一種可用于激光通信的脈沖位置調(diào)制模塊設(shè)計(jì)

曹勇+王樹煒+邵思杰

摘 要：本文依據(jù)脈沖位置（Pulse Position Modulation，PPM）調(diào)制的基本原理，基于VHDL硬件描述語(yǔ)言，設(shè)計(jì)了一個(gè)可用于激光通信的PPM調(diào)制模塊。本文介紹了通用PPM調(diào)制的設(shè)計(jì)思路和工作原理，提出了歸零碼與PPM編碼相結(jié)合的調(diào)制方法，通過(guò)比較仿真波形和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該模塊能夠?qū)崿F(xiàn)PPM調(diào)制，在滿足誤碼率要求的前提下可以實(shí)現(xiàn)較高的通信速率，具有很強(qiáng)的通用性。

關(guān)鍵詞：激光通信；脈沖位置調(diào)制（PPM）；可編程邏輯陣列（FPGA）；VHDL語(yǔ)言

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.14.132

1 引言

激光無(wú)線通信有著不受電磁干擾、保密性好、組網(wǎng)機(jī)動(dòng)靈活等特點(diǎn)，在很多領(lǐng)域特別是軍事領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1]。激光通信屬于能量受限的通信系統(tǒng)，影響其調(diào)制格式的性能指標(biāo)主要有平均發(fā)射功率、系統(tǒng)帶寬需求以及誤碼率的大小[2]。目前激光通信常用的調(diào)制方式是OOK（On-Off Keying）調(diào)制，它是以單極性不歸零碼序列來(lái)控制正弦載波的開啟與關(guān)閉，其調(diào)制方式簡(jiǎn)單而易于實(shí)現(xiàn)，被廣泛應(yīng)用，但是其功率利用率低，抗干擾能力差[3]。研究較多的還有PPM調(diào)制、MPPM（Multiple PPM）調(diào)制和DPPM（Differential PPM）調(diào)制。通過(guò)對(duì)這幾種調(diào)制格式的性能指標(biāo)進(jìn)行比較，結(jié)果表明，隨著調(diào)制階數(shù)的增加，PPM調(diào)制相對(duì)其他調(diào)制方式平均功率最小，光功率利用率最高，并且在平均功率相同的情況下誤碼率最低[4]。因此， PPM調(diào)制相比于其他調(diào)制方式應(yīng)用于激光通信具有很大的優(yōu)越性。

2 基于PPM調(diào)制的激光通信原理

如圖1所示為基于PPM調(diào)制的激光通信原理。首先通過(guò)PPM調(diào)制模塊將數(shù)字信號(hào)調(diào)制為PPM信號(hào)；然后將PPM信號(hào)的“1”、“0”分別表示為激光的強(qiáng)、弱，利用激光將PPM信號(hào)發(fā)射到自由空間；遠(yuǎn)處的接收裝置接收到激光信號(hào)后，經(jīng)過(guò)光電檢測(cè)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，還原出PPM信號(hào)； PPM解調(diào)模塊再將PPM信號(hào)還原成數(shù)字信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)激光通信。本文主要介紹PPM調(diào)制模塊的設(shè)計(jì)。

3 PPM調(diào)制模塊設(shè)計(jì)

3.1 PPM調(diào)制方案

本文根據(jù)PPM的基本原理，利用FPGA（Field Programmable Gate Array）的高速并行特性，使用VHDL硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)了一個(gè)用于激光通信的PPM調(diào)制模塊。PPM調(diào)制方案如圖2所示，主頻經(jīng)分頻產(chǎn)生需要的時(shí)鐘頻率，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣、脈沖位置信息編碼、移位輸出的過(guò)程，最終形成PPM信號(hào)。

隨著調(diào)制階數(shù)的增大，PPM的光功率利用率越高，但是所需要的帶寬也隨之增大[5]，本文以16-PPM為例，對(duì)信源進(jìn)行調(diào)制解調(diào)。傳統(tǒng)的PPM調(diào)制采用的是單極性不歸零碼，正電平代表邏輯1，負(fù)電平代表邏輯0，每傳輸完一位數(shù)據(jù)，信號(hào)返回到零電平。如果遇到PPM編碼首尾相接的情況，勢(shì)必要連續(xù)發(fā)送正電流，這樣使某一位碼元與其下一位碼元之間沒有間隙，不易區(qū)分識(shí)別。采用歸零碼可以改善這種狀況，當(dāng)發(fā)“1”碼時(shí)，發(fā)出正電流，但持續(xù)時(shí)間短于一個(gè)碼元的時(shí)間寬度，當(dāng)發(fā)“0”碼時(shí)，仍然不發(fā)送電流。本文結(jié)合這兩種編碼方式的優(yōu)點(diǎn)，采用占空比為50%的單極性歸零碼與16-PPM編碼相結(jié)合的方式，對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行PPM調(diào)制。

3.1.1 時(shí)鐘分頻

主頻頻率經(jīng)過(guò)分頻產(chǎn)生采樣時(shí)鐘、幀時(shí)鐘和時(shí)隙時(shí)鐘。采樣頻率設(shè)計(jì)為100kHz，由于16-PPM一幀有4位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，有16個(gè)時(shí)隙，因此時(shí)隙時(shí)鐘頻率應(yīng)為采樣時(shí)鐘頻率的4倍，為幀時(shí)鐘頻率的1/4。從而時(shí)隙時(shí)鐘頻率為400kHz，幀時(shí)鐘頻率為25kHz。

3.1.2 采樣

采樣時(shí)鐘在每個(gè)時(shí)鐘上升沿?cái)?shù)據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并將采樣時(shí)鐘的同步計(jì)數(shù)器加一，然后將采集到的數(shù)據(jù)放入緩存器中。計(jì)數(shù)器計(jì)滿4個(gè)數(shù)就清零，同時(shí)將緩存的數(shù)據(jù)并行輸出。采樣頻率越高，采樣產(chǎn)生的數(shù)據(jù)波形越接近原始信號(hào)波形，在FPGA資源足夠的前提下，采樣頻率應(yīng)該盡可能提高，從而保證解調(diào)還原后的數(shù)據(jù)波形更加接近原始數(shù)據(jù)波形[6]。

3.1.3 脈沖位置信息編碼

將采樣緩存輸出的四位并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為脈沖位置信息編碼，位置信息編碼為16位并行數(shù)據(jù)，有且僅有一位為‘1，其余位均為“0”，“1”，例如數(shù)據(jù)0000對(duì)應(yīng)的編碼為0000000000000001。

3.1.4 移位輸出

每當(dāng)幀時(shí)鐘的上升沿到來(lái)時(shí)，就將16位脈沖位置信息編碼存入移位寄存器中。當(dāng)時(shí)隙時(shí)鐘的上升沿到來(lái)時(shí)，移位寄存器就將存入的脈沖位置編碼數(shù)據(jù)右移一位，并輸出最低位數(shù)據(jù)，當(dāng)時(shí)隙時(shí)鐘的下降沿到來(lái)時(shí)，就將數(shù)據(jù)清零，如此便將脈沖位置信息轉(zhuǎn)換為歸零PPM信號(hào)。當(dāng)寄存器中的16位數(shù)據(jù)完全輸出時(shí)，此時(shí)幀時(shí)鐘上升沿剛好到來(lái)，新的脈沖位置信息編碼數(shù)據(jù)存入寄存器，如此周期循環(huán)，便將原始數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為歸零PPM調(diào)制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)PPM調(diào)制。

3.2 FPGA設(shè)計(jì)與仿真

FPGA的頂層模塊設(shè)計(jì)如圖3所示。主要包括采樣模塊（chuanbing）、脈沖位置編碼模塊（yima）、脈沖輸出模塊（jiyi）和一個(gè)分頻（fenpin）模塊。

3.2.1 采樣模塊的仿真

采樣模塊主要利用采樣時(shí)鐘，對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行信號(hào)采集、同步計(jì)數(shù)、緩存、輸出。主要完成一個(gè)串并轉(zhuǎn)換的過(guò)程，該模塊的仿真波形如圖4所示。

3.2.2 脈沖位置編碼模塊的仿真

脈沖位置編碼模塊將緩存輸出的四位并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為16位PPM脈沖位置信息編碼，該模塊的仿真波形如圖5所示。

3.2.3 脈沖輸出模塊的仿真

脈沖輸出模塊利用時(shí)隙時(shí)鐘進(jìn)行同步計(jì)數(shù)，將寄存的脈沖位置信息移位輸出，并在時(shí)隙時(shí)鐘的下降沿將數(shù)據(jù)置零，最終形成歸零PPM調(diào)制信號(hào)，該模塊的仿真波形如圖6所示。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的連接如圖7，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過(guò)PC機(jī)的串口收發(fā)數(shù)字信號(hào)，利用PC機(jī)的TXD端發(fā)送數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)PPM調(diào)制模塊，產(chǎn)生PPM信號(hào)。PPM信號(hào)通過(guò)PPM解調(diào)模塊還原為數(shù)字信號(hào)，并利用PC機(jī)的RXD端接收還原后的數(shù)字信號(hào)。將示波器的CH1通道和CH2通道分別接在PPM調(diào)制模塊的輸入和輸出端，檢驗(yàn)波形是否與理論相符。

4.1 實(shí)驗(yàn)波形的驗(yàn)證

圖8為PPM信號(hào)調(diào)制前后的波形對(duì)比圖，通過(guò)比較波形1的原始數(shù)字信號(hào)與波形2中的PPM信號(hào)， PPM信號(hào)與對(duì)應(yīng)的原始數(shù)字信號(hào)相吻合，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論一致。

4.2 誤碼率驗(yàn)證

通過(guò)對(duì)不同傳輸速率下的PPM調(diào)制的誤碼率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，驗(yàn)證該通用PPM調(diào)制模塊的通用性，圖9是38400波特率時(shí)串口的收發(fā)數(shù)據(jù)。可以看出：該通用PPM調(diào)制模塊可以滿足在38400波特率以內(nèi)的數(shù)據(jù)通信，誤碼率極低，適用性很強(qiáng)。

5 結(jié)論

本文將歸零碼與PPM相結(jié)合，設(shè)計(jì)了可用于激光通信的通用PPM調(diào)制模塊，相比于傳統(tǒng)的OOK調(diào)制具有更高的光平均利用率和更低的誤碼率。通過(guò)波形仿真和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該模塊可以滿足38400bps

以內(nèi)的數(shù)據(jù)通信。將該P(yáng)PM調(diào)制模塊的IP核設(shè)計(jì)成定制的PPM調(diào)制芯片，用于激光通信的前端，可方便靈活地應(yīng)用于激光通信中，降低激光通信平均功率，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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