PPM水下激光通信同步技术的研究

邮局订阅号：82-946360元/年技术创新

电子设计

《PLC 技术应用200例》

您的论文得到两院院士关注

PPM 水下激光通信同步技术的研究

Study of Synchronization in PPM Underwater Laser Communication ASIC

(桂林电子科技大学)

邹家轩敖发良

ZOU Jia-xuan AO Fa-liang

摘要:水下激光通信由于信道的特殊性,对于调制解调的方式比常规的激光通信有独特地要求。采用脉冲位置调制解调方式实现的水下激光通信系统兼顾了带宽利用率和功率利用率,有着巨大的应用前景。考虑以往的脉冲位置调解系统都是板级电路,如何将系统单片集成化已成为一种趋势。传统的脉冲位置解调系统有的是对频率要求较为苛刻,或者是采用了模拟器件,因此并不适合单片集成化。针对脉冲位置通信的特点,提出了一种新特别的数字锁相环的解决方式,来实现PPM 信号的时隙同步,避免了传统的数字锁相结构由于调整时钟周期,而带来的逻辑延迟不足的风险。同时针对激光通信的特点,也提出了一种新的帧同步解决方式。最后的结果在Xilinx 的ML505上验证通过。关键词:脉冲位置;同步;激光;全数字锁相环中图分类号:TN929.1文献标识码:B

Abstract:Underwater laser communication has special demands in the method about modulated and demodulated on account of its specialty channel.Implementation underwater laser communication system utilized PPM is a compatible is an optimum future.It is a trend to make the whole system in an integrated circuit.The tradition PPM system is not suit for integration on a chip.It raised a new method to synchronization slot by using specify digital phase locked loop.It can reduce the risk of logic delay lack for tradi -tional DPLL change clock period .For laser communications,it provided a special way to synchronization frame .And The whole de -sign is verified in Xilinx ML505.

Key words:PPM;Synchronization;Laser;DPLL

文章编号:1008-0570(2010)01-2-0159-02

1引言

在水下通信中,经常需要在不便或是不能部署线缆的场合下进行通信。这些场合包括:无线水下无人机器人,潜水员以及一些水下设备同陆基设备间的联系。传统的水下无线通信方式,主要以长波(超长波)通信和声波通信方式为主。然而这两种通信方式都有各自的局限:长波(超长波)通信方式的发射端极其巨大,信息传输速率慢;声波通信方式距离有限,通信保密性不强。Jerlov 在参考文献中指出:海水对于波长范围在470nm-532nm 的激光吸收率最低。该波长区间正好属于蓝绿激光的范围内。由此水下激光通信因为能有效的解决通信距离,通信速率以及通信安全间的矛盾,成为近年来水下无线通信领域关注和研究的热点之一。

2水下激光通信的特点

水下激光通信有两种不同应用需求:1.水下的单位通过激光来传输信息;2.水下单位与水平面以上的单位通过激光来传输信息。水下激光通信的性能受水的清澈度制约。水的清澈度受多种因素的影响,如水中浮游生物种群,水中溶解物,无机物沉淀,水的深度。因此水下激光通信信道衰减大,需要一种通信方式兼顾高功率利用率和高带宽利用率。

3PPM 的特点及其在水下激光通信

领域应用的优势

PPM 采用断续的周期性脉冲为载波,载波受到调制信号的

控制,脉冲的位置随之发生变化,不同位置的脉冲代表不同的信息。在数字PPM 通信系统中,通信时间被分成宽度为T 的周期时间段,每时段被称为PPM 的一帧,每帧又被分成M 时隙,每个时隙占T 1秒。其中前T Q 时间称为传信时段,后T D 时间不传信息称为静默时段。一个时隙带信息的量为log 2M 比特。

图1

参考文献中指出,当PPM 信号的静默时隙数大于或等于32时,有较高的功率利用率和带宽利用率。考虑水下激光通信的特点,PPM 脉冲位置调制系统应用于水下激光通信系统的有着巨大的优势。

4水下激光PPM 系统同步的关键技

术分析

在常规数字通信系统中,数据帧结构的时隙宽度应该是等长的。由于PPM 是利用脉冲在一帧中的具体时隙位置来表征数据,如何确定帧同步信息以及时隙同步信息是解调PPM 信号的关键。

PPM 信号的解调除了需要时隙信号进行同步,还需要帧与帧的间隔。由图2可以看出,如果采用虚线的绘制的帧间隔和实线绘制的帧间隔,解调结果也存在极大不同。

邹家轩:硕士研究生

159--

技术创新

《微计算机信息》

(嵌入式与SOC )2010年第26卷第1-2期360元/年邮局订阅号：82-946

《现场总线技术应用200例》

电子设计图2

当采用一个稳定的静态时钟来实现同步时,由于调制与解调双方时钟必然存在相位偏差,而且随着数据帧长度的增加,频率偏差更会导致相位偏差大小的趋于不确定。

因此采用能不断自我修正的动态时钟是解决收发端时钟偏差带来误判的一种有效方式。Ger Ling 在参考文献5中提出过一种采用模拟锁相环来产生一个动态时钟取代静态时隙同步时钟,来解决上述问题。

5PPM 同步方式的实现

5.1时隙同步的实现

在接收端,虽然参考文献5的方法有效,但是采用了模拟器件,不便于将系统的在FPGA 下验证。同时采用模拟锁相环需要厂商提供专有的硬核,往往需要支付不菲的费用。

采用数字锁相环可以便于数字系统的集成。但传统的数字锁相环无法避免时钟偏移(time-skew),这种偏移会对后继的逻辑带来极大的影响。图3分析了这种问题,并提出了解决的方案:本地时钟Local_clkA 与本地时钟Local_clkB 相位差异为半周期。本地时钟分频后的数据驱动时钟分别为Slot_clkA,Slot_clkB 。假设Slot_clkA,Slot_clkB 为负边沿有效。传统的数字锁相环会在判断出相位的差异后,通过插入/删除计数脉冲的方式修改时钟周期,因此产生了在图3左侧的Slot_clkB 中虚线所示的周期变化。图3左侧的Logic_timeA 明显短于Logic_timeB,由于修改了驱动时钟,供其他逻辑使用的时间明显变少。如果该部分的设计中时序约束比较严格,预留的时序的冗余量不够,这样的条件就会导致时序破坏。当然这样的情况是发生在锁相环锁定过程中,如果锁定完成后,就不会再发生同样情况。然而实际的系统中除去相位误差同时也存在频率误差,当系统工作一段时间后,累积的频率误差又会导致相位误差,锁相再次进入锁定过程,又会再次诱发时序约束违例。

基于上述原因考虑采用DPLL(数字锁相环),但需要加以修改。修改后的实现的方式采用为图3右侧的结构。触发器带有同步使能端。当发生相位差异时,通过调整同步脉冲的位置以获得相位同步。两时相位存在半周期的差异时,调整的是同步脉冲,驱动时钟并未受到影响。通过采用同步脉冲代替同步时钟,解决了由于同步时钟周期的动态调正带来的时序约束违例。这样的实现方式便于综合工具进行综合,即使添加严格的时序约束,仍然不容易出现时序违例。

完整的DPLL 系统结构见图4。PPM 通信中的脉冲占据的时间等于一个时隙同步时钟一个周期的时间。通过判断接收到的PPM 信号的前后边沿与本地时隙同步脉冲的相差间隔,就能有效的确定的本地时隙同步脉冲与预定时隙同步脉冲的相位差异。通过在脉冲的正边沿判断时钟相位差,调整时钟相位,使负边沿同步脉冲搬移到实线处。由于采用的是脉冲信号来同步,在相位锁定后,调解双方的最大误差不会超过本地高频时钟的半个时钟周期。

图3

图4

5.2帧同步及解调的实现

传统的PPM 通信中常采用提取连续出现的背靠背的脉冲来获取帧同步信息,但实际上中这样的实现难度较大。由于激光器存在开启和关闭时间,所以在水下激光通信中,系统会添加图1的T K 段所示静默时段,所以无法出现背靠背的脉冲。

因此转而采用面向连接的帧同步方式,即在通信建立之初连续发送若干个间隔等于帧长度的脉冲。当连续检测到若干个间隔等于帧长度的脉冲时,就认为是进入了一次通信。PPM 解调的方式采用最大似然法。由于系统时钟的相位误差可由数字锁相环降低影响,假设频率偏差为±0.003%(实际中贴片晶振频率偏差不会大于0.003%),且等概分布。当采用最大似然判决法时可以认为是先验概率相等情况,因此最大似然法等价于贝叶斯法则。当满足如下条件:

一帧的时间长度*0.006%<锁相环提供时隙脉冲间隔解调误判几率最低。

6性能结果分析

图5显示了Xilinx 的ISE 仿真结果,输入时钟频率,模拟调解双方的频率偏差的情况。图中的S_P_D_i 是调制端输入到PIT 的PPM 数据,R_P_D_o 是解调出的PPM 数据,Pluse_o 是调制端的输出脉冲。由图可以看出,虽然收发双方由于频率偏差,时隙并不是严格对应的。但由于利用了脉冲的边沿来同步,所以还是成功的实现了解调。

图5

7结论

水下激光通信由于海水高衰减的信道特点,需要一种高效率的调制解调方式。PPM 的调制解调方式具有较高的功率和带宽利用率,针对海水的信道特点,它是一种较好的选择。

本文针对PPM 通信中同步的问题,提出了一种改进结构的数字锁相法获取时隙同步时钟,既提高了系统集成度,又提高了传输效率。同时根据在实际的激光通信中,由于背靠背脉冲不可能出现,因此提出了一种新的方式,实现帧信号同步。最后的结果已经在Xilinx 的ML505上验证通过,正在进行TSMC0.18um 工艺下ASIC 的系统设计。(下转第207页)

160--