可见光通信中的2ASK 调制解调技术与FPGA 实现

2021-04-30王新宇曲洪良安子民许凌云胡广超

电子设计工程 2021年7期

王新宇,曲洪良,安子民,许凌云,胡广超

（南京航空航天大学，江苏南京 211100）

可见光通信是利用可见光作为载体的一种新兴的通信方式。可见光通信不需要频谱资源许可，无需占用日益紧张的无线电频谱资源[1]。LED 是非常优秀的可见光光源，其作为室内照明的光源，具有亮度高、能耗低的特点，因而得到快速的发展[2]。

在常见的可见光通信实验中，往往直接对传感器获得的模拟信号进行传输，这种通信方式难以应用在现代数字通讯中。同时模拟信号易受外界环境干扰，造成信号失真，并且由于模拟信号难以加密，采用明文传输易被窃听。该文通过探究数字调制解调在可见光通信中的应用，设计了基于FPGA 的2ASK 调制解调器，用于数字信号的可见光通信。其使用串口TTL 电平作为基带信号，同时，在接收端能够将光信号解调为标准的TTL 电平信号，完成了信号的调制解调过程。解决了模拟通信方式易受干扰的明文传输的问题。

1 通信系统原理

2ASK 调制属于振幅键控二进制数字调制方式中的一种，利用载波振幅变化的方式来表示数字信号“0”和“1”，同时载波的频率和相位不发生改变[3]。OOK（On Off Keying）调制则是2ASK 调制的一种特殊方式。在OOK 调制中，“0”载波的幅度为0，而“1”载波的幅度非零。系统将接收到的基带信号进行调制后通过可见光进行发送。在装置的接收端，则通过雪崩二极管将光信号转化为电信号，并通过解调后恢复含有信息的数字信号。装置的流程图如图1 所示。通过在FPGA 中构建软核，例如该文采用赛灵思公司生产的FPGA 芯片，便可以在系统中构建MicroBlaze 软核，实现串口数据的收发[4]。

图1 系统流程图

1.1 发送端设计原理

发送端在的核心在于FPGA 的设计。在FPGA采集到数字信号后，需要经过调制，在2ASK 调制中，数字信号有“0”和“1”两种，与此相对应的则是承载数字信号的载波信号幅度需要有两个电平状态。键控信号的表达式为：

该文设计的通信装置基于赛灵思公司生产的Spartan6 芯片。FPGA 的程序流程如图2 所示。

图2 FPGA程序流程图

基带信号是来自外部设备发送的TTL 电平。对于数字电平，理论上其频率的变化范围是无限大的，因而在实际工程实践中，为了提高频带的利用率，往往会采取措施限制信号的带宽，例如使用带通滤波器、成型滤波器对信号进行滤波。在文中的设计中，省略了这一操作。Xilinx 公司在其编程软件中提供了直接数字频率合成（DDS Compiler,DDS）IP 核资源，用户可以使用这一资源生成DDS[5]。该文设计的模块中使用这一IP 生成载波信号。2ASK 信号的产生通常有两种，一种是模拟相乘法，而另一种则是键控法，该文采用模拟相乘法，调用FPGA 中的乘法器实现了2ASK 信号的产生，通过将基带信号同载波信号相乘，得到了所需的2ASK 调制信号。FPGA 中的信号为数字信号，需要通过数模转化将其转化为模拟信号并发送到LED 驱动电路。LED 驱动电路则负责将经过数模转换得到的模拟型号经过放大后通过LED 转化为光信号。

1.2 接收端设计原理

接收端首先需要将光信号转化为电信号。一般来说，将光信号转化为电信号有PIN 光电二极管和雪崩二极管两种。雪崩光电二极管（Avalanche Photo Diode,APD）是利用雪崩击穿特性制成的二极管，由于雪崩增益区的影响，会对光信号产生的电流产生放大作用，灵敏度较高，接收质量好[6-9]。但APD相较于PIN 光电二极管工作偏置电压高，对有用信号放大的同时，器件和环境产生的噪声也被放大，在次级需要更好的滤波装置。对比之下，本装置可见光接收部分采用雪崩二极管作为光-电传感器，用于感知可见光信号的变化。采集到的信号经滤波放大之后便可以进行模数转换，将模拟信号转为数字信号交由FPGA 处理。FPGA 的解调流程如图3 所示，其步骤可总结如下。

图3 FPGA解调流程图

对2ASK 的解调方式一般有两种，一是采用同步检测法，二是采用包络检波法。同步检测法需要在接收端提取出同原信号频率、相位均相同的信号，提取出来信号的好坏将直接影响到对采集的2ASK 信号的解调。包络检波法通常应用在信噪比较大的情况下，优点是结构简单，可以简化系统设计。在本次实验中，选取包络检波法作为信号解调的方式。在模拟电路中，可以采用电容电阻配合的方式来组成包络检波器[10-11]。在本次设计的装置中使用FPGA 作为解调器，使用FIR(Finite Impulse Response)低通滤波器过滤载波信号，得到基带信号的包络信号[12]。对基带信号包络信号进行判决比较可以将基带信号还原出来。一般来说，可以将包络信号的直流分量作为2ASK 信号的判决门限，可以通过对包络信号做平滑滤波获得直流分量。

2 电路设计

2.1 发送端电路设计

发送端包含DAC 和可见光发送部分。DAC 选用亚诺德（ADI）公司生产的AD9708 芯片，该芯片拥有最大125 MSPS 转换速率。在设计中，FPGA 产生驱动时钟，频率为50 MHz。系统产生的载波频率为3 MHz。DAC 电路如图4 所示。

图4 DAC电路

LED 发送电路采用了TI 公司的OPA690 作为前端信号放大。OPA690 是一款有效增益带宽超过150 MHz 的电压反馈型运算放大器。信号经过放大并加载偏置电压后发送到LED 转化为光信号。LED驱动电路如图5 所示。

图5 LED驱动电路

2.2 接收端电路设计

接收端包括雪崩二极管驱动电路和AD 转换电路。

文中选用了FIRST SENSOR公司生产的AD500-8雪崩光电二极管。AD500-8 在低偏置下有较高的增益，同时，截止频率高达1 GHz。采用APD 传感器时，需要为APD 提供偏置电压。TPS55340 是一款集成式5 A、40 V 电源开关的单片非同步开关稳压器。通过配置TPS55340 反馈端的电阻可以调整输出电压，电压调整公式为：

该芯片为APD 提供100 V 的低噪声偏置电压。原理图如图6 所示。

图6 偏置电压电路

APD 工作时产生微弱的电流信号，需要使用放大器对信号进行处理放大，得到可供ADC 采集的电压信号。设计使用TI 公司生产的OPA657 作为跨阻放大器对APD 信号进行放大。该运算放大器具有1.6 GHz 增益带宽积、低噪声的特性，非常适合应用在可见光通讯系统中。电路设计如图7 所示。

图7 APD接收放大电路

ADC 选用ADI 生产的AD9280 模数转换芯片，该芯片拥有8 位数据总线，32 MSPS 转换速率，可在ADC 时钟的下降沿采集数据。根据奈奎斯特采样定理，为了使得采样不失真，采样频率应该不小于模拟型号中最高频率的两倍[13-14]，即：

载波频率为3 MHz，那么ADC 的采样频率应在6 MHz 以上，在该次设计中采样频率设计为25 MHz，能够比较完整的恢复模拟信号。使用AD9280 芯片能够很好地满足设计需求[15]。电路设计如图8所示。

图8 ADC设计

3 实验测试

由上文设计了可见光2ASK 调制解调系统，对其进行测试。设置载波频率为3 MHz，分别使用波特率为9 600、115 200、256 000 对实验装置进行测试。实验中通过FPGA 自带的逻辑分析仪抓取芯片内部的信号，并通过Matlab 绘制成图。

可见光传输受到距离的影响，物体表面接受到的光照度与距离的平方成反比[16]。不改变信号放大倍数，对发射端施加100 kHz 的正弦波，表1 反应了在不同距离条件下，接收端得到的该信号的峰峰值（Vpp）大小。

表1 在不同距离的条件下，接收端获得的信号峰峰值

图9 接收端信号峰峰值与距离的关系

由图9 可以看出，随着距离的增加，接收端获得的信号的峰峰值急剧下降，最终信号的幅值趋近于零，这表明，随着距离的增长，可见光通信的质量会下降。

图10 分别为在波特率为256 000 的情况下，通过FPGA 调制后的2ASK 调制信号和通过ADC 获取的光信号。由图9 可知，FPGA 内部程序成功地对信号进行了调制。通过观察信号波形，发现通过可见光传输获得的波形完整，没有明显的失真。

图10 DAC与ADC数据

图11 分别为FIR 低通滤波器和平滑滤波实测图。通过观察图像，可以发现FIR 低通滤波器能够获得调制信号的包络线，平滑滤波器工作正常。但是在调试过程中发现判决过程中输出信号会发生多次跳变，与设计原理不符。经过对数据的检查分析，发现包络信号的低位会发生跳变，信号判决工作失常。受制于FPGA 的性能，不能通过设计更高阶数的FIR 低通滤波器来获得最优的包络信号，通过对现象产生原因的分析，采用迟滞比较器代替原公式中的过零比较方式。迟滞比较器可以很好地抑制信号低位波动对系统判决的干扰[17]。