基于FPGA的激光通信通用PPM調制模塊設計

曹 勇， 王樹煒， 邵思杰

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

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基于FPGA的激光通信通用PPM調制模塊設計

曹 勇1， 王樹煒1， 邵思杰2

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

依據脈沖位置調制(Pulse Position Modulation, PPM)的基本原理，設計了基于可編程邏輯陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)的通用PPM調制模塊，給出了該模塊的實現方案及各組成部分，對基于FPGA設計的各模塊波形進行了仿真，并通過設計實驗對該模塊進行了驗證。結果表明：該模塊可實現PPM調制，且通用性強。

激光通信； FPGA； PPM； VHDL語言

激光通信以激光作為信息載波，信號方向性強，能量集中，沒有同頻干擾和臨近波段的串擾，具有簡便性、寬帶性、保密性以及無需頻率審批等優勢[1]。作為無線電通信的一個有效補充，激光通信最大的軍用優勢在于可隨意移動到任何地點以實現溝通，在地面戰場上具有廣闊的應用前景。在未來戰場上，為了提高通信可靠性、實現通信系統小型化，盡可能地降低通信鏈路所需要的功率是一個主要的技術難點[2]。不同的調制解調方式對激光通信系統的性能有很大的影響，常見的開關鍵控(On-Off Keying, OOK)調制方式最簡單，但其誤碼率較高，功率利用率也較低[3]。脈沖位置調制(Pulse Position Modulation,PPM)是一種適合激光通信的調制方式，其能量傳輸效率高，抗干擾能力強，編碼電路簡單。與OOK調制相比，PPM調制大大降低了對發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調制往往作為一個底層功能模塊集成在專用激光通信器件中，而專門用于PPM調制的通用芯片型號較少，應用缺乏靈活性。為此，筆者從實際應用出發，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硬件描述語言設計了用于激光通信的通用PPM調制模塊，開發專門用于PPM調制獨立功能的IP，以期將其底層物理功能從復雜通信系統中剝離。

1 激光通信的基本原理

圖1為基于PPM調制的激光通信基本原理。首先，數字信號經過通用PPM調制產生PPM信號；然后將PPM信號作為控制信號，以“1”“0”分別控制激光的強、弱，將激光信號發射到自由空間，實現激光通信的發送；遠處的接收裝置接收到激光信號后，經過光電檢測，將光信號轉換為電信號，還原出PPM信號；最后利用PPM解調模塊，將PPM信號還原成數字信號，從而實現激光無線通信。

圖1 基于PPM調制的激光通信基本原理

2 通用PPM調制模塊設計

2.1 單脈沖位置調制(L-PPM)原理

L-PPM調制是將M位二進制數據(也稱M為調制階數)映射到一幀為2M個時隙中的其中一個時隙上，其他的時隙不發送脈沖信號，即將M位的二進制數據用脈沖的時隙位置表示，在L個時隙中僅有一個脈沖，因此，一個L位的PPM調制信號傳送的數據比特為M=log2L[8]。以4-PPM調制為例，將00、01、10、11四種二位二進制數據分別映射為1000、0100、0010、0001。4-PPM調制結構如圖2所示，分別用不同的脈沖位置表示不同的信源。

圖2 4-PPM調制結構

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

2.2 通用PPM調制方案

通用PPM調制模塊方案如圖3所示，主頻經分頻器產生采樣時鐘、幀時鐘和時隙時鐘3種時鐘頻率；原始的數字信號經過采樣、緩存、脈沖位置信息編碼、寄存及移位輸出，最終調制成PPM信號。

圖3 通用PPM調制模塊方案

2.2.1 分頻

主頻時鐘頻率為50 MHz，采樣時鐘、幀時鐘和時隙時鐘頻率分別為100、25、400 kHz。16-PPM每采集4個數據為一幀，一幀有16個時隙，幀時鐘與時隙時鐘需要相位同步。

2.2.2 采樣

采樣時鐘在上升沿到來時采集一個數據，同時將采樣時鐘的同步計數器加一，然后將采集到的數據放入緩存器中。一般來說，在FPGA資源足夠的前提下，采樣頻率應盡可能高，以使采樣后的信號頻譜周期延拓的間隔變大，使恢復原信號的濾波器的設計難度降低，同時也保證了還原后的信號波形更接近原始信號波形[9]。

2.2.3 脈沖位置信息編碼

當采樣時鐘的同步計數器計滿4個數后，便將緩存的4位數據輸出并轉換為脈沖位置信息編碼，同時將同步計數器清零，脈沖位置信息編碼為16位并行數據，有且僅有一位為“1”，其余位均為“0”，“1”所在的位置就是PPM調制脈沖的輸出位置。

2.2.4 移位輸出

當幀時鐘的上升沿到來時，將16位脈沖位置信息編碼存入移位寄存器中。當時隙時鐘的上升沿到來時，移位寄存器就將數據右移一位，并將最低位數據輸出。當寄存器完全輸出其中的16位數據時，幀時鐘上升沿到來，新的脈沖位置信息編碼存入移位寄存器中，完成一個周期，如此循環往復，便將原始數字信號轉換為PPM信號，實現PPM調制。

2.3 通用PPM調制時序分析

圖4為PPM調制系統時序圖。首先用采樣時鐘的上升沿對原始數字信號進行采樣，并將采樣的數據進行緩存；經過4個采樣周期后，將緩存的4個采樣數據輸出為4位并行數據信號；當系統檢測到緩存輸出的數據發生改變后，便將緩存數據轉換為16位脈沖位置信息編碼；當幀時鐘的上升沿到來時，將轉換的脈沖位置信息編碼存入寄存器；當檢測到時隙時鐘的上升沿時，對寄存器中的脈沖位置信息編碼進行移位，輸出最低位，如此便形成PPM信號。

圖4 PPM調制系統時序圖

2.4 FPGA設計與仿真

圖5為PPM調制FPGA的頂層模塊設計，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個模塊。

圖5 PPM調制FPGA的頂層模塊設計

2.4.1 分頻模塊的設計

主頻經過分頻產生的采樣時鐘、幀時鐘和時隙時鐘分別為clk_div500、clk_div2000和clk_div125，采用直接計數法產生。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 采樣模塊的設計

采樣是一個串并轉換的過程，主要實現采樣時鐘的同步計數、信號采集、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計

脈沖位置信息編碼模塊實際是一個4∶16譯碼器，將采集到的4位數據轉換為對應的16-PPM脈沖位置信息編碼，如：數據0000對應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 脈沖輸出模塊的設計

脈沖輸出模塊主體是一個移位寄存器，主要實現時隙時鐘的同步計數、脈沖位置信息編碼的寄存和移位輸出，并最終形成PPM調制信號。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 實驗驗證與分析

圖10為實驗平臺接線圖，利用PC機的串口收發數據，通過PC機的TXD發送數字信號，PPM調制模塊接收到該信號后，調制產生PPM信號，再通過PPM解調模塊將PPM信號解調還原為數字信號，通過PC機的RXD接收。通過比較串口在不同波特率下收發的數據來統計誤碼率。示波器的CH1和CH2通道分別接PPM調制模塊的輸入和輸出端。

圖10 實驗平臺接線圖

3.1 波形數據驗證

圖11為PPM調制信號(波形2)與原始信號(波形1)對比波形。波形2對應的數據依次為1111、1111、1111、1111、0011、0000、0000、0000、0000，與波形1對應的原始數字信號相吻合。

圖11 PPM調制信號與原始信號對比波形

3.2 誤碼率驗證

圖12是波特率為19 200 Bd時的串口收發數據。不同波特率下接收數據的誤碼率如表1所示?？梢钥闯觯涸撏ㄓ肞PM調制模塊波特率在38 400 Bd以內的誤碼率為0，滿足PPM調制模塊的通用性要求。

圖12 波特率為19 200 Bd時的串口收發數據

波特率/Bd960019200384004300056000誤碼率/%0005.19.1

3.3 平均功率對比

通用PPM調制模塊的平均功率可通過計算得出，設系統發送數字“0”“1”的概率相同，則OOK調制的平均發射功率為POOK=P/2，其中P為系統發送“1”時的光脈沖功率；PPM調制的平均發射功率[10]為PPPM=P/2M。16-PPM調制的M=4，由此可知：OOK調制的平均發射功率為16-PPM調制的8倍，表明PPM調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 結論

筆者基于FPGA設計了可用于激光通信的通用PPM調制模塊，實驗驗證結果表明：該模塊可實現高速率任意數字信號的PPM調制，通過調整M值可滿足不同的需求，具有誤碼率低、通用性強的特點。將PPM調制功能獨立構成通用模塊，可有效地將物理層數字調制功能與數據鏈路層通信應用剝離，方便靈活地應用于激光通信中，具有良好的應用前景。PPM調制解調的關鍵技術還涉及幀同步時鐘的恢復和時隙時鐘的同步等，下一步，將針對PPM的解調以及幀同步和時隙同步等問題開展研究。

[1] 張靚,郭麗紅,劉向南,等.空間激光通信技術最新進展與趨勢[J].飛行器測控學報,2013,32(4):286-293.

[2] 張先武.大氣激光通信脈沖位置編碼技術研究[D].南京:南京理工大學,2011.

[3] 柯熙政,陳錦妮.無線激光通信類脈沖位置調制性能比較[J].激光技術,2012,36(1):67-76.

[4] JIANG Y J,TAO K Y,SONG Y W.Packet error rate analysis of OOK,DPIM and PPM modulation schemes for ground-to-satellite laser uplink communications [J].Applied optics,2014,53(7):1268-1273.

[5] RAY I,SIBLEY M J N,MATHER P J.Performance analysis of offset pulse-position modulation over an optical channel [J].Journal of lightwave technology,2012,30(3):325-330.

[6] 劉宏展,廖仁波,孫建鋒,等.無線光通信新型組合脈沖調制性能分析[J].光學學報,2015,35(7):99-106.

[7] 任鑫,李洪祚,王巖,等.脈沖位置調制對脈沖式光纖激光器調制速率的影響[J].光學學報,2014,34(7):41-48.

[8] 郝丹.大氣激光通信PPM調制解調技術研究[D].長春:長春理工大學,2009.

[9] 黃德勇.高速數據采集系統設計和CPCI接口研究[D].成都:電子科技大學,2004.

[10] 傅興隆.深空光通信PPM調制系統設計與研究[D].長春:長春理工大學,2012.

(責任編輯: 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