浅谈脉冲间隔调制解调

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【摘要】为能够实现室内可见光通信调制解调，依据室内可见光通信的一些特点，制定出了传空双头脉冲间隔调制解调的诸多方法。首先针对双头脉冲间隔调制原理，设计出了该调制的符号结构，一方面符号不设置保护时隙，另一方面符号长要固定。其次在上述的基础上给出了这种调制和解调方式的实现系统。系统主要依靠FPGA器件来实现，并利用传空方式来完成信息传输，而且设计出了VHDL语言实施的算法流程，最后制定出调制解调系统并实施实验验证。区别于其他系统，这种调制解调系统的最大优势是无需同步信号，实验结果也同样表明该调制解调方式能够非常有效地应用于可见光的通信。

【关键词】可见光通信;传空脉双头冲间隔调制;脉冲间隔调制;系统设计

目前，室内可见光通信是光无线通信的研究焦点，它以大功率白光LED为光源，发送肉眼不可见的闪烁信号来保证正常通信。通信应用的调制解调方式也就成为了通信的关键技术。目前，光无线通信一般应用的调制方式有：脉冲位置调制、开关键控调制、数字脉冲间隔调制。其中数字脉冲间隔调制与脉冲位置调制相比较，它显著缩小了符号长度，而且增强了传输容量和频带利用率，并且无需同步，信号带宽的利用率也比较高。

1.SDH-PIM的原理

传空双头脉冲间隔调制（SDH-PIM）的原理就是把1个m位二进制数据流映射为2（m-1）+2个时隙的信号，调制手段是由2种不同的引导，其后跟着间隔信息，而且间隔信号为传空信号，由此被称作传空双头脉冲间隔调制。头信号由传空和高电平信号组合而成，宽度是2Ts，它的类型决定了位置信息。假设k为m 是由二进制数据表示的十进制数，如果k小于2（m-1），头信号被定义成H1，头信号的传空号宽度是Ts/2，高电平的宽度则为3Ts/2，头信号和传输信息位之间的间隔为kTs;如果k大于或等于2（m-1），头信号是H2，头信号的传空号宽度是3Ts/2，高电平宽度则为Ts/2，头信号和传输信息位之间的间隔为（2m-1-k）。不管是以哪种头信号为引导，传输间隔的空号终结后会传输给高电平，符号的长度固定是2（m-1）+2。正是依靠头信号的这种特点，因此能够编程找到1个完整的SDH-PIM 符号而且不需要提取位同步和符号同步信号。头信号除此外还隐藏了位置信息，这个对接收装置的要求相比而言会较高。室内可见光通信应用LED作光源而且兼顾了照明的功能，SDH-PIM舍去了激光通信应用的冗余保护时隙，因此，这有利于增强信息的传输速率。

2.系统的总体设计

通信系统的调制解调的硬件实现形式有多种多样，既可以采用单片机来实现，也可以采用DSP来实现。

本系统硬件主要依靠SDH-PIM 调制发送模块与SDH-PIM接收解调模块组成，如图2所示。SDH-PIM调制发送模块由发送滤波器模块、LED驱动模块和编码器模块三部分组成。SDH-PIM 接收模块由自动增益系统、前置放大器、译码器和判决器四部分组成。

首先，编码器、译码器为系统的核心装置，是采用Altera公司的EP2C5T144C器件来完成的。

其次，因为接收信号和LED的距离的平方为反比，接收机获得的信号强弱变化比较大，当接收机的增益不发生变化，那么信号太强时会使接收机逐渐饱和，信号太弱时则会丢失脉冲，还有抽样判决时，随着接收脉冲的强弱变化大而导致误判。

因此，系统设定了自动增益的控制装置来增强系统可靠性。另外，论文只考虑直射信道这种通信手段。

3.系统的软件设计

3.1 调制编码

系统软件依靠VHDL语言编程来实现，SDH-PIM调制编码的流程如图3所示。编码器把晶体振荡器分频得到了周期T=Ts/2的时钟，编程应用Mealy型的有限状态机，时钟的作用为生产20个状态，前4个状态用处在于发送头信号，后面16个状态则用于传播空号和脉冲间隔数，还有空信号结束后的高电平数。先把二进制数据流编译为十进制数k，并和2（m-1）进行比较，适合k

3.2 解调译码

解调时必须考虑以下4个问题：

1）时钟问题。因为SDH-PIM符号使用的时钟周期为Ts/2，是为了能够方便判别头信号和脉冲间隔，解调译码时使用统一的时钟，而且时钟周期是调制器时钟的1/10甚至更短。

2）解调译码时使用计数器对头信号的传空部分进行计数，并依据计数值去判别头信号是H1或者是H2。

3）依靠对脉冲间隔计数值来确认所传输的二进制符号。当头信号为H1时，头信号和传空信号的计数值可以确认为二进制值。如果头信号是H2，那么可以间接求出二进制值。

4）因为计数脉冲的频率为发送信号时钟频率的10倍，所以在计数过程中会有计数误差，因此在依据计数值进行判别信号时，应当考虑1个范围来确认信号的类型。例如，当解调译码时，头信号H1、H2的空信号的宽度分别是20us、40us，传空信息信号的宽度是60us，如果使用的时钟周期是1us，计数值介于（19，21），（39，41），（59，61）范围时能够作相应的判决，解调的关键依赖于找出头信号，当编码时，头信号的空信号宽度与位置信号相比要窄。先使接收的信号取反，再通过计数器对脉冲进行计数，依靠计数值去判别头信号或者位置信号。当发现头信号时，就会产生计数，使信号对脉冲间隔进行计数，减去掉头信号中的高电平的宽度计数值，就能够确定二进制值，以此达到解调译码的目的。

4.小结

本文提出的基于现场可编程阵列FPGA 室内可见光调制以及解调系统，它使用SDH-PIM 对基带信号实行调制、解调，这种调制方式的最大特点就是解调时不需要位同步信号和符号同步信号，这种特点将系统解调译码更加便捷，也能增强调制速率。实验结果证明该调制解调系统实现了预期要求，对该调制解调方法的研究也有一定的参考价值。

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