n  T u rbulenc e   Atmospher Mode led  b y  Gamma-Ga mma Distri b u t ions.  IEEE  T r ansacti on s on W i r e le ss  Co mmun icati o ns.  2009; 8: 22 09-2 212.   [11]  Jokhak ar Jign e s h D, U Sripati ,  Muralidh a r Kulkar ni.  Perfor ma nce of QPSK M odul ation f o r FSO Geo- Synchro n o u s Satell ite Co mmu n ic ation  Lin k  under At mos pher ic T u rbul e n ce . Internati o nal C onfer enc e   for Microel ectronics, Comm u n icati on a nd R ene w a b l e En er g y  (ICMC R ). 2013: 13 4-1 39.   [12]  W ansu Lim, C han gh o Yun, Kiseo n  Kim. BER Pe rforman c e ana l y sis of radi o over free -space o p tic a l   s y stem c ons id erin g l a ser  ph ase  nois e   un d e r Gamma-Ga mma turb ule n c e  ch an nels.  O p tics Expr ess 200 9; 17: 447 9 - 448 4.  [13]  M Ijaz, Z  Ghassemlo o y , S A n sari, O Ad eb anj o, A Ghol a m i, H Le M i nh,  S rajb ha ndar i.  Experi m ent a l   Investigati on  of the Perfor ma nce  of Different Mod u la tion T e ch niq u e s un der C o ntroll ed F S O   T u rbul ence C h ann el . IST  in Symp osi u m on  T e lecommunic a tions. Iran. 20 10: 59-6 4 [14]  Bija ya na nd a Patnaik, Pk Sah u . Desig n  an d  stud y   of hig h  bit-rate free-sp ace optic al co mmunicat i o n   s y stem employing QPSK modulation.  Int.J. Sign al an d Imagi ng Syste m s En gin eeri n g . 20 1 3 ; 6(1): 3-8.  [15] SO  Popescu, AS  Gontean.  P e rformanc e com p arison of the BPSK  and QPSK Modulation Techniques   on F P GA . Int e rnati ona l S y mposi u m for  Desig n   an d te chno log y   i n  e l ectronic  pack a gin g  (SIIT ME).  201 1: 257- 260.   [16]  Hema ni K aush a l, Vivek  Kum a r, Agni besh  Du tta,  H a ri ka  Ae nn a m , e t  al . Exp e r i m en ta l Study  on  Bea m   W ander U n d e r  Var y in g Atmo spher ic T u rbul ence  Con d iti o ns.  IEEE Photonics Tec hnology Letters 201 1; 23: 169 1 - 169 3.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.