基于FPGA的水下聲脈沖通信PPM系統設計＊

李 亮 王永斌 周思同

（1.海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033）（2.91404部隊 秦皇島 066000）

1 引言

在水下通信領域，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距離信息傳輸的唯一方法［1］。普通換能器聲源要達到遠距離通信，體積非常龐大，不利于水下通信的機動性。脈沖聲源具有瞬間發射功率大、發射脈沖窄、峰值能量大、頻帶范圍寬等優點，可大大提高系統接收信噪比性能，從而實現100km以上的超遠程水下通信。脈沖聲源的聲信號具有幅度、頻率和相位無法準確實時調制的特點，傳統的調幅、調頻、調相等調制方式都不適用于信號的通信調制。目前的研究認為可采用脈沖位置調制（Pulse Position Modulation，PPM）來提高聲源的信息攜帶能力。脈沖位置調制（PPM）是一種正交調制方式，它具有更高功率利用率和頻帶利用率。本文根據水下通信系統的要求及PPM的基本原理，對脈沖聲源PPM調制進行了設計，并用VHDL語言在QuartusⅡ軟件上完成了仿真。

2 PPM系統模型

根據脈沖形式，脈沖位置調制主要有三種調制形式：單脈沖位置調制（L－PPM）、多脈沖位置調制（M－PPM）、差 分 脈 沖 位 置 調 制 （L－DPPM）［7］。選擇單脈沖位置調制作為系統PPM的實現形式。L－PPM是將一個n位的二進制數據組映射為由2n個時隙組成的時間段上的某一個時隙的單個脈沖信號。則一個m位調制信號傳輸的信息比特為log2m。

PPM系統模型如圖1所示，系統主要由調制系統和解調系統兩部分組成。在調制系統中，采用查找ROM表的方法生成窄脈沖信號；在解調系統中，主要由整形電路、脈沖位置檢測和譯碼電路組成［2］。

圖1 PPM系統模型

設計一個4－PPM調制的系統，設數據為M，時隙位置為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。分別對應的時隙位置如圖2所示［7］。

圖2 4－PPM脈沖位置

3 PPM調制

PPM調制過程本質上就是一個計數過程［3］。當輸入一組數據時，程序計算數據中的數值，在相對應的時隙位置輸出一個高脈沖，其他位置保持不變，從而保證了輸出脈沖與輸入數據相對應。

PPM調制是基于VHDL語言在FPGA上實現的。在FPGA中可通過ROM創建各種查找表，從而簡化電路設計，提高電路的處理速度和穩定度。ROM是一個地址對應一個數據。系統設計采用4－PPM調制，將一幀數據周期分成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”，通過數字來表示脈沖的位置關系。如圖3所示。

圖3 01數據脈沖位置編碼

通過脈沖位置數字編碼可設計一個ROM查找表［4，8］，表中含有20位數據，每一位數據對應一個x。當輸入數據時，對應的時隙位置會輸出一個高脈沖，則在ROM查找表中對應的數據為“1”，其他位數據為“0”。創建四個代表不同脈沖位置的ROM（如表1所示）。

表1 查找表數據

當給定時鐘信號上升沿來臨并且時鐘為“1”時，輸出ROM查找表中第a位地址的數據。由于ROM查找表中的數據與地址一一對，當下一個時鐘上升沿來臨時，查找表地址加1，相應的輸出保存在第a＋1位地址的一位數據。當時鐘輸入設定與幀周期對應是，正好能輸出完整的查找表中數據，即輸出完整的調制信號。當輸入數據不同時，經過比較判決，如果輸入“00”，則輸出ROM0中數據信息；當輸入“01”，則輸出ROM1中數據信息；輸入“10”，則輸出 ROM2中數據信息；輸入“11”，則輸出ROM3中數據信息，對應相應的時隙脈沖位置調制。具體實現如圖4所示。

4 PPM解調

PPM的解調過程既是調制的逆過程，也是計數過程。輸入的數據都是由“0”或“1”組成，當輸入數據為連續“1”或連續為“0”時，輸出的PPM調制信號的間隔為4個時鐘周期，；當輸入由“0”變為“1”時，PPM調制信號的間隔即為五個時鐘周期；當輸入數據有“1”變為“0”時，PPM調制信號的間隔變為1個時鐘周期。根據上述特點我們可以根據PPM信號的間距來判斷數據信息的變化，并根據這一特點完成對調制信號的解調。具體實現如圖5所示。

圖4 ROM實現原理圖

圖5 PPM解調實現原理圖

在解調中，整形電路對接收的PPM信號進行整形。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計數器的計數值為五時，即數據信號從“0”變為“1”，PPM 間隔為五個時鐘周期時，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脈沖序列延遲兩個時鐘周期，數據由“1”變為“0”的PPM間隔為1個時鐘周期，這樣延遲后的序列與PPM信號間隔1個周期的第二個脈沖對齊，其它脈沖錯位，這樣就能將最短脈沖信號即間隔為一個時鐘周期的PPM信號的位置檢測出來。由于檢測出來的只是數據的變化情況，最后將最短脈沖位置與最長脈沖位置相加，經過譯碼電路后就可得到原始的輸入數據。

5 仿真分析

QuartusⅡ是Altera公司推出的新一代開發軟件，支持原理圖、VHDL等多種設計輸入形式［5，10］，整個系統在 QuartusⅡ9.0平臺上進行仿真。

圖6為用ROM進行PPM調制的時序仿真圖。CLK為時鐘信號，時鐘信號周期設定為0.5 ms，對應查找表中的一位數據信息。仿真時間設定為10ms，與幀周期相同，方便觀察PPM調制的時隙位置。datain為數據輸入，output為數據輸出。以輸入數據“01”為例。可以看到，根據設計要求，高電平脈沖由連續的五個“1”表示，并且五個“1”出現在幀周期中第二個時隙位置。

圖6 ROM時序仿真圖

圖7 PPM系統仿真圖

PPM調制解調系統的時序仿真如圖7所示。在圖中可以看到，輸入數據DATA＿IN與輸出數據DATAOUT完全相同，只是存在一定時延。造成時延的一方面由于硬件的原因；另一方面，在PPM調制時，需要在串并轉換完成后在讀取ROM表，輸出PPM信號，而解調是在輸出PPM后進行的，所以存在時延，但是在現實系統中是不存在的［6］。“delay”信號就是最短脈沖位置檢測的延時信號，可以看到它的脈沖只與PPM信號的第二個短脈沖位置對齊。“Long”信號為最長脈沖位置檢測，可以看到當數據由“0”變“1”時，有脈沖產生；“Short”信號為最短脈沖位置檢測，當數據由“1”變“0”時，有脈沖產生。“Add”信號為“Long”和“Short”的相加信號。通過仿真分析，調制解調系統設計是正確的。

6 結語

PPM調制解調設計在QuartusⅡ平臺上進行了時序仿真，從仿真的結果中可以看出整個設計達到了預期的效果，能夠高效穩定的實現脈沖位置調制解調。但是這對于水下聲脈沖通信的實現還只是開始，水聲信道復雜多變，存在嚴重的多途效應和噪聲干擾［1］，PPM 解調同步［9］問題十分關鍵，所以今后還要在同步技術和抗干擾方面加以研究。

［1］惠俊英，生雪莉.水下聲信道［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2011：11－13.

［2］段吉海，黃智偉.基于CPLD／FPGA的數字通信系統建模與設計［M］.北京：電子工業出版社，2004：184－191.

［3］汪井源，張正線.無線光通信中的PPM調制［J］.電訊技術，2000，40（5）：81－84.

［4］潘松，黃繼業.EDA技術與VHDL［M］.北京：清華大學出版社，2009：77－80.

［5］任愛峰，等.基于FPGA的嵌入式系統設計［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2004：101－109.

［6］何攀，李曉毅，侯倩，等.基于FPGA的PPM調制解調系統設計［J］.現代電子技術，2010，320（9）：52－54.

［7］魏麗英.空間激光通信系統PPM調制技術的研究［D］.長春：長春理工大學碩士論文，2007：23－25.

［8］李素梅.基于FPGA的ROM設計問題［J］.信息技術，2010（3）：87－89.

［9］LING G，GAGLIARDI R M.Slot synchronization in optical PPM communication［J］.IEEE Trans.on Communications，2005，Com－34（12）：213－216.

［10］李一兵，雷洪玉，殷潛.基于CPLD的PPM調制與解調系統設計［J］.哈爾濱理工大學學報，2008，13（6）：94－97.