楊 杰 王劍峰 陳 琦

（青島科技大學(xué) 青島 266100）

1 引言

當(dāng)前，隨著海軍潛艇、無人潛航器以及傳感器等裝備的高速發(fā)展，如何在水下進(jìn)行實時、高速、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸成為亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題［1～2］。水聲通信是水下通信的主要手段，可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信，但存在通信速率低、設(shè)備體積大、信道帶寬小、信號時延大等缺點，即使短距離通信，傳輸速率也很難達(dá)到Mbps。目前，常用的電磁波通信方式，由于海水的衰減特性，很難實現(xiàn)遠(yuǎn)距離信號傳播。因此，尋找和發(fā)展高速、穩(wěn)定的水下傳輸方法已成當(dāng)前海洋發(fā)展和水下無線通信領(lǐng)域研究的熱點［3～5］。

水下可見光通信相比水聲通信具有帶寬高、速率快、時延小、功耗低等優(yōu)勢［6～8］。因為光波相比聲波具有以下特性：1）光的頻率高，可同時傳輸大量數(shù)據(jù)；2）光的方向性強，即視距傳輸過程中，若光信號被阻擋則接收端就無法獲取，信息可能丟失可申請重發(fā)，實現(xiàn)可靠性數(shù)據(jù)傳輸；3）光的波長短，對發(fā)送和接收系統(tǒng)的要求較小，可有效降低成本。因而，水下光通信在未來海洋通信領(lǐng)域具有非常寬廣的應(yīng)用前景［9］。

水下光通信研究設(shè)計中，常用的調(diào)制方式有二進(jìn)制開關(guān)鍵控（On-Off Keying，OOK）、PPM、以及差分脈沖位置調(diào)制（Differential Pulse Position Modula?tion，DPPM）等［10～11］。OOK調(diào)制原理簡單、帶寬利用率高，但傳輸速率低，誤碼率大；PPM調(diào)制傳輸速率高，可有效降低發(fā)射功率，缺點是帶寬利用率低；DPPM調(diào)制，在PPM調(diào)制基礎(chǔ)之上發(fā)展而來，可減少編碼冗余，提高帶寬利用率，缺點是調(diào)制實現(xiàn)難度相對較高。

本文給出了一種基于PPM調(diào)制的水下光通信系統(tǒng)設(shè)計方法。系統(tǒng)包括PPM調(diào)制、光驅(qū)動端、光接收端、外部處理電路以及PPM解調(diào)等，如圖1所示。具體通信流程為：對發(fā)送數(shù)據(jù)PPM調(diào)制后發(fā)送到光驅(qū)動端，驅(qū)動發(fā)光器件發(fā)出光脈沖信號，光信號經(jīng)信道傳輸?shù)竭_(dá)光接收端，光接收端通過光接收器件接收并將其轉(zhuǎn)化成電信號，經(jīng)外部處理電路后由PPM解調(diào)模塊進(jìn)行解調(diào)，恢復(fù)數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)組成部分

2 PPM調(diào)制部分的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 PPM調(diào)制原理

PPM調(diào)制采用不同時間位置波形信號的“有”和“無”表示數(shù)據(jù)的“1”和“0”，通過計時器支配輸出脈沖的運算過程。通過對系統(tǒng)時鐘頻率的分析，將計時過程轉(zhuǎn)化為一個計數(shù)過程。將調(diào)制的二進(jìn)制數(shù)據(jù)劃分成組，每組所包含的二進(jìn)制位數(shù)均相同。當(dāng)工作時鐘上升沿到來時，計數(shù)器開始計數(shù)，計數(shù)到輸出一個高電平脈沖信號，并記錄脈沖位置。當(dāng)計數(shù)值與編碼的二進(jìn)制數(shù)據(jù)相等時，輸出端在此時隙位置輸出高脈沖，其它時隙位置不輸出高脈沖。

本文以四個二進(jìn)制數(shù)為一組，對應(yīng)的PPM調(diào)制示意圖如圖2所示。

圖2 PPM調(diào)制示意圖

2.2 PPM調(diào)制的設(shè)計

PPM調(diào)制可降低光平均發(fā)射功率，同時可有效延長電源和光驅(qū)動器的工作壽命，可用較低的發(fā)射功率實現(xiàn)較高的數(shù)據(jù)傳輸距離。系統(tǒng)選用的FPGA實現(xiàn)PPM調(diào)制，芯片型號選定為EP4CE10F17C8。圖3為PPM調(diào)制實現(xiàn)原理圖。

圖3 PPM調(diào)制原理圖

PPM調(diào)制的設(shè)計包括串并轉(zhuǎn)換器、時鐘信號分頻器、脈沖比較器、模塊時鐘時延和窄脈沖信號發(fā)生器等部分，如圖4所示。串并轉(zhuǎn)換是對輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行的處理變換，用空間換速率，完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換；4分頻器和8分頻器為串并轉(zhuǎn)換和比較器模塊提供工作時鐘；比較器將輸入的并行數(shù)據(jù)和計數(shù)器進(jìn)行比較，當(dāng)一組二進(jìn)制數(shù)據(jù)對應(yīng)的十進(jìn)制位數(shù)和計數(shù)器相等時，輸出端在相應(yīng)的時隙位置輸出一個高脈沖信號，其他位置都為低電平；延時器重要完成對模塊間的出現(xiàn)的時鐘信號的延遲進(jìn)行同步處理，時鐘上升沿到來時進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取，為脈沖成形器模塊、計數(shù)器模塊、比較器模塊及串并轉(zhuǎn)換模塊提供使能端；窄脈沖成形器處理調(diào)制信號，縮短脈沖時間寬度，便于數(shù)據(jù)傳輸。圖4為PPM調(diào)制的設(shè)計結(jié)構(gòu)圖。

圖4 PPM調(diào)制設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

3 PPM解調(diào)部分的設(shè)計與實現(xiàn)

FPGA處理模塊可對數(shù)據(jù)進(jìn)行PPM調(diào)制和解調(diào)處理。PPM調(diào)制完成對數(shù)據(jù)的編碼，而解調(diào)模塊完成數(shù)據(jù)的解碼，恢復(fù)出調(diào)制前數(shù)據(jù)信息。

PPM解調(diào)為PPM調(diào)制的逆過程，由脈沖恢復(fù)、同步脈沖定位、波形處理、并串轉(zhuǎn)換等功能模塊組成，如圖5所示。具體設(shè)計過程如下：四分頻（fen?pinqi4）模塊為計數(shù)器（jishuqi4）、移位寄存器（yan?shiqi1）、同 步 脈 沖 定 位（pluse2）和 波 形 處 理（pluse3）等提供工作時鐘信號；輸入的窄脈沖信號信號進(jìn)入寬脈沖信號恢復(fù)（plusefind）模塊，輸出寬脈沖信號；再經(jīng)過同步脈沖定位（pluse2）模塊確定脈沖信號所在時隙位置；然后在波形處理（pluse3）模塊使脈沖信號寬度轉(zhuǎn)換成為四個四分頻時間寬度信號，有利于并串轉(zhuǎn)換（piso）模塊實現(xiàn)并行數(shù)據(jù)到串行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，輸出最終的解調(diào)信號（輸出端名為dout）。各模塊之間、模塊間的連接線等過程中都會存在時鐘延時，所以系統(tǒng)設(shè)計時需要加上延時器（yanshiqi1）和（yanshiqi4）等子模塊為不同的延時時鐘提供同步信號使能端，保證信號脈沖信號能正確地解調(diào)出來。本設(shè)計并串轉(zhuǎn)換過程中，還需要一個使能信號在四分頻時鐘信號（fenpinqi4）控制下當(dāng)使能信號為低電平時輸入波形處理（pluse3）信號，高電平時經(jīng)并串轉(zhuǎn)換后輸出信號，這個使能端信號在時鐘信號控制下生成的。PPM解調(diào)部分具體設(shè)計如圖6所示。

圖5 PPM解調(diào)實現(xiàn)原理圖

將調(diào)制子模塊和解調(diào)子模塊進(jìn)行聯(lián)合仿真，綜合調(diào)制模塊和解調(diào)模塊的頂層設(shè)計如圖7所示。

圖6 PPM解調(diào)設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

圖7 頂層模塊設(shè)計圖

圖7 中top_modulator模塊和top_demodulation模塊是調(diào)制器和解調(diào)器的封裝模塊，PPM調(diào)制解調(diào)聯(lián)合設(shè)計波形仿真如圖8所示。其中maichongxu?lie為輸入數(shù)據(jù)信號，signalreceived為接收信號。

圖8 PPM調(diào)制解調(diào)聯(lián)合設(shè)計波形圖

由圖8可以得出，接收數(shù)據(jù)信號（signalre?ceived）是一系列連續(xù)010011…連續(xù)信號，收發(fā)數(shù)據(jù)一致，實現(xiàn)通信傳輸。由于脈沖整形模塊生成該信號使用了邏輯語言“異或”、移位寄存器、并串轉(zhuǎn)換模塊和脈沖定位模塊，所以存在時鐘延時，圖中有體現(xiàn)。由于各處理模塊間傳輸延遲很小，可以忽略，滿足實驗測試基本要求。

4 光驅(qū)動端的設(shè)計

光驅(qū)動端完成調(diào)制信號的光載波發(fā)送。系統(tǒng)采用大功率藍(lán)綠光LED，效率更高、速率更快。

本文采用高端驅(qū)動電路設(shè)計，如圖9所示。既可以保證信號的響應(yīng)頻率和放大倍數(shù)，又能提高信號的轉(zhuǎn)換速率和輸入阻抗，并且減小輸出阻抗。驅(qū)動電路采用場效應(yīng)管（MOSFET）漏極接LED負(fù)載的設(shè)計。其原理是利用其前端調(diào)制電壓在柵極上的幅值變化，控制MOS管的導(dǎo)通與否，漏極電流產(chǎn)生與之對應(yīng)的變化，影響LED的暗滅，從而完成對調(diào)制信號的載波輸出。

圖9 低端驅(qū)動電路圖

光驅(qū)動端具體設(shè)計流程為：場效應(yīng)管（MOS?FET）柵極接輸入信號，源極接地，漏極接LED負(fù)載。當(dāng)調(diào)制信號進(jìn)入MOS管驅(qū)動器時，MOS管驅(qū)動器將功率放大后輸入MOS管柵極，致使MOS管導(dǎo)通，驅(qū)動LED發(fā)出調(diào)制光信號；當(dāng)調(diào)制信號的低電平脈沖信號通過MOS管柵極時，電平過低致使MOS管截止，即沒有光脈沖信號的產(chǎn)生，從而完成發(fā)送端數(shù)據(jù)的調(diào)制發(fā)送。低端驅(qū)動設(shè)計，可有效降低噪聲電流的干擾，負(fù)載一端接電源正極，一端接MOS管、本文選用低功耗的40N10器件，芯片響應(yīng)時間為200ns。

5 光接收端和外部信號處理的設(shè)計

光發(fā)送端發(fā)出的光脈沖信號經(jīng)過信道傳輸?shù)竭_(dá)接收端，信號幅度和功率都得到一定程度的衰減，解調(diào)之前需進(jìn)行預(yù)處理操作。

首先進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化處理。接收端模塊選用光電倍增管（本文選用的GDB-235）對光信號進(jìn)行接收和轉(zhuǎn)化。光電倍增管對光的靈敏度高，可檢測極微弱的光信號。在選定探測器件和偏置電路以后，就可知所獲信號的噪聲大小。用恒壓源等效探測器設(shè)計偏置電路，用最小噪聲系數(shù)原則設(shè)計前置放大器。具體設(shè)計流程為：光電倍增管接收光信號并轉(zhuǎn)換成電信號；輸出的微弱電流信號需進(jìn)行放大、濾波、展寬等處理后送到接收模塊解調(diào)。倍增管負(fù)載原理圖如圖10所示，供電電源為-1200V，末級并聯(lián)電容減少電流抖動，完成光信號的接收并轉(zhuǎn)化。

圖10 光電倍增管外部電路設(shè)計圖

偏執(zhí)電阻可由萬用表測出，阻值在1M～1G之間，選用結(jié)型場效應(yīng)晶體管，可提高數(shù)據(jù)處理速率。外部信號處理電路主要完成對信號的放大、展寬、濾波、A/D轉(zhuǎn)換等處理，最后將處理后的數(shù)字信號發(fā)送到FPGA模塊繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)解調(diào)工作。

6 實驗結(jié)果分析

接收端完成數(shù)據(jù)信號的接收，本節(jié)對實驗結(jié)果進(jìn)行量化分析。由于信道中光的散射、吸收特性以及其他噪聲光源的影響，實驗結(jié)果存在一定的誤差。實驗通信流程為：將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)發(fā)送到FPGA處理模塊并進(jìn)行編碼調(diào)制，后通過光驅(qū)動部分發(fā)出光脈沖信號，經(jīng)過信道傳輸?shù)竭_(dá)接收端，由光接收端進(jìn)行接收和處理，最后由FPGA處理模塊完成數(shù)據(jù)的解調(diào)。

通過調(diào)整發(fā)送端發(fā)射功率和觀察接收數(shù)據(jù)的結(jié)果，整理PPM誤碼率繪制出如圖11所示折線圖。

圖11 PPM調(diào)制的誤碼率折線圖

圖11 實驗分析可知，PPM系統(tǒng)發(fā)射信噪比不斷增加時，數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率不斷降低。當(dāng)信噪比為9時，誤碼率可降到7×10-4，在傳輸波特率大小保持不變的情況下，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。因此，在系統(tǒng)發(fā)送端傳輸功率保持不變的條件下，PPM調(diào)制可實現(xiàn)精確度較高的數(shù)據(jù)傳輸，同時也驗證了本設(shè)計方法的可行性。

7 結(jié)語

本文提出了一種基于PPM調(diào)制的水下光通信傳輸系統(tǒng)的設(shè)計方法，并通過仿真測試驗證。論文主要完成了基于FPGA模塊的PPM編、解碼，以及光電發(fā)、收外部電路的設(shè)計。通過對PPM調(diào)制方式的傳輸誤碼率和發(fā)射功率的特性分析，驗證了本設(shè)計方法的可行性。本文采用PPM調(diào)制實現(xiàn)的系統(tǒng)在提高系統(tǒng)發(fā)射功率的條件下，可有效降低系統(tǒng)誤碼率。