原创《一种可用于激光通信的脉冲位置调制模块设计》：此文是一篇脉冲论文范文,为你的毕业论文写作提供有价值的参考。
摘 要：本文依据脉冲位置（Pulse Position Modulation,PPM）调制的基本原理,基于VHDL硬件描述语言,设计了一个可用于激光通信的PPM调制模块.本文介绍了通用PPM调制的设计思路和工作原理,提出了归零码与PPM编码相结合的调制方法,通过比较仿真波形和设计实验验证,该模块能够实现PPM调制,在满足误码率要求的前提下可以实现较高的通信速率,具有很强的通用性.
关键词：激光通信；脉冲位置调制（PPM）；可编程逻辑阵列（FPGA）；VHDL语言
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.14.132
1 引言
激光无线通信有着不受电磁干扰、保密性好、组网机动灵活等特点,在很多领域特别是军事领域有着广泛的应用[1].激光通信属于能量受限的通信系统,影响其调制格式的性能指标主要有平均发射功率、系统带宽需求以及误码率的大小[2].目前激光通信常用的调制方式是OOK（On-Off Keying）调制,它是以单极性不归零码序列来控制正弦载波的开启与关闭,其调制方式简单而易于实现,被广泛应用,但是其功率利用率低,抗干扰能力差[3].研究较多的还有PPM调制、MPPM（Multiple PPM）调制和DPPM（Differential PPM）调制.通过对这几种调制格式的性能指标进行比较,结果表明,随着调制阶数的增加,PPM调制相对其他调制方式平均功率最小,光功率利用率最高,并且在平均功率相同的情况下误码率最低[4].因此, PPM调制相比于其他调制方式应用于激光通信具有很大的优越性.
2 基于PPM调制的激光通信原理
如图1所示为基于PPM调制的激光通信原理.首先通过PPM調制模块将数字信号调制为PPM信号；然后将PPM信号的“1”、“0”分别表示为激光的强、弱,利用激光将PPM信号发射到自由空间；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； PPM解调模块再将PPM信号还原成数字信号,从而实现激光通信.本文主要介绍PPM调制模块的设计.
3 PPM调制模块设计
3.1 PPM调制方案
本文根据PPM的基本原理,利用FPGA（Field Programmable Gate Array）的高速并行特性,使用VHDL硬件描述语言设计了一个用于激光通信的PPM调制模块.PPM调制方案如图2所示,主频经分频产生需要的时钟频率,数字信号经过采样、脉冲位置信息编码、移位输出的过程,最终形成PPM信号.
随着调制阶数的增大,PPM的光功率利用率越高,但是所需要的带宽也随之增大[5],本文以16-PPM为例,对信源进行调制解调.传统的PPM调制采用的是单极性不归零码,正电平代表逻辑1,负电平代表逻辑0,每传输完一位数据,信号返回到零电平.如果遇到PPM编码首尾相接的情况,势必要连续发送正电流,这样使某一位码元与其下一位码元之间没有间隙,不易区分识别.采用归零码可以改善这种状况,当发“1”码时,发出正电流,但持续时间短于一个码元的时间宽度,当发“0”码时,仍然不发送电流.本文结合这两种编码方式的优点,采用占空比为50%的单极性归零码与16-PPM编码相结合的方式,对数字信号进行PPM调制.
3.1.1 时钟分频
主频频率经过分频产生采样时钟、帧时钟和时隙时钟.采样频率设计为100kHz,由于16-PPM一帧有4位二进制数据,有16个时隙,因此时隙时钟频率应为采样时钟频率的4倍,为帧时钟频率的1/4.从而时隙时钟频率为400kHz,帧时钟频率为25kHz.
3.1.2 采样
采样时钟在每个时钟上升沿数据对数据进行采集,并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.计数器计满4个数就清零,同时将缓存的数据并行输出.采样频率越高,采样产生的数据波形越接近原始信号波形,在FPGA资源足够的前提下,采样频率应该尽可能提高,从而保证解调还原后的数据波形更加接近原始数据波形[6].
3.1.3 脉冲位置信息编码
将采样缓存输出的四位并行数据转换为脉冲位置信息编码,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”,例如数据0000对应的编码为0000000000000001.
3.1.4 移位输出
每当帧时钟的上升沿到来时,就将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,移位寄存器就将存入的脉冲位置编码数据右移一位,并输出最低位数据,当时隙时钟的下降沿到来时,就将数据清零,如此便将脉冲位置信息转换为归零PPM信号.当寄存器中的16位数据完全输出时,此时帧时钟上升沿刚好到来,新的脉冲位置信息编码数据存入寄存器,如此周期循环,便将原始数字信号转换为归零PPM调制信号,实现PPM调制.
3.2 FPGA设计与仿真
FPGA的顶层模块设计如图3所示.主要包括采样模块（chuanbing）、脉冲位置编码模块（yima）、脉冲输出模块（jiyi）和一个分频（fenpin）模块.
3.2.1 采样模块的仿真
采样模块主要利用采样时钟,对数字信号进行信号采集、同步计数、缓存、输出.主要完成一个串并转换的过程,该模块的仿真波形如图4所示.
3.2.2 脉冲位置编码模块的仿真
脉冲位置编码模块将缓存输出的四位并行数据转换为16位PPM脉冲位置信息编码,该模块的仿真波形如图5所示.
3.2.3 脉冲输出模块的仿真
脉冲输出模块利用时隙时钟进行同步计数,将寄存的脉冲位置信息移位输出,并在时隙时钟的下降沿将数据置零,最终形成归零PPM调制信号,该模块的仿真波形如图6所示.
4 实验验证与分析
实验平台的连接如图7,实验系统通过PC机的串口收发数字信号,利用PC机的TXD端发送数字信号,数字信号经过PPM调制模块,产生PPM信号.PPM信号通过PPM解调模块还原为数字信号,并利用PC机的RXD端接收还原后的数字信号.将示波器的CH1通道和CH2通道分别接在PPM调制模块的输入和输出端,检验波形是否与理论相符.
4.1 实验波形的验证
图8为PPM信号调制前后的波形对比图,通过比较波形1的原始数字信号与波形2中的PPM信号, PPM信号与对应的原始数字信号相吻合,实验结果与理论一致.
4.2 误码率验证
通过对不同传输速率下的PPM调制的误码率进行实验统计,验证该通用PPM调制模块的通用性,图9是38400波特率时串口的收发数据.可以看出：该通用PPM调制模块可以满足在38400波特率以内的数据通信,误码率极低,适用性很强.
5 结论
本文将归零码与PPM相结合,设计了可用于激光通信的通用PPM调制模块,相比于传统的OOK调制具有更高的光平均利用率和更低的误码率.通过波形仿真和设计实验验证,该模块可以满足38400bps
以内的数据通信.将该PPM调制模块的IP核设计成的PPM调制芯片,用于激光通信的前端,可方便灵活地应用于激光通信中,降低激光通信平均功率,具有广阔的应用前景.
参考文献：
[1]李思静.自由空间光通信系统的研究[D].南京理工大学,2006.
[2]赵明.大气光通信调制编码技术研究[D].华中科技大学,2011.
[3]吴刚.近地无线光通信技术研究[D].复旦大学,2009.
[4]秦岭.大气激光通信中多脉冲调制系统的设计[D].西安理工大学,2007.
[5]杨勤.卫星激光通信系统中脉冲位置调制技术的研究[D].西安电子科技大学,2014.
[6]张孝龙.基于FPGA的软件无线电上下变频技术的研究与设计[D].南京邮电大学,2013.
脉冲论文参考资料：
结论：一种可用于激光通信的脉冲位置调制模块设计为适合不知如何写脉冲方面的相关专业大学硕士和本科毕业论文以及关于脉冲论文开题报告范文和相关职称论文写作参考文献资料下载。
