FPGA技術在無線光通信PPM調制系統優化設計中的運用

王棟 李顯芳

【摘要】無線光通信技術是目前運用比較廣泛的一門通信技術，它融合了無線通信和光纖通信的優勢，具有廣泛的發展前景和市場，因而，相關部門應該加強對無線光通信技術的重視。下面本文就對FPGA技術在無線光通信PPM調制系統優化設計中的應用分析。

【關鍵詞】無線光通信；脈沖位置調制；FPGA技術

無線光通信技術融合了無線通信和光纖通信的優勢，具有傳輸速率高、通信的容量比較大等很多優點，因而在當今信息技術發達的時代，無線光通信技術的應用前景十分廣闊。無線光通信中包含了許多關鍵技術，其中脈沖位置調制（PPM）是一種功率有效的通信方式，研究PPM的調制方式，以及它在無線光通信中的應用具有非常重要的意義。

一、PPM調制原理和相關技術的基本認識

PPM調制的基本原理主要是通過編碼產生PPM的脈沖信號，根據不同的判斷信號，對發出的脈沖進行不斷的調制，使得脈沖的周期與調制信號呈現一定的數量關系，在進行編碼和解碼時更加方便、快捷。由于PPM調制所使用的是不連續的光脈沖，根據脈沖的發射頻率以及其他因素的不同，將其調制形式主要分為以下三種：差分脈沖、單脈沖、多脈沖位置調制。其中單脈沖位置調制是將n位的二進制數據組，映射到某一幀周期的某一個間隙上，與此同時，在其他間隙中沒有出現脈沖信號。在相同傳信率的條件下，單脈沖調制所占用的帶寬要比OOK調制有所增加，對傳輸碼的要求也比較高。多脈沖與單脈沖正好相反，它在一幀周期內可以發送多個脈沖，一般來說，根據排列或者組合的不同種類，它們的傳信能力也有所不同，而且每個脈沖的脈寬和電平值都不一樣，因而，要想實現多脈沖比較困難，在解碼上也存在一定的難度。差分脈沖是將脈沖間隙去除之后，所形成的無脈沖間隙，使得吞吐量大大增加。由于多脈沖位置調制具有很高的數據傳輸率，占用的帶寬也比較小，但是實現起來比較復雜，同時，差分脈沖位置調制可以提供較高的功率、平帶利用率，吞吐率也相對來說比較高，但是誤碼率較高，因而一般傾向于較高傳輸率、誤碼率低的單脈沖位置調制，來實現PPM調制系統。

FPGA可以作為標準處理器芯片的算法協處理器，可以實現編程的重新配置，以及體系的擴展，而且由于FPGA具有很強的現場編程性和高密度性，在進行相關設計時，可以借助CAD技術，縮短產品的開發周期，降低投資的風險。FPGA的功能完全是由用戶的配置程序決定的，可以在不改變外部接口的情況下，改變電路的邏輯結構，實現多種軍品設備、小批量設備的研發，也很符合現代通信發展的需要。一般來說，FPGA的器件結構分為兩種，一種是以陣列分布邏輯單元存在的，它的電路結構與門陣列電路十分相似，芯片的四周可以進行編程，芯片內部由陣列分布的可進行編程的邏輯單元組成的。另一種是屬于PAL結構擴展型，它的主要特點是可以實現陣列編程，或者實現陣列固定。

二、FPGA技術在PPM調制系統優化設計中的運用

在對PPM調制解調系統進行設計時，可以采用FPGA（現場可編程門陣列）技術來實現，在本文中通過運用VHDL硬件描述語言，來實現PPM電路的相關功能。

首先進行設計的基本思路是：由于輸入數據時是串行輸入的，在一幀時間內，調制器可以傳輸4bits的數據，因而在進行數據傳輸之前應該先進行串并的變換。根據PPM的調制原理可以得知，此時的傳信間隙為16個，在進行串并變換時，時鐘信號是時隙間隙的四分之一，因而每次輸完四個數據時，要將維持一幀的時間與計數器產生的計數值進行比較，使用鎖存器對輸出的數據進行有效的控制。當計數值與輸入的并行數據相等時，就輸出高電平1，不等的情況就輸出低電平0，這也就是通過相關的輸入數據，有效控制脈沖的位置。具體設計如圖1所示。

其次是PPM的同步信號獲取，由于PPM信號中連0碼過長，在使用鎖相環時很容易出現失鎖的現象，因而，利用脈沖位置調制同步的基本原理是，首先保證能夠獲得間隙同步的時鐘，然后利用PPM信號自身所具有的特點，運用數字邏輯電路將字同步時鐘提取出來。在這個過程中，要注意以下幾個方面的問題，在接收端正確解調出傳輸數據的基礎上，還要準確判斷光脈沖的位置，達到能夠立即回復出字同步時鐘的效果。利用數字邏輯電路，可以彌補鎖相環技術產生的缺陷，可以使操作更加簡單，成本更低。

最后，在PPM調制器調制信號的16個間隙中，包含1個光脈沖，經過定時再生的PPM信號，可以進行信號的移位，達到寄存器內，而后在時隙同步時鐘的作用下，通過寄存器依次并出，使得每個連續的間隙信號通過相同的邏輯電路進行測量。這個邏輯電路的作用是：當一個間隙時鐘到達時，移位寄存器可以并出16路信號，如果里面只有1個高電平，那么邏輯電路將會輸出高電平1，否則會輸出低電平0。在進行脈沖計數時，將16個數劃為一個進位的脈沖，記為脈沖1，其他情況記為0，將邏輯電路輸出的電信號和計數器輸出的電信號進行相與，最后使門輸出的低電平和計數器輸出的高電平相同，逐步實現字同步的效果。同時，為使得輸出數據更加穩定，可以在PPM解調器的并串交換完成之后，在電路中加入一個判斷電路，使輸出數據更加準確。PPM調制字同步信號產生的原理如圖2所示。

圖2 PPM調制字同步信號產生的原理

三、結語

隨著信息技術的不斷發展，無線光通信（FSO）技術的應用越來越廣泛，它具有傳輸速率高、通信容量大等諸多優勢，在許多場合都有很廣泛的應用，也是目前通信行業研究的一個重點。PPM是無線光通信中比較常見的一種調制方式。在本文中，首先對無線光通信中PPM調制原理進行分析，其次對FPGA技術進行簡單介紹，闡釋了PPM調制系統中FPGA技術的應用，闡釋了FPGA技術的科學性和合理性，強調了無線光通信中PPM調制系統中FPGA技術的重要性。

參考文獻

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