基于FPGA的PPM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言

目前，大氣激光通信、無線紅外通信以及新興的紫外光通信技術(shù)發(fā)展迅猛，是現(xiàn)代通信技術(shù)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。尤其是新興的紫外光通信技術(shù)，它工作在通常所說的紫外光“日盲區(qū)”，利用該波段的紫外光進(jìn)行通信其背景噪聲可視為零，也使得紫外光通信具有低竊聽率、低位辨率、全方位、高抗干擾能力等優(yōu)點(diǎn)。光通信系統(tǒng)大多采用設(shè)計(jì)為強(qiáng)度調(diào)制／直接檢測(cè)(IM／DD)的系統(tǒng)，應(yīng)用于強(qiáng)度調(diào)制／直接檢測(cè)光通信系統(tǒng)中的調(diào)制方式有很多種，脈沖位置調(diào)制(PPM)是一種正交調(diào)制方式，相比于傳統(tǒng)的開關(guān)鍵控(OOK)調(diào)制，它具有更高的光功率利用率和頻帶利用率，并能進(jìn)一步提高傳輸信道的抗干擾能力。此外，PPM降低了光輻射平均功率的要求，小輻射功率對(duì)延長(zhǎng)發(fā)射光源工作壽命特別重要，能有效提高整機(jī)系統(tǒng)的使用壽命。

本文從工程應(yīng)用出發(fā)，根據(jù)PPM的基本原理和數(shù)學(xué)模型，對(duì)PPM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并用Verilog HDL語言在Quartus上完成了系統(tǒng)仿真。

1 PPM的基本原理與數(shù)學(xué)模型

根據(jù)脈沖形式，脈沖位置調(diào)制可分為三種：?jiǎn)蚊}沖位置調(diào)制(L-PPM)，差分脈沖位置調(diào)制(L-DPPM)以及多脈沖位置調(diào)制(Multi-PPM)。從帶寬利用率、傳輸速率以及工程實(shí)際應(yīng)用上綜合考慮，選擇L-PPM作為PPM實(shí)現(xiàn)的具體方式。

L-PPM是將一個(gè)n位二進(jìn)制數(shù)據(jù)組映射為由2n個(gè)時(shí)隙組成的時(shí)間段上的某一個(gè)時(shí)隙處的單個(gè)脈沖信號(hào)。易知，一個(gè)L位的PPM調(diào)制信號(hào)傳送的信息比特為log2L。如果將n位數(shù)據(jù)組寫成m=(m1，m2，…，mn)，而將時(shí)隙位置記為l，則此單脈沖位置調(diào)制的編碼映射關(guān)系可以寫成如下數(shù)學(xué)關(guān)系：l=m1+2m2+…+2n-1mn，n∈{0，1，…，n-1)。根據(jù)此關(guān)系式，得出16-PPM的示意圖，如圖1所示。

2 PPM調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由上述討論，不難發(fā)現(xiàn)PPM的調(diào)制過程本質(zhì)上是一個(gè)計(jì)數(shù)過程。程序需計(jì)算并行數(shù)據(jù)中的數(shù)值，并在相應(yīng)的時(shí)隙位置輸出一個(gè)高脈沖，其他位置不輸出脈沖，從而保證信號(hào)的一一映射。

本文基于Verilog HDL語言設(shè)計(jì)，以16-PPM為例，其設(shè)計(jì)思路為：由圖1所示PPM調(diào)制原理，PPM調(diào)制是將并行輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，故在調(diào)制之前應(yīng)將串行輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行串／并轉(zhuǎn)換，由于是16-PPM，一幀時(shí)間內(nèi)時(shí)隙個(gè)數(shù)應(yīng)為16個(gè)，每次對(duì)4位數(shù)據(jù)進(jìn)行串／并轉(zhuǎn)換，故觸發(fā)串／并變換的時(shí)鐘信號(hào)是時(shí)隙時(shí)鐘的四分頻。轉(zhuǎn)換后的4位并行數(shù)據(jù)需與16進(jìn)制計(jì)數(shù)器進(jìn)行比較從而確定高脈沖在這一幀中的時(shí)隙位置，這要求并行數(shù)據(jù)能維持一幀時(shí)間使之與計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的計(jì)數(shù)值進(jìn)行比較，故由鎖存器控制輸出并行數(shù)據(jù)。當(dāng)并行數(shù)據(jù)與計(jì)數(shù)器的輸出值相等時(shí)，就輸出高電平“1”，否則輸出低電平“0”，這樣就產(chǎn)生了所需的PPM信號(hào)。具體流程如圖2所示。

3 PPM解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文已詳細(xì)介紹了PPM的調(diào)制過程，PPM信號(hào)的解調(diào)過程從本質(zhì)上講就是PPM調(diào)制的逆過程，故對(duì)其詳細(xì)解調(diào)過程在此省略。但在PPM解調(diào)過程中需要解決一個(gè)非常關(guān)鍵的時(shí)鐘同步問題，具體包括位同步和幀同步。

3．1 PPM的位同步

位同步與幀同步建立的效果與效率關(guān)系到整個(gè)PPM解調(diào)過程的成功與否。而位同步又是幀同步的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)位同步的方法有插入導(dǎo)頻法和直接法。插入導(dǎo)頻法是在基帶信號(hào)頻譜的零點(diǎn)處插入所需的位定時(shí)導(dǎo)頻信號(hào)；直接法則是在發(fā)送端不專門發(fā)送導(dǎo)頻信號(hào)，而直接從接收的數(shù)字信號(hào)中提取位同步信號(hào)。從PPM調(diào)制過程中發(fā)現(xiàn)PPM信號(hào)中包含有時(shí)隙時(shí)鐘信息，即位同步信號(hào)，宜采用直接法。直接提取位同步的方法又分濾波法和鎖相環(huán)法，現(xiàn)在通常采用數(shù)字鎖相環(huán)提取位同步信號(hào)，數(shù)字鎖相環(huán)解決了模擬鎖相環(huán)的直流零點(diǎn)漂移、器件飽和以及易受電源和環(huán)境溫度變化影響等缺點(diǎn)，而且具有可靠性高、體積小、易于集成等優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)已詳細(xì)闡述，本文限于篇幅不在此贅述。

3．2 PPM的幀同步

實(shí)現(xiàn)幀同步可采用插入法或直接法，插入法即在每幀的幀頭部插入特殊的碼元，用以辨別每幀的起始位置，比如插入巴克碼。但這樣會(huì)讓PPM的調(diào)制與解調(diào)過程復(fù)雜化，并且插入的碼元占用了原本傳輸信息的時(shí)隙，會(huì)降低整個(gè)系統(tǒng)的傳輸速率，本文采用直接法提取幀同步信號(hào)。