基于紫外光通信的FEC和DPPM的研究及实现

论文摘要

紫外光通信是基于大气散射,采用日盲区中紫外波段（200-280nm）光波进行通信传输,主要应用于短距离的、保密的通信,是常规通信的一种重要补充。本文主要研究工作是基于紫外光通信大气散射模型的编解码及调制解调理论分析与电路实现。信道编码和调制技术是紫外光通信中的关键技术。本文首先介绍了紫外光通信的系统组成原理以及研究现状,详细分析了紫外光通信中调制编码的工作原理,并在此基础上提出了基于现场可编程逻辑阵列（FPGA）的发射机和接收机设计的详细方案。本文提出了一种新的实现方案,该方案主要基于嵌入式技术,通过将用户自定义的逻辑模块,存储器,输入/输出设备集成到单块成本低的FPGA上,组成一个可编程片上系统（SOPC）,以实现发射端编码调制功能和接收端解调译码功能。该方案相对于基于DSP或者ARM微处理器的设计,成本可以降低50%,功耗更低。而且还可以降低整个系统的能耗,并提高信道传输效率,以及在同等条件下可以增加发射机和接收机的传输距离。同时本文对前向纠错（FEC）编码和差分脉冲位置调制（DPPM）子系统的实现做了详细理论分析研究。完成了紫外光通信系统发射机与接收机电路部分的硬件实现。采用FPGA实现发射机和接收机的硬件子系统的核心部分,硬件描述语言采用的是Verilog。发射机和接收机硬件子系统的包括FEC编解码,DPPM调制解调,信号的串并转换模块以及时隙同步等模块。采用Modelsim对这些模块进行了功能仿真,并最终采用Quartus对这些模块进行了综合生成配置文件,从而构成一个SOPC系统。最后对发射机与接收机进行了软硬件协同测试。将FPGA配置文件下载到FPGA中,再通过闪存编程软件将应用程序烧写到扩展闪存中,从而构建出一个完整的发射机子系统或者接收机子系统。测试结果表明设计的发射机和接收机子模块能够完成数据速率为10kbit/s的数据传输。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 国内外技术背景
• 1.3 紫外光通信原理
• 1.3.1 紫外光通信的机理与应用
• 1.3.2 紫外光的光谱特性
• 1.3.3 影响紫外光通信的主要因素
• 1.3.4 非直视紫外光通信的大气传输特性
• 1.4 本文研究目的和研究内容
• 1.4.1 本文研究的目的
• 1.4.2 本文研究的主要内容
• 第二章 紫外光信道编解码与调制解调方案设计
• 2.1 概述
• 2.2 紫外光信号调制编码方案选择与设计
• 2.2.1 紫外光信道编解码选择
• 2.2.2 紫外信道调制解调选择
• 2.2.3 紫外光信号编解码与调制方案设计
• 2.3 小结
• 第三章 基于紫外通信的 FEC 原理与硬件实现
• 3.1 前向纠错（FEC）原理
• 3.1.1 RS 码基础理论
• 3.1.2 RS 码编码算法
• 3.1.3 RS 码解码算法
• 3.1.4 紫外光通信编码模型
• 3.2 有限域乘法器和求逆器的硬件实现
• 3.2.1 有限域乘法器实现
• 3.2.2 有限域求逆器实现
• 3.3 RS 编码器的硬件实现
• 3.4 RS 解码器的硬件实现
• 3.4.1 解码器的流水线结构
• 3.4.2 伴随式计算的硬件实现
• 3.4.3 BM 算法求解关键方程的硬件实现
• 3.4.4 Foney 算法和 Chein 搜索算法的硬件实现
• 3.5 RS 编解码器的仿真验证
• 3.5.1 编码器验证
• 3.5.2 解码器验证
• 3.6 小结
• 第四章 基于紫外通信的 DPPM 原理与硬件实现
• 4.1 脉冲编码调制原理
• 4.1.1 脉冲位置调制
• 4.1.2 多脉冲位置调制
• 4.1.3 差分脉冲位置调制
• 4.1.4 三种调制方式性能比较
• 4.1.5 时钟同步系统
• 4.1.6 紫外光通信调制模型
• 4.2 DPPM 调制解调器电路实现
• 4.2.1 DPPM 调制器的实现
• 4.2.2 DPPM 解调器的实现
• 4.3 时钟同步系统设计
• 4.3.1 时隙同步子系统
• 4.3.2 时隙同步器原理与实现
• 4.4 小结
• 第五章 系统测试与分析
• 5.1 测试环境的建立
• 5.2 发射机数据帧的发送和接收测试
• 5.3 接收机数据帧的发送和接收测试
• 5.4 小结
• 第六章 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 研究生阶段所取得的研究成果