可見光通信中的2ASK 調制解調技術與FPGA 實現

王新宇,曲洪良,安子民,許凌云,胡廣超

（南京航空航天大學，江蘇南京 211100）

可見光通信是利用可見光作為載體的一種新興的通信方式。可見光通信不需要頻譜資源許可，無需占用日益緊張的無線電頻譜資源[1]。LED 是非常優秀的可見光光源，其作為室內照明的光源，具有亮度高、能耗低的特點，因而得到快速的發展[2]。

在常見的可見光通信實驗中，往往直接對傳感器獲得的模擬信號進行傳輸，這種通信方式難以應用在現代數字通訊中。同時模擬信號易受外界環境干擾，造成信號失真，并且由于模擬信號難以加密，采用明文傳輸易被竊聽。該文通過探究數字調制解調在可見光通信中的應用，設計了基于FPGA 的2ASK 調制解調器，用于數字信號的可見光通信。其使用串口TTL 電平作為基帶信號，同時，在接收端能夠將光信號解調為標準的TTL 電平信號，完成了信號的調制解調過程。解決了模擬通信方式易受干擾的明文傳輸的問題。

1 通信系統原理

2ASK 調制屬于振幅鍵控二進制數字調制方式中的一種，利用載波振幅變化的方式來表示數字信號“0”和“1”，同時載波的頻率和相位不發生改變[3]。OOK（On Off Keying）調制則是2ASK 調制的一種特殊方式。在OOK 調制中，“0”載波的幅度為0，而“1”載波的幅度非零。系統將接收到的基帶信號進行調制后通過可見光進行發送。在裝置的接收端，則通過雪崩二極管將光信號轉化為電信號，并通過解調后恢復含有信息的數字信號。裝置的流程圖如圖1 所示。通過在FPGA 中構建軟核，例如該文采用賽靈思公司生產的FPGA 芯片，便可以在系統中構建MicroBlaze 軟核，實現串口數據的收發[4]。

圖1 系統流程圖

1.1 發送端設計原理

發送端在的核心在于FPGA 的設計。在FPGA采集到數字信號后，需要經過調制，在2ASK 調制中，數字信號有“0”和“1”兩種，與此相對應的則是承載數字信號的載波信號幅度需要有兩個電平狀態。鍵控信號的表達式為：

該文設計的通信裝置基于賽靈思公司生產的Spartan6 芯片。FPGA 的程序流程如圖2 所示。

圖2 FPGA程序流程圖

基帶信號是來自外部設備發送的TTL 電平。對于數字電平，理論上其頻率的變化范圍是無限大的，因而在實際工程實踐中，為了提高頻帶的利用率，往往會采取措施限制信號的帶寬，例如使用帶通濾波器、成型濾波器對信號進行濾波。在文中的設計中，省略了這一操作。Xilinx 公司在其編程軟件中提供了直接數字頻率合成（DDS Compiler,DDS）IP 核資源，用戶可以使用這一資源生成DDS[5]。該文設計的模塊中使用這一IP 生成載波信號。2ASK 信號的產生通常有兩種，一種是模擬相乘法，而另一種則是鍵控法，該文采用模擬相乘法，調用FPGA 中的乘法器實現了2ASK 信號的產生，通過將基帶信號同載波信號相乘，得到了所需的2ASK 調制信號。FPGA 中的信號為數字信號，需要通過數模轉化將其轉化為模擬信號并發送到LED 驅動電路。LED 驅動電路則負責將經過數模轉換得到的模擬型號經過放大后通過LED 轉化為光信號。

1.2 接收端設計原理

接收端首先需要將光信號轉化為電信號。一般來說，將光信號轉化為電信號有PIN 光電二極管和雪崩二極管兩種。雪崩光電二極管（Avalanche Photo Diode,APD）是利用雪崩擊穿特性制成的二極管，由于雪崩增益區的影響，會對光信號產生的電流產生放大作用，靈敏度較高，接收質量好[6-9]。但APD相較于PIN 光電二極管工作偏置電壓高，對有用信號放大的同時，器件和環境產生的噪聲也被放大，在次級需要更好的濾波裝置。對比之下，本裝置可見光接收部分采用雪崩二極管作為光-電傳感器，用于感知可見光信號的變化。采集到的信號經濾波放大之后便可以進行模數轉換，將模擬信號轉為數字信號交由FPGA 處理。FPGA 的解調流程如圖3 所示，其步驟可總結如下。

圖3 FPGA解調流程圖

對2ASK 的解調方式一般有兩種，一是采用同步檢測法，二是采用包絡檢波法。同步檢測法需要在接收端提取出同原信號頻率、相位均相同的信號，提取出來信號的好壞將直接影響到對采集的2ASK 信號的解調。包絡檢波法通常應用在信噪比較大的情況下，優點是結構簡單，可以簡化系統設計。在本次實驗中，選取包絡檢波法作為信號解調的方式。在模擬電路中，可以采用電容電阻配合的方式來組成包絡檢波器[10-11]。在本次設計的裝置中使用FPGA 作為解調器，使用FIR(Finite Impulse Response)低通濾波器過濾載波信號，得到基帶信號的包絡信號[12]。對基帶信號包絡信號進行判決比較可以將基帶信號還原出來。一般來說，可以將包絡信號的直流分量作為2ASK 信號的判決門限，可以通過對包絡信號做平滑濾波獲得直流分量。

2 電路設計

2.1 發送端電路設計

發送端包含DAC 和可見光發送部分。DAC 選用亞諾德（ADI）公司生產的AD9708 芯片，該芯片擁有最大125 MSPS 轉換速率。在設計中，FPGA 產生驅動時鐘，頻率為50 MHz。系統產生的載波頻率為3 MHz。DAC 電路如圖4 所示。

圖4 DAC電路

LED 發送電路采用了TI 公司的OPA690 作為前端信號放大。OPA690 是一款有效增益帶寬超過150 MHz 的電壓反饋型運算放大器。信號經過放大并加載偏置電壓后發送到LED 轉化為光信號。LED驅動電路如圖5 所示。

圖5 LED驅動電路

2.2 接收端電路設計

接收端包括雪崩二極管驅動電路和AD 轉換電路。

文中選用了FIRST SENSOR公司生產的AD500-8雪崩光電二極管。AD500-8 在低偏置下有較高的增益，同時，截止頻率高達1 GHz。采用APD 傳感器時，需要為APD 提供偏置電壓。TPS55340 是一款集成式5 A、40 V 電源開關的單片非同步開關穩壓器。通過配置TPS55340 反饋端的電阻可以調整輸出電壓，電壓調整公式為：

該芯片為APD 提供100 V 的低噪聲偏置電壓。原理圖如圖6 所示。

圖6 偏置電壓電路

APD 工作時產生微弱的電流信號，需要使用放大器對信號進行處理放大，得到可供ADC 采集的電壓信號。設計使用TI 公司生產的OPA657 作為跨阻放大器對APD 信號進行放大。該運算放大器具有1.6 GHz 增益帶寬積、低噪聲的特性，非常適合應用在可見光通訊系統中。電路設計如圖7 所示。

圖7 APD接收放大電路

ADC 選用ADI 生產的AD9280 模數轉換芯片，該芯片擁有8 位數據總線，32 MSPS 轉換速率，可在ADC 時鐘的下降沿采集數據。根據奈奎斯特采樣定理，為了使得采樣不失真，采樣頻率應該不小于模擬型號中最高頻率的兩倍[13-14]，即：

載波頻率為3 MHz，那么ADC 的采樣頻率應在6 MHz 以上，在該次設計中采樣頻率設計為25 MHz，能夠比較完整的恢復模擬信號。使用AD9280 芯片能夠很好地滿足設計需求[15]。電路設計如圖8所示。

圖8 ADC設計

3 實驗測試

由上文設計了可見光2ASK 調制解調系統，對其進行測試。設置載波頻率為3 MHz，分別使用波特率為9 600、115 200、256 000 對實驗裝置進行測試。實驗中通過FPGA 自帶的邏輯分析儀抓取芯片內部的信號，并通過Matlab 繪制成圖。

可見光傳輸受到距離的影響，物體表面接受到的光照度與距離的平方成反比[16]。不改變信號放大倍數，對發射端施加100 kHz 的正弦波，表1 反應了在不同距離條件下，接收端得到的該信號的峰峰值（Vpp）大小。

表1 在不同距離的條件下，接收端獲得的信號峰峰值

圖9 接收端信號峰峰值與距離的關系

由圖9 可以看出，隨著距離的增加，接收端獲得的信號的峰峰值急劇下降，最終信號的幅值趨近于零，這表明，隨著距離的增長，可見光通信的質量會下降。

圖10 分別為在波特率為256 000 的情況下，通過FPGA 調制后的2ASK 調制信號和通過ADC 獲取的光信號。由圖9 可知，FPGA 內部程序成功地對信號進行了調制。通過觀察信號波形，發現通過可見光傳輸獲得的波形完整，沒有明顯的失真。

圖10 DAC與ADC數據

圖11 分別為FIR 低通濾波器和平滑濾波實測圖。通過觀察圖像，可以發現FIR 低通濾波器能夠獲得調制信號的包絡線，平滑濾波器工作正常。但是在調試過程中發現判決過程中輸出信號會發生多次跳變，與設計原理不符。經過對數據的檢查分析，發現包絡信號的低位會發生跳變，信號判決工作失常。受制于FPGA 的性能，不能通過設計更高階數的FIR 低通濾波器來獲得最優的包絡信號，通過對現象產生原因的分析，采用遲滯比較器代替原公式中的過零比較方式。遲滯比較器可以很好地抑制信號低位波動對系統判決的干擾[17]。

圖11 FIR低通濾波器數據與平滑濾波器數據

圖12 為輸入信號與輸出信號的對比，由圖可知，2ASK 信號被系統還原成原基帶信號。由于FIR低通濾波器的特性，輸出信號要滯后于輸入信號。

圖12 輸入/輸出信號

4 結論

通過設計該系統，使得可見光能夠以2ASK 編碼的方式實現數字信號的傳輸，相較于模擬信號，數字信號傳輸帶來的干擾更小，同時使用數字方式傳輸數據，能夠很方便地對報文進行加密，提高了通訊的安全性。