基于FPGA的高速脉冲位置调制激光通信系统设计

信道中稳定传输的光信号。常见的开关键控是最为简 单的一种调制方式， 直接控制激光发光和不发光来传 递信息。由于大气具有闪烁效应等［1－2］， 选择此调制方 式系统的误码率将上升， 为使误码率降低， 只能调大发 射功率， 这样又带来了功率利用率低的问题。 为了降低误码率， 提高大气传输信道的抗干扰能 力， 本文设计了基于 FPGA 的激光脉冲位置调制激光 通信系统， 该系统能够以最小的光功率达到最大的数
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仵宗钦等： 基于 FPGA 的高速脉冲位置调制激光通信系统设计 《激光杂志》 2015 年第 36 卷第 8 期 LASEＲ JOUＲNAL（ Vol. 36． No. 8. 2015 ） 入进来的 16 位并行数据比较， 依此类推直到相等输 出 4 位解调数据为止。 系统中比较器的工作时钟应 该是串并转换时钟的 16 倍， 以保证在一个信息中能 正确解调出数据。 3． 2． 2 PPM 时隙同步设计 对调制信号的正确解调必须保证解调时钟与调 制时钟的同步， 信号时隙同步常用的是用锁相环恢复 必须对信号 时钟， 但是 PPM 脉冲信号时间间隔较长， 进行延时和相关运算处理， 系统设计较复杂［13－15］。 PPM 调制端和接收端用一样的晶振作为时钟， 双 方频率一致， 但他们没有固定的相位关系， 如果直接 进行同步， 则会发生解调时钟上升沿与 PPM 信号的 上升沿同时到来， 造成 FPGA 不能正确采集数据。 为 此， 本系统采用一种新的方法， 利用 FPGA［16－18］ 里自 带的动态相位 调 整 技 术 DPA 来 达 到 时 隙 同 步 的 目 基本原理是： 首先用 FPGA 里自动的 的， 如图 6 所示， 锁相环 PLL 输出 8 个相位不同的 DPA 时钟分别对输 入进来的激光脉冲采样， 据此可以知道激光脉冲数据 翻转的具体位置。 这样， 就可 以 从 8 个 相 位 不 同 的 DPA 时钟中选择一个位于激光脉冲数据中间的时钟来 对输入进来的数据采样。每次通信系统工作时， 该时 隙同步系统将自动调整时钟与激光脉冲数据的相位， 达到时隙同步， 以便后部能正确的解调出数据。
便利， 其自带的 IP 核非常丰富， 本文利用 FPGA 自带
图1 系统总体框图
的 DPA 核设计了解调系统。 整个通信调制解调系统 均是以 FPGA 为控制核心来完成各个任务。 3． 1 3． 1． 1 PPM 调制系统和同步头设计 PPM 调制系统设计 由 PPM 基本原理可以发现调制的过程本质是一 个计数的过程， 根据并行数据值在相应的时隙位置输 其他不输出即可。 以 16 －PPM 为 出高电平脉冲［9－11］， 例， 图 3 为 16－PPM 调制示意图， 图 4 为调制流程图。
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仵宗钦等： 基于 FPGA 的高速脉冲位置调制激光通信系统设计 《激光杂志》 2015 年第 36 卷第 8 期 LASEＲ JOUＲNAL（ Vol. 36． No. 8. 2015 ） 据传输率， 大大改善了传统的调制方式 。
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PPM 基本原理
在 PPM 激光通信系统的发送端， 编码器把 n 位
图3 16－PPM 调制示意图
二进制数据映射成由 2 n 个时隙上的某一处时隙上的 单个脉冲信号［6－8］。调制器再将该特定时隙以激光脉 冲的方式进行调制， 最后以光脉冲的形式发射出去。 N 位数据组记为： M = （ m1 ， m2 ， … mn ） ， 对于映射关系 表示为： L = m1 +2 m2 +… +2 n－1 m n 式中 L 代表时隙的位置数。即： S n（ t ） = （ 1）
系统中， FPGA 读取信号源后， 通过编写的 PPM 逻辑调制单元程序对信号源进行调制， 调制后的信号 经过放大， 来驱动电光调制器对输出的激光信号进行 调制， 输出激光脉冲信号流。激光脉冲信号流通过光 学系统和大气信道后到达接收端， 在接收端雪崩光电 二极管 APD（ Avalanche Photo Diode ） 对接收的激光脉 转换后的电信号经过预处 冲信号进行光电转换［3－5］， 理后送给 FPGA 中的 PPM 解调单元， PPM 解调单元 在位同步与帧同步下解调出原有信息， 可以通过比对 解调出的信息与原有信息来评估通信系统的正确性 。
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仵宗钦等： 基于 FPGA 的高速脉冲位置调制激光通信系统设计 《激光杂志》 2015 年第 36 卷第 8 期 LASEＲ JOUＲNAL（ Vol. 36． No. 8. 2015 ）
·光纤通信与网络信息·
基于 FPGA 的高速脉冲位置调制激光通信系统设计
仵宗钦1 ， 刘 鹏2
130022 ； 130022
P C 表示脉冲功率， TC 式中 S n（ t ） 表示调制信号， 表示时隙的长度。 对一个 2 位的二进制数据进行脉冲位置调制， 调 制的时隙数为 2 = 4 ， 则： 当 M = （ 0， 0） ， 则 L = 0； 当 M = （ 1， 0） ， 则 L = 1； 当 M = （ 0， 1） ， 则 L = 2； 当 M = （ 1， 1） ， 则 L = 3； L = 0， 1， 2， 3 分别对应于相应的时隙位置， 如图 2
收稿日期： 2015－03－18 基金项目： 总装备部靶场测试基金（ KYC－XZ－XM－2014－015 ） 。 作者简介： 仵宗钦（ 1989－ ） ， 男， 硕士研究生， 主要研究方向为光电传感 与光电探测技术 。E－mail： 664681502@ qq． com。 通讯作者： 刘鹏（ 1982－ ） ， 男， 博士研究生， 主要研究方向为信息检测与 处理技术。E－mail： Louis585760@ 126． com 。
(
摘
1． 长春理工大学 电子信息工程学院， 长春
2． 长春理工大学 空地激光通信技术国防重点学科实验室， 长春 Nhomakorabea)
要： 针对传统的激光通信系统误码率高、 抗干扰能力差的问题， 本文在研究脉冲位置调制 PPM （ Pulse
Position Modulation） 的工作原理及特点的基础上， 设计了一种以现场可编程逻辑器件 FPGA （ Field Programmable Gate Array） 为控制核心的高速 PPM 调制激光通信系统。 从实际出发， 利用 FPGA 的高速并行性特性完成了 PPM 调制解调系统的设计， 在调制系统中设计了帧同步以保证信息的同步， 对于解调部分， 系统利用 FPGA 内 部的动态相位调整电路 DPA （ Dynamic Phase Alignment ） 来达到对 PPM 信号的时隙同步。 经实验验证： 系统能 很好的对信号进行 PPM 编码， 且能正确解调出原信息。该系统为后续的激光通信系统设计有很好的参考价值 。 关键词： PPM； 激光； 可编程逻辑阵列（ FPGA） ； DPA； 时隙同步 中图分类号： TN98 文献标识码： A DOI 编码： 10. 14016 / j． cnki． jgzz. 2015. 08. 120
The Design of High － speed Pulse Position Modulation Laser Communication System Based on FPGA
WU Zong－qin1 ， LIU Peng2
Changchun University of Science and Technology， Changchun 130022 ， China； 1． College of Electrical and Information Engineering， 2． The key Laboratory of National Defense on Space－ground Laser Communication Technology， Changchun University of science and Technology， Changchun 130022 ， China
所示。可以看出由公式（ 1 ） 决定的映射关系是一一对 应的关系， 满足编码调制的唯一确定性 。
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系统总体设计
系统的总体框图如图 1 所示。 系统的基本硬件
构成主要有调制单元、 解调单元以及同步单元等。
图2 PPM 调制脉冲示意图
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PPM 调制解调系统设计
FPGA 的灵活性为通信系统的设计带来了极大的
图4 调制流程图
{
PC
LT C ＜t ＜（ L +1 ） T C 其他时间
0
（ 2）
进来的数据首先进行串并转换， 4 位二进制数据 为一组并行数据， 该组数据至少保持一帧时间（ 16 个 时隙） ， 故通过锁存器来锁存并行数据， 然后与 16 进 制计数器进行比较， 如果相等， 则该时隙位置输出高 脉冲， 否则输出低脉冲， 这样就把输入的串行数据进 行了调制。系统中一组并行数据需要输出 16 个调制 脉冲， 因此串并转换的时钟为时隙时钟的 16 分频， 4 个二进制数据进行串并转换， 则串行数据的时钟为串
Abstract ： For the problem that traditional laser communication system bit error rate is high， and the anti－interference ability is poor， the paper describe a high－speed PPM modulated laser communication system． Its control core is a field programmable logic device FPGA（ Field Programmable Gate Array） based on the study of the principle and charI finish the acteristics of pulse position modulation PPM （ Pulse Position Modulation ） ． From a practical point of view ， system of PPM modulation and demodulation by using FPGA high speed parallel characteristic． In the system， I design frame header specific tail to ensure information for synchronization． For the demodulation part， the system uses dynamic phase adjustment circuit DPA（ Dynamic Phase Alignment） from FPGA internal to achieve the time slot synchronization of PPM signals． Through experiments prove： the system can code signal in PPM very well， and can demodulate original information correctly． The system has a very good reference value for the following design of laser communication system． Key words： PPM； Laser； Programmable logic array（ FPGA） ； DPA； Slot synchronization 在无线激光通信系统中， 强度调制与直接解调用 的最多， 激光调制是通信中关键的技术， 即以激光做为 信息载体， 把表达信息的电信号转换为能在大气传输