PPM调制解调.docx

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石家庄经济学院本科生毕业设计

摘 要

PPM技术具有编码简单、传输效率高等优点，在对潜通信和空间光通信中获得了广泛的应用。

VHDL的宽范围描述能力使它成为高层次设计的核心，不仅可以用简洁明确的代码描述来进行复杂控制逻辑的设计，而且也便于设计结果的保存和重用。

本文主要利用VHDL语言完成了PPM 调制解调器的FPGA设计，该系统主要包括串并转换、计数器、比较器、窄脉冲成形器、脉冲恢复、脉冲定位、脉冲整形、并串转换等模块，并利用QuartusII软件进行仿真，波形仿真结果表明本设计的有效性，最后在FPGA芯片中进一步验证了设计的正确性。

设计的系统能够有效地实现PPM调制解调的功能。

关键词：

脉冲位置调制；FPGA；VHDL；QuartusII

II

ABSTRACT

PPMtechnology’sadvantagesaresimplecodingandhightransmissionefficiency.Ithasbeenwidelyusedinthefieldsofsubmarinecommunicationandspaceopticalcommunications.VHDLdescriptionofawiderangeofcapabilitiesmakesitacoreofhigh-leveldesign,itcanbeusednotonlyclearandconcisedescriptionofthecodetoperformcomplexcontrollogicdesign,butalsobeeasytosaveandreusedesignresults.thispapermainlyusethelanguageofVHDLtocompletethePPMmodemFPGAdesign.Thesystemincludesstringandconversion,counters,comparators,forminganarrowpulse,pulserecovery,pulseposition,pulseshaping,andstringconversionmodule,anditusestheQuartusIIsoftwaretocompletesimulation,waveformsimulationresultsshowtheeffectivenessofthedesign,andintheFPGAchipfurthervalidatethecorrectnessofthedesignfinally.ThesystemdesignedcaneffectivelyachievethefunctionofPPMmodulationanddemodulation.

Keywords:

pulsepositionmodulation;FPGA；VHDL；QuartusII

目 录

IV

摘 要 I

ABSTRACT II

1.绪论 1

1.1PPM的研究背景和意义 1

1.2PPM的研究现状 1

1.3EDA技术简介 1

1.3.1EDA技术基本特征 2

1.3.2EDA工具 2

1.3.3硬件描述语言 2

1.3.4可编程逻辑器件 2

1.4本文结构 2

2.PPM通信系统基本原理 3

2.1PPM调制解调原理框图 3

2.2PPM调制技术 3

2.3PPM解调技术 3

3.PPM调制器的VHDL设计与仿真 4

3.1PPM调制器的VHDL建模 4

3.2PPM调制器的VHDL设计与实现 4

3.2.1PPM调制器顶层设计 4

3.2.2串并转换 5

3.2.3计数器 6

3.2.4比较器 7

3.2.5脉冲成形器 8

3.3PPM调制器波形仿真结果 9

4.PPM解调器的VHDL设计与仿真 10

4.1PPM解调VHDL建模 10

4.2PPM解调器的VHDL设计与实现 10

4.2.1PPM解调器顶层设计 10

4.2.2窄脉冲恢复 12

4.2.3脉冲定位 12

4.2.4脉冲整形 13

4.2.5并串转换 14

4.3PPM解调器波形仿真图 15

5.PPM调制解调系统的FPGA实现 17

5.1PPM调制解调器联合设计 17

5.2FPGA实现 18

5.2.1脉冲序列发生器 18

5.2.2分频器 19

5.2.3延时器 23

5.2.4硬件下载 25

5.2.5SignalTapII观测结果 25

结论 27

致 谢 28

参考文献 29

1.绪论

PPM调制解调器的FPGA设计与实现

30

1.1PPM的研究背景和意义

PPM（PulsePositionModulation）是一种脉冲位置根据已调信号的变化而变化的调制方法。

即用不同时间位置的脉波来表达0与1。

脉冲位置调制可降低光辐射平均功率的要求，有效延长电源和激光器的工作寿命。

给定激光脉冲重复频率，则可用最小的光平均功率达到最高的数据传输率。

同时，解调时不需要人为的设置判决门限、对信道变化不敏感等特点在对潜通信和室内计算机红外无线通信等要求低平均功率传输信息的场合得到应用；而且其编码简单、传输效率高等优点广泛应用于光通信、超宽带移动通信等现代通信前沿技术领域。

将数字序列变换成脉冲序列共有三种基本调制方法：

脉冲幅度调制、脉冲位置调制和脉冲周期调制。

其中脉冲位置调制（PPM）是利用脉冲的相对位置来调制的，因为它的脉冲幅度和宽度均保持不变，可以很简便的实现调制与解调。

PPM主要功能如下：

对输入的数字信号进行调制得到窄脉冲信号以便在信道上传输；接收端对接收到的窄脉冲信号进行解调还原出原数字信号。

在FPGA上实现的PPM调制解调系统与传统实现方法相比提高了设计效率和工作效率。

进入21世纪，光通信技术已经有了很大的进步，这是光电器件、光传输媒介、光通信系统以及网络应用等技术共同进步的结果。

PPM调制解调技术是无线光通信发展的关键技术之一，随着它的发展必将对通信行业产生巨大影响。

1.2PPM的研究现状

1939年英国人A.H.里夫斯于提出脉码调制原理。

PierceJ.R最早提出脉冲位置调制，并且在空间光通信中得到应用。

脉冲位置调制（PPM）在二战中期已付之实用。

英国设菲尔德大学（TheUniversityofSheffield）对应用于激光通信的调制技术进行深入分析，重点研究了PPM调制，并实现其硬件电路。

我国在这方面研究起步较晚，在2000年桂林电子工业学院的光通信系统试验中，对飞机与水下潜艇采用了PPM调制实现通信，

PPM研究有了进一步发展。

PPM和OOK是光通信的常用技术，二进制振幅键控（OOK）是最容易实现的无线光通信系统的调制方式，但它是以牺牲功率利用率为代价的。

与二进制振幅键控

（OOK）相比，PPM调制的光功率利用率和频带利用率更高。

确定激光脉冲重复频率，用PPM调制方式可以有效的提高数据传输率，对激光器发射功率的要求大大降低，给系统的设计带来了很大的方便。

因此PPM调制是目前最适合深空光通信的调制方式之一。

1.3EDA技术简介

电子设计技术的是以EDA技术为核心，EDA是指以计算机为平台，主要辅助进行

IC设计、电子电路设计和PCB设计等。

离开EDA技术的支撑，完成超大规模集成电路的设计是难以想象的。

相反，不断进步的生产制造技术将会对EDA技术提出更高的要求。

1.3.1EDA技术基本特征

设计人员依据“自顶向下”的设计思想，对系统进行设计和功能划分，用专用集成电路（ASIC）实现系统的关键电路，然后采用硬件描述语言（HDL）完成系统行为级设计，最后生成最终的器件。

1.3.2EDA工具

EDA工具软件可大致可分为：

（1）PCB设计工具——Protel，主要包括电路原理图的设计、网络表的生成及印刷电路板的设计方法、设计工艺及操作等内容。

（2）Multisim软件就是一个专门用于电子线路仿真与设计的EDA工具软件，它是

EWB的升级版。

EWB在我国得到广泛的推广应用。

（3）PLD设计工具包括①较成功的的PLD开发平台是MAX+plusII和

QuartusII；②Xilinx是FPGA的发明者；③ISP技术是Lattice发明的，但是PLD规模虽小但相对有特色。

1.3.3硬件描述语言

硬件电子系统的计算机语言是HDL。

早期主要是不兼容、不支持多层次设计的ABEL-HDL、AHDL等硬性语言。

VHDL的正式推出，使自上向下逐层描述的设计思想成为高层次设计的核心。

用简要代码进行复杂逻辑的设计，也便于设计结果的保存和重用，广泛应用于数字电路系统。

1.3.4可编程逻辑器件

简单可编程逻辑器件（SPLD）、现场可编程门阵列（FPGA）和复杂可编程逻辑器件

（CPLD）是可编程逻辑器件的三种主要类型。

FPGA编程速度快可重复编程，但是系统掉电后，数据会丢失；CPLD编程速度慢也可重复编程，而且系统掉电后，数据不会丢失，适于数据的保密。

1.4本文结构

本文题目是PPM调制解调器的FPGA设计与实现，阐述了PPM调制解调原理，重点通过QuartusII软件的VHDL语言实现PPM调制器和解调器的设计。

文章的PPM调制解调原理与以往的思想有些不同，尤其是解调阶段更是有着全新的视角，并且完成了

PPM调制解调系统硬件电路，下面详细阐述论文研究及内容安排

第一章是PPM的研究背景、意义以及现状，阐明了PPM调制解调技术在现代光通信技术中的地位及研究价值。

第二章阐述是PPM调制解调原理的介绍，以及设计中所用到的各个模块及其作用。

第三章根据前面章节的分析对PPM调制器进行VHDL建模，完成PPM调制器的

VHDL设计，并给出了调制器顶层设计图和波形仿真图。

第四章根据前面章节的分析对PPM解调器进行VHDL建模，完成PPM解调器的

VHDL设计，并给出了解调器顶层设计图和波形仿真图。

第五章主要是PPM调制解调系统的FPGA实现，完成PPM调制解调的联合仿真和下载，实现软件与硬件的结合，并用SignalTapII软件观测结果。

最后给出文章的设计结论和存在的不足，并对此设计总结自己的心得。

2.PPM通信系统基本原理

2.1PPM调制解调原理框图

PPM原理如图2-1所示。

D/A

PPM调

制解调

A/D

模拟信息源

模拟接收端

图2-1PPM原理图

模拟信息源发出信号，经过模数转换调制进入PPM调制解调系统，输出信号进行数模转换后到达模拟接收端。

PPM的原理是把一确定时间段分成M等份，每等份称为一个时隙。

在某个时隙发出一个脉冲，其他时隙上无脉冲，则这一确定时间段就是一个PPM信号。

综合频带利用率、功率利用率及其它方面考虑，选择L-PPM作为PPM实现的具体方式。

PPM调制所用载波是周期性不连续光脉冲，若PPM调制信号是L位，那么传送的

数据比特为