基于FPGA的紫外光DPIM調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬 寧，李曉毅，楊 剛，陳 謀

（重慶通信學(xué)院，重慶400035）

引言

作為一種近距離的隱蔽通信模式，紫外光通信具有靈活便攜、保密可靠等顯著優(yōu)勢(shì)，能彌補(bǔ)常規(guī)通信手段的不足，有著重要的民用價(jià)值和國(guó)防意義［1］。美國(guó)代表著該領(lǐng)域的最高研究水平，據(jù)說(shuō)早在阿富汗戰(zhàn)場(chǎng)就已經(jīng)投入使用，并取得了不錯(cuò)的效果［2－3］；與之相比我國(guó)對(duì)紫外光通信的研究較晚，距離這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)用化仍存在一定的差距，加緊對(duì)其中關(guān)鍵技術(shù)的研究和相關(guān)器件的研制已經(jīng)刻不容緩。調(diào)制技術(shù)是紫外光通信中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，直接決定著通信的質(zhì)量。DPIM是一種極具潛力的調(diào)制方式，和當(dāng)前無(wú)線光通信中主要采用的PPM相比，具有更高的帶寬效率和傳輸容量，并且解調(diào)不需要嚴(yán)格的符號(hào)同步，大大降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，優(yōu)勢(shì)更加明顯［4］。所以對(duì)紫外光通信中DPIM應(yīng)用的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

在研究DPIM調(diào)制原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了DPIM的調(diào)制和解調(diào)系統(tǒng)，利用Verilog HDL語(yǔ)言在ISE平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的功能仿真，并結(jié)合DPIM的改進(jìn)方式，提出了一種新的脈沖間隔調(diào)制思想。

1 DPIM調(diào)制原理

1998年Z.Ghassemlooy以室內(nèi)無(wú)線光通信為應(yīng)用背景，提出了DPIM調(diào)制方式［5］。DPIM是利用相鄰脈沖之間的時(shí)隙數(shù)來(lái)傳遞信息的，每個(gè)調(diào)制符號(hào)包含不固定的時(shí)隙數(shù)，通常所說(shuō)的DPIM帶有一個(gè)保護(hù)時(shí)隙，能有效減少碼間串?dāng)_帶來(lái)的影響。DPIM的編碼結(jié)構(gòu)如圖1所示，設(shè)k代表符號(hào)所表示的十進(jìn)制數(shù)，則調(diào)制符號(hào)的時(shí)隙數(shù)為k＋2個(gè)，脈沖位于每個(gè)符號(hào)的起始時(shí)隙，后加一個(gè)保護(hù)時(shí)隙，再加表示信息的k個(gè)空時(shí)隙。接收端解調(diào)時(shí)，只需數(shù)脈沖時(shí)隙后的空時(shí)隙個(gè)數(shù)，再做減1處理就可以完成解調(diào)，解調(diào)過(guò)程只需時(shí)鐘同步，而不需要復(fù)雜的符號(hào)同步，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度［6］。

圖1 DPIM的編碼結(jié)構(gòu)（調(diào)制階數(shù)M＝4）Fig.1 Symbol structure of DPIM（M＝4）

2 DPIM調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

DPIM調(diào)制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)際上是一個(gè)計(jì)數(shù)和比較輸出的過(guò)程。利用時(shí)隙信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，控制光脈沖的輸出，并與并行輸出的調(diào)制數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，在滿足條件的時(shí)隙輸出低電平，即不產(chǎn)生光脈沖，以16-DPIM為例，設(shè)計(jì)的流程圖如圖2所示。

16-DPIM調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本思路是：為了與計(jì)數(shù)器輸出的值進(jìn)行比較，首先需要對(duì)原始串行輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)化處理，對(duì)于16-DPIM，一幀時(shí)間內(nèi)包含16個(gè)時(shí)隙，每4位數(shù)據(jù)進(jìn)行一次串并轉(zhuǎn)化，所以控制串并轉(zhuǎn)化的時(shí)鐘信號(hào)應(yīng)該為時(shí)隙時(shí)鐘信號(hào)的四分頻。將并行數(shù)據(jù)輸入鎖存器，并由鎖存器控制其輸出，目的是使并行輸出的數(shù)據(jù)能夠維持一幀的時(shí)間和計(jì)數(shù)器的輸出進(jìn)行比較。當(dāng)時(shí)隙信號(hào)計(jì)數(shù)器為0時(shí)，就在每一幀的起始時(shí)刻輸出高電平“1”，然后比較器將對(duì)鎖存器輸出值和時(shí)隙信號(hào)的計(jì)數(shù)值進(jìn)行比較，當(dāng)滿足鎖存值大于等于計(jì)數(shù)值的條件時(shí)，輸出低電平“0”，否則就循環(huán)比較，這樣便產(chǎn)生了16-DPIM調(diào)制信號(hào)。

圖2 16-DPIM調(diào)制系統(tǒng)流程圖Fig.2 Flow chart of 16-DPIM modulation process

3 DPIM解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

DPIM的解調(diào)實(shí)際上是對(duì)調(diào)制信號(hào)中相鄰2個(gè)光脈沖之間的空時(shí)隙進(jìn)行計(jì)數(shù)，再對(duì)計(jì)數(shù)結(jié)果進(jìn)行處理和并串轉(zhuǎn)化來(lái)恢復(fù)原始數(shù)據(jù)的過(guò)程。仍以16-DPIM為例，其解調(diào)設(shè)計(jì)的流程如圖3所示。

圖3 16-DPIM解調(diào)系統(tǒng)流程圖Fig.3 Flow chart of 16-DPIM demodulation process

16-DPIM解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本思路是：當(dāng)檢測(cè)到光脈沖上升沿來(lái)臨時(shí)，輸出計(jì)數(shù)值減1到鎖存器，減1是因?yàn)橄噜徆饷}沖之間包含了一個(gè)保護(hù)時(shí)隙，這個(gè)保護(hù)時(shí)隙是不表示數(shù)據(jù)的；當(dāng)光脈沖的下降沿到來(lái)時(shí)，對(duì)計(jì)數(shù)器清零，重新開(kāi)始計(jì)數(shù)，直到檢測(cè)到下一個(gè)光脈沖來(lái)臨，再重復(fù)進(jìn)行上面的鎖存和清零步驟。鎖存器在4進(jìn)制計(jì)數(shù)器的控制下，將鎖存值維持一幀的時(shí)間，利用這一幀的時(shí)間進(jìn)行并串恢復(fù)得到原始信號(hào)，由調(diào)制系統(tǒng)中各時(shí)鐘信號(hào)之間的關(guān)系可知，控制并串轉(zhuǎn)化的時(shí)鐘信號(hào)仍是時(shí)隙信號(hào)通過(guò)四分頻得到的［7］。

為保證正確解調(diào)，在解調(diào)端首先要進(jìn)行時(shí)鐘恢復(fù)，對(duì)于DPIM信號(hào)的解調(diào)而言，只需恢復(fù)位同步即可。位同步的實(shí)現(xiàn)方法有插入導(dǎo)頻法和直接法，插入導(dǎo)頻是在發(fā)送有用信號(hào)的同時(shí)，在適當(dāng)頻率插入定時(shí)導(dǎo)頻；直接法則無(wú)需導(dǎo)頻信號(hào)，而是直接從接收信號(hào)中提取位同步信息［8］。DPIM信號(hào)中包含有時(shí)鐘信息，宜采用直接法。數(shù)字鎖相環(huán)是常用的一種直接法，其基本原理如圖4所示：通過(guò)鑒相器對(duì)接收碼元和本地時(shí)鐘產(chǎn)生的位同步信號(hào)的相位進(jìn)行比較，不一致時(shí)產(chǎn)生誤差信號(hào)，并利用控制器調(diào)整位同步信號(hào)的相位，直到相一致［9］。

圖4 16-DPIM位同步時(shí)鐘提取原理框圖Fig.4 Principle block diagram of 16-DPIM bit synchronization

4 系統(tǒng)仿真

ISE開(kāi)發(fā)壞境是Xilinx公司提供的集成化FPGA開(kāi)發(fā)軟件，具有界面友好、操作簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)性能優(yōu)異等特點(diǎn)。ModelSim仿真工具仿真精度高、速度快，是最通用的仿真器之一。本文將在ISE14.3開(kāi)發(fā)環(huán)境下利用 ModelSim10.1進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

16-DPIM調(diào)制系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖5所示。串行輸入數(shù)據(jù)data＿in在四分頻時(shí)鐘clk＿out的控制下，經(jīng)過(guò)串并變化得到并行輸出數(shù)據(jù)parr＿out，parr＿out與16進(jìn)制計(jì)數(shù)器count2經(jīng)過(guò)比較器輸出DPIM 調(diào)制信號(hào)dpim＿out，4進(jìn)制計(jì)數(shù)器count1和緩存buffer用于控制并行數(shù)據(jù)的輸出使之持續(xù)一幀的時(shí)間。

圖5 16-DPIM調(diào)制系統(tǒng)仿真圖Fig.5 Diagram of 16-DPIM modulation system simulation

通過(guò)觀察，發(fā)現(xiàn)data＿in與dipm＿out的第2個(gè)高脈沖開(kāi)始一一對(duì)應(yīng)，之前出現(xiàn)了一個(gè)無(wú)關(guān)高脈沖，這樣的無(wú)關(guān)高脈沖會(huì)對(duì)后面的解調(diào)造成影響。產(chǎn)生無(wú)關(guān)高脈沖的原因是串并轉(zhuǎn)化和比較器之間不同步，即在4位串并轉(zhuǎn)化完成之前，比較器已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行比較了，當(dāng)計(jì)數(shù)值為0時(shí)就出現(xiàn)了無(wú)關(guān)高脈沖?？梢酝ㄟ^(guò)增加控制信號(hào)來(lái)控制比較器開(kāi)始工作的時(shí)間，即當(dāng)?shù)谝淮?位串并轉(zhuǎn)換完成后，比較器便開(kāi)始工作，經(jīng)過(guò)調(diào)整的程序仿真結(jié)果如圖6所示。圖中en為控制比較器工作的控制信號(hào)，使串并轉(zhuǎn)化和比較器同步進(jìn)行，通過(guò)觀察，仿真得到正確的16-DPIM調(diào)制信號(hào)，同時(shí)也去除了無(wú)關(guān)高脈沖，證明了調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。

圖7為16-DPIM解調(diào)系統(tǒng)的仿真結(jié)果。通過(guò)觀察，系統(tǒng)給定的調(diào)制信號(hào)dpim＿in經(jīng)過(guò)解調(diào)系統(tǒng)得到了正確解調(diào)輸出。為了進(jìn)一步對(duì)整個(gè)調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，將通過(guò)調(diào)制系統(tǒng)得到的16－DPIM調(diào)制信號(hào)，作為解調(diào)系統(tǒng)的輸入，得到圖8所示的聯(lián)合仿真結(jié)果。

由系統(tǒng)的總體仿真結(jié)果圖可以看出，串行輸入數(shù)據(jù)ser＿in經(jīng)過(guò)調(diào)制和解調(diào)系統(tǒng)，得到了正確的輸出ser＿out，但產(chǎn)生了一定的延時(shí)，這是系統(tǒng)各模塊延時(shí)的疊加。為進(jìn)一步確保解調(diào)正確，可在系統(tǒng)后再加入一個(gè)控制電路，其作用是使輸出數(shù)據(jù)在輸出正確數(shù)據(jù)之前恒為“0”，這樣就避免了無(wú)關(guān)輸出數(shù)據(jù)的影響。以上我們以16-DPIM為例對(duì)所設(shè)計(jì)的DPIM調(diào)制和解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明了設(shè)計(jì)的正確性。

圖6 改進(jìn)后的16-DPIM調(diào)制系統(tǒng)仿真圖Fig.6 Diagram of 16-DPIM modulation system simulation after improved

圖7 16-DPIM解調(diào)系統(tǒng)仿真圖Fig.7 Diagram of 16-DPIM demodulation system simulation

圖8 16-DPIM調(diào)制解調(diào)聯(lián)合仿真Fig.8 Combined simulation of 16-DPIM modulation and demodulation

5 DPIM的改進(jìn)研究

雖然DPIM調(diào)制特點(diǎn)顯著，在無(wú)線光通信的應(yīng)用中具有一定優(yōu)勢(shì)，但編碼特征決定了其調(diào)制符號(hào)長(zhǎng)度不固定，這樣當(dāng)調(diào)制系統(tǒng)的輸入速率大于調(diào)制速率時(shí)，調(diào)制系統(tǒng)緩存就會(huì)出現(xiàn)一定概率的溢出，反之如果輸入速率小于調(diào)制速率，調(diào)制系統(tǒng)就會(huì)等待，產(chǎn)生無(wú)關(guān)空時(shí)隙，對(duì)解調(diào)結(jié)果產(chǎn)生影響［10］。為了改善DPIM的這種不足，并進(jìn)一步提高DPIM的性能，研究者們提出了一些改進(jìn)型的調(diào)制方式，包括定長(zhǎng)數(shù)字脈沖間隔調(diào)制（FDPIM）、雙幅度脈沖間隔調(diào)制（DAPIM）以及定長(zhǎng)雙幅度脈沖間隔調(diào)制（FDAPIM）等。

FDPIM是將一個(gè)M位的二進(jìn)制數(shù)組映射為由2M＋4個(gè)時(shí)隙組成的時(shí)間段上的雙脈沖信號(hào)［11］。設(shè)k為M 位二進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)，F(xiàn)DPIM信號(hào)每個(gè)符號(hào)以單時(shí)隙脈沖起始，之后為一個(gè)保護(hù)時(shí)隙，防止出現(xiàn)連續(xù)脈沖，再跟k個(gè)空時(shí)隙代表信息，再跟一個(gè)雙時(shí)隙的標(biāo)識(shí)脈沖，再跟一個(gè)保護(hù)時(shí)隙防止出現(xiàn)連續(xù)3個(gè)“1”，最后以（2M－k－1）個(gè)空時(shí)隙補(bǔ)足，標(biāo)識(shí)脈沖后的空時(shí)隙并不代表信息。和DPIM相比，F(xiàn)DPIM的符號(hào)長(zhǎng)度固定為2M＋4個(gè)，解調(diào)時(shí)同樣不需要符號(hào)同步。

DAPIM有2種起始脈沖，幅度分別為1和β（0＜β＜1），一個(gè)M 位的二進(jìn)制數(shù)組可以用2M種符號(hào)表示［12］。對(duì)第k（0≤k＜2M）種符號(hào)，首先以脈沖時(shí)隙開(kāi)始，當(dāng)k＜2M－1，起始脈沖幅度為1，當(dāng)k≥2M－1時(shí)脈沖幅度為β，起始時(shí)隙后跟一個(gè)保護(hù)時(shí)隙，再跟mk個(gè)空時(shí)隙表示信息，mk可由（1）式確定：

和DPIM相比，DAPIM減小了平均符號(hào)長(zhǎng)度，進(jìn)一步提高了帶寬效率。

FDAPIM在FDPIM的基礎(chǔ)上做了進(jìn)一步改進(jìn)［13］，將M 位FDPIM符號(hào)中的雙時(shí)隙標(biāo)識(shí)脈沖用幅度為β的單脈沖代替即為對(duì)應(yīng)的FDAPIM符號(hào)。FDAPIM每個(gè)符號(hào)包括2M＋3個(gè)時(shí)隙，相對(duì)于FDPIM進(jìn)一步提高了帶寬效率。FDPIM、DAPIM、FDAPIM的符號(hào)波形如圖9所示。

以上幾種改進(jìn)型的DPIM調(diào)制方式中，DAPIM只是進(jìn)一步縮短了符號(hào)長(zhǎng)度，而沒(méi)有解決調(diào)制信號(hào)符號(hào)長(zhǎng)度不固定的問(wèn)題；FDPIM和FDAPIM調(diào)制信號(hào)的符號(hào)長(zhǎng)度固定不變，但其帶寬效率卻降低了?？傊?，這3種調(diào)制方式雖然對(duì)DPIM進(jìn)行了一些改進(jìn)，但卻存在著明顯的不足或者性能方面的劣勢(shì)。如果能在改進(jìn)DPIM不足的同時(shí)，又不對(duì)性能產(chǎn)生較大的影響，這樣的調(diào)制方式將更具優(yōu)勢(shì)。

圖9 OOK、PPM、DPIM、FDPIM、DAPIM、FDAPIM及新調(diào)制思想的編碼結(jié)構(gòu)Fig.9 Symbol structures of OOK、PPM、DPIM、FDPIM、DAPIM、FDAPIM and new modulation

通過(guò)對(duì)DAPIM和FDPIM進(jìn)行研究，將這2種調(diào)制方式的編碼特征相結(jié)合，我們提出了一種新型雙幅度定長(zhǎng)脈沖間隔調(diào)制的思想。如圖9所示，這種調(diào)制方式是將一個(gè)M位的二進(jìn)制數(shù)組映射為由2M－1＋4個(gè)時(shí)隙組成的時(shí)間段上的雙幅度脈沖信號(hào)。為方便說(shuō)明，可將每段編碼符號(hào)分為信息符號(hào)段和補(bǔ)充符號(hào)段，信息符號(hào)表示信息，這段符號(hào)采用和DAPIM同樣的編碼方式，即采用2種幅度分別為1和β（0＜β＜1）的單時(shí)隙起始脈沖，k＜2M－1時(shí)起始脈沖幅度為1，k≥2M－1時(shí)幅度為β，其后先跟一個(gè)保護(hù)時(shí)隙，再跟mk個(gè)空時(shí)隙表示信息，mk同樣由（1）式確定；補(bǔ)充符號(hào)不代表信息，采用FDPIM的編碼方式，即一個(gè)雙時(shí)隙的標(biāo)識(shí)脈沖，后加一個(gè)保護(hù)時(shí)隙，再跟（2M－mk－1）個(gè)空時(shí)隙，就完成了調(diào)制編碼的過(guò)程。解調(diào)時(shí)，當(dāng)判斷單時(shí)隙脈沖到來(lái)時(shí)，開(kāi)始對(duì)其后的空時(shí)隙計(jì)數(shù)，直到雙時(shí)隙標(biāo)識(shí)脈沖到來(lái)，輸出計(jì)數(shù)值，再減1就實(shí)現(xiàn)了解調(diào)，這一過(guò)程并不需要符號(hào)同步。

以上分析了這種新型雙幅度定長(zhǎng)脈沖間隔調(diào)制思想的編碼規(guī)則，相比FDPIM和FDAPIM，減小了符號(hào)數(shù)，提高了帶寬效率；而與DPIM 和DAPIM相比，符號(hào)長(zhǎng)度固定，是一種折中的調(diào)制方式，具有進(jìn)一步推廣意義。

6 結(jié)論

利用Verilog HDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)了基于FPGA的DPIM調(diào)制和解調(diào)系統(tǒng)，在ISE14.3環(huán)境下利用ModelSim軟件進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，得到了正確結(jié)果，并通過(guò)加入控制電路消除了調(diào)制和解調(diào)過(guò)程出現(xiàn)的無(wú)關(guān)脈沖，完善了設(shè)計(jì)。最后從DPIM的改進(jìn)和性能提高出發(fā)，介紹了幾種改進(jìn)型的DPIM調(diào)制，并提出了一種新的雙幅度定長(zhǎng)脈沖間隔調(diào)制思想，具有一定的優(yōu)勢(shì)，為紫外光通信的實(shí)用化提供了借鑒。但在功率效率和誤碼性能等重要性能方面并沒(méi)有對(duì)這種新調(diào)制方式進(jìn)行討論和對(duì)比，將作為后續(xù)工作的研究重點(diǎn)。

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