基于FPGA的PPM系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　摘要：給出了脈沖位置調(diào)制(PPM)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并基于FPGA通過(guò)簡(jiǎn)明的Verilog代碼實(shí)現(xiàn)了該設(shè)計(jì)，時(shí)序仿真結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠滿足PPM系統(tǒng)的要求，并在滿足一定性能需求的情況下消耗了較少的邏輯資源。

　　關(guān)鍵詞：PPM;FPGA;Verilog HDL;時(shí)序仿真

　　引言

　　作為一種新型的通信技術(shù)，脈沖位置調(diào)制(PPM)系統(tǒng)依靠其編碼簡(jiǎn)單、傳輸效率高等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于超寬帶移動(dòng)通信、光通信、機(jī)載設(shè)備的空地?cái)?shù)據(jù)鏈等諸多領(lǐng)域，同時(shí)PPM信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)對(duì)整個(gè)通信系統(tǒng)的性能影響很大。

　　本文主要介紹了在QuartusII集成開發(fā)環(huán)境下，充分發(fā)揮數(shù)字設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)[1]，利用Verilog HDL實(shí)現(xiàn)PPM系統(tǒng)，并通過(guò)時(shí)序仿真結(jié)果來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案。

　　PPM系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　PPM是利用脈沖的相對(duì)位置來(lái)傳遞信息的一種調(diào)制方式，其基本原理就是將碼元信息表示在一個(gè)幀時(shí)間段內(nèi)的某個(gè)時(shí)隙上，若一個(gè)碼元由n比特組成，該幀時(shí)間段含M個(gè)長(zhǎng)度為t的時(shí)隙，則2^n=M。將n比特位編碼后對(duì)應(yīng)成某個(gè)時(shí)隙上的脈沖來(lái)傳輸該碼元信息，而該幀時(shí)間段內(nèi)的其他時(shí)隙上則無(wú)脈沖，從而產(chǎn)生PPM信號(hào)。通常幀時(shí)間段還包含一個(gè)保護(hù)時(shí)間間隔Tp ，則系統(tǒng)的比特率為n/(M×t+Tp)。圖1即為一幀16-PPM信號(hào)示意圖，其中的脈沖則表示了當(dāng)前碼元(0111)所對(duì)應(yīng)的時(shí)隙。

　　PPM系統(tǒng)的主要原理相對(duì)簡(jiǎn)單，所以可將重點(diǎn)放在代碼編寫和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方面。設(shè)計(jì)過(guò)程中最重要的是各個(gè)模塊之間的接口設(shè)計(jì)，競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)現(xiàn)象的避免等。

　　為透徹理解PPM系統(tǒng)原理及其本質(zhì)，簡(jiǎn)化PPM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，故在本文所設(shè)計(jì)的PPM系統(tǒng)中暫不考慮保護(hù)時(shí)間間隔Tp，同時(shí)取M=4，即設(shè)計(jì)一個(gè)4-PPM系統(tǒng)，以便于通過(guò)仿真來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)性能。

　　調(diào)制系統(tǒng)

　　通過(guò)上述原理介紹，可知PPM信號(hào)的調(diào)制實(shí)際上是一個(gè)計(jì)數(shù)輸出脈沖的過(guò)程[2]，對(duì)時(shí)隙信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)它跟調(diào)制數(shù)據(jù)相等時(shí)就在相應(yīng)的時(shí)隙輸出高電平“1”，其他時(shí)隙均輸出低電平“0”。

　　圖2是PPM調(diào)制系統(tǒng)的框圖，主要由串/并轉(zhuǎn)換、4分頻器、比較器、窄脈沖形成器、整形輸出等5個(gè)模塊。其中，串/并轉(zhuǎn)換模塊主要完成對(duì)輸入比特流的二進(jìn)制編碼[3];4分頻器用于生成幀時(shí)間段內(nèi)的4個(gè)時(shí)隙;比較器完成對(duì)上述兩模塊輸出的高低對(duì)應(yīng)位的匹配比較;窄脈沖形成器用于對(duì)比較器的輸出做成型濾波，限制PPM脈沖的帶寬，從而減小該P(yáng)PM脈沖對(duì)相鄰頻帶內(nèi)信號(hào)造成的干擾;整形電路僅用D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)，主要功能是鎖存PPM窄脈沖，與時(shí)鐘同步，從而避免競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)現(xiàn)象[3~4]。

　　解調(diào)系統(tǒng)

　　在設(shè)計(jì)PPM解調(diào)系統(tǒng)時(shí)，考慮到PPM信號(hào)的產(chǎn)生原理，不難發(fā)現(xiàn)當(dāng)輸入比特流為連續(xù)的“1”串或連續(xù)的“0”串時(shí)，PPM信號(hào)脈沖的間隔保持恒定，為4個(gè)時(shí)鐘周期。而只有在輸入比特流從“1”變?yōu)?ldquo;0”或者從“0”變?yōu)?ldquo;1”時(shí)，PPM信號(hào)脈沖的間隔才會(huì)發(fā)生變化[5]。所以可根據(jù)接收到的PPM信號(hào)脈沖間隔的不同來(lái)完成解調(diào)，判斷原輸入比特是“1”還是“0”。

　　根據(jù)上述解調(diào)模型，可設(shè)計(jì)PPM解調(diào)系統(tǒng)框圖如圖3所示，主要由時(shí)鐘提取電路、脈沖位置檢測(cè)電路、譯碼器、整形輸出等模塊構(gòu)成。其中，時(shí)鐘提取電路包括時(shí)隙同步[6]、幀同步和字同步[7]等，為簡(jiǎn)單起見，在本設(shè)計(jì)中省略了時(shí)鐘提取模塊。脈沖位置檢測(cè)電路主要包括最短脈沖位置檢測(cè)、最長(zhǎng)脈沖位置檢測(cè)。值得注意的是，在檢測(cè)最短脈沖位置時(shí)，需要移位兩個(gè)時(shí)鐘周期后再和原PPM信號(hào)相與才能判別出其位置，這是因?yàn)楫?dāng)數(shù)據(jù)信號(hào)從“1”變?yōu)?ldquo;0”的過(guò)渡階段，表示“1”的PPM信號(hào)前沿和表示“0”的PPM信號(hào)前沿間距為2個(gè)時(shí)鐘周期。同樣，整形輸出模塊也是依靠觸發(fā)器來(lái)鎖存數(shù)據(jù)，完成整形。