基于FPGA的激光通信通用PPM调制模块设计

曹 勇， 王树炜， 邵思杰

(1. 装甲兵工程学院控制工程系， 北京 100072； 2. 装甲兵工程学院兵器工程系， 北京 100072)



基于FPGA的激光通信通用PPM调制模块设计

曹 勇1， 王树炜1， 邵思杰2

(1. 装甲兵工程学院控制工程系， 北京 100072； 2. 装甲兵工程学院兵器工程系， 北京 100072)

依据脉冲位置调制(Pulse Position Modulation, PPM)的基本原理，设计了基于可编程逻辑阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)的通用PPM调制模块，给出了该模块的实现方案及各组成部分，对基于FPGA设计的各模块波形进行了仿真，并通过设计实验对该模块进行了验证。结果表明：该模块可实现PPM调制，且通用性强。

激光通信； FPGA； PPM； VHDL语言

激光通信以激光作为信息载波，信号方向性强，能量集中，没有同频干扰和临近波段的串扰，具有简便性、宽带性、保密性以及无需频率审批等优势[1]。作为无线电通信的一个有效补充，激光通信最大的军用优势在于可随意移动到任何地点以实现沟通，在地面战场上具有广阔的应用前景。在未来战场上，为了提高通信可靠性、实现通信系统小型化，尽可能地降低通信链路所需要的功率是一个主要的技术难点[2]。不同的调制解调方式对激光通信系统的性能有很大的影响，常见的开关键控(On-Off Keying, OOK)调制方式最简单，但其误码率较高，功率利用率也较低[3]。脉冲位置调制(Pulse Position Modulation,PPM)是一种适合激光通信的调制方式，其能量传输效率高，抗干扰能力强，编码电路简单。与OOK调制相比，PPM调制大大降低了对发射端激光平均功率的要求，可取得较好的平均功率效率[4-7]。但在激光通信中，PPM调制往往作为一个底层功能模块集成在专用激光通信器件中，而专门用于PPM调制的通用芯片型号较少，应用缺乏灵活性。为此，笔者从实际应用出发，利用基于可编程逻辑阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)的高速并行特性，采用VHDL硬件描述语言设计了用于激光通信的通用PPM调制模块，开发专门用于PPM调制独立功能的IP，以期将其底层物理功能从复杂通信系统中剥离。

1 激光通信的基本原理

图1为基于PPM调制的激光通信基本原理。首先，数字信号经过通用PPM调制产生PPM信号；然后将PPM信号作为控制信号，以“1”“0”分别控制激光的强、弱，将激光信号发射到自由空间，实现激光通信的发送；远处的接收装置接收到激光信号后，经过光电检测，将光信号转换为电信号，还原出PPM信号；最后利用PPM解调模块，将PPM信号还原成数字信号，从而实现激光无线通信。

图1 基于PPM调制的激光通信基本原理

2 通用PPM调制模块设计

2.1 单脉冲位置调制(L-PPM)原理

L-PPM调制是将M位二进制数据(也称M为调制阶数)映射到一帧为2M个时隙中的其中一个时隙上，其他的时隙不发送脉冲信号，即将M位的二进制数据用脉冲的时隙位置表示，在L个时隙中仅有一个脉冲，因此，一个L位的PPM调制信号传送的数据比特为M=log2L[8]。以4-PPM调制为例，将00、01、10、11四种二位二进制数据分别映射为1000、0100、0010、0001。4-PPM调制结构如图2所示，分别用不同的脉冲位置表示不同的信源。

图2 4-PPM调制结构

考虑到带宽需求、带宽利用率和平均发射功率等因素，不同条件下需要选择的M值不同。通用PPM调制模块包含多个M值可供选择，笔者以16-PPM为例，介绍通用PPM调制模块设计方法。

2.2 通用PPM调制方案

通用PPM调制模块方案如图3所示，主频经分频器产生采样时钟、帧时钟和时隙时钟3种时钟频率；原始的数字信号经过采样、缓存、脉冲位置信息编码、寄存及移位输出，最终调制成PPM信号。

图3 通用PPM调制模块方案

2.2.1 分频

主频时钟频率为50 MHz，采样时钟、帧时钟和时隙时钟频率分别为100、25、400 kHz。16-PPM每采集4个数据为一帧，一帧有16个时隙，帧时钟与时隙时钟需要相位同步。

2.2.2 采样

采样时钟在上升沿到来时采集一个数据，同时将采样时钟的同步计数器加一，然后将采集到的数据放入缓存器中。一般来说，在FPGA资源足够的前提下，采样频率应尽可能高，以使采样后的信号频谱周期延拓的间隔变大，使恢复原信号的滤波器的设计难度降低，同时也保证了还原后的信号波形更接近原始信号波形[9]。

2.2.3 脉冲位置信息编码

当采样时钟的同步计数器计满4个数后，便将缓存的4位数据输出并转换为脉冲位置信息编码，同时将同步计数器清零，脉冲位置信息编码为16位并行数据，有且仅有一位为“1”，其余位均为“0”，“1”所在的位置就是PPM调制脉冲的输出位置。

2.2.4 移位输出

当帧时钟的上升沿到来时，将16位脉冲位置信息编码存入移位寄存器中。当时隙时钟的上升沿到来时，移位寄存器就将数据右移一位，并将最低位数据输出。当寄存器完全输出其中的16位数据时，帧时钟上升沿到来，新的脉冲位置信息编码存入移位寄存器中，完成一个周期，如此循环往复，便将原始数字信号转换为PPM信号，实现PPM调制。

2.3 通用PPM调制时序分析

图4为PPM调制系统时序图。首先用采样时钟的上升沿对原始数字信号进行采样，并将采样的数据进行缓存；经过4个采样周期后，将缓存的4个采样数据输出为4位并行数据信号；当系统检测到缓存输出的数据发生改变后，便将缓存数据转换为16位脉冲位置信息编码；当帧时钟的上升沿到来时，将转换的脉冲位置信息编码存入寄存器；当检测到时隙时钟的上升沿时，对寄存器中的脉冲位置信息编码进行移位，输出最低位，如此便形成PPM信号。

图4 PPM调制系统时序图

2.4 FPGA设计与仿真

图5为PPM调制FPGA的顶层模块设计，主要包括分频(fenpin)、采样(chuanbing)、脉冲位置信息编码(yima)和脉冲输出(yiwei)等4个模块。

图5 PPM调制FPGA的顶层模块设计

2.4.1 分频模块的设计

主频经过分频产生的采样时钟、帧时钟和时隙时钟分别为clk_div500、clk_div2000和clk_div125，采用直接计数法产生。图6为分频模块的仿真波形。

图6 分频模块的仿真波形

2.4.2 采样模块的设计

采样是一个串并转换的过程，主要实现采样时钟的同步计数、信号采集、缓存与输出。采样模块的仿真波形如图7所示。

图7 采样模块的仿真波形

2.4.3 脉冲位置信息编码模块的设计

脉冲位置信息编码模块实际是一个4∶16译码器，将采集到的4位数据转换为对应的16-PPM脉冲位置信息编码，如：数据0000对应的脉冲位置信息编码为0000000000000001。脉冲位置信息编码模块的仿真波形如图8所示。

图8 脉冲位置信息编码模块的仿真波形

2.4.4 脉冲输出模块的设计

脉冲输出模块主体是一个移位寄存器，主要实现时隙时钟的同步计数、脉冲位置信息编码的寄存和移位输出，并最终形成PPM调制信号。脉冲输出模块的仿真波形如图9所示。

图9 脉冲输出模块的仿真波形

3 实验验证与分析

图10为实验平台接线图，利用PC机的串口收发数据，通过PC机的TXD发送数字信号，PPM调制模块接收到该信号后，调制产生PPM信号，再通过PPM解调模块将PPM信号解调还原为数字信号，通过PC机的RXD接收。通过比较串口在不同波特率下收发的数据来统计误码率。示波器的CH1和CH2通道分别接PPM调制模块的输入和输出端。

图10 实验平台接线图

3.1 波形数据验证

图11为PPM调制信号(波形2)与原始信号(波形1)对比波形。波形2对应的数据依次为1111、1111、1111、1111、0011、0000、0000、0000、0000，与波形1对应的原始数字信号相吻合。

图11 PPM调制信号与原始信号对比波形

3.2 误码率验证

图12是波特率为19 200 Bd时的串口收发数据。不同波特率下接收数据的误码率如表1所示。可以看出：该通用PPM调制模块波特率在38 400 Bd以内的误码率为0，满足PPM调制模块的通用性要求。

图12 波特率为19 200 Bd时的串口收发数据

波特率/Bd960019200384004300056000误码率/%0005.19.1

3.3 平均功率对比

通用PPM调制模块的平均功率可通过计算得出，设系统发送数字“0”“1”的概率相同，则OOK调制的平均发射功率为POOK=P/2，其中P为系统发送“1”时的光脉冲功率；PPM调制的平均发射功率[10]为PPPM=P/2M。16-PPM调制的M=4，由此可知：OOK调制的平均发射功率为16-PPM调制的8倍，表明PPM调制极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 结论

笔者基于FPGA设计了可用于激光通信的通用PPM调制模块，实验验证结果表明：该模块可实现高速率任意数字信号的PPM调制，通过调整M值可满足不同的需求，具有误码率低、通用性强的特点。将PPM调制功能独立构成通用模块，可有效地将物理层数字调制功能与数据链路层通信应用剥离，方便灵活地应用于激光通信中，具有良好的应用前景。PPM调制解调的关键技术还涉及帧同步时钟的恢复和时隙时钟的同步等，下一步，将针对PPM的解调以及帧同步和时隙同步等问题开展研究。

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(责任编辑: 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