杨 杰 王剑峰 陈 琦

（青岛科技大学 青岛 266100）

1 引言

当前，随着海军潜艇、无人潜航器以及传感器等装备的高速发展，如何在水下进行实时、高速、稳定的数据传输成为亟待解决的关键技术难题［1～2］。水声通信是水下通信的主要手段，可实现远距离数据通信，但存在通信速率低、设备体积大、信道带宽小、信号时延大等缺点，即使短距离通信，传输速率也很难达到Mbps。目前，常用的电磁波通信方式，由于海水的衰减特性，很难实现远距离信号传播。因此，寻找和发展高速、稳定的水下传输方法已成当前海洋发展和水下无线通信领域研究的热点［3～5］。

水下可见光通信相比水声通信具有带宽高、速率快、时延小、功耗低等优势［6～8］。因为光波相比声波具有以下特性：1）光的频率高，可同时传输大量数据；2）光的方向性强，即视距传输过程中，若光信号被阻挡则接收端就无法获取，信息可能丢失可申请重发，实现可靠性数据传输；3）光的波长短，对发送和接收系统的要求较小，可有效降低成本。因而，水下光通信在未来海洋通信领域具有非常宽广的应用前景［9］。

水下光通信研究设计中，常用的调制方式有二进制开关键控（On-Off Keying，OOK）、PPM、以及差分脉冲位置调制（Differential Pulse Position Modula⁃tion，DPPM）等［10～11］。OOK调制原理简单、带宽利用率高，但传输速率低，误码率大；PPM调制传输速率高，可有效降低发射功率，缺点是带宽利用率低；DPPM调制，在PPM调制基础之上发展而来，可减少编码冗余，提高带宽利用率，缺点是调制实现难度相对较高。

本文给出了一种基于PPM调制的水下光通信系统设计方法。系统包括PPM调制、光驱动端、光接收端、外部处理电路以及PPM解调等，如图1所示。具体通信流程为：对发送数据PPM调制后发送到光驱动端，驱动发光器件发出光脉冲信号，光信号经信道传输到达光接收端，光接收端通过光接收器件接收并将其转化成电信号，经外部处理电路后由PPM解调模块进行解调，恢复数据。

图1 系统组成部分

2 PPM调制部分的设计与实现

2.1 PPM调制原理

PPM调制采用不同时间位置波形信号的“有”和“无”表示数据的“1”和“0”，通过计时器支配输出脉冲的运算过程。通过对系统时钟频率的分析，将计时过程转化为一个计数过程。将调制的二进制数据划分成组，每组所包含的二进制位数均相同。当工作时钟上升沿到来时，计数器开始计数，计数到输出一个高电平脉冲信号，并记录脉冲位置。当计数值与编码的二进制数据相等时，输出端在此时隙位置输出高脉冲，其它时隙位置不输出高脉冲。

本文以四个二进制数为一组，对应的PPM调制示意图如图2所示。

图2 PPM调制示意图

2.2 PPM调制的设计

PPM调制可降低光平均发射功率，同时可有效延长电源和光驱动器的工作寿命，可用较低的发射功率实现较高的数据传输距离。系统选用的FPGA实现PPM调制，芯片型号选定为EP4CE10F17C8。图3为PPM调制实现原理图。

图3 PPM调制原理图

PPM调制的设计包括串并转换器、时钟信号分频器、脉冲比较器、模块时钟时延和窄脉冲信号发生器等部分，如图4所示。串并转换是对输入的数据进行的处理变换，用空间换速率，完成数据的转换；4分频器和8分频器为串并转换和比较器模块提供工作时钟；比较器将输入的并行数据和计数器进行比较，当一组二进制数据对应的十进制位数和计数器相等时，输出端在相应的时隙位置输出一个高脉冲信号，其他位置都为低电平；延时器重要完成对模块间的出现的时钟信号的延迟进行同步处理，时钟上升沿到来时进行数据的读取，为脉冲成形器模块、计数器模块、比较器模块及串并转换模块提供使能端；窄脉冲成形器处理调制信号，缩短脉冲时间宽度，便于数据传输。图4为PPM调制的设计结构图。

图4 PPM调制设计结构图

3 PPM解调部分的设计与实现

FPGA处理模块可对数据进行PPM调制和解调处理。PPM调制完成对数据的编码，而解调模块完成数据的解码，恢复出调制前数据信息。

PPM解调为PPM调制的逆过程，由脉冲恢复、同步脉冲定位、波形处理、并串转换等功能模块组成，如图5所示。具体设计过程如下：四分频（fen⁃pinqi4）模块为计数器（jishuqi4）、移位寄存器（yan⁃shiqi1）、同 步 脉 冲 定 位（pluse2）和 波 形 处 理（pluse3）等提供工作时钟信号；输入的窄脉冲信号信号进入宽脉冲信号恢复（plusefind）模块，输出宽脉冲信号；再经过同步脉冲定位（pluse2）模块确定脉冲信号所在时隙位置；然后在波形处理（pluse3）模块使脉冲信号宽度转换成为四个四分频时间宽度信号，有利于并串转换（piso）模块实现并行数据到串行数据的转换，输出最终的解调信号（输出端名为dout）。各模块之间、模块间的连接线等过程中都会存在时钟延时，所以系统设计时需要加上延时器（yanshiqi1）和（yanshiqi4）等子模块为不同的延时时钟提供同步信号使能端，保证信号脉冲信号能正确地解调出来。本设计并串转换过程中，还需要一个使能信号在四分频时钟信号（fenpinqi4）控制下当使能信号为低电平时输入波形处理（pluse3）信号，高电平时经并串转换后输出信号，这个使能端信号在时钟信号控制下生成的。PPM解调部分具体设计如图6所示。

图5 PPM解调实现原理图

将调制子模块和解调子模块进行联合仿真，综合调制模块和解调模块的顶层设计如图7所示。

图6 PPM解调设计结构图

图7 顶层模块设计图

图7 中top_modulator模块和top_demodulation模块是调制器和解调器的封装模块，PPM调制解调联合设计波形仿真如图8所示。其中maichongxu⁃lie为输入数据信号，signalreceived为接收信号。

图8 PPM调制解调联合设计波形图

由图8可以得出，接收数据信号（signalre⁃ceived）是一系列连续010011…连续信号，收发数据一致，实现通信传输。由于脉冲整形模块生成该信号使用了逻辑语言“异或”、移位寄存器、并串转换模块和脉冲定位模块，所以存在时钟延时，图中有体现。由于各处理模块间传输延迟很小，可以忽略，满足实验测试基本要求。

4 光驱动端的设计

光驱动端完成调制信号的光载波发送。系统采用大功率蓝绿光LED，效率更高、速率更快。

本文采用高端驱动电路设计，如图9所示。既可以保证信号的响应频率和放大倍数，又能提高信号的转换速率和输入阻抗，并且减小输出阻抗。驱动电路采用场效应管（MOSFET）漏极接LED负载的设计。其原理是利用其前端调制电压在栅极上的幅值变化，控制MOS管的导通与否，漏极电流产生与之对应的变化，影响LED的暗灭，从而完成对调制信号的载波输出。

图9 低端驱动电路图

光驱动端具体设计流程为：场效应管（MOS⁃FET）栅极接输入信号，源极接地，漏极接LED负载。当调制信号进入MOS管驱动器时，MOS管驱动器将功率放大后输入MOS管栅极，致使MOS管导通，驱动LED发出调制光信号；当调制信号的低电平脉冲信号通过MOS管栅极时，电平过低致使MOS管截止，即没有光脉冲信号的产生，从而完成发送端数据的调制发送。低端驱动设计，可有效降低噪声电流的干扰，负载一端接电源正极，一端接MOS管、本文选用低功耗的40N10器件，芯片响应时间为200ns。

5 光接收端和外部信号处理的设计

光发送端发出的光脉冲信号经过信道传输到达接收端，信号幅度和功率都得到一定程度的衰减，解调之前需进行预处理操作。

首先进行光电转化处理。接收端模块选用光电倍增管（本文选用的GDB-235）对光信号进行接收和转化。光电倍增管对光的灵敏度高，可检测极微弱的光信号。在选定探测器件和偏置电路以后，就可知所获信号的噪声大小。用恒压源等效探测器设计偏置电路，用最小噪声系数原则设计前置放大器。具体设计流程为：光电倍增管接收光信号并转换成电信号；输出的微弱电流信号需进行放大、滤波、展宽等处理后送到接收模块解调。倍增管负载原理图如图10所示，供电电源为-1200V，末级并联电容减少电流抖动，完成光信号的接收并转化。

图10 光电倍增管外部电路设计图

偏执电阻可由万用表测出，阻值在1M～1G之间，选用结型场效应晶体管，可提高数据处理速率。外部信号处理电路主要完成对信号的放大、展宽、滤波、A/D转换等处理，最后将处理后的数字信号发送到FPGA模块继续进行后续解调工作。

6 实验结果分析

接收端完成数据信号的接收，本节对实验结果进行量化分析。由于信道中光的散射、吸收特性以及其他噪声光源的影响，实验结果存在一定的误差。实验通信流程为：将需要传输的数据发送到FPGA处理模块并进行编码调制，后通过光驱动部分发出光脉冲信号，经过信道传输到达接收端，由光接收端进行接收和处理，最后由FPGA处理模块完成数据的解调。

通过调整发送端发射功率和观察接收数据的结果，整理PPM误码率绘制出如图11所示折线图。

图11 PPM调制的误码率折线图

图11 实验分析可知，PPM系统发射信噪比不断增加时，数据传输的误码率不断降低。当信噪比为9时，误码率可降到7×10-4，在传输波特率大小保持不变的情况下，可实现数据的传输。因此，在系统发送端传输功率保持不变的条件下，PPM调制可实现精确度较高的数据传输，同时也验证了本设计方法的可行性。

7 结语

本文提出了一种基于PPM调制的水下光通信传输系统的设计方法，并通过仿真测试验证。论文主要完成了基于FPGA模块的PPM编、解码，以及光电发、收外部电路的设计。通过对PPM调制方式的传输误码率和发射功率的特性分析，验证了本设计方法的可行性。本文采用PPM调制实现的系统在提高系统发射功率的条件下，可有效降低系统误码率。