基于FPGA的PPM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)設計

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發(fā)展迅猛，是現(xiàn)代通信技術研究的一個熱點。尤其是新興的紫外光通信技術，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。光通信系統(tǒng)大多采用設計為強度調(diào)制／直接檢測(IM／DD)的系統(tǒng)，應用于強度調(diào)制／直接檢測光通信系統(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，小輻射功率對延長發(fā)射光源工作壽命特別重要，能有效提高整機系統(tǒng)的使用壽命。

本文從工程應用出發(fā)，根據(jù)PPM的基本原理和數(shù)學模型，對PPM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)進行了設計，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)學模型

根據(jù)脈沖形式，脈沖位置調(diào)制可分為三種：單脈沖位置調(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際應用上綜合考慮，選擇L-PPM作為PPM實現(xiàn)的具體方式。

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

2 PPM調(diào)制系統(tǒng)設計

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

本文基于Verilog HDL語言設計，以16-PPM為例，其設計思路為：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)進行計數(shù)，故在調(diào)制之前應將串行輸入的數(shù)據(jù)進行串／并轉(zhuǎn)換，由于是16-PPM，一幀時間內(nèi)時隙個數(shù)應為16個，每次對4位數(shù)據(jù)進行串／并轉(zhuǎn)換，故觸發(fā)串／并變換的時鐘信號是時隙時鐘的四分頻。轉(zhuǎn)換后的4位并行數(shù)據(jù)需與16進制計數(shù)器進行比較從而確定高脈沖在這一幀中的時隙位置，這要求并行數(shù)據(jù)能維持一幀時間使之與計數(shù)器產(chǎn)生的計數(shù)值進行比較，故由鎖存器控制輸出并行數(shù)據(jù)。當并行數(shù)據(jù)與計數(shù)器的輸出值相等時，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。具體流程如圖2所示。

3 PPM解調(diào)系統(tǒng)設計

本文已詳細介紹了PPM的調(diào)制過程，PPM信號的解調(diào)過程從本質(zhì)上講就是PPM調(diào)制的逆過程，故對其詳細解調(diào)過程在此省略。但在PPM解調(diào)過程中需要解決一個非常關鍵的時鐘同步問題，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系到整個PPM解調(diào)過程的成功與否。而位同步又是幀同步的基礎，實現(xiàn)位同步的方法有插入導頻法和直接法。插入導頻法是在基帶信號頻譜的零點處插入所需的位定時導頻信號；直接法則是在發(fā)送端不專門發(fā)送導頻信號，而直接從接收的數(shù)字信號中提取位同步信號。從PPM調(diào)制過程中發(fā)現(xiàn)PPM信號中包含有時隙時鐘信息，即位同步信號，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，數(shù)字鎖相環(huán)解決了模擬鎖相環(huán)的直流零點漂移、器件飽和以及易受電源和環(huán)境溫度變化影響等缺點，而且具有可靠性高、體積小、易于集成等優(yōu)點。文獻已詳細闡述，本文限于篇幅不在此贅述。

3．2 PPM的幀同步

實現(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。但這樣會讓PPM的調(diào)制與解調(diào)過程復雜化，并且插入的碼元占用了原本傳輸信息的時隙，會降低整個系統(tǒng)的傳輸速率，本文采用直接法提取幀同步信號。