一种脉冲宽度调制系统及方法
阅读说明：本技术 一种脉冲宽度调制系统及方法 (Pulse width modulation system and method ) 是由 郜峰利 丁长春 陶敏 彭涛 宋俊峰 李雪妍 刘建英 于 2021-07-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种脉冲宽度调制系统及方法,属于通信技术领域,包括发射装置、接收装置、激光二极管(LD)及光电二极管阵列(PD)；所述发射装置驱动LD发射脉冲激光PWM信号,LD发射的PWM信号经信道传播,遇到物体后产生回波PWM信号,PWM信号经过PD阵列接收后送入接收装置,从而实现了激光通信。本发明的一种脉冲宽度调制系统及方法,解决了现有的激光通信方式中存在抗干扰能力差、误码率高等问题,并且脉冲宽度调制(PWM)不需要考虑发射系统和接收系统时钟信号严格同步的问题,使跨时钟传输数据更为方便,传输速率可达到10MB/S,大大简化了数据调制和解调的过程,增加了数据传输的准确率,提高了传输效率,对于军用和民用激光雷达的编码通信具有一定的参考价值。(The invention discloses a pulse width modulation system and a method, belonging to the technical field of communication and comprising a transmitting device, a receiving device, a Laser Diode (LD) and a photodiode array (PD); the transmitting device drives the LD to transmit pulse laser PWM signals, the PWM signals transmitted by the LD are transmitted through a channel and generate echo PWM signals after encountering an object, and the PWM signals are received by the PD array and then are transmitted to the receiving device, so that laser communication is realized. The pulse width modulation system and the method solve the problems of poor anti-interference capability, high error rate and the like in the existing laser communication mode, and the problem of strict synchronization of clock signals of a transmitting system and a receiving system is not required to be considered in Pulse Width Modulation (PWM), so that the cross-clock data transmission is more convenient, the transmission rate can reach 10MB/S, the data modulation and demodulation processes are greatly simplified, the data transmission accuracy is increased, the transmission efficiency is improved, and the pulse width modulation system and the method have certain reference value for the encoding communication of military and civil laser radars.)
技术领域
本发明属于通信
技术领域
，具体涉及一种脉冲宽度调制系统及方法。背景技术
随着信息时代的发展，空间激光通信技术的研究前景十分广阔，由于激光具有高度的相干性和方向性，使激光通信具有抗干扰能力强、保密性好、波段选择方便、信息容量大等优点，与传统的微波通信相比，激光通信不需要巨大的蝶形天线，从而整个系统可以做到体积小、重量轻、灵活机动。目前在激光通信中常用的调制方式包括：开关键控(OOK)调制、脉冲位置(PPM)调制、脉冲间隔调制(PIM)等，其中OOK调制的发射功率较高且抗干扰能力差，误码率较高；PPM调制虽然降低了平均功率，但是增加了带宽，降低了数据的传输速度；PIM调制与以上两种调制方式相比虽然降低了平均符号长度，但是这三种调制方式均需要发射系统和接收系统严格同步才能保证数据进行有效传输，同时OOK和PPM调制方式在进行数据传输时还要加校验位，数据编码更加复杂化。
发明内容
本发明提出了一种脉冲宽度调制系统及方法，解决了现有的激光通信方式中存在抗干扰能力差、误码率高等问题，并且脉冲宽度调制(PWM)不需要考虑发射系统和接收系统时钟信号严格同步的问题，使跨时钟传输数据更为方便，传输速率可达到10MB/S，大大简化了数据调制和解调的过程，增加了数据传输的准确率，提高了传输效率，对于军用和民用激光雷达的编码通信具有一定的参考价值。
本发明通过如下技术方案实现：
一种脉冲宽度调制系统，包括发射装置1、接收装置2、激光二极管(LD)6及光电二极管阵列(PD)8；所述发射装置1驱动LD6发射脉冲激光PWM1信号，LD6发射的PWM1信号经信道传播，遇到物体7后产生回波PWM2信号，PWM2信号经过PD阵列8接收后送入接收装置2，从而实现了激光通信。
优选地，所述发射装置1由第一微控制器(MCU)3、第一现场可编程逻辑门阵列(FPGA)4、激光器驱动电路5及激光二极管(LD)6组成；第一微控制器3将对文本、图片、音频等数据源进行解码，将解码后的数据Data1送入第一FPGA4中，第一FPGA4的发送信号TXD触发激光器驱动电路5驱动LD6产生脉冲激光。
优选地，所述接收装置2由激光接收电路9、ADC10、第二FPGA11及第二微控制器12及LCD显示屏13组成；第二FPGA11发出Con1和Con2信号分别控制PD阵列8的行选通和列选通，PD阵列8中的PD被选中后接收信道中的脉冲光信号，激光接收电路9将PD阵列8所接收到的光信号转换成电信号后变成RXD1信号输出，ADC10将电信号RXD1转换成数字量RXD2后送入第二FPGA11中，第二FPGA11对接收到的RXD2数据进行解调，并将解调后的数据Data2送入第二微控制器(MCU)12中，第二微控制器(MCU)12对Data2数据进行编码，得到文本、图片、音频等数据，最后在LCD显示屏13上显示。
本发明的另一目的在于提供一种脉冲宽度调制方法，具体包括如下步骤：
步骤一：
微控制器将接收到的数据经过FPGA内部的PWM调制模块调制后，生成对应的脉冲波，PWM调制模块生成的调制信号(TXD)用于驱动激光发射电路的栅极驱动器，栅极驱动器驱动MOS管，用于控制激光二极管的导通以实现脉冲激光(PWM)输出；当PWM信号波形为高电平时，激光二级管(LD)6发光，当PWM信号波形为低电平时，激光二级管(LD)6不发光，从而将数据Data1转换成了光信号发出；
步骤二：
将步骤一发出的光信号接收并将光信号转换为电压信号，具体地，当光信号照射到PD阵列上时，PD会产生光电流I，激光接收电路中的跨阻放大器(TIA)将PD产生的光电流I转换为电压V1，二级放大器(AMP)对电压V1进一步放大得到电压V2，即：
从而激光接收电路将光信号转换为电压信号(RXD)输出；其中，R1为跨阻放大器(TIA)的反馈电阻，R2为二级放大器(AMP)的输入电阻，R3为二级放大器(AMP)的反馈电阻；
步骤三：ADC将电压信号转换成数字量后送入FPGA中，FPGA对接收到的RXD数据进行解调，并将解调后的数据送入微控制器中，微控制器对数据进行编码，得到文本、图片、音频等数据，最后在LCD显示屏上显示。
优选地，步骤一具体如下：
将数据Data1进行调制，数据Data1是并行数据，在现场可编程逻辑门阵列FPGA中转换为串行数据后从数据的最高位开始逐位判断数据的每一位是数据“1”还是数据“0”，现场可编程逻辑门阵列根据判断的情况发出PWM信号；若为数据1，则FPGA发出脉宽较窄的脉冲信号，脉宽为T1＝25ns，若为数据0，则FPGA发出脉宽较宽的脉冲，脉宽为T2＝60ns，从而实现了将数据转换成了PWM信号的调制。
优选地，所述PWM信号的频率为10MHz，周期T＝100ns。
优选地，步骤三具体如下：
将接收到的PWM信号进行解调，当接收到RXD信号上升沿时，ADC开始采样，每个脉冲周期T内ADC采样6次，采样频率为60MHz，采样时间间隔为τ＝16.67ns，数据1对应的脉冲宽度较窄，脉宽时间T1满足：τ<T1<2τ，数据0对应的脉冲宽度较宽，脉宽时间T2满足：3τ<T2<4τ；ADC每采样到高电平H时，FPGA内部计数器的值加一(Count+1)，当ADC采样到低电平L时，FPGA内部计数器停止计数，此时判读计数器的值(Count)，即ADC采样到高电平的次数，并在下个RXD1信号上升沿到来时计数器的值(Count)清零；通过判别计数器的数值即可分辨出数据Data是1或0；即：
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1、FPGA实现脉冲宽度调制(PWM)来实现激光通信，提高数据传输过程中的抗干扰能力，且传输速率可达10MB/S；
2、采样脉冲宽度调制(PWM)不需要考虑发射系统和接收系统时钟信号严格同步的问题，使跨时钟传输数据更为方便；
3、采用ADC对数据进行采样，在对信号解调时可以保证数据传输的准确性，误码率低。
附图说明
图1为本发明的一种脉冲宽度调制系统的系统框图；
图中：发射装置1；接收装置2；第一微控制器(MCU)3；第一发射端现场可编程逻辑门阵列(FPGA)4；激光器驱动电路5；激光二极管(LD)6；物体7；接收端PD阵列8；激光接收电路9；ADC10；第二发射端现场可编程逻辑门阵列11；第二微控制器12；LCD显示屏13；
Data1.发射端数据；TXD.发射调制信号；PWM1.激光二级管发射脉冲；PWM2.经物体反射后的回波脉冲；RXD1.回波待解调信号；RXD2.接收端ADC采样信号；Con1.接收端FPGA控制PD阵列行选通的信号；Con2.接收端FPGA控制PD阵列列选通的信号；Data2.接收端数据；
图2为本发明的一种脉冲宽度调制方法的脉冲调制原理；
图中：DATA[n].待写入8位数据的第n位；
图3为本发明的一种脉冲宽度调制系统的脉冲发射调制电路；
图中：DATA[7:0].待写入的并行数据(8位)；TXD.发射调制信号；VLD激光二级管偏置电压；PWM.激光二极管发射脉冲信号；
图4为本发明的一种脉冲宽度调制系统的脉冲信号接收原理；
图中：PWM.接收端PD阵列接收的脉冲信号。S1.接收端PD阵列选通第一行的开关；S2.接收端PD阵列选通第二行的开关；S3.接收端PD阵列选通第三行的开关；S4.接收端PD阵列选通第四行的开关；S5.接收端PD阵列选通第五行的开关；C1.接收端PD阵列选通第一列的开关；C2.接收端PD阵列选通第二列的开关；C3.接收端PD阵列选通第三列的开关；C4.接收端PD阵列选通第四列的开关；C5.接收端PD阵列选通第五列的开关；RXD.将电流信号转换成电压信号后的待解调信号；
图5为本发明的一种脉冲宽度调制方法的脉冲解调原理；
图中：T1.PWM信号的高电平持续时间(代表逻辑1)；T2.PWM信号的高电平持续时间(代表逻辑0)；τ.ADC采样间隔时间；T.发送一位数据的间隔时间；L.逻辑电平低；H.逻辑电平高；count.接收端ADC采样到高电平的次数；
图6为本发明的一种脉冲宽度调制系统的脉冲解调电路；
图中：RXD.将电流信号转换成电压信号后的待解调信号；DATA[7:0].解调后输出的并行数据(8位)。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施案例对本发明做进一步的详细描述。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种脉冲宽度调制系统，包括发射装置1、接收装置2、激光二极管(LD)6及光电二极管阵列(PD)8；所述发射装置1驱动LD6发射脉冲激光PWM1信号，LD6发射的PWM1信号经信道传播，遇到物体7后产生回波PWM2信号，PWM2信号经过PD阵列8接收后送入接收装置2，从而实现了激光通信。
所述发射装置1由第一微控制器(MCU)3、第一现场可编程逻辑门阵列(FPGA)4、激光器驱动电路5及激光二极管(LD)6组成；第一微控制器3将对文本、图片、音频等数据源进行解码，将解码后的数据Data1送入第一FPGA4中，第一FPGA4的发送信号TXD触发激光器驱动电路5驱动LD6产生脉冲激光。
所述接收装置2由激光接收电路9、ADC10、第二FPGA11及第二微控制器12及LCD显示屏13组成；第二FPGA11发出Con1和Con2信号分别控制PD阵列8的行选通和列选通，PD阵列8中的PD被选中后接收信道中的脉冲光信号，激光接收电路9将PD阵列8所接收到的光信号转换成电信号后变成RXD1信号输出，ADC10将电信号RXD1转换成数字量RXD2后送入第二FPGA11中，第二FPGA11对接收到的RXD2数据进行解调，并将解调后的数据Data2送入第二微控制器(MCU)12中，第二微控制器(MCU)12对Data2数据进行编码，得到文本、图片、音频等数据，最后在LCD显示屏13上显示。
实施例2
本实施例提供了一种脉冲宽度调制方法，具体包括如下步骤：
步骤一：
将数据Data1(MCU3将文本、图片、音频等数据源进行解码后的数据)转换为光信号发出，主要包括对数据Data1进行调制以及激光二级管(LD)6的驱动。如图2为调制原理框图。DATA[n]为待写入8位数据的第n位，第n位数据在FPGA内部经过判别器判断是数据1还是数据0，PWM信号频率为10MHz，周期T＝100ns，若为数据1，则FPGA发出脉宽较窄的脉冲信号，脉宽为T1＝25ns，若为数据0，则FPGA发出脉宽较宽的脉冲，脉宽为T2＝60ns，图2中PWM波形对应的数据为1001。如图3为脉宽发射调制电路，由脉冲发生器(在FPGA中实现)、激光发射电路和LD组成。FPGA作为主控制器，并行数据DATA[7:0]存入FPGA内部的FIFO中，FIFO中的数据经过FPGA内部的并行转串行模块变为串行数据，并行数据DATA[7:0]的每一位经过FPGA内部的PWM调制模块调制后会生成对应的脉冲波，PWM调制模块生成的调制信号(TXD)来驱动激光发射电路的栅极驱动器，栅极驱动器驱动MOS管来控制LD的导通以实现脉冲激光(PWM)输出，VLD为LD的偏置电压。当PWM信号波形为高电平时，激光二级管(LD)6发光，当PWM信号波形为低电平时，激光二级管(LD)6不发光，从而将数据Data1转换成了光信号发出。
步骤二：
将步骤一发出的光信号接收并将光信号转换为电压信号，主要由PD阵列和激光接收电路来完成，如图4为信号接收原理图，激光接收电路由跨阻放大器(TIA)、运算放大器组成。驱动控制电路在FPGA内部，其中包括扫描控制模块，用来控制PD阵列中的某个PD导通。当光信号照射到PD阵列上时，PD会产生光电流I，激光接收电路中的跨阻放大器(TIA)将PD产生的光电流I转换为电压V1，二级放大器对电压V1进一步放大得到电压V2，即：
图4中跨阻R1＝200KΩ，输入电阻R2＝100Ω，反馈电阻R3＝200Ω，二级放大倍数为2倍，从而激光接收电路将光信号转换为电压信号(RXD)输出。
步骤三：
对步骤二中的电压信号波形进行解调。如图5为脉冲宽度信号的解调原理，接收端(RXD)接收到的二进制数据为1001，数据1对应的脉冲宽度T1较窄，τ<T1<2τ，数据0对应的脉冲宽度T2较宽，3τ<T2<4τ。RXD信号上升沿到来时ADC开始采样，每个脉冲周期T内ADC采样6次，采样时间间隔为τ，ADC每采样到高电平H时，计数器的值加一(Count+1)，当ADC采样到低电平L时，计数器停止计数，此时判读计数器的值(Count)，即ADC采样到高电平的次数，并在下个RXD信号上升沿到来时计数器的值(Count)清零。通过判别计数器的数值即可分辨出数据Data是1或0。即：
图6为PWM解调电路，PWM解调电路由FPGA作为主控制器(在FPGA内部)，其中包括时钟同步模块、ADC采样模块、位检测模块、采样计数模块、判别器和串行转并行模块。接收电路将光信号转换成电信号RXD后，RXD信号经过时钟同步模块进行时钟同步，同步后的信号被ADC高速采样，采样计数模块对ADC采样的高电平次数进行统计，判别器根据采样计数模块的计数值来判别是数据1还是数据0，同时位检测模块以计数的方式来获取所接收8比特数据所在的位，串并转换器将串行数据转换为并行数据(DATA[7:0])输出。
以上步骤主要侧重于系统中各级信号处理过程，以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。