基于FPGA的水下聲脈沖通信PPM系統(tǒng)設(shè)計(jì)＊

李 亮 王永斌 周思同

（1.海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033）（2.91404部隊(duì) 秦皇島 066000）

1 引言

在水下通信領(lǐng)域，由于物理場的限制，以聲波作為載體的水聲通信方案是解決水下遠(yuǎn)距離信息傳輸?shù)奈ㄒ环椒ǎ?］。普通換能器聲源要達(dá)到遠(yuǎn)距離通信，體積非常龐大，不利于水下通信的機(jī)動性。脈沖聲源具有瞬間發(fā)射功率大、發(fā)射脈沖窄、峰值能量大、頻帶范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，可大大提高系統(tǒng)接收信噪比性能，從而實(shí)現(xiàn)100km以上的超遠(yuǎn)程水下通信。脈沖聲源的聲信號具有幅度、頻率和相位無法準(zhǔn)確實(shí)時(shí)調(diào)制的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相等調(diào)制方式都不適用于信號的通信調(diào)制。目前的研究認(rèn)為可采用脈沖位置調(diào)制（Pulse Position Modulation，PPM）來提高聲源的信息攜帶能力。脈沖位置調(diào)制（PPM）是一種正交調(diào)制方式，它具有更高功率利用率和頻帶利用率。本文根據(jù)水下通信系統(tǒng)的要求及PPM的基本原理，對脈沖聲源PPM調(diào)制進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并用VHDL語言在QuartusⅡ軟件上完成了仿真。

2 PPM系統(tǒng)模型

根據(jù)脈沖形式，脈沖位置調(diào)制主要有三種調(diào)制形式：單脈沖位置調(diào)制（L－PPM）、多脈沖位置調(diào)制（M－PPM）、差 分 脈 沖 位 置 調(diào) 制 （L－DPPM）［7］。選擇單脈沖位置調(diào)制作為系統(tǒng)PPM的實(shí)現(xiàn)形式。L－PPM是將一個(gè)n位的二進(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)隙的單個(gè)脈沖信號。則一個(gè)m位調(diào)制信號傳輸?shù)男畔⒈忍貫閘og2m。

PPM系統(tǒng)模型如圖1所示，系統(tǒng)主要由調(diào)制系統(tǒng)和解調(diào)系統(tǒng)兩部分組成。在調(diào)制系統(tǒng)中，采用查找ROM表的方法生成窄脈沖信號；在解調(diào)系統(tǒng)中，主要由整形電路、脈沖位置檢測和譯碼電路組成［2］。

圖1 PPM系統(tǒng)模型

設(shè)計(jì)一個(gè)4－PPM調(diào)制的系統(tǒng)，設(shè)數(shù)據(jù)為M，時(shí)隙位置為l，若M＝（00），則l＝0；若M＝（01），則l＝1；若M＝（10），則l＝2；若M＝（11），則l＝3。分別對應(yīng)的時(shí)隙位置如圖2所示［7］。

圖2 4－PPM脈沖位置

3 PPM調(diào)制

PPM調(diào)制過程本質(zhì)上就是一個(gè)計(jì)數(shù)過程［3］。當(dāng)輸入一組數(shù)據(jù)時(shí)，程序計(jì)算數(shù)據(jù)中的數(shù)值，在相對應(yīng)的時(shí)隙位置輸出一個(gè)高脈沖，其他位置保持不變，從而保證了輸出脈沖與輸入數(shù)據(jù)相對應(yīng)。

PPM調(diào)制是基于VHDL語言在FPGA上實(shí)現(xiàn)的。在FPGA中可通過ROM創(chuàng)建各種查找表，從而簡化電路設(shè)計(jì)，提高電路的處理速度和穩(wěn)定度。ROM是一個(gè)地址對應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用4－PPM調(diào)制，將一幀數(shù)據(jù)周期分成20等份，每份記為x。我們可以把高電平位置編碼為“1”，低電平位置編碼為“0”，通過數(shù)字來表示脈沖的位置關(guān)系。如圖3所示。

圖3 01數(shù)據(jù)脈沖位置編碼

通過脈沖位置數(shù)字編碼可設(shè)計(jì)一個(gè)ROM查找表［4，8］，表中含有20位數(shù)據(jù)，每一位數(shù)據(jù)對應(yīng)一個(gè)x。當(dāng)輸入數(shù)據(jù)時(shí)，對應(yīng)的時(shí)隙位置會輸出一個(gè)高脈沖，則在ROM查找表中對應(yīng)的數(shù)據(jù)為“1”，其他位數(shù)據(jù)為“0”。創(chuàng)建四個(gè)代表不同脈沖位置的ROM（如表1所示）。

表1 查找表數(shù)據(jù)

當(dāng)給定時(shí)鐘信號上升沿來臨并且時(shí)鐘為“1”時(shí)，輸出ROM查找表中第a位地址的數(shù)據(jù)。由于ROM查找表中的數(shù)據(jù)與地址一一對，當(dāng)下一個(gè)時(shí)鐘上升沿來臨時(shí)，查找表地址加1，相應(yīng)的輸出保存在第a＋1位地址的一位數(shù)據(jù)。當(dāng)時(shí)鐘輸入設(shè)定與幀周期對應(yīng)是，正好能輸出完整的查找表中數(shù)據(jù)，即輸出完整的調(diào)制信號。當(dāng)輸入數(shù)據(jù)不同時(shí)，經(jīng)過比較判決，如果輸入“00”，則輸出ROM0中數(shù)據(jù)信息；當(dāng)輸入“01”，則輸出ROM1中數(shù)據(jù)信息；輸入“10”，則輸出 ROM2中數(shù)據(jù)信息；輸入“11”，則輸出ROM3中數(shù)據(jù)信息，對應(yīng)相應(yīng)的時(shí)隙脈沖位置調(diào)制。具體實(shí)現(xiàn)如圖4所示。

4 PPM解調(diào)

PPM的解調(diào)過程既是調(diào)制的逆過程，也是計(jì)數(shù)過程。輸入的數(shù)據(jù)都是由“0”或“1”組成，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)為連續(xù)“1”或連續(xù)為“0”時(shí)，輸出的PPM調(diào)制信號的間隔為4個(gè)時(shí)鐘周期，；當(dāng)輸入由“0”變?yōu)椤?”時(shí)，PPM調(diào)制信號的間隔即為五個(gè)時(shí)鐘周期；當(dāng)輸入數(shù)據(jù)有“1”變?yōu)椤?”時(shí)，PPM調(diào)制信號的間隔變?yōu)?個(gè)時(shí)鐘周期。根據(jù)上述特點(diǎn)我們可以根據(jù)PPM信號的間距來判斷數(shù)據(jù)信息的變化，并根據(jù)這一特點(diǎn)完成對調(diào)制信號的解調(diào)。具體實(shí)現(xiàn)如圖5所示。

圖4 ROM實(shí)現(xiàn)原理圖

圖5 PPM解調(diào)實(shí)現(xiàn)原理圖

在解調(diào)中，整形電路對接收的PPM信號進(jìn)行整形。脈沖位置檢測電路分為最長脈沖位置檢測和最短脈沖位置檢測兩種。最長脈沖位置檢測電路主要功能是當(dāng)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值為五時(shí)，即數(shù)據(jù)信號從“0”變?yōu)椤?”，PPM 間隔為五個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)，把信號的位置檢測出來。最短脈沖位置檢測電路主要是將原PPM脈沖序列延遲兩個(gè)時(shí)鐘周期，數(shù)據(jù)由“1”變?yōu)椤?”的PPM間隔為1個(gè)時(shí)鐘周期，這樣延遲后的序列與PPM信號間隔1個(gè)周期的第二個(gè)脈沖對齊，其它脈沖錯(cuò)位，這樣就能將最短脈沖信號即間隔為一個(gè)時(shí)鐘周期的PPM信號的位置檢測出來。由于檢測出來的只是數(shù)據(jù)的變化情況，最后將最短脈沖位置與最長脈沖位置相加，經(jīng)過譯碼電路后就可得到原始的輸入數(shù)據(jù)。

5 仿真分析

QuartusⅡ是Altera公司推出的新一代開發(fā)軟件，支持原理圖、VHDL等多種設(shè)計(jì)輸入形式［5，10］，整個(gè)系統(tǒng)在 QuartusⅡ9.0平臺上進(jìn)行仿真。

圖6為用ROM進(jìn)行PPM調(diào)制的時(shí)序仿真圖。CLK為時(shí)鐘信號，時(shí)鐘信號周期設(shè)定為0.5 ms，對應(yīng)查找表中的一位數(shù)據(jù)信息。仿真時(shí)間設(shè)定為10ms，與幀周期相同，方便觀察PPM調(diào)制的時(shí)隙位置。datain為數(shù)據(jù)輸入，output為數(shù)據(jù)輸出。以輸入數(shù)據(jù)“01”為例?？梢钥吹?，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，高電平脈沖由連續(xù)的五個(gè)“1”表示，并且五個(gè)“1”出現(xiàn)在幀周期中第二個(gè)時(shí)隙位置。

圖6 ROM時(shí)序仿真圖

圖7 PPM系統(tǒng)仿真圖

PPM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的時(shí)序仿真如圖7所示。在圖中可以看到，輸入數(shù)據(jù)DATA＿IN與輸出數(shù)據(jù)DATAOUT完全相同，只是存在一定時(shí)延。造成時(shí)延的一方面由于硬件的原因；另一方面，在PPM調(diào)制時(shí)，需要在串并轉(zhuǎn)換完成后在讀取ROM表，輸出PPM信號，而解調(diào)是在輸出PPM后進(jìn)行的，所以存在時(shí)延，但是在現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中是不存在的［6］?！癲elay”信號就是最短脈沖位置檢測的延時(shí)信號，可以看到它的脈沖只與PPM信號的第二個(gè)短脈沖位置對齊。“Long”信號為最長脈沖位置檢測，可以看到當(dāng)數(shù)據(jù)由“0”變“1”時(shí)，有脈沖產(chǎn)生；“Short”信號為最短脈沖位置檢測，當(dāng)數(shù)據(jù)由“1”變“0”時(shí)，有脈沖產(chǎn)生。“Add”信號為“Long”和“Short”的相加信號。通過仿真分析，調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是正確的。

6 結(jié)語

PPM調(diào)制解調(diào)設(shè)計(jì)在QuartusⅡ平臺上進(jìn)行了時(shí)序仿真，從仿真的結(jié)果中可以看出整個(gè)設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期的效果，能夠高效穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)脈沖位置調(diào)制解調(diào)。但是這對于水下聲脈沖通信的實(shí)現(xiàn)還只是開始，水聲信道復(fù)雜多變，存在嚴(yán)重的多途效應(yīng)和噪聲干擾［1］，PPM 解調(diào)同步［9］問題十分關(guān)鍵，所以今后還要在同步技術(shù)和抗干擾方面加以研究。

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