激光通信中DPPM調(diào)制解調(diào)技術(shù)的FPGA實(shí)現(xiàn)

朱孟祥， 唐普英，唐湘成， 劉 怡，曾 晶 ，曾 軍

（1.電子科技大學(xué) 四川 成都 610054；2.西南技術(shù)物理研究所 四川 成都 610041）

脈沖位置調(diào)制（PPM）就是用調(diào)制信號(hào)控制發(fā)送脈沖序列中各脈沖的相對(duì)位置，隨著調(diào)制信號(hào)的變化而發(fā)生變化。作為新發(fā)展起來(lái)的無(wú)線激光通信技術(shù)，它具有編碼簡(jiǎn)單，傳輸效率高，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以極大地提高通信系統(tǒng)的信息安全，廣泛應(yīng)用與超寬帶移動(dòng)通信，大氣激光通信等領(lǐng)域。并且最重要的是，開(kāi)展大氣激光通信系統(tǒng)的研究對(duì)于國(guó)防現(xiàn)代化建設(shè)具有舉足輕重的意義[1]。但是PPM調(diào)制解調(diào)傳輸信息時(shí)占用大量的帶寬，造成不必要的浪費(fèi)。

因此，在此基礎(chǔ)上提出了新的調(diào)制解調(diào)方法DPPM調(diào)制解調(diào)技術(shù)，在相同傳信率的情況下DPPM調(diào)制解調(diào)比PPM調(diào)制占用的信道帶寬少，DPPM調(diào)制解調(diào)的加入，大大提高了大氣激光通信系統(tǒng)傳輸信息的效率，成為其中不可或缺的技術(shù)。

通過(guò)對(duì)DPPM調(diào)制解調(diào)的建模，充分利用FPGA的豐富數(shù)字化資源，verilog語(yǔ)言代碼的簡(jiǎn)單性，用盡可能少的邏輯資源成功實(shí)現(xiàn)一種DPPM調(diào)制解調(diào)方法，借助于QuartusII的SignalTap在線調(diào)試工具，成功模擬了DPPM調(diào)制解調(diào)技術(shù)，為以后DPPM調(diào)制解調(diào)技術(shù)的實(shí)用化打下了很好的基礎(chǔ)。

1 DPPM的原理與建模

PPM是將一個(gè)n位二進(jìn)制數(shù)據(jù)映射到2n個(gè)時(shí)隙組成的時(shí)間段上的某一個(gè)時(shí)隙處，每一個(gè)n位數(shù)據(jù)映射為對(duì)應(yīng)某一個(gè)時(shí)隙處單個(gè)脈沖信號(hào)。一個(gè)M位的PPM信號(hào)，傳輸?shù)男畔⒈忍貫閚=log2M。 一個(gè)nbit信源 U= （U1，U2， …，Un）∈{0，1}可以調(diào)制成具有M個(gè)時(shí)隙的PPM信號(hào)（M=2n），通過(guò)脈沖所在時(shí)隙中的位置來(lái)表示不同的信源組合（n位）。也就是PPM調(diào)制技術(shù)利用脈沖在一個(gè)信息幀的的相對(duì)位置來(lái)傳遞信息。若將單脈沖在信息幀的相對(duì)位置用P表示，則P=2n-1Un+Un-1+…+U1[2]，8-PPM信息幀調(diào)制示意圖如1所示。

圖1 脈沖位置調(diào)制示意圖Fig.1 Sketch map of PPM

DPPM調(diào)制解調(diào)技術(shù)是在PPM調(diào)制解調(diào)技術(shù)上的一種改進(jìn)方式，它時(shí)將一幀數(shù)據(jù)中單脈沖之后的低電平去掉，單脈沖之前的高電平全部保留。對(duì)于DPPM信號(hào)與PPM信號(hào)具有相同的分析方法，在這里就不贅述。DPPM碼組傳輸?shù)男畔⒈忍乇萈PM調(diào)制占用的信道帶寬少。這樣利用DPPM調(diào)制技術(shù)傳輸信號(hào)就在一定程度上節(jié)省了帶寬[3]。信源比特和傳送信號(hào)之間的映射關(guān)系如下表所示：

表1 信源比特和傳送符號(hào)間的映射Tab.1 Mapping between source bits and transmit symbols

通過(guò)表格看出，PPM調(diào)制解調(diào)技術(shù)每一幀數(shù)據(jù)中的信息段必須包含4個(gè)時(shí)隙，而DPPM調(diào)制后信息每幀數(shù)據(jù)信息段就小于或者等于4個(gè)時(shí)隙，DPPM調(diào)制技術(shù)傳輸信號(hào)就在一定程度上節(jié)省了帶寬，差分脈沖位置調(diào)制（DPPM）示意圖如圖2所示。

圖2 差分脈沖位置調(diào)制示意圖Fig.2 Sketch map of DPPM

2 DPPM調(diào)制器設(shè)計(jì)方案

DPPM調(diào)制器主要是將輸入的信源信號(hào)由串行比特序列轉(zhuǎn)變?yōu)闀r(shí)隙脈沖序列，具體包括信號(hào)的串并轉(zhuǎn)換、脈沖位置的計(jì)算以及通過(guò)緩存器與控制模塊產(chǎn)生DPPM脈沖。下圖所示為DPPM調(diào)制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的硬件框圖[4]。

圖3 調(diào)制器硬件框圖Fig.3 Flow chart of modulator hardware

DPPM調(diào)制模塊設(shè)計(jì)的核心部分為RAM存儲(chǔ)器和計(jì)數(shù)器模塊。RAM存儲(chǔ)器模塊主要是存儲(chǔ)串并轉(zhuǎn)換模塊形成的并行信號(hào)，這其中有兩個(gè)地址信號(hào)，寫(xiě)地址指信號(hào)（指示下一個(gè)數(shù)據(jù)要寫(xiě)的地址）和讀地址信號(hào) （下一個(gè)被讀數(shù)據(jù)的地址）。當(dāng)數(shù)據(jù)寫(xiě)到一定數(shù)量時(shí)，產(chǎn)生使能信號(hào)（En_Read），此時(shí)開(kāi)始讀RAM暫存器中的數(shù)據(jù)。

下面討論一下關(guān)于RAM暫存器滿(mǎn)的一些操作，當(dāng)寫(xiě)地址信號(hào)大于等于RAM暫存器的容量時(shí)，寫(xiě)地址信號(hào)將清零，將執(zhí)行復(fù)位操作；當(dāng)暫存器未滿(mǎn)的時(shí)候，寫(xiě)地址信號(hào)將執(zhí)行加1操作，指向下一個(gè)數(shù)據(jù)的地址；在寫(xiě)verilog代碼的時(shí)候，最重要的控制邏輯是當(dāng)讀寫(xiě)地址信號(hào)重合 （讀地址=寫(xiě)地址并且 讀地址大于0）的時(shí)候該如何進(jìn)行操作。在這里我們將讀寫(xiě)地址執(zhí)行復(fù)位操作 （讀寫(xiě)地址歸零），并將讀使能信號(hào)（enread）清零，接下來(lái)只能對(duì)對(duì)RAM暫存器執(zhí)行寫(xiě)操作，這樣就避免了讀出一些以前存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)（錯(cuò)誤數(shù)據(jù)），造成傳送錯(cuò)誤信息。當(dāng)然讀地址累加到設(shè)定的值會(huì)自動(dòng)從開(kāi)始累加，值得注意的是讀寫(xiě)地址執(zhí)行復(fù)位操作的優(yōu)先級(jí)要高于上面的操作，以此避免讀到錯(cuò)誤數(shù)據(jù)（以前存儲(chǔ)或者存儲(chǔ)器空）。

經(jīng)DPPM調(diào)制后的，SignalTap在線采樣圖如圖4所示。

Pulse代表調(diào)制后的發(fā)射脈沖。

DPPM_Data代表輸入經(jīng)串并變換后的信號(hào)。

圖4 調(diào)制器波形圖Fig.4 Signal waveform graph of modulator

3 DPPM解調(diào)器設(shè)計(jì)方案

DPPM解調(diào)器主要從信道中解析出來(lái)幀同步信號(hào)、檢測(cè)脈沖位置，并且根據(jù)脈沖位置和控制信號(hào)，結(jié)合串轉(zhuǎn)換操作，輸出串行二進(jìn)制信息[5]。下圖為DPPM解調(diào)器模塊框圖。

圖5 解調(diào)器硬件框圖Fig.5 Flow chart of demodulator hardware

在調(diào)試調(diào)制模塊的編碼程序中我們看到，每一段發(fā)射脈沖后面都會(huì)緊接著一段時(shí)間的低電平，而這段低電平的持續(xù)時(shí)間是固定的，接下來(lái)是信息段。當(dāng)然信息段是不固定的，根據(jù)脈沖位置的變化而變化。低電平的持續(xù)時(shí)間是每次寫(xiě)暫存器RAM的半滿(mǎn)時(shí)間。在信息傳輸過(guò)程中每一個(gè)信息幀都有同步頭。在這里為了使解調(diào)模塊盡可能的簡(jiǎn)單，沒(méi)有特意的給每一幀發(fā)射信號(hào)插入同步頭。而是將這段低電平的持續(xù)時(shí)間作為幀同步頭[6]，這樣解調(diào)起來(lái)相對(duì)方便快捷一些。

下面是DPPM解調(diào)器模塊在線調(diào)試的采樣波形，如圖6所示。

圖6 解調(diào)器波形圖Fig.6 Signal waveform graph of demodulator

4 結(jié) 論

本文對(duì)大氣激光通信中的DPPM調(diào)制解調(diào)進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析，DPPM調(diào)制解調(diào)方式是PPM調(diào)制解調(diào)技術(shù)的一種改進(jìn)，它不像PPM那樣浪費(fèi)時(shí)間直到一個(gè)確定的幀周期結(jié)束，在帶寬利用率方面要明顯高于PPM。根據(jù)調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的需要，建立了DPPM調(diào)制解調(diào)的系統(tǒng)模型，設(shè)計(jì)了DPPM調(diào)制解調(diào)數(shù)字化系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，設(shè)計(jì)DPPM的特殊的幀結(jié)構(gòu)（表面上看沒(méi)有幀同步頭），并且從系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的角度來(lái)看，由于DPPM這種特殊的幀結(jié)構(gòu)決定在它在接收端解調(diào)時(shí)不需要提取幀同步信號(hào)，這將大大簡(jiǎn)化接收端的設(shè)計(jì)，更易于實(shí)現(xiàn)。

使用FPGA自帶數(shù)字鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)隙時(shí)鐘信號(hào)的提取。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了DPPM調(diào)制器、DPPM解調(diào)器，并且進(jìn)行了深入分析、設(shè)計(jì)和在線調(diào)試[7]。調(diào)試結(jié)果表明DPPM調(diào)制技術(shù)在節(jié)約帶寬方面較PPM有較大的提高。將其應(yīng)用在大氣激光通信系統(tǒng)中，肯定會(huì)提升系統(tǒng)整體的性能。

綜上所述，DPPM更適合未來(lái)的激光通信系統(tǒng)。對(duì)以后DPPM調(diào)制解調(diào)技術(shù)的實(shí)用化具有一定的參考價(jià)值。

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