基于FPGA的紫外光DPIM调制系统设计

马 宁，李晓毅，杨 刚，陈 谋

（重庆通信学院，重庆400035）

引言

作为一种近距离的隐蔽通信模式，紫外光通信具有灵活便携、保密可靠等显著优势，能弥补常规通信手段的不足，有着重要的民用价值和国防意义［1］。美国代表着该领域的最高研究水平，据说早在阿富汗战场就已经投入使用，并取得了不错的效果［2－3］；与之相比我国对紫外光通信的研究较晚，距离这项技术的实用化仍存在一定的差距，加紧对其中关键技术的研究和相关器件的研制已经刻不容缓。调制技术是紫外光通信中的一项关键技术，直接决定着通信的质量。DPIM是一种极具潜力的调制方式，和当前无线光通信中主要采用的PPM相比，具有更高的带宽效率和传输容量，并且解调不需要严格的符号同步，大大降低了系统设计的复杂度，优势更加明显［4］。所以对紫外光通信中DPIM应用的研究具有重要的现实意义。

在研究DPIM调制原理的基础上，设计了DPIM的调制和解调系统，利用Verilog HDL语言在ISE平台实现了系统的功能仿真，并结合DPIM的改进方式，提出了一种新的脉冲间隔调制思想。

1 DPIM调制原理

1998年Z.Ghassemlooy以室内无线光通信为应用背景，提出了DPIM调制方式［5］。DPIM是利用相邻脉冲之间的时隙数来传递信息的，每个调制符号包含不固定的时隙数，通常所说的DPIM带有一个保护时隙，能有效减少码间串扰带来的影响。DPIM的编码结构如图1所示，设k代表符号所表示的十进制数，则调制符号的时隙数为k＋2个，脉冲位于每个符号的起始时隙，后加一个保护时隙，再加表示信息的k个空时隙。接收端解调时，只需数脉冲时隙后的空时隙个数，再做减1处理就可以完成解调，解调过程只需时钟同步，而不需要复杂的符号同步，大大简化了系统实现复杂度［6］。

图1 DPIM的编码结构（调制阶数M＝4）Fig.1 Symbol structure of DPIM（M＝4）

2 DPIM调制系统设计

DPIM调制系统的设计实际上是一个计数和比较输出的过程。利用时隙信号进行计数，控制光脉冲的输出，并与并行输出的调制数据进行比较，在满足条件的时隙输出低电平，即不产生光脉冲，以16-DPIM为例，设计的流程图如图2所示。

16-DPIM调制系统设计的基本思路是：为了与计数器输出的值进行比较，首先需要对原始串行输入的数据进行串并转化处理，对于16-DPIM，一帧时间内包含16个时隙，每4位数据进行一次串并转化，所以控制串并转化的时钟信号应该为时隙时钟信号的四分频。将并行数据输入锁存器，并由锁存器控制其输出，目的是使并行输出的数据能够维持一帧的时间和计数器的输出进行比较。当时隙信号计数器为0时，就在每一帧的起始时刻输出高电平“1”，然后比较器将对锁存器输出值和时隙信号的计数值进行比较，当满足锁存值大于等于计数值的条件时，输出低电平“0”，否则就循环比较，这样便产生了16-DPIM调制信号。

图2 16-DPIM调制系统流程图Fig.2 Flow chart of 16-DPIM modulation process

3 DPIM解调系统设计

DPIM的解调实际上是对调制信号中相邻2个光脉冲之间的空时隙进行计数，再对计数结果进行处理和并串转化来恢复原始数据的过程。仍以16-DPIM为例，其解调设计的流程如图3所示。

图3 16-DPIM解调系统流程图Fig.3 Flow chart of 16-DPIM demodulation process

16-DPIM解调系统设计的基本思路是：当检测到光脉冲上升沿来临时，输出计数值减1到锁存器，减1是因为相邻光脉冲之间包含了一个保护时隙，这个保护时隙是不表示数据的；当光脉冲的下降沿到来时，对计数器清零，重新开始计数，直到检测到下一个光脉冲来临，再重复进行上面的锁存和清零步骤。锁存器在4进制计数器的控制下，将锁存值维持一帧的时间，利用这一帧的时间进行并串恢复得到原始信号，由调制系统中各时钟信号之间的关系可知，控制并串转化的时钟信号仍是时隙信号通过四分频得到的［7］。

为保证正确解调，在解调端首先要进行时钟恢复，对于DPIM信号的解调而言，只需恢复位同步即可。位同步的实现方法有插入导频法和直接法，插入导频是在发送有用信号的同时，在适当频率插入定时导频；直接法则无需导频信号，而是直接从接收信号中提取位同步信息［8］。DPIM信号中包含有时钟信息，宜采用直接法。数字锁相环是常用的一种直接法，其基本原理如图4所示：通过鉴相器对接收码元和本地时钟产生的位同步信号的相位进行比较，不一致时产生误差信号，并利用控制器调整位同步信号的相位，直到相一致［9］。

图4 16-DPIM位同步时钟提取原理框图Fig.4 Principle block diagram of 16-DPIM bit synchronization

4 系统仿真

ISE开发坏境是Xilinx公司提供的集成化FPGA开发软件，具有界面友好、操作简单、设计性能优异等特点。ModelSim仿真工具仿真精度高、速度快，是最通用的仿真器之一。本文将在ISE14.3开发环境下利用 ModelSim10.1进行仿真实验。

16-DPIM调制系统的仿真结果如图5所示。串行输入数据data＿in在四分频时钟clk＿out的控制下，经过串并变化得到并行输出数据parr＿out，parr＿out与16进制计数器count2经过比较器输出DPIM 调制信号dpim＿out，4进制计数器count1和缓存buffer用于控制并行数据的输出使之持续一帧的时间。

图5 16-DPIM调制系统仿真图Fig.5 Diagram of 16-DPIM modulation system simulation

通过观察，发现data＿in与dipm＿out的第2个高脉冲开始一一对应，之前出现了一个无关高脉冲，这样的无关高脉冲会对后面的解调造成影响。产生无关高脉冲的原因是串并转化和比较器之间不同步，即在4位串并转化完成之前，比较器已经开始进行比较了，当计数值为0时就出现了无关高脉冲。可以通过增加控制信号来控制比较器开始工作的时间，即当第一次4位串并转换完成后，比较器便开始工作，经过调整的程序仿真结果如图6所示。图中en为控制比较器工作的控制信号，使串并转化和比较器同步进行，通过观察，仿真得到正确的16-DPIM调制信号，同时也去除了无关高脉冲，证明了调制系统设计的正确性。

图7为16-DPIM解调系统的仿真结果。通过观察，系统给定的调制信号dpim＿in经过解调系统得到了正确解调输出。为了进一步对整个调制解调系统进行仿真，将通过调制系统得到的16－DPIM调制信号，作为解调系统的输入，得到图8所示的联合仿真结果。

由系统的总体仿真结果图可以看出，串行输入数据ser＿in经过调制和解调系统，得到了正确的输出ser＿out，但产生了一定的延时，这是系统各模块延时的叠加。为进一步确保解调正确，可在系统后再加入一个控制电路，其作用是使输出数据在输出正确数据之前恒为“0”，这样就避免了无关输出数据的影响。以上我们以16-DPIM为例对所设计的DPIM调制和解调系统进行了仿真，仿真结果表明了设计的正确性。

图6 改进后的16-DPIM调制系统仿真图Fig.6 Diagram of 16-DPIM modulation system simulation after improved

图7 16-DPIM解调系统仿真图Fig.7 Diagram of 16-DPIM demodulation system simulation

图8 16-DPIM调制解调联合仿真Fig.8 Combined simulation of 16-DPIM modulation and demodulation

5 DPIM的改进研究

虽然DPIM调制特点显著，在无线光通信的应用中具有一定优势，但编码特征决定了其调制符号长度不固定，这样当调制系统的输入速率大于调制速率时，调制系统缓存就会出现一定概率的溢出，反之如果输入速率小于调制速率，调制系统就会等待，产生无关空时隙，对解调结果产生影响［10］。为了改善DPIM的这种不足，并进一步提高DPIM的性能，研究者们提出了一些改进型的调制方式，包括定长数字脉冲间隔调制（FDPIM）、双幅度脉冲间隔调制（DAPIM）以及定长双幅度脉冲间隔调制（FDAPIM）等。

FDPIM是将一个M位的二进制数组映射为由2M＋4个时隙组成的时间段上的双脉冲信号［11］。设k为M 位二进制数对应的十进制数，FDPIM信号每个符号以单时隙脉冲起始，之后为一个保护时隙，防止出现连续脉冲，再跟k个空时隙代表信息，再跟一个双时隙的标识脉冲，再跟一个保护时隙防止出现连续3个“1”，最后以（2M－k－1）个空时隙补足，标识脉冲后的空时隙并不代表信息。和DPIM相比，FDPIM的符号长度固定为2M＋4个，解调时同样不需要符号同步。

DAPIM有2种起始脉冲，幅度分别为1和β（0＜β＜1），一个M 位的二进制数组可以用2M种符号表示［12］。对第k（0≤k＜2M）种符号，首先以脉冲时隙开始，当k＜2M－1，起始脉冲幅度为1，当k≥2M－1时脉冲幅度为β，起始时隙后跟一个保护时隙，再跟mk个空时隙表示信息，mk可由（1）式确定：

和DPIM相比，DAPIM减小了平均符号长度，进一步提高了带宽效率。

FDAPIM在FDPIM的基础上做了进一步改进［13］，将M 位FDPIM符号中的双时隙标识脉冲用幅度为β的单脉冲代替即为对应的FDAPIM符号。FDAPIM每个符号包括2M＋3个时隙，相对于FDPIM进一步提高了带宽效率。FDPIM、DAPIM、FDAPIM的符号波形如图9所示。

以上几种改进型的DPIM调制方式中，DAPIM只是进一步缩短了符号长度，而没有解决调制信号符号长度不固定的问题；FDPIM和FDAPIM调制信号的符号长度固定不变，但其带宽效率却降低了。总之，这3种调制方式虽然对DPIM进行了一些改进，但却存在着明显的不足或者性能方面的劣势。如果能在改进DPIM不足的同时，又不对性能产生较大的影响，这样的调制方式将更具优势。

图9 OOK、PPM、DPIM、FDPIM、DAPIM、FDAPIM及新调制思想的编码结构Fig.9 Symbol structures of OOK、PPM、DPIM、FDPIM、DAPIM、FDAPIM and new modulation

通过对DAPIM和FDPIM进行研究，将这2种调制方式的编码特征相结合，我们提出了一种新型双幅度定长脉冲间隔调制的思想。如图9所示，这种调制方式是将一个M位的二进制数组映射为由2M－1＋4个时隙组成的时间段上的双幅度脉冲信号。为方便说明，可将每段编码符号分为信息符号段和补充符号段，信息符号表示信息，这段符号采用和DAPIM同样的编码方式，即采用2种幅度分别为1和β（0＜β＜1）的单时隙起始脉冲，k＜2M－1时起始脉冲幅度为1，k≥2M－1时幅度为β，其后先跟一个保护时隙，再跟mk个空时隙表示信息，mk同样由（1）式确定；补充符号不代表信息，采用FDPIM的编码方式，即一个双时隙的标识脉冲，后加一个保护时隙，再跟（2M－mk－1）个空时隙，就完成了调制编码的过程。解调时，当判断单时隙脉冲到来时，开始对其后的空时隙计数，直到双时隙标识脉冲到来，输出计数值，再减1就实现了解调，这一过程并不需要符号同步。

以上分析了这种新型双幅度定长脉冲间隔调制思想的编码规则，相比FDPIM和FDAPIM，减小了符号数，提高了带宽效率；而与DPIM 和DAPIM相比，符号长度固定，是一种折中的调制方式，具有进一步推广意义。

6 结论

利用Verilog HDL语言设计了基于FPGA的DPIM调制和解调系统，在ISE14.3环境下利用ModelSim软件进行了仿真验证，得到了正确结果，并通过加入控制电路消除了调制和解调过程出现的无关脉冲，完善了设计。最后从DPIM的改进和性能提高出发，介绍了几种改进型的DPIM调制，并提出了一种新的双幅度定长脉冲间隔调制思想，具有一定的优势，为紫外光通信的实用化提供了借鉴。但在功率效率和误码性能等重要性能方面并没有对这种新调制方式进行讨论和对比，将作为后续工作的研究重点。

［1］ Wu Zhongliang，Liang Jing，Ren Jie，et al.Analysis of current status and future trend of UV communication system［J］.Electronic Science and Technology，2011，24（8）：119-123.吴忠良，梁菁，任杰，等.紫外光通信系统现状及发展趋势分析［J］.电子科技，2011，24（8）：119-123.

［2］ Xu Zhengyuan，Sadler B M.Ultraviolet communications：potential and state-of-the-art［J］.IEEE，2008，46（5）：67-73.

［3］ Chen Gang.Path loss modeling and performance trade-off study for short-range non-line-of-sight ultraviolet communication Free-space optical communication［J］.IEEE，2009，27（9）：1535-1544.

［4］ Wang Hongxing，Zhu Yinbing，Zhang Tieying，et al.Performance study of modulation for optical wireless communication［J］.Laser ＆ Optoelectronics Progress，2006，43（6）：38-41.王红星，朱银兵，张铁英，等.无线光通信调制方式性能分析［J］.激光与光电子学进展，2006，43（6）：38-41.

［5］ Hu Zongmin，Tang Junxiong.Digital pulse interval modulation for atmospheric optical wireless communications［J］.Journal of China Institute of Communications，2005，26（3）：75-79.胡宗敏，汤俊雄.大气无线光通信系统中数字脉冲间隔调制研究［J］.通信学报，2005，26（3）：75-79.

［6］ Ghassemlooy Z，Hsyes A R，Seed N L，et al.Digital pulse interval modulation for optical communications［J］.IEEE，1998，36（12）：95-99.

［7］ Zhu Yuejun，Zhang Jiangxin.Design of PPM modulation system in wireless optical communication based on FPGA［J］.Optical Communication Technology，2006（12）：57-59.朱乐君，张江鑫.基于FPGA的无线光通信PPM调制系统的设计［J］.光通信技术，2006（12）：57-59.

［8］ He Pan.Study of PPM modulation and demodulation technology of ultraviolet communication［D］.Chongqing：Chongqing Communication Institute，2010.何攀.紫外光通信PPM调制解调技术研究［D］.重庆：重庆通信学院，2010.

［9］ Zhang Liyong，Chu He.The realization of extraction of bit synchronization signal with FPGA in digital communication system［J］.Journal of Harbin University of Science and Technology，2008，13（6）：94-97.张礼勇，楚鹤.数字通信系统中位同步信号提取的FPGA实现［J］.哈尔滨理工大学学报，2008，13（6）：94-97.

［10］Otte R.Slot synchronization by reducing the PPM pulsewidth in wireless optical systems［J］.IEEE，2004，45（7）：135-141.

［11］Zhang Tieying，Wang Hongxing，Cheng Gang，et al.A novel fixed length digital pulse interval modulation for optical wireless communications［J］.Chinese Journal of Lasers，2007，34（12）：1655-1659.张铁英，王红星，程刚，等.无线光通信中的定长数字脉冲间隔调制［J］.中国激光，2007，34（12）：1655-1659.

［12］Wei Wei，Hua Lianghong，Zhang Xiaohui，et al.Performance of underwater wireless optical communication employing multilevel digital pulse interval modulation［J］.Laser Technology，2011，35（3）：330-333.魏巍，华良洪，张晓晖，等.多幅度数字脉冲间隔调制的水下无线光通信研究［J］.激光技术，2011，35（3）：330-333.

［13］Huang Aiping，Fan Yangyu，Li Wei，et al.Fixed length dual-amplitude pulse interval modulation for optical wireless communications［J］.Chinese Journal of Lasers，2009，36（3）：602-606.黄爱萍，樊养余，李伟，等.无线光通信中的定长双幅度脉冲间隔调制［J］.中国激光，2009，36（3）：602-606.