基于CPLD的PPM脈位調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳珺

【摘要】? ? PPM信號(hào)具有發(fā)送功率低的特點(diǎn)，在光通信領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。首先根據(jù)PPM的基本原理得到PPM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的模型，接著使用Quartus II工具軟件編寫VHDL程序?qū)崿F(xiàn)該P(yáng)PM系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)PPM信號(hào)產(chǎn)生、PPM信號(hào)解調(diào)等功能，最后把編譯好的程序下載到可編程邏輯器件CPLD實(shí)驗(yàn)板上進(jìn)行測試，從硬件電路上實(shí)現(xiàn)了PPM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的功能。

【關(guān)鍵詞】? ? PPM? ? ?調(diào)制? ? 解調(diào)

Abstract： The PPM signal has the characteristics of low transmission power， is widely used in the field of optical communication. Firstly， according to the basic principle of PPM to get the PPM modulation and demodulation system model， and then use the Quartus II tool software to write VHDL program to implement the PPM system. The system can realize the PPM signal， PPM signal demodulation function. Finally the compiled program is downloaded to the programmable logic device CPLD experiment board for testing， the hardware circuit implementation of PPM modulation and demodulation system function.

Key words： PPM， Modulation， Demodulation.

引言：

我們可以通過改變脈沖信號(hào)的幅度、位置和周期將數(shù)字序列變換成脈沖序列。變換的方法有脈沖幅度調(diào)制（Pulse-Amplitude Modulation，PAM），脈沖位置調(diào)制（Pulse Position Modulation，PPM），脈沖周期調(diào)制（Pulse-Duration Modulation，PDM）。本論文研究脈沖位置調(diào)制，PPM是利用脈沖位置的改變來表示信息的調(diào)制方法，最早由美國工程師約翰·羅賓森·皮爾斯提出并應(yīng)用于空間通信[1]。PPM調(diào)制方式相比通斷鍵控調(diào)制能量傳輸效率高，光功率利用率和頻帶利用率更高，能夠有效的節(jié)約信道資源。PPM還具有編碼簡單，抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。PPM僅需根據(jù)數(shù)字符號(hào)控制脈沖位置，不需對脈沖幅度和脈沖極性進(jìn)行控制，能以較低的復(fù)雜度實(shí)現(xiàn)調(diào)制與解調(diào)，PPM特別適用于對要求低平均功率傳輸信息的場合。PPM信號(hào)調(diào)制廣泛的應(yīng)用于光通信、深空光通信及超寬帶移動(dòng)通信等現(xiàn)代通信前沿技術(shù)領(lǐng)域[2]。

目前，利用EDA工具，采用可編程器件，通過設(shè)計(jì)芯片來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的基于芯片的設(shè)計(jì)方法正逐步取代傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。本論文采用復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD來設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)PPM調(diào)制和解調(diào)器，CPLD包括可編程邏輯宏單元、可編程輸入/輸出單元和可編程內(nèi)部連線三部分。具有高級(jí)程度、高速度、高可靠性的顯著特點(diǎn)。本文采用ALTERA公司的EPM7128SLC84器件作為CPLD實(shí)驗(yàn)電路芯片，該芯片有84個(gè)引腳，包括電源引腳、地線引腳、JTAG引腳等，其中有64個(gè)可用I/O引腳，這些I/O引腳能夠任意配置為輸入、輸出和雙向傳輸方式，封裝形式為PLCC84。CPLD可以完成極其復(fù)雜的時(shí)序與組合邏輯電路功能，具有規(guī)模大、開發(fā)過程投資小、可以反復(fù)編程擦除、開發(fā)工具智能化、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，符合可編程邏輯器件發(fā)展的需求。

整個(gè)設(shè)計(jì)過程的軟件環(huán)境為Altera公司的Quartus? II軟件。并采用硬件描述語言VHDL編寫程序。Quartus II作為一種可編程邏輯的設(shè)計(jì)軟件， 具有強(qiáng)大的設(shè)計(jì)能力和直觀易用的接口，具有完備的電路功能仿真與時(shí)序邏輯仿真，它是具有方便的設(shè)計(jì)輸入方式、快速的編譯和直接易懂的器件編程軟件。

一、PPM脈沖位置調(diào)制器設(shè)計(jì)

PPM的原理是將一段時(shí)間等分成M個(gè)時(shí)隙，這M個(gè)時(shí)隙和一個(gè)保護(hù)時(shí)間構(gòu)成了一幀的時(shí)間，這一幀時(shí)間就是一個(gè)PPM信號(hào)，其中一幀時(shí)間內(nèi)的某個(gè)時(shí)隙發(fā)出一個(gè)脈沖，就是PPM脈沖信號(hào)。假設(shè)傳輸一幀PPM信號(hào)需要T秒，則信息傳遞速率為1/T （bit/s）。

PPM調(diào)制系統(tǒng)主要是對攜帶信息量的數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制得到窄脈沖PPM信號(hào)，這種信號(hào)的抗干擾能力強(qiáng)，能夠適應(yīng)信道傳輸。PPM調(diào)制實(shí)際上就是一個(gè)計(jì)數(shù)輸出脈沖的過程，當(dāng)計(jì)數(shù)值與調(diào)制的進(jìn)制數(shù)相等時(shí)就輸出幀信號(hào)。

1.1 調(diào)制器原理

本文設(shè)計(jì)的PPM調(diào)制器結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。圖中的PPM調(diào)制部分在信道左邊，從左至右依次為串/并變換器、二進(jìn)制分頻器、比較器和窄脈沖形成器。

串/并變換器的作用是一個(gè)二進(jìn)制加法器，設(shè)輸入信號(hào)為s，當(dāng)s=1時(shí)，經(jīng)過加法器變?yōu)?0，當(dāng)s=0時(shí)，經(jīng)過加法器變?yōu)?0[3]。圖2中的二進(jìn)制分頻器設(shè)計(jì)為一個(gè)4分頻器，輸出高低2位二進(jìn)制信號(hào)，對應(yīng)四種狀態(tài)（00、01、10、11），每種狀態(tài)依次輸出，不同的狀態(tài)對應(yīng)不同的時(shí)間位置。串/并變換器只輸出兩種狀態(tài)（00、10），而分頻器有四種輸出狀態(tài)（00、01、10、11），它們分別輸入至比較器中，當(dāng)分頻器輸出（00、10）這兩種狀態(tài)時(shí)，與加法器輸出狀態(tài)相同，此時(shí)比較器輸出為“1”，其他情況下則輸出“0”。在一個(gè)分頻周期內(nèi)，比較器只輸出一個(gè)“1”脈沖，該脈沖的起始位置隨信碼的電平發(fā)生變化，比較器輸出隨信碼的電平不同脈沖起始位置不同的數(shù)字信號(hào)。窄脈沖形成器是一個(gè)D觸發(fā)器，它對比較器的輸出信號(hào)進(jìn)行整形就得到了窄脈沖PPM信號(hào)[4]。

下面以信碼序列“10110110”為例，調(diào)制過程如圖3所示，分頻器依次輸出00、01、10、11四個(gè)電平，而加法器（串/并轉(zhuǎn)換器）則陸續(xù)輸出00、10兩個(gè)電平，且加法器輸出的一個(gè)電平持續(xù)時(shí)間是分頻器輸出一個(gè)電平持續(xù)時(shí)間的4倍。而當(dāng)分頻器輸出的高低位分別與加法器輸出的高低位相同時(shí)，則脈沖形成器輸出一個(gè)高電平，這時(shí)得到的即為PPM信號(hào)。然后將PPM經(jīng)過一個(gè)D觸發(fā)器，D觸發(fā)器對信號(hào)進(jìn)行一個(gè)時(shí)鐘周期的延遲再反相，反相后的信號(hào)與比較器的輸出信號(hào)做與運(yùn)算，避免出現(xiàn)毛刺。

1.2 調(diào)制器軟件仿真

利用Quartus-II軟件設(shè)計(jì)的PPM調(diào)制器的VHDL頂層電路圖如圖4所示。

二、 PPM脈沖位置解調(diào)器設(shè)計(jì)

解調(diào)是調(diào)制的逆過程，目的是把PPM信號(hào)還原出原始數(shù)字基帶信號(hào)。輸出的PPM脈沖信號(hào)經(jīng)過信道送到解調(diào)器，時(shí)鐘電路從脈沖信號(hào)中提取出時(shí)隙信號(hào)和幀信號(hào)，幀信號(hào)的作用是對計(jì)數(shù)器清零，PPM脈沖信號(hào)經(jīng)脈沖位置檢測器和譯碼器輸出。

2.1解調(diào)器原理

PPM信號(hào)解調(diào)器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，它包括整形電路、最長及最短脈沖位置檢測電路、加法器和譯碼器等。整形電路對接收到的PPM調(diào)制信號(hào)整形[5]，主要有D觸發(fā)器和反相器兩部分組成。最長脈沖位置檢測電路的功能是把高低電平互換，實(shí)現(xiàn)PPM信號(hào)的倒相，然后用低電平對計(jì)數(shù)器清零，用高電平對時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)，只有當(dāng)計(jì)數(shù)器的值=5時(shí)輸出高電平，其他情況輸出低電平，這樣就把信號(hào)從“0”跳變到“1”的位置檢測出來（上升沿）。本文利用移位的方法來檢測最短脈沖的間距，進(jìn)而檢測出最短脈沖位置的信號(hào)。但是檢測出的“0”、“1”跳變的PPM位置信號(hào)，并不代表實(shí)際數(shù)據(jù)信號(hào)變化的位置，還要將檢出的最短脈沖位置信號(hào)進(jìn)行移位，與檢出的最長脈沖位置信號(hào)一起輸入加法器進(jìn)行相加運(yùn)算，加法器輸出的數(shù)據(jù)信號(hào)才是真實(shí)跳變的位置。譯碼器將數(shù)據(jù)信號(hào)的電平跳變位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成電平變化的基帶信碼。

2.2解調(diào)器Quartus-II軟件仿真

利用Quartus-II軟件設(shè)計(jì)的PPM解調(diào)器的VHDL頂層電路圖如圖5所示。

三、硬件系統(tǒng)測試

接著將設(shè)計(jì)好的Quartus工程文件下載到相應(yīng)的CPLD器件即ALTERA公司的EPM7128SLC84芯片中，進(jìn)行最后的系統(tǒng)硬件測試，測試的結(jié)果用示波器顯示如圖6和圖7。圖6中波形1為輸入的數(shù)字信號(hào)，波形2為該數(shù)字信號(hào)經(jīng)過PPM調(diào)制之后輸出的信號(hào)，從波形2可看出已經(jīng)正確得到了PPM信號(hào)。圖7中波形1是輸入的數(shù)字信號(hào)，波形2是PPM信號(hào)經(jīng)過解調(diào)之后的波形，兩個(gè)波形基本一致，波形2有少量的時(shí)間延遲，說明已經(jīng)正確解調(diào)出該輸入數(shù)字信號(hào)。通過硬件電路的測試表明，本論文設(shè)計(jì)出了一個(gè)可靠的PPM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

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參? 考? 文? 獻(xiàn)

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作者簡介：陳 珺，云南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，碩士，主要從事軌道交通通信新技術(shù)研究。