朱孟祥， 唐普英，唐湘成， 劉 怡，曾 晶 ，曾 軍

（1.電子科技大學(xué) 四川 成都 610054；2.西南技術(shù)物理研究所 四川 成都 610041）

脈沖位置調(diào)制（PPM）就是用調(diào)制信號控制發(fā)送脈沖序列中各脈沖的相對位置，隨著調(diào)制信號的變化而發(fā)生變化。作為新發(fā)展起來的無線激光通信技術(shù)，它具有編碼簡單，傳輸效率高，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點，可以極大地提高通信系統(tǒng)的信息安全，廣泛應(yīng)用與超寬帶移動通信，大氣激光通信等領(lǐng)域。并且最重要的是，開展大氣激光通信系統(tǒng)的研究對于國防現(xiàn)代化建設(shè)具有舉足輕重的意義[1]。但是PPM調(diào)制解調(diào)傳輸信息時占用大量的帶寬，造成不必要的浪費(fèi)。

因此，在此基礎(chǔ)上提出了新的調(diào)制解調(diào)方法DPPM調(diào)制解調(diào)技術(shù)，在相同傳信率的情況下DPPM調(diào)制解調(diào)比PPM調(diào)制占用的信道帶寬少，DPPM調(diào)制解調(diào)的加入，大大提高了大氣激光通信系統(tǒng)傳輸信息的效率，成為其中不可或缺的技術(shù)。

通過對DPPM調(diào)制解調(diào)的建模，充分利用FPGA的豐富數(shù)字化資源，verilog語言代碼的簡單性，用盡可能少的邏輯資源成功實現(xiàn)一種DPPM調(diào)制解調(diào)方法，借助于QuartusII的SignalTap在線調(diào)試工具，成功模擬了DPPM調(diào)制解調(diào)技術(shù)，為以后DPPM調(diào)制解調(diào)技術(shù)的實用化打下了很好的基礎(chǔ)。

1 DPPM的原理與建模

PPM是將一個n位二進(jìn)制數(shù)據(jù)映射到2n個時隙組成的時間段上的某一個時隙處，每一個n位數(shù)據(jù)映射為對應(yīng)某一個時隙處單個脈沖信號。一個M位的PPM信號，傳輸?shù)男畔⒈忍貫閚=log2M。 一個nbit信源 U= （U1，U2， …，Un）∈{0，1}可以調(diào)制成具有M個時隙的PPM信號（M=2n），通過脈沖所在時隙中的位置來表示不同的信源組合（n位）。也就是PPM調(diào)制技術(shù)利用脈沖在一個信息幀的的相對位置來傳遞信息。若將單脈沖在信息幀的相對位置用P表示，則P=2n-1Un+Un-1+…+U1[2]，8-PPM信息幀調(diào)制示意圖如1所示。

圖1 脈沖位置調(diào)制示意圖Fig.1 Sketch map of PPM

DPPM調(diào)制解調(diào)技術(shù)是在PPM調(diào)制解調(diào)技術(shù)上的一種改進(jìn)方式，它時將一幀數(shù)據(jù)中單脈沖之后的低電平去掉，單脈沖之前的高電平全部保留。對于DPPM信號與PPM信號具有相同的分析方法，在這里就不贅述。DPPM碼組傳輸?shù)男畔⒈忍乇萈PM調(diào)制占用的信道帶寬少。這樣利用DPPM調(diào)制技術(shù)傳輸信號就在一定程度上節(jié)省了帶寬[3]。信源比特和傳送信號之間的映射關(guān)系如下表所示：

表1 信源比特和傳送符號間的映射Tab.1 Mapping between source bits and transmit symbols

通過表格看出，PPM調(diào)制解調(diào)技術(shù)每一幀數(shù)據(jù)中的信息段必須包含4個時隙，而DPPM調(diào)制后信息每幀數(shù)據(jù)信息段就小于或者等于4個時隙，DPPM調(diào)制技術(shù)傳輸信號就在一定程度上節(jié)省了帶寬，差分脈沖位置調(diào)制（DPPM）示意圖如圖2所示。

圖2 差分脈沖位置調(diào)制示意圖Fig.2 Sketch map of DPPM

2 DPPM調(diào)制器設(shè)計方案

DPPM調(diào)制器主要是將輸入的信源信號由串行比特序列轉(zhuǎn)變?yōu)闀r隙脈沖序列，具體包括信號的串并轉(zhuǎn)換、脈沖位置的計算以及通過緩存器與控制模塊產(chǎn)生DPPM脈沖。下圖所示為DPPM調(diào)制系統(tǒng)實現(xiàn)的硬件框圖[4]。

圖3 調(diào)制器硬件框圖Fig.3 Flow chart of modulator hardware

DPPM調(diào)制模塊設(shè)計的核心部分為RAM存儲器和計數(shù)器模塊。RAM存儲器模塊主要是存儲串并轉(zhuǎn)換模塊形成的并行信號，這其中有兩個地址信號，寫地址指信號（指示下一個數(shù)據(jù)要寫的地址）和讀地址信號 （下一個被讀數(shù)據(jù)的地址）。當(dāng)數(shù)據(jù)寫到一定數(shù)量時，產(chǎn)生使能信號（En_Read），此時開始讀RAM暫存器中的數(shù)據(jù)。

下面討論一下關(guān)于RAM暫存器滿的一些操作，當(dāng)寫地址信號大于等于RAM暫存器的容量時，寫地址信號將清零，將執(zhí)行復(fù)位操作；當(dāng)暫存器未滿的時候，寫地址信號將執(zhí)行加1操作，指向下一個數(shù)據(jù)的地址；在寫verilog代碼的時候，最重要的控制邏輯是當(dāng)讀寫地址信號重合 （讀地址=寫地址并且 讀地址大于0）的時候該如何進(jìn)行操作。在這里我們將讀寫地址執(zhí)行復(fù)位操作 （讀寫地址歸零），并將讀使能信號（enread）清零，接下來只能對對RAM暫存器執(zhí)行寫操作，這樣就避免了讀出一些以前存儲的數(shù)據(jù)（錯誤數(shù)據(jù)），造成傳送錯誤信息。當(dāng)然讀地址累加到設(shè)定的值會自動從開始累加，值得注意的是讀寫地址執(zhí)行復(fù)位操作的優(yōu)先級要高于上面的操作，以此避免讀到錯誤數(shù)據(jù)（以前存儲或者存儲器空）。

經(jīng)DPPM調(diào)制后的，SignalTap在線采樣圖如圖4所示。

Pulse代表調(diào)制后的發(fā)射脈沖。

DPPM_Data代表輸入經(jīng)串并變換后的信號。

圖4 調(diào)制器波形圖Fig.4 Signal waveform graph of modulator

3 DPPM解調(diào)器設(shè)計方案

DPPM解調(diào)器主要從信道中解析出來幀同步信號、檢測脈沖位置，并且根據(jù)脈沖位置和控制信號，結(jié)合串轉(zhuǎn)換操作，輸出串行二進(jìn)制信息[5]。下圖為DPPM解調(diào)器模塊框圖。

圖5 解調(diào)器硬件框圖Fig.5 Flow chart of demodulator hardware

在調(diào)試調(diào)制模塊的編碼程序中我們看到，每一段發(fā)射脈沖后面都會緊接著一段時間的低電平，而這段低電平的持續(xù)時間是固定的，接下來是信息段。當(dāng)然信息段是不固定的，根據(jù)脈沖位置的變化而變化。低電平的持續(xù)時間是每次寫暫存器RAM的半滿時間。在信息傳輸過程中每一個信息幀都有同步頭。在這里為了使解調(diào)模塊盡可能的簡單，沒有特意的給每一幀發(fā)射信號插入同步頭。而是將這段低電平的持續(xù)時間作為幀同步頭[6]，這樣解調(diào)起來相對方便快捷一些。

下面是DPPM解調(diào)器模塊在線調(diào)試的采樣波形，如圖6所示。

圖6 解調(diào)器波形圖Fig.6 Signal waveform graph of demodulator

4 結(jié) 論

本文對大氣激光通信中的DPPM調(diào)制解調(diào)進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析，DPPM調(diào)制解調(diào)方式是PPM調(diào)制解調(diào)技術(shù)的一種改進(jìn)，它不像PPM那樣浪費(fèi)時間直到一個確定的幀周期結(jié)束，在帶寬利用率方面要明顯高于PPM。根據(jù)調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的需要，建立了DPPM調(diào)制解調(diào)的系統(tǒng)模型，設(shè)計了DPPM調(diào)制解調(diào)數(shù)字化系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，設(shè)計DPPM的特殊的幀結(jié)構(gòu)（表面上看沒有幀同步頭），并且從系統(tǒng)實現(xiàn)的角度來看，由于DPPM這種特殊的幀結(jié)構(gòu)決定在它在接收端解調(diào)時不需要提取幀同步信號，這將大大簡化接收端的設(shè)計，更易于實現(xiàn)。

使用FPGA自帶數(shù)字鎖相環(huán)實現(xiàn)對時隙時鐘信號的提取。在此基礎(chǔ)上設(shè)計了DPPM調(diào)制器、DPPM解調(diào)器，并且進(jìn)行了深入分析、設(shè)計和在線調(diào)試[7]。調(diào)試結(jié)果表明DPPM調(diào)制技術(shù)在節(jié)約帶寬方面較PPM有較大的提高。將其應(yīng)用在大氣激光通信系統(tǒng)中，肯定會提升系統(tǒng)整體的性能。

綜上所述，DPPM更適合未來的激光通信系統(tǒng)。對以后DPPM調(diào)制解調(diào)技術(shù)的實用化具有一定的參考價值。

[1]Keiser G.光纖通信 [M].3版.李玉權(quán)，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2002.

[2]Shu Lin Jr.差錯控制編碼[M].晏堅，何元智，等，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[3]柯政熙，殷致云.無線激光通信系統(tǒng)中的編碼理論[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

[4]夏宇聞.verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計教程[M].2版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[5]BlakeR.Electronic communication systems [M].USA:Thomson Learning and Publishing House of Electronics Industry，2002.

[6]柯熙政，席曉莉.無線激光通信概論[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2004.

[7]Franz J H，Jain V K.光通信器件與系統(tǒng)[M].許宏杰，蔣劍良，等譯.北京：電子工業(yè)出版社，2002.

[8]魏麗英.空間激光通信系統(tǒng)PPM調(diào)制技術(shù)的研究 [D].長春：長春理工大學(xué)，2007.