基于FPGA的两种PPM调制对比分析

杨湲

摘要：为了分析调制系统效率与资源耗费的矛盾问题，设计了两种PPM调制系统，即系统A与系统B。系统A每次对两位二进制进行PPM调制，即先对输入的数据进行串并转换，每次并行输出两位数据，将输出的数据与时隙计数值进行比较，相等时输出一个脉冲。系统B则是对每位二进制进行独立的PPM调制，即先进行数值变换，用两位二进制代表一位数据信息，然后将转换后的两位二进制与时隙值进行比较，相等时输出一个脉冲。从时序仿真、功耗与资源占用结果对比可得：在50 MHz的时钟下，本设计的两种调制系统均能对输入数据进行PPM调制，且系统B比系统A的总功耗少0.26 mW，总逻辑单元少占用95个，但效率下降50%。

关键词：效率;资源占用;脉位调制;串并转换;时隙值

中图分类号：TN92文献标志码：A

文章编号：2095-5383（2019）02-0038-05

Abstract：In order to analyze the contradiction between efficiency and resource consumption of modulation system， two kinds of PPM modulation systems， which are system A and system B， were designed in this paper. The System A carries out PPM modulation on two binaries at a time.That is to say， Firstly， the input data were performed serial to parallel converter and two bits of data were output in parallel each time， and the output data was compared with the time slot count value， and one pulse was output when they are equal. The System B carries out PPM modulation for each bit of binary， that is to say， Firstly， numerical transformation， which using two bits of binary representing a bit of data information， was performed， and then the two converted binary was compared with the time slot value，and then a pulse was output when they are equal. Through comparing the results of time series simulation， power consumption and resource occupancy， it can be concluded that the two modulation systems designed in this paper can achieve PPM modulation for the input data under the clock of 50 MHz， and for the system B， the total power consumption is 0.26 mw less and the total logic unit occupies 95 fewer than system A， but the efficiency decreases by 50%.

Keywords：efficiency; resource occupancy; PPM; serial/parallel conversion; time slot count value

為了提高通信质量，通常在发射端对信号进行脉位调制PPM[1-3]。尤其在光通信系统中，PPM调制平均功率较小，能够较大程度降低发射端的功率，因此可在一定程度上提高光的利用率[1-3]。PPM调制其本质是利用脉冲在时隙的位置来代表发送的数据信息，本设计采用两种方法来完成PPM调制，并对两种调制系统进行了性能对比分析[1-4]。

1 PPM调制原理

待发送的数据是一系列串行数据，则可进行组数划分，若取n bit为一组，则对应的时隙为2n个[1-3]。本设计以2位数据为一组进行分析，其原理如图1所示[1-3]。

当数据为00时，则在时隙0上出现一个脉冲，当数据为01时，则在时隙1上出现一个脉冲，当数据为10时，则在时隙2上出现一个脉冲，当数据为11时，则在时隙3上出现一个脉冲[1-3，5，6]。

本设计采用两种方法来实现PPM调制，即调制系统A与调制系统B，其设计思想如下：

调制系统A：将待发送的数据每2位二进制为一组进行PPM调制[1-3]。其具体过程如下，先将串行输入数据进行串并转换，每2位为一组并行输出，然后将并行输出数据与时隙统计值进行比较，相等时输出一个脉冲[1-3]。其本质是用一个时隙位置来表示两位数据信息[1-3]。

调制系统B：对每位二进制进行独立地PPM调制，则在此设计中无需串并转换模块，但为了比较系统A与系统B，保证相同的时隙模值，需先将串行输入的每一位数据经过数据转换，用2位二进制表示（如0对应00，1对应10），然后再将转换后的数据与时隙值进行比较，相等时输出一个脉冲[1-3]。即每位信息用一个时隙位置表示[1-3]。

2 PPM调制硬件电路

2.1 PPM调制系统A

图2是PPM调制系统A的顶层硬件电路，该电路由4个模块组成，分别是分频器（fenpinqi），串并转换器（sczh），計数器（jishuqi）、比较器（bijiaoqi）[1-3]。分频器的功能是对时钟进行二分频，串并转换器的功能是在分频时钟的作用下将datain输入的串行数据进行2位为一组并行输出，其具体实现过程为：串并转换采用移位寄存器实现，当数据移出两位时，在时钟的控制下，并行输出[1-3，7，8]。计数器的作用是对时钟进行脉冲计数，其模为3，即时隙最大值为3[1-3，7，8]。比较器的作用是将并行输出的每组数据与时隙计数值进行比较，相等时便输出一个脉冲[1-3，7，8]。

2.2 PPM调制系统B

图3是PPM调制系统B的顶层硬件电路，该电路由3个模块组成，分别是数据转换器（sjzh），计数器（jishuqi）、比较器（bijiaoqi）[1-3，9，10]。数据转换器的功能是将每一位串行数据变化成两位数据（0对应00，1对应10）[1-3，9，10]。计数器的作用是对时钟脉冲进行计数，其模为3，即时隙最大值为3[1-3，9，11]。比较器的作用是将转换后的数据与时隙计数值进行比较，相等时便输出一个脉冲[1-3，9，11]。

3 PPM调制仿真结果及分析

3.1 PPM调制系统A的仿真结果与分析

图4是PPM调制系统A的仿真结果，在此图中，clr，clr1是清零信号，clk为50 MHz时钟信号，datain是输入的待调制信号，Q是并行输出的2位二进制，jishuzhi是时隙计数值，当datain取值为0010111001...时，并行输出的Q值有一定的延时，Q值分别为0，2，3，2，1，...。然后将Q值与jishuzhi比较，相等时输出一个脉冲，从仿真结果可以看出，由于门级电路的影响，调制输出信号（tiaozhi）有一定的延时，但也能实现对datain的PPM调制[1-3，5，6]。

图6是PPM调制系统A的资源占用图，组合逻辑占用95个，逻辑单元共占用99个[1-3，5，6]。其中，串并转换功能采用移位寄存器实现，占用了大部分逻辑资源[1-3，5，6]。

3.2 PPM调制系统B仿真结果与分析

图7是PPM调制系统B的仿真结果，在此图中，clr是清零信号，clk是50 MHz时钟信号，inn是输入的待调制信号，outt是每一位输入数据对应的转换值，jishuzhi是时隙计数值，当inn取值为1010...时，outt有一定的延时，对应的数据分别是2，0，2，0...，然后将outt的值与jishuzhi进行比较，相等时输出一个脉冲，从仿真结果可以看出，由于门级电路的影响，调制输出信号（tiaozhi）有一定的延时，但也能实现对inn的PPM调制（tiaozhi）[1-3，5，6，9，11]。

5 结论

综上两种仿真、功耗、资源占用结果，可归纳得到性能比较如表1所示，。

从表1可以看出，主要由于系统A的串并转换功能采用移位寄存器实现，导致系统A比系统B的

总功耗多0.26 mW，总逻辑单元多占用95个，但对于系统A来说，4个时隙内能够反映2位二进制信息，而系统B在4个时隙内，只能反映1位二进制信息，所以系统A的效率是系统B的两倍[1-3，11]。因此调制系统A与系统B各有优劣，在通信系统设计中，若着重考虑效率，则可以选用系统A，若对效率要求不高，为了能够扩充更多的外围电路，减少资源占用，则可选择系统B[1-3，11]。当然在后续的工作中会继续优化本文设计，如把两种调制系统应用在实际通信中，通过观察这两个调制系统对应的接收端的相关参数，以此来增强他们的对比性。

参考文献：

[1]杨杰，王剑峰，陈琦.一种基于 PPM调制的水下光通信系统设计与仿真[J].计算机与数字工程，2018，46（7）：1473-1477.

[2]曹勇，王树炜，邵思杰.基于FPGA的激光通信通用PPM调制模块设计[J].装甲兵工程学院学报，2017，31（3）：85-88.

[3]段吉海，黄智伟.数字通信系统建模与设计[M].北京：电子工业出版社，2004.

[4]潘松，黄继业.EDA技术实用教程[M].北京：科学出版社，2006.

[5]涂焱阳.大气激光通信PPM调制解调系统研究与设计[D].北京：中国科学院大学，2018.

[6]张笔雨.LD激光信号的调制及其应用研究[D].湖南：长沙理工大学，2017.

[7]郭永超.基于声光调制PPM编码的激光通信技术研究[D].重庆：重庆大学，2017.

[8]秦岭，宋科宁，麻宏宇，等.基于FPGA的LED交通灯可见光通信系统[J].测控技术，2017，36（11）：50-56.

[9]梁景熙，张剑鸣，刘宏展.基于FPGA的PPM 可见光通信系统的仿真与实现[J].光通信技术，2015（9）：57-59.

[10]杨小牛，楼才义，徐建良.软件无线电技术与应用[M].北京：北京理工大学出版社，2010.

[11]徐帅.基于FPGA白光LED通信系统的设计[D].大连：大连海事大学，2018.