一种可用于激光通信的脉冲位置调制模块设计

2017-07-18曹勇王树炜邵思杰

山东工业技术 2017年14期

曹勇+王树炜+邵思杰

摘要：本文依据脉冲位置（Pulse Position Modulation，PPM）调制的基本原理，基于VHDL硬件描述语言，设计了一个可用于激光通信的PPM调制模块。本文介绍了通用PPM调制的设计思路和工作原理，提出了归零码与PPM编码相结合的调制方法，通过比较仿真波形和设计实验验证，该模块能够实现PPM调制，在满足误码率要求的前提下可以实现较高的通信速率，具有很强的通用性。

关键词：激光通信；脉冲位置调制（PPM）；可编程逻辑阵列（FPGA）；VHDL语言

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

1 引言

激光无线通信有着不受电磁干扰、保密性好、组网机动灵活等特点，在很多领域特别是军事领域有着广泛的应用[1]。激光通信属于能量受限的通信系统，影响其调制格式的性能指标主要有平均发射功率、系统带宽需求以及误码率的大小[2]。目前激光通信常用的调制方式是OOK（On-Off Keying）调制，它是以单极性不归零码序列来控制正弦载波的开启与关闭，其调制方式简单而易于实现，被广泛应用，但是其功率利用率低，抗干扰能力差[3]。研究较多的还有PPM调制、MPPM（Multiple PPM）调制和DPPM（Differential PPM）调制。通过对这几种调制格式的性能指标进行比较，结果表明，随着调制阶数的增加，PPM调制相对其他调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况下误码率最低[4]。因此， PPM调制相比于其他调制方式应用于激光通信具有很大的优越性。

2 基于PPM调制的激光通信原理

如图1所示为基于PPM调制的激光通信原理。首先通过PPM調制模块将数字信号调制为PPM信号；然后将PPM信号的“1”、“0”分别表示为激光的强、弱，利用激光将PPM信号发射到自由空间；远处的接收装置接收到激光信号后，经过光电检测，将光信号转换为电信号，还原出PPM信号； PPM解调模块再将PPM信号还原成数字信号，从而实现激光通信。本文主要介绍PPM调制模块的设计。

3 PPM调制模块设计

3.1 PPM调制方案

本文根据PPM的基本原理，利用FPGA（Field Programmable Gate Array）的高速并行特性，使用VHDL硬件描述语言设计了一个用于激光通信的PPM调制模块。PPM调制方案如图2所示，主频经分频产生需要的时钟频率，数字信号经过采样、脉冲位置信息编码、移位输出的过程，最终形成PPM信号。

随着调制阶数的增大，PPM的光功率利用率越高，但是所需要的带宽也随之增大[5]，本文以16-PPM为例，对信源进行调制解调。传统的PPM调制采用的是单极性不归零码，正电平代表逻辑1，负电平代表逻辑0，每传输完一位数据，信号返回到零电平。如果遇到PPM编码首尾相接的情况，势必要连续发送正电流，这样使某一位码元与其下一位码元之间没有间隙，不易区分识别。采用归零码可以改善这种状况，当发“1”码时，发出正电流，但持续时间短于一个码元的时间宽度，当发“0”码时，仍然不发送电流。本文结合这两种编码方式的优点，采用占空比为50%的单极性归零码与16-PPM编码相结合的方式，对数字信号进行PPM调制。

3.1.1 时钟分频

主频频率经过分频产生采样时钟、帧时钟和时隙时钟。采样频率设计为100kHz，由于16-PPM一帧有4位二进制数据，有16个时隙，因此时隙时钟频率应为采样时钟频率的4倍，为帧时钟频率的1/4。从而时隙时钟频率为400kHz，帧时钟频率为25kHz。

3.1.2 采样

采样时钟在每个时钟上升沿数据对数据进行采集，并将采样时钟的同步计数器加一，然后将采集到的数据放入缓存器中。计数器计满4个数就清零，同时将缓存的数据并行输出。采样频率越高，采样产生的数据波形越接近原始信号波形，在FPGA资源足够的前提下，采样频率应该尽可能提高，从而保证解调还原后的数据波形更加接近原始数据波形[6]。

3.1.3 脉冲位置信息编码

将采样缓存输出的四位并行数据转换为脉冲位置信息编码，位置信息编码为16位并行数据，有且仅有一位为‘1，其余位均为“0”，“1”，例如数据0000对应的编码为0000000000000001。

3.1.4 移位输出

每当帧时钟的上升沿到来时，就将16位脉冲位置信息编码存入移位寄存器中。当时隙时钟的上升沿到来时，移位寄存器就将存入的脉冲位置编码数据右移一位，并输出最低位数据，当时隙时钟的下降沿到来时，就将数据清零，如此便将脉冲位置信息转换为归零PPM信号。当寄存器中的16位数据完全输出时，此时帧时钟上升沿刚好到来，新的脉冲位置信息编码数据存入寄存器，如此周期循环，便将原始数字信号转换为归零PPM调制信号，实现PPM调制。

3.2 FPGA设计与仿真

FPGA的顶层模块设计如图3所示。主要包括采样模块（chuanbing）、脉冲位置编码模块（yima）、脉冲输出模块（jiyi）和一个分频（fenpin）模块。

3.2.1 采样模块的仿真

采样模块主要利用采样时钟，对数字信号进行信号采集、同步计数、缓存、输出。主要完成一个串并转换的过程，该模块的仿真波形如图4所示。

3.2.2 脉冲位置编码模块的仿真

脉冲位置编码模块将缓存输出的四位并行数据转换为16位PPM脉冲位置信息编码，该模块的仿真波形如图5所示。

3.2.3 脉冲输出模块的仿真

脉冲输出模块利用时隙时钟进行同步计数，将寄存的脉冲位置信息移位输出，并在时隙时钟的下降沿将数据置零，最终形成归零PPM调制信号，该模块的仿真波形如图6所示。

4 实验验证与分析

实验平台的连接如图7，实验系统通过PC机的串口收发数字信号，利用PC机的TXD端发送数字信号，数字信号经过PPM调制模块，产生PPM信号。PPM信号通过PPM解调模块还原为数字信号，并利用PC机的RXD端接收还原后的数字信号。将示波器的CH1通道和CH2通道分别接在PPM调制模块的输入和输出端，检验波形是否与理论相符。

4.1 实验波形的验证

图8为PPM信号调制前后的波形对比图，通过比较波形1的原始数字信号与波形2中的PPM信号， PPM信号与对应的原始数字信号相吻合，实验结果与理论一致。

4.2 误码率验证

通过对不同传输速率下的PPM调制的误码率进行实验统计，验证该通用PPM调制模块的通用性，图9是38400波特率时串口的收发数据。可以看出：该通用PPM调制模块可以满足在38400波特率以内的数据通信，误码率极低，适用性很强。

5 结论

本文将归零码与PPM相结合，设计了可用于激光通信的通用PPM调制模块，相比于传统的OOK调制具有更高的光平均利用率和更低的误码率。通过波形仿真和设计实验验证，该模块可以满足38400bps

以内的数据通信。将该PPM调制模块的IP核设计成定制的PPM调制芯片，用于激光通信的前端，可方便灵活地应用于激光通信中，降低激光通信平均功率，具有广阔的应用前景。

参考文献：

[1]李思静.自由空间光通信系统的研究[D].南京理工大学，2006.

[2]赵明.大气光通信调制编码技术研究[D].华中科技大学，2011.

[3]吴刚.近地无线光通信技术研究[D].复旦大学，2009.

[4]秦岭.大气激光通信中多脉冲调制系统的设计[D].西安理工大学，2007.