一種基于PPM調(diào)制的水下光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真?

楊 杰 王劍峰 陳 琦

（青島科技大學(xué) 青島 266100）

1 引言

當(dāng)前，隨著海軍潛艇、無(wú)人潛航器以及傳感器等裝備的高速發(fā)展，如何在水下進(jìn)行實(shí)時(shí)、高速、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸成為亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題［1～2］。水聲通信是水下通信的主要手段，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信，但存在通信速率低、設(shè)備體積大、信道帶寬小、信號(hào)時(shí)延大等缺點(diǎn)，即使短距離通信，傳輸速率也很難達(dá)到Mbps。目前，常用的電磁波通信方式，由于海水的衰減特性，很難實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離信號(hào)傳播。因此，尋找和發(fā)展高速、穩(wěn)定的水下傳輸方法已成當(dāng)前海洋發(fā)展和水下無(wú)線通信領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)［3～5］。

水下可見(jiàn)光通信相比水聲通信具有帶寬高、速率快、時(shí)延小、功耗低等優(yōu)勢(shì)［6～8］。因?yàn)楣獠ㄏ啾嚷暡ň哂幸韵绿匦裕?）光的頻率高，可同時(shí)傳輸大量數(shù)據(jù)；2）光的方向性強(qiáng)，即視距傳輸過(guò)程中，若光信號(hào)被阻擋則接收端就無(wú)法獲取，信息可能丟失可申請(qǐng)重發(fā)，實(shí)現(xiàn)可靠性數(shù)據(jù)傳輸；3）光的波長(zhǎng)短，對(duì)發(fā)送和接收系統(tǒng)的要求較小，可有效降低成本。因而，水下光通信在未來(lái)海洋通信領(lǐng)域具有非常寬廣的應(yīng)用前景［9］。

水下光通信研究設(shè)計(jì)中，常用的調(diào)制方式有二進(jìn)制開(kāi)關(guān)鍵控（On-Off Keying，OOK）、PPM、以及差分脈沖位置調(diào)制（Differential Pulse Position Modula?tion，DPPM）等［10～11］。OOK調(diào)制原理簡(jiǎn)單、帶寬利用率高，但傳輸速率低，誤碼率大；PPM調(diào)制傳輸速率高，可有效降低發(fā)射功率，缺點(diǎn)是帶寬利用率低；DPPM調(diào)制，在PPM調(diào)制基礎(chǔ)之上發(fā)展而來(lái)，可減少編碼冗余，提高帶寬利用率，缺點(diǎn)是調(diào)制實(shí)現(xiàn)難度相對(duì)較高。

本文給出了一種基于PPM調(diào)制的水下光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)包括PPM調(diào)制、光驅(qū)動(dòng)端、光接收端、外部處理電路以及PPM解調(diào)等，如圖1所示。具體通信流程為：對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)PPM調(diào)制后發(fā)送到光驅(qū)動(dòng)端，驅(qū)動(dòng)發(fā)光器件發(fā)出光脈沖信號(hào)，光信號(hào)經(jīng)信道傳輸?shù)竭_(dá)光接收端，光接收端通過(guò)光接收器件接收并將其轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，經(jīng)外部處理電路后由PPM解調(diào)模塊進(jìn)行解調(diào)，恢復(fù)數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)組成部分

2 PPM調(diào)制部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 PPM調(diào)制原理

PPM調(diào)制采用不同時(shí)間位置波形信號(hào)的“有”和“無(wú)”表示數(shù)據(jù)的“1”和“0”，通過(guò)計(jì)時(shí)器支配輸出脈沖的運(yùn)算過(guò)程。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的分析，將計(jì)時(shí)過(guò)程轉(zhuǎn)化為一個(gè)計(jì)數(shù)過(guò)程。將調(diào)制的二進(jìn)制數(shù)據(jù)劃分成組，每組所包含的二進(jìn)制位數(shù)均相同。當(dāng)工作時(shí)鐘上升沿到來(lái)時(shí)，計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)到輸出一個(gè)高電平脈沖信號(hào)，并記錄脈沖位置。當(dāng)計(jì)數(shù)值與編碼的二進(jìn)制數(shù)據(jù)相等時(shí)，輸出端在此時(shí)隙位置輸出高脈沖，其它時(shí)隙位置不輸出高脈沖。

本文以四個(gè)二進(jìn)制數(shù)為一組，對(duì)應(yīng)的PPM調(diào)制示意圖如圖2所示。

圖2 PPM調(diào)制示意圖

2.2 PPM調(diào)制的設(shè)計(jì)

PPM調(diào)制可降低光平均發(fā)射功率，同時(shí)可有效延長(zhǎng)電源和光驅(qū)動(dòng)器的工作壽命，可用較低的發(fā)射功率實(shí)現(xiàn)較高的數(shù)據(jù)傳輸距離。系統(tǒng)選用的FPGA實(shí)現(xiàn)PPM調(diào)制，芯片型號(hào)選定為EP4CE10F17C8。圖3為PPM調(diào)制實(shí)現(xiàn)原理圖。

圖3 PPM調(diào)制原理圖

PPM調(diào)制的設(shè)計(jì)包括串并轉(zhuǎn)換器、時(shí)鐘信號(hào)分頻器、脈沖比較器、模塊時(shí)鐘時(shí)延和窄脈沖信號(hào)發(fā)生器等部分，如圖4所示。串并轉(zhuǎn)換是對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行的處理變換，用空間換速率，完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換；4分頻器和8分頻器為串并轉(zhuǎn)換和比較器模塊提供工作時(shí)鐘；比較器將輸入的并行數(shù)據(jù)和計(jì)數(shù)器進(jìn)行比較，當(dāng)一組二進(jìn)制數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制位數(shù)和計(jì)數(shù)器相等時(shí)，輸出端在相應(yīng)的時(shí)隙位置輸出一個(gè)高脈沖信號(hào)，其他位置都為低電平；延時(shí)器重要完成對(duì)模塊間的出現(xiàn)的時(shí)鐘信號(hào)的延遲進(jìn)行同步處理，時(shí)鐘上升沿到來(lái)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取，為脈沖成形器模塊、計(jì)數(shù)器模塊、比較器模塊及串并轉(zhuǎn)換模塊提供使能端；窄脈沖成形器處理調(diào)制信號(hào)，縮短脈沖時(shí)間寬度，便于數(shù)據(jù)傳輸。圖4為PPM調(diào)制的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖。

圖4 PPM調(diào)制設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

3 PPM解調(diào)部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

FPGA處理模塊可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行PPM調(diào)制和解調(diào)處理。PPM調(diào)制完成對(duì)數(shù)據(jù)的編碼，而解調(diào)模塊完成數(shù)據(jù)的解碼，恢復(fù)出調(diào)制前數(shù)據(jù)信息。

PPM解調(diào)為PPM調(diào)制的逆過(guò)程，由脈沖恢復(fù)、同步脈沖定位、波形處理、并串轉(zhuǎn)換等功能模塊組成，如圖5所示。具體設(shè)計(jì)過(guò)程如下：四分頻（fen?pinqi4）模塊為計(jì)數(shù)器（jishuqi4）、移位寄存器（yan?shiqi1）、同 步 脈 沖 定 位（pluse2）和 波 形 處 理（pluse3）等提供工作時(shí)鐘信號(hào)；輸入的窄脈沖信號(hào)信號(hào)進(jìn)入寬脈沖信號(hào)恢復(fù)（plusefind）模塊，輸出寬脈沖信號(hào)；再經(jīng)過(guò)同步脈沖定位（pluse2）模塊確定脈沖信號(hào)所在時(shí)隙位置；然后在波形處理（pluse3）模塊使脈沖信號(hào)寬度轉(zhuǎn)換成為四個(gè)四分頻時(shí)間寬度信號(hào)，有利于并串轉(zhuǎn)換（piso）模塊實(shí)現(xiàn)并行數(shù)據(jù)到串行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，輸出最終的解調(diào)信號(hào)（輸出端名為dout）。各模塊之間、模塊間的連接線等過(guò)程中都會(huì)存在時(shí)鐘延時(shí)，所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要加上延時(shí)器（yanshiqi1）和（yanshiqi4）等子模塊為不同的延時(shí)時(shí)鐘提供同步信號(hào)使能端，保證信號(hào)脈沖信號(hào)能正確地解調(diào)出來(lái)。本設(shè)計(jì)并串轉(zhuǎn)換過(guò)程中，還需要一個(gè)使能信號(hào)在四分頻時(shí)鐘信號(hào)（fenpinqi4）控制下當(dāng)使能信號(hào)為低電平時(shí)輸入波形處理（pluse3）信號(hào)，高電平時(shí)經(jīng)并串轉(zhuǎn)換后輸出信號(hào)，這個(gè)使能端信號(hào)在時(shí)鐘信號(hào)控制下生成的。PPM解調(diào)部分具體設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖5 PPM解調(diào)實(shí)現(xiàn)原理圖

將調(diào)制子模塊和解調(diào)子模塊進(jìn)行聯(lián)合仿真，綜合調(diào)制模塊和解調(diào)模塊的頂層設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖6 PPM解調(diào)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

圖7 頂層模塊設(shè)計(jì)圖

圖7 中top_modulator模塊和top_demodulation模塊是調(diào)制器和解調(diào)器的封裝模塊，PPM調(diào)制解調(diào)聯(lián)合設(shè)計(jì)波形仿真如圖8所示。其中maichongxu?lie為輸入數(shù)據(jù)信號(hào)，signalreceived為接收信號(hào)。

圖8 PPM調(diào)制解調(diào)聯(lián)合設(shè)計(jì)波形圖

由圖8可以得出，接收數(shù)據(jù)信號(hào)（signalre?ceived）是一系列連續(xù)010011…連續(xù)信號(hào)，收發(fā)數(shù)據(jù)一致，實(shí)現(xiàn)通信傳輸。由于脈沖整形模塊生成該信號(hào)使用了邏輯語(yǔ)言“異或”、移位寄存器、并串轉(zhuǎn)換模塊和脈沖定位模塊，所以存在時(shí)鐘延時(shí)，圖中有體現(xiàn)。由于各處理模塊間傳輸延遲很小，可以忽略，滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)測(cè)試基本要求。

4 光驅(qū)動(dòng)端的設(shè)計(jì)

光驅(qū)動(dòng)端完成調(diào)制信號(hào)的光載波發(fā)送。系統(tǒng)采用大功率藍(lán)綠光LED，效率更高、速率更快。

本文采用高端驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，如圖9所示。既可以保證信號(hào)的響應(yīng)頻率和放大倍數(shù)，又能提高信號(hào)的轉(zhuǎn)換速率和輸入阻抗，并且減小輸出阻抗。驅(qū)動(dòng)電路采用場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）漏極接LED負(fù)載的設(shè)計(jì)。其原理是利用其前端調(diào)制電壓在柵極上的幅值變化，控制MOS管的導(dǎo)通與否，漏極電流產(chǎn)生與之對(duì)應(yīng)的變化，影響LED的暗滅，從而完成對(duì)調(diào)制信號(hào)的載波輸出。

圖9 低端驅(qū)動(dòng)電路圖

光驅(qū)動(dòng)端具體設(shè)計(jì)流程為：場(chǎng)效應(yīng)管（MOS?FET）柵極接輸入信號(hào)，源極接地，漏極接LED負(fù)載。當(dāng)調(diào)制信號(hào)進(jìn)入MOS管驅(qū)動(dòng)器時(shí)，MOS管驅(qū)動(dòng)器將功率放大后輸入MOS管柵極，致使MOS管導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)LED發(fā)出調(diào)制光信號(hào)；當(dāng)調(diào)制信號(hào)的低電平脈沖信號(hào)通過(guò)MOS管柵極時(shí)，電平過(guò)低致使MOS管截止，即沒(méi)有光脈沖信號(hào)的產(chǎn)生，從而完成發(fā)送端數(shù)據(jù)的調(diào)制發(fā)送。低端驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，可有效降低噪聲電流的干擾，負(fù)載一端接電源正極，一端接MOS管、本文選用低功耗的40N10器件，芯片響應(yīng)時(shí)間為200ns。

5 光接收端和外部信號(hào)處理的設(shè)計(jì)

光發(fā)送端發(fā)出的光脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)信道傳輸?shù)竭_(dá)接收端，信號(hào)幅度和功率都得到一定程度的衰減，解調(diào)之前需進(jìn)行預(yù)處理操作。

首先進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化處理。接收端模塊選用光電倍增管（本文選用的GDB-235）對(duì)光信號(hào)進(jìn)行接收和轉(zhuǎn)化。光電倍增管對(duì)光的靈敏度高，可檢測(cè)極微弱的光信號(hào)。在選定探測(cè)器件和偏置電路以后，就可知所獲信號(hào)的噪聲大小。用恒壓源等效探測(cè)器設(shè)計(jì)偏置電路，用最小噪聲系數(shù)原則設(shè)計(jì)前置放大器。具體設(shè)計(jì)流程為：光電倍增管接收光信號(hào)并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；輸出的微弱電流信號(hào)需進(jìn)行放大、濾波、展寬等處理后送到接收模塊解調(diào)。倍增管負(fù)載原理圖如圖10所示，供電電源為-1200V，末級(jí)并聯(lián)電容減少電流抖動(dòng)，完成光信號(hào)的接收并轉(zhuǎn)化。

圖10 光電倍增管外部電路設(shè)計(jì)圖

偏執(zhí)電阻可由萬(wàn)用表測(cè)出，阻值在1M～1G之間，選用結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管，可提高數(shù)據(jù)處理速率。外部信號(hào)處理電路主要完成對(duì)信號(hào)的放大、展寬、濾波、A/D轉(zhuǎn)換等處理，最后將處理后的數(shù)字信號(hào)發(fā)送到FPGA模塊繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)解調(diào)工作。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

接收端完成數(shù)據(jù)信號(hào)的接收，本節(jié)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行量化分析。由于信道中光的散射、吸收特性以及其他噪聲光源的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定的誤差。實(shí)驗(yàn)通信流程為：將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)發(fā)送到FPGA處理模塊并進(jìn)行編碼調(diào)制，后通過(guò)光驅(qū)動(dòng)部分發(fā)出光脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)信道傳輸?shù)竭_(dá)接收端，由光接收端進(jìn)行接收和處理，最后由FPGA處理模塊完成數(shù)據(jù)的解調(diào)。

通過(guò)調(diào)整發(fā)送端發(fā)射功率和觀察接收數(shù)據(jù)的結(jié)果，整理PPM誤碼率繪制出如圖11所示折線圖。

圖11 PPM調(diào)制的誤碼率折線圖

圖11 實(shí)驗(yàn)分析可知，PPM系統(tǒng)發(fā)射信噪比不斷增加時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率不斷降低。當(dāng)信噪比為9時(shí)，誤碼率可降到7×10-4，在傳輸波特率大小保持不變的情況下，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。因此，在系統(tǒng)發(fā)送端傳輸功率保持不變的條件下，PPM調(diào)制可實(shí)現(xiàn)精確度較高的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)也驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)方法的可行性。

7 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于PPM調(diào)制的水下光通信傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，并通過(guò)仿真測(cè)試驗(yàn)證。論文主要完成了基于FPGA模塊的PPM編、解碼，以及光電發(fā)、收外部電路的設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)PPM調(diào)制方式的傳輸誤碼率和發(fā)射功率的特性分析，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)方法的可行性。本文采用PPM調(diào)制實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)在提高系統(tǒng)發(fā)射功率的條件下，可有效降低系統(tǒng)誤碼率。