基于FPGA的激光通信通用PPM調(diào)制模塊設(shè)計(jì)

曹 勇， 王樹(shù)煒， 邵思杰

(1. 裝甲兵工程學(xué)院控制工程系， 北京 100072； 2. 裝甲兵工程學(xué)院兵器工程系， 北京 100072)

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基于FPGA的激光通信通用PPM調(diào)制模塊設(shè)計(jì)

曹 勇1， 王樹(shù)煒1， 邵思杰2

(1. 裝甲兵工程學(xué)院控制工程系， 北京 100072； 2. 裝甲兵工程學(xué)院兵器工程系， 北京 100072)

依據(jù)脈沖位置調(diào)制(Pulse Position Modulation, PPM)的基本原理，設(shè)計(jì)了基于可編程邏輯陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)的通用PPM調(diào)制模塊，給出了該模塊的實(shí)現(xiàn)方案及各組成部分，對(duì)基于FPGA設(shè)計(jì)的各模塊波形進(jìn)行了仿真，并通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)該模塊進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明：該模塊可實(shí)現(xiàn)PPM調(diào)制，且通用性強(qiáng)。

激光通信； FPGA； PPM； VHDL語(yǔ)言

激光通信以激光作為信息載波，信號(hào)方向性強(qiáng)，能量集中，沒(méi)有同頻干擾和臨近波段的串?dāng)_，具有簡(jiǎn)便性、寬帶性、保密性以及無(wú)需頻率審批等優(yōu)勢(shì)[1]。作為無(wú)線電通信的一個(gè)有效補(bǔ)充，激光通信最大的軍用優(yōu)勢(shì)在于可隨意移動(dòng)到任何地點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)溝通，在地面戰(zhàn)場(chǎng)上具有廣闊的應(yīng)用前景。在未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上，為了提高通信可靠性、實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)小型化，盡可能地降低通信鏈路所需要的功率是一個(gè)主要的技術(shù)難點(diǎn)[2]。不同的調(diào)制解調(diào)方式對(duì)激光通信系統(tǒng)的性能有很大的影響，常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)鍵控(On-Off Keying, OOK)調(diào)制方式最簡(jiǎn)單，但其誤碼率較高，功率利用率也較低[3]。脈沖位置調(diào)制(Pulse Position Modulation,PPM)是一種適合激光通信的調(diào)制方式，其能量傳輸效率高，抗干擾能力強(qiáng)，編碼電路簡(jiǎn)單。與OOK調(diào)制相比，PPM調(diào)制大大降低了對(duì)發(fā)射端激光平均功率的要求，可取得較好的平均功率效率[4-7]。但在激光通信中，PPM調(diào)制往往作為一個(gè)底層功能模塊集成在專用激光通信器件中，而專門(mén)用于PPM調(diào)制的通用芯片型號(hào)較少，應(yīng)用缺乏靈活性。為此，筆者從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，利用基于可編程邏輯陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)的高速并行特性，采用VHDL硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)了用于激光通信的通用PPM調(diào)制模塊，開(kāi)發(fā)專門(mén)用于PPM調(diào)制獨(dú)立功能的IP，以期將其底層物理功能從復(fù)雜通信系統(tǒng)中剝離。

1 激光通信的基本原理

圖1為基于PPM調(diào)制的激光通信基本原理。首先，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)通用PPM調(diào)制產(chǎn)生PPM信號(hào)；然后將PPM信號(hào)作為控制信號(hào)，以“1”“0”分別控制激光的強(qiáng)、弱，將激光信號(hào)發(fā)射到自由空間，實(shí)現(xiàn)激光通信的發(fā)送；遠(yuǎn)處的接收裝置接收到激光信號(hào)后，經(jīng)過(guò)光電檢測(cè)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，還原出PPM信號(hào)；最后利用PPM解調(diào)模塊，將PPM信號(hào)還原成數(shù)字信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)激光無(wú)線通信。

圖1 基于PPM調(diào)制的激光通信基本原理

2 通用PPM調(diào)制模塊設(shè)計(jì)

2.1 單脈沖位置調(diào)制(L-PPM)原理

L-PPM調(diào)制是將M位二進(jìn)制數(shù)據(jù)(也稱M為調(diào)制階數(shù))映射到一幀為2M個(gè)時(shí)隙中的其中一個(gè)時(shí)隙上，其他的時(shí)隙不發(fā)送脈沖信號(hào)，即將M位的二進(jìn)制數(shù)據(jù)用脈沖的時(shí)隙位置表示，在L個(gè)時(shí)隙中僅有一個(gè)脈沖，因此，一個(gè)L位的PPM調(diào)制信號(hào)傳送的數(shù)據(jù)比特為M=log2L[8]。以4-PPM調(diào)制為例，將00、01、10、11四種二位二進(jìn)制數(shù)據(jù)分別映射為1000、0100、0010、0001。4-PPM調(diào)制結(jié)構(gòu)如圖2所示，分別用不同的脈沖位置表示不同的信源。

圖2 4-PPM調(diào)制結(jié)構(gòu)

考慮到帶寬需求、帶寬利用率和平均發(fā)射功率等因素，不同條件下需要選擇的M值不同。通用PPM調(diào)制模塊包含多個(gè)M值可供選擇，筆者以16-PPM為例，介紹通用PPM調(diào)制模塊設(shè)計(jì)方法。

2.2 通用PPM調(diào)制方案

通用PPM調(diào)制模塊方案如圖3所示，主頻經(jīng)分頻器產(chǎn)生采樣時(shí)鐘、幀時(shí)鐘和時(shí)隙時(shí)鐘3種時(shí)鐘頻率；原始的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣、緩存、脈沖位置信息編碼、寄存及移位輸出，最終調(diào)制成PPM信號(hào)。

圖3 通用PPM調(diào)制模塊方案

2.2.1 分頻

主頻時(shí)鐘頻率為50 MHz，采樣時(shí)鐘、幀時(shí)鐘和時(shí)隙時(shí)鐘頻率分別為100、25、400 kHz。16-PPM每采集4個(gè)數(shù)據(jù)為一幀，一幀有16個(gè)時(shí)隙，幀時(shí)鐘與時(shí)隙時(shí)鐘需要相位同步。

2.2.2 采樣

采樣時(shí)鐘在上升沿到來(lái)時(shí)采集一個(gè)數(shù)據(jù)，同時(shí)將采樣時(shí)鐘的同步計(jì)數(shù)器加一，然后將采集到的數(shù)據(jù)放入緩存器中。一般來(lái)說(shuō)，在FPGA資源足夠的前提下，采樣頻率應(yīng)盡可能高，以使采樣后的信號(hào)頻譜周期延拓的間隔變大，使恢復(fù)原信號(hào)的濾波器的設(shè)計(jì)難度降低，同時(shí)也保證了還原后的信號(hào)波形更接近原始信號(hào)波形[9]。

2.2.3 脈沖位置信息編碼

當(dāng)采樣時(shí)鐘的同步計(jì)數(shù)器計(jì)滿4個(gè)數(shù)后，便將緩存的4位數(shù)據(jù)輸出并轉(zhuǎn)換為脈沖位置信息編碼，同時(shí)將同步計(jì)數(shù)器清零，脈沖位置信息編碼為16位并行數(shù)據(jù)，有且僅有一位為“1”，其余位均為“0”，“1”所在的位置就是PPM調(diào)制脈沖的輸出位置。

2.2.4 移位輸出

當(dāng)幀時(shí)鐘的上升沿到來(lái)時(shí)，將16位脈沖位置信息編碼存入移位寄存器中。當(dāng)時(shí)隙時(shí)鐘的上升沿到來(lái)時(shí)，移位寄存器就將數(shù)據(jù)右移一位，并將最低位數(shù)據(jù)輸出。當(dāng)寄存器完全輸出其中的16位數(shù)據(jù)時(shí)，幀時(shí)鐘上升沿到來(lái)，新的脈沖位置信息編碼存入移位寄存器中，完成一個(gè)周期，如此循環(huán)往復(fù)，便將原始數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為PPM信號(hào)，實(shí)現(xiàn)PPM調(diào)制。

2.3 通用PPM調(diào)制時(shí)序分析

圖4為PPM調(diào)制系統(tǒng)時(shí)序圖。首先用采樣時(shí)鐘的上升沿對(duì)原始數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采樣，并將采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存；經(jīng)過(guò)4個(gè)采樣周期后，將緩存的4個(gè)采樣數(shù)據(jù)輸出為4位并行數(shù)據(jù)信號(hào)；當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到緩存輸出的數(shù)據(jù)發(fā)生改變后，便將緩存數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為16位脈沖位置信息編碼；當(dāng)幀時(shí)鐘的上升沿到來(lái)時(shí)，將轉(zhuǎn)換的脈沖位置信息編碼存入寄存器；當(dāng)檢測(cè)到時(shí)隙時(shí)鐘的上升沿時(shí)，對(duì)寄存器中的脈沖位置信息編碼進(jìn)行移位，輸出最低位，如此便形成PPM信號(hào)。

圖4 PPM調(diào)制系統(tǒng)時(shí)序圖

2.4 FPGA設(shè)計(jì)與仿真

圖5為PPM調(diào)制FPGA的頂層模塊設(shè)計(jì)，主要包括分頻(fenpin)、采樣(chuanbing)、脈沖位置信息編碼(yima)和脈沖輸出(yiwei)等4個(gè)模塊。

圖5 PPM調(diào)制FPGA的頂層模塊設(shè)計(jì)

2.4.1 分頻模塊的設(shè)計(jì)

主頻經(jīng)過(guò)分頻產(chǎn)生的采樣時(shí)鐘、幀時(shí)鐘和時(shí)隙時(shí)鐘分別為clk_div500、clk_div2000和clk_div125，采用直接計(jì)數(shù)法產(chǎn)生。圖6為分頻模塊的仿真波形。

圖6 分頻模塊的仿真波形

2.4.2 采樣模塊的設(shè)計(jì)

采樣是一個(gè)串并轉(zhuǎn)換的過(guò)程，主要實(shí)現(xiàn)采樣時(shí)鐘的同步計(jì)數(shù)、信號(hào)采集、緩存與輸出。采樣模塊的仿真波形如圖7所示。

圖7 采樣模塊的仿真波形

2.4.3 脈沖位置信息編碼模塊的設(shè)計(jì)

脈沖位置信息編碼模塊實(shí)際是一個(gè)4∶16譯碼器，將采集到的4位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的16-PPM脈沖位置信息編碼，如：數(shù)據(jù)0000對(duì)應(yīng)的脈沖位置信息編碼為0000000000000001。脈沖位置信息編碼模塊的仿真波形如圖8所示。

圖8 脈沖位置信息編碼模塊的仿真波形

2.4.4 脈沖輸出模塊的設(shè)計(jì)

脈沖輸出模塊主體是一個(gè)移位寄存器，主要實(shí)現(xiàn)時(shí)隙時(shí)鐘的同步計(jì)數(shù)、脈沖位置信息編碼的寄存和移位輸出，并最終形成PPM調(diào)制信號(hào)。脈沖輸出模塊的仿真波形如圖9所示。

圖9 脈沖輸出模塊的仿真波形

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

圖10為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)接線圖，利用PC機(jī)的串口收發(fā)數(shù)據(jù)，通過(guò)PC機(jī)的TXD發(fā)送數(shù)字信號(hào)，PPM調(diào)制模塊接收到該信號(hào)后，調(diào)制產(chǎn)生PPM信號(hào)，再通過(guò)PPM解調(diào)模塊將PPM信號(hào)解調(diào)還原為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)PC機(jī)的RXD接收。通過(guò)比較串口在不同波特率下收發(fā)的數(shù)據(jù)來(lái)統(tǒng)計(jì)誤碼率。示波器的CH1和CH2通道分別接PPM調(diào)制模塊的輸入和輸出端。

圖10 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)接線圖

3.1 波形數(shù)據(jù)驗(yàn)證

圖11為PPM調(diào)制信號(hào)(波形2)與原始信號(hào)(波形1)對(duì)比波形。波形2對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)依次為1111、1111、1111、1111、0011、0000、0000、0000、0000，與波形1對(duì)應(yīng)的原始數(shù)字信號(hào)相吻合。

圖11 PPM調(diào)制信號(hào)與原始信號(hào)對(duì)比波形

3.2 誤碼率驗(yàn)證

圖12是波特率為19 200 Bd時(shí)的串口收發(fā)數(shù)據(jù)。不同波特率下接收數(shù)據(jù)的誤碼率如表1所示?？梢钥闯觯涸撏ㄓ肞PM調(diào)制模塊波特率在38 400 Bd以內(nèi)的誤碼率為0，滿足PPM調(diào)制模塊的通用性要求。

圖12 波特率為19 200 Bd時(shí)的串口收發(fā)數(shù)據(jù)

波特率/Bd960019200384004300056000誤碼率/%0005.19.1

3.3 平均功率對(duì)比

通用PPM調(diào)制模塊的平均功率可通過(guò)計(jì)算得出，設(shè)系統(tǒng)發(fā)送數(shù)字“0”“1”的概率相同，則OOK調(diào)制的平均發(fā)射功率為POOK=P/2，其中P為系統(tǒng)發(fā)送“1”時(shí)的光脈沖功率；PPM調(diào)制的平均發(fā)射功率[10]為PPPM=P/2M。16-PPM調(diào)制的M=4，由此可知：OOK調(diào)制的平均發(fā)射功率為16-PPM調(diào)制的8倍，表明PPM調(diào)制極大地降低了激光通信的光平均功率，可有效降低能源消耗。

4 結(jié)論

筆者基于FPGA設(shè)計(jì)了可用于激光通信的通用PPM調(diào)制模塊，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明：該模塊可實(shí)現(xiàn)高速率任意數(shù)字信號(hào)的PPM調(diào)制，通過(guò)調(diào)整M值可滿足不同的需求，具有誤碼率低、通用性強(qiáng)的特點(diǎn)。將PPM調(diào)制功能獨(dú)立構(gòu)成通用模塊，可有效地將物理層數(shù)字調(diào)制功能與數(shù)據(jù)鏈路層通信應(yīng)用剝離，方便靈活地應(yīng)用于激光通信中，具有良好的應(yīng)用前景。PPM調(diào)制解調(diào)的關(guān)鍵技術(shù)還涉及幀同步時(shí)鐘的恢復(fù)和時(shí)隙時(shí)鐘的同步等，下一步，將針對(duì)PPM的解調(diào)以及幀同步和時(shí)隙同步等問(wèn)題開(kāi)展研究。

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(責(zé)任編輯: 尚彩娟)

Design of Universal PPM Modulation Module for Laser Communication Based on FPGA

CAO Yong1, WANG Shu-wei1, SHAO Si-jie2

(1. Department of Control Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China; 2. Department of Arms Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

According to the basic principle of Pulse Position Modulation (PPM), a universal PPM modulation module based on Field Programmable Gate Array (FPGA) is designed. The implementation scheme and the components of the module are given. The waveform of each module designed by FPGA is simulated. The module is verified through the experiment, the results show that the module can achieve PPM modulation and have strong versatility.

laser communication; FPGA; PPM; VHDL language

1672-1497(2017)03-085-04

2017-03-15

曹 勇(1968-)，男，教授，博士。

TN914

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2017.03.016