一种可用于激光通信的脉冲位置调制模块设计

153电子技术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 调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。

一种可用于激光通信的脉冲位置调制模块设计曹　勇1,王树炜1,邵思杰2（1.装甲兵工程学院控制工程系;2.装甲兵工程学院兵器工程系,北京 100072）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/ki.37-1222/t.2017.14.132图1　基于PPM 调制的激光通信总体结构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图2　通用PPM 调制模块方案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154电子技术图3　PPM 调制FPGA模块设计图图4　采样模块的仿真波形图5　脉冲位置编码模块的仿真波形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。

图6　脉冲输出模块的仿真波形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。

图7　实验平台线路连接图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。

图8　PPM 调制信号与原始信号对比波形图产生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。

图9　38400波特率下串口收发数据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。

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。

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，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 （下转第27页）27工业技术 （3）BCB 货存机构。

BCB 货存机构包括物料货架及物料指示灯，其中物料指示灯用于指示物料货架内物料的状态。

（4）储能弹簧装配机构。

储能弹簧装配机构包括安装在机架上的夹具、压装气缸、压力传感器及安全门，压装气缸安装在所述夹具底部，压力传感器及安全门安装在夹具主体上部。

（5） BCB 配料。

BCB 配料机构包括综合输送带及省力部件。

（6）附件配料机构。

附件配料机构，与所述灭弧罩安装机构连接，并接收安装好灭弧罩的物料。

（7）附件装配机构。

附件装配机构包括若干水平排列的装配器，所述装配器底部设置有放置铜端子的定位槽、上部设置有附件物料放置定位槽，中部设置有托盘。

（8） BCB 装配机构。

BCB 装配工位包含5个工作台，其中1～4号工作台一起完成一个开关的BCB 装配，5号工作台为备用工作台。

每个工作台配有一台工控机和显示器，操作员工必须根据显示内容按步骤地进行取料和装配。

（9）磨合机构。

磨合机构包括视觉传感器和两台并联设置的合分闸测试设备，其中视觉传感器用于检测所述合分闸测试设备的状态。

（10）灭弧罩安装机构。

灭弧罩安装机构包括触头间隙微调部件及灭弧罩装配部件。

（11）全检机构。

全检机构用于对来自视觉检测机构的断路器进行全检，并将全检合格的断路器输送至包装线进行包装工序 （12）视觉检测机构。

视觉检测机构用于对来自面板装配机构的断路器进行视觉检测。

（13）面板装配机构。

面板装配机构用于对来自激光打标机的断路器进行面板安装。

（14）激光打标机。

激光打标机放在9#配料工位，标签打标定位实现自动化、面板由人工放入工装自动打标，人工取出面板和标签。

（15）包装线。

包裝主线体分开，初期采用葫芦吊把开关从主线体吊至包装线，包裝线配备动力滚筒和打包机；经过打包机后，外箱101102103101 组装台102 合格输送线　103 不合格回流输送线图3　操作机构结构示意图图4　包装线结构示意图标签自动打印出来，工人取下标签手工贴到外箱上。

经过打包机后的位置需有称重器，可以打印出重量标签。

同时把重量值保存在流水线的电脑系统中，自动上传给ABB ECS（或MES）系统。

（16）目检工位机构。

目检工位机构接收来自附件装配机构的物料，并输送至所述综合测试台。

（17）综合测试台。

综合测试台包括依次设置的大电流测试部件、性能测试部件及耐压测试部件，用于对断路器进行综合测试，并将测试合格的断路器输送至所述激光打标机。

4　自动生产线应用 本次研制的断路器自动生产线的工作方法具有以下优点： （1）能够实现断路器的自动生产，一方面可以提高生产效率，另一方面能够实现资源统筹，提高资源利用率。

（2）能够对断路器生产的各环节进行统一监控，降低断路器生产的次品率。

（3）断路器自动生产线相比原来各设备，能够降低占地要求。

该生产线2014年完成研制，2015年完成装配，2016年完成调试并投入使用。

截止目前，设备运行稳定，获得了用户的肯定。

目前该设备已经申请了两项专利，实用新型专利一项，专利号2016210182640；发明专利一项，专利号2016107908399。

参考文献：[1]金丰护.X 弹数字化装配生产线技术研究[J].机械工程与自动化,2017(01):186-188.[2]吴姝芹,范勇.自动化生产线的可靠运行[J].轻工科技,2012. [3]Yu S,Hu J.Asymptotic Rejection of Periodic Disturbances With Fixed or Varying Period. Journal of Dynamic Systems Measurement and Control Transactions of the ASME,2001. [4]穆斌.自动化生产线中的纸箱包装技术[D].北方工业大学,2010. [5]艾晓飞.设备及生产线自动化改造与管理[J].设备管理与维修,2017(01):19-20.（上接第154页）以内的数据通信。