一種可用于激光通信的脈沖位置調制模塊設計

曹勇+王樹煒+邵思杰

摘 要：本文依據(jù)脈沖位置（Pulse Position Modulation，PPM）調制的基本原理，基于VHDL硬件描述語言，設計了一個可用于激光通信的PPM調制模塊。本文介紹了通用PPM調制的設計思路和工作原理，提出了歸零碼與PPM編碼相結合的調制方法，通過比較仿真波形和設計實驗驗證，該模塊能夠實現(xiàn)PPM調制，在滿足誤碼率要求的前提下可以實現(xiàn)較高的通信速率，具有很強的通用性。

關鍵詞：激光通信；脈沖位置調制（PPM）；可編程邏輯陣列（FPGA）；VHDL語言

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

1 引言

激光無線通信有著不受電磁干擾、保密性好、組網(wǎng)機動靈活等特點，在很多領域特別是軍事領域有著廣泛的應用[1]。激光通信屬于能量受限的通信系統(tǒng)，影響其調制格式的性能指標主要有平均發(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制方式是OOK（On-Off Keying）調制，它是以單極性不歸零碼序列來控制正弦載波的開啟與關閉，其調制方式簡單而易于實現(xiàn)，被廣泛應用，但是其功率利用率低，抗干擾能力差[3]。研究較多的還有PPM調制、MPPM（Multiple PPM）調制和DPPM（Differential PPM）調制。通過對這幾種調制格式的性能指標進行比較，結果表明，隨著調制階數(shù)的增加，PPM調制相對其他調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調制相比于其他調制方式應用于激光通信具有很大的優(yōu)越性。

2 基于PPM調制的激光通信原理

如圖1所示為基于PPM調制的激光通信原理。首先通過PPM調制模塊將數(shù)字信號調制為PPM信號；然后將PPM信號的“1”、“0”分別表示為激光的強、弱，利用激光將PPM信號發(fā)射到自由空間；遠處的接收裝置接收到激光信號后，經(jīng)過光電檢測，將光信號轉換為電信號，還原出PPM信號； PPM解調模塊再將PPM信號還原成數(shù)字信號，從而實現(xiàn)激光通信。本文主要介紹PPM調制模塊的設計。

3 PPM調制模塊設計

3.1 PPM調制方案

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硬件描述語言設計了一個用于激光通信的PPM調制模塊。PPM調制方案如圖2所示，主頻經(jīng)分頻產(chǎn)生需要的時鐘頻率，數(shù)字信號經(jīng)過采樣、脈沖位置信息編碼、移位輸出的過程，最終形成PPM信號。

隨著調制階數(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，對信源進行調制解調。傳統(tǒng)的PPM調制采用的是單極性不歸零碼，正電平代表邏輯1，負電平代表邏輯0，每傳輸完一位數(shù)據(jù)，信號返回到零電平。如果遇到PPM編碼首尾相接的情況，勢必要連續(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)分識別。采用歸零碼可以改善這種狀況，當發(fā)“1”碼時，發(fā)出正電流，但持續(xù)時間短于一個碼元的時間寬度，當發(fā)“0”碼時，仍然不發(fā)送電流。本文結合這兩種編碼方式的優(yōu)點，采用占空比為50%的單極性歸零碼與16-PPM編碼相結合的方式，對數(shù)字信號進行PPM調制。

3.1.1 時鐘分頻

主頻頻率經(jīng)過分頻產(chǎn)生采樣時鐘、幀時鐘和時隙時鐘。采樣頻率設計為100kHz，由于16-PPM一幀有4位二進制數(shù)據(jù)，有16個時隙，因此時隙時鐘頻率應為采樣時鐘頻率的4倍，為幀時鐘頻率的1/4。從而時隙時鐘頻率為400kHz，幀時鐘頻率為25kHz。

3.1.2 采樣

采樣時鐘在每個時鐘上升沿數(shù)據(jù)對數(shù)據(jù)進行采集，并將采樣時鐘的同步計數(shù)器加一，然后將采集到的數(shù)據(jù)放入緩存器中。計數(shù)器計滿4個數(shù)就清零，同時將緩存的數(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波形，在FPGA資源足夠的前提下，采樣頻率應該盡可能提高，從而保證解調還原后的數(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對應的編碼為0000000000000001。

3.1.4 移位輸出

每當幀時鐘的上升沿到來時，就將16位脈沖位置信息編碼存入移位寄存器中。當時隙時鐘的上升沿到來時，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)，當時隙時鐘的下降沿到來時，就將數(shù)據(jù)清零，如此便將脈沖位置信息轉換為歸零PPM信號。當寄存器中的16位數(shù)據(jù)完全輸出時，此時幀時鐘上升沿剛好到來，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)字信號轉換為歸零PPM調制信號，實現(xiàn)PPM調制。

3.2 FPGA設計與仿真

FPGA的頂層模塊設計如圖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鐘，對數(shù)字信號進行信號采集、同步計數(shù)、緩存、輸出。主要完成一個串并轉換的過程，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隙時鐘進行同步計數(shù)，將寄存的脈沖位置信息移位輸出，并在時隙時鐘的下降沿將數(shù)據(jù)置零，最終形成歸零PPM調制信號，該模塊的仿真波形如圖6所示。

4 實驗驗證與分析

實驗平臺的連接如圖7，實驗系統(tǒng)通過PC機的串口收發(fā)數(shù)字信號，利用PC機的TXD端發(fā)送數(shù)字信號，數(shù)字信號經(jīng)過PPM調制模塊，產(chǎn)生PPM信號。PPM信號通過PPM解調模塊還原為數(shù)字信號，并利用PC機的RXD端接收還原后的數(shù)字信號。將示波器的CH1通道和CH2通道分別接在PPM調制模塊的輸入和輸出端，檢驗波形是否與理論相符。

4.1 實驗波形的驗證

圖8為PPM信號調制前后的波形對比圖，通過比較波形1的原始數(shù)字信號與波形2中的PPM信號， PPM信號與對應的原始數(shù)字信號相吻合，實驗結果與理論一致。

4.2 誤碼率驗證

通過對不同傳輸速率下的PPM調制的誤碼率進行實驗統(tǒng)計，驗證該通用PPM調制模塊的通用性，圖9是38400波特率時串口的收發(fā)數(shù)據(jù)?？梢钥闯觯涸撏ㄓ肞PM調制模塊可以滿足在38400波特率以內的數(shù)據(jù)通信，誤碼率極低，適用性很強。

5 結論

本文將歸零碼與PPM相結合，設計了可用于激光通信的通用PPM調制模塊，相比于傳統(tǒng)的OOK調制具有更高的光平均利用率和更低的誤碼率。通過波形仿真和設計實驗驗證，該模塊可以滿足38400bps

以內的數(shù)據(jù)通信。將該PPM調制模塊的IP核設計成定制的PPM調制芯片，用于激光通信的前端，可方便靈活地應用于激光通信中，降低激光通信平均功率，具有廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1]李思靜.自由空間光通信系統(tǒng)的研究[D].南京理工大學，2006.

[2]趙明.大氣光通信調制編碼技術研究[D].華中科技大學，2011.

[3]吳剛.近地無線光通信技術研究[D].復旦大學，2009.

[4]秦嶺.大氣激光通信中多脈沖調制系統(tǒng)的設計[D].西安理工大學，2007.

[5]楊勤.衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)中脈沖位置調制技術的研究[D].西安電子科技大學，2014.

[6]張孝龍.基于FPGA的軟件無線電上下變頻技術的研究與設計[D].南京郵電大學，2013.