紫外光通訊體系的噪音處置探新范文
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數(shù)據(jù)采集部分的設(shè)計(jì)
編寫(xiě)FPGA與PC之間的接口程序,控制數(shù)據(jù)采集的過(guò)程。在數(shù)據(jù)采集部分,FPGA收到PC發(fā)來(lái)的請(qǐng)求信息后,檢測(cè)AD(模/數(shù))時(shí)鐘(384kHz)的上升沿,然后讀取采樣結(jié)果,并將其存儲(chǔ)到FPGA開(kāi)發(fā)板的SRAM中,SRAM的大小為256k×16bit,共512k字節(jié)。12位的AD采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到16位數(shù)據(jù)位的低12位,高4位補(bǔ)0。為方便后面進(jìn)行頻譜分析,我們每次采集240×1024共245760個(gè)采樣值。當(dāng)采集到245760個(gè)采樣值后,FPGA停止讀取AD的采樣值,數(shù)據(jù)采集完成。
數(shù)據(jù)傳輸部分的設(shè)計(jì)
在數(shù)據(jù)采集模塊中,PC與FPGA之間通過(guò)USB接口進(jìn)行通信,對(duì)USB芯片進(jìn)行固件編程并編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序,使其完成數(shù)據(jù)搬運(yùn)的功能。對(duì)芯片進(jìn)行8051固件編程,將其設(shè)置為SlaveFIFO(從屬先入先出)模式,即將其作為一個(gè)高速FIFO進(jìn)行讀寫(xiě)操作。通過(guò)8051固件將相關(guān)的寄存器配置完畢,且使自身工作在SlaveFIFO模式后,FPGA即可按照SlaveFIFO的傳輸時(shí)序與主機(jī)進(jìn)行高速通信。當(dāng)數(shù)據(jù)采集工作結(jié)束后,FPGA開(kāi)始讀取SRAM中的數(shù)據(jù),并將其寫(xiě)入CY68013芯片的FIFO中,然后返回給PC,在PC上顯示出來(lái),完成整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程。
噪聲特性分析
1PMT暗電流噪聲
PMT因其自身的工作原理以及制作工藝等問(wèn)題會(huì)引入噪聲。PMT在完全黑暗的環(huán)境中仍會(huì)有微小的陽(yáng)極電流輸出,經(jīng)過(guò)PMT自身所帶的放大器后轉(zhuǎn)換為噪聲電壓,這種噪聲電壓稱(chēng)為PMT的暗電流噪聲[1],是PMT引入的主要噪聲,會(huì)對(duì)系統(tǒng)后面的判決部分產(chǎn)生不利影響。PMT暗電流密度j可以表示為式中,e為電子電荷;m為電子質(zhì)量;k為玻耳茲曼常數(shù);h為普朗克常數(shù);T為溫度;W為發(fā)熱溢出功率。實(shí)驗(yàn)中將PMT的密封蓋蓋好,使PMT的接收端處于完全黑暗的狀態(tài)下,通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊采集此時(shí)PMT產(chǎn)生的暗電流噪聲數(shù)據(jù),然后分析PMT暗電流噪聲的時(shí)域和頻域特性。圖3(a)所示為PMT暗電流噪聲的時(shí)域和頻域分布。從時(shí)域上看,暗電流噪聲基本在100mV上下波動(dòng),由于AD9220將負(fù)電壓信號(hào)均轉(zhuǎn)化為0,因此AD輸出的最小電壓為0。從頻域上看,除了豐富的低頻和直流分量外,其他頻率的幅值基本相同,因此PMT暗電流噪聲的頻譜分布與白噪聲的頻譜非常相似。
2PCB熱噪聲
在PCB中,制作工藝等問(wèn)題會(huì)使信號(hào)中疊加入熱噪聲,電子器件的噪聲特性不理想也會(huì)引入寬帶熱噪聲,這些熱噪聲都對(duì)信號(hào)有很大的干擾。在實(shí)際測(cè)試中,我們接入1.5V的直流信號(hào),然后利用數(shù)據(jù)采集模塊采集直流信號(hào)。圖3(b)所示為直流信號(hào)的時(shí)域和頻域分布。從時(shí)域上看,信號(hào)以1.5V為基準(zhǔn)上下波動(dòng),波動(dòng)范圍約為100mV。從頻域上看,除了直流分量較大之外,其他頻率處的幅值基本相同。可以看出PCB引入的噪聲為寬帶熱噪聲。
3EMI(電磁干擾)噪聲
由于PMT接收端工作時(shí)長(zhǎng)時(shí)間暴露在外界環(huán)境中,日光和電設(shè)備都會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生EMI,在系統(tǒng)發(fā)射端同樣會(huì)帶入EMI噪聲,這些EMI噪聲疊加于信號(hào)之上,形成很大的干擾。在室內(nèi)環(huán)境中,EMI噪聲主要體現(xiàn)為日光燈的噪聲,而日光燈主要分為兩類(lèi):一類(lèi)頻率為100kHz,另一類(lèi)頻率為100Hz。這兩類(lèi)日光噪聲經(jīng)過(guò)PMT后都會(huì)以正弦波疊加于信號(hào)之上,形成干擾。我們分別采集這兩種噪聲信號(hào),得到100kHz噪聲的時(shí)域和頻域特性如圖3(c)所示,100Hz噪聲的特性如圖3(d)所示。從時(shí)域圖可以看到兩種噪聲電壓都基本呈現(xiàn)正弦波波形,頻率分別為100kHz和100Hz。
從頻域圖可以看出兩種噪聲分別在100kHz和100Hz處有較大的幅值,這說(shuō)明噪聲信號(hào)主要集中于這兩個(gè)頻率之上。
4電源引起的噪聲
在紫外光通信系統(tǒng)中,穩(wěn)壓電源輸出電壓紋波抑制比不理想,會(huì)對(duì)系統(tǒng)引入噪聲。將穩(wěn)壓電源輸出設(shè)置為2V,利用數(shù)據(jù)采集模塊采集輸出電壓信號(hào),圖3(e)所示為電源輸出電壓的時(shí)域和頻域特性。可以看出,電源電壓有約60mV的抖動(dòng),呈現(xiàn)出熱噪聲特性。
5受到噪聲污染的信號(hào)
在現(xiàn)有平臺(tái)上我們實(shí)現(xiàn)了采用OOK(開(kāi)關(guān)鍵控)調(diào)制方式的速率為38.4kbit/s的紫外通信,在接收端采集一幀數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行分析,這幀信號(hào)中混有各種噪聲的影響。圖3(f)所示為紫外通信中一幀信號(hào)的時(shí)域和頻域特性,由于脈沖成型方式采用單極性不歸零碼而且加入了擾碼功能,因此基帶信號(hào)頻譜主要集中在5~20kHz范圍內(nèi)。
數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)
當(dāng)前的紫外通信系統(tǒng)大多使用模擬濾波的方式。與模擬濾波器相比,數(shù)字濾波器具有精度高、穩(wěn)定性好、體積小、重量輕、靈活和不要求阻抗匹配等特點(diǎn),因此在紫外通信系統(tǒng)中,使用數(shù)字濾波器對(duì)AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理可以很好地達(dá)到降噪的目的。
1數(shù)字濾波器的選擇
從圖3可以看出,PMT轉(zhuǎn)換后的信號(hào)頻譜主要集中在5~20kHz的范圍內(nèi),而PMT暗電流噪聲和PCB的熱噪聲基本呈現(xiàn)出寬帶白噪聲的頻域分布特性,因此當(dāng)外界日光噪聲為100kHz噪聲時(shí),應(yīng)該選擇最優(yōu)化設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)FIR(有限沖擊響應(yīng))低通濾波器。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn),并不希望實(shí)際中的低通濾波器具有理想的幅頻特性,即過(guò)渡帶不應(yīng)該很窄,因?yàn)檫@種情況下單位階躍響應(yīng)會(huì)有過(guò)沖和振鈴現(xiàn)象,不利于后續(xù)的判決。因此低通濾波器應(yīng)該在抑制噪聲的同時(shí)獲得一個(gè)比較平緩的過(guò)渡帶,這樣才能保持信號(hào)不發(fā)生畸變。當(dāng)外界日光噪聲為頻率為100Hz的噪聲時(shí),需要在低通濾波器之后加入一級(jí)高通濾波器級(jí)聯(lián)成為帶通濾波器,選用漢明窗設(shè)計(jì)高通濾波器可以濾除100Hz噪聲帶來(lái)的影響。
2數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)
圖4(a)、(b)分別為使用最優(yōu)化設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)的FIR濾波器的幅頻特性和相頻特性曲線。從幅頻特性上看,數(shù)字濾波器對(duì)100kHz的頻率分量有約20dB的衰減,阻帶有約40dB的衰減,抑制了帶外噪聲的影響;從相頻特性上看,在信號(hào)頻譜范圍內(nèi)相頻特性呈現(xiàn)出嚴(yán)格的線性相位特性,使信號(hào)不會(huì)產(chǎn)生失真。圖4(c)、(d)分別為選用漢明窗設(shè)計(jì)的高通濾波器的幅頻特性和相頻特性曲線。從幅頻特性上看,數(shù)字濾波器對(duì)100kHz的噪聲分量有約40dB的抑制;從相頻特性上看,在信號(hào)頻譜范圍內(nèi)相頻特性呈現(xiàn)出嚴(yán)格的線性相位特性,信號(hào)不會(huì)產(chǎn)生失真。
數(shù)字濾波器性能分析
1數(shù)字濾波器性能分析
采集噪聲經(jīng)過(guò)濾波器后的數(shù)據(jù),觀察濾波器對(duì)噪聲的抑制作用。PMT暗電流噪聲、直流信號(hào)、100kHz日光噪聲、100Hz日光噪聲和電源輸出電壓通過(guò)相應(yīng)濾波器后的時(shí)域和頻域特性曲線如圖5所示。可以看出,經(jīng)過(guò)低通濾波后噪聲波動(dòng)幅度明顯減小,日光噪聲在100kHz和100Hz處的分量受到明顯的壓制。與圖3對(duì)比可以看出,濾波器對(duì)這些噪聲均有很好的抑制作用。
2低通濾波器對(duì)信號(hào)的改善
以一幀信號(hào)來(lái)分析測(cè)試信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器后波形的變化,如圖6所示。可以看出,由于噪聲的影響,濾波前的信號(hào)波形帶有很多“毛刺”,且在‘0’電平時(shí)波形抖動(dòng)很明顯;當(dāng)信號(hào)經(jīng)過(guò)過(guò)渡帶較窄的低通濾波器后,出現(xiàn)了很明顯的過(guò)沖現(xiàn)象,這就是濾波器過(guò)渡帶過(guò)窄帶來(lái)的不利影響,不利于后續(xù)判決;而當(dāng)信號(hào)經(jīng)過(guò)過(guò)渡帶較平緩的低通濾波器后,波形變得平整且不會(huì)出現(xiàn)過(guò)沖現(xiàn)象。
3帶通濾波器對(duì)信號(hào)的改善
仍以一幀信號(hào)來(lái)進(jìn)行分析。將濾波器進(jìn)行級(jí)聯(lián)構(gòu)成帶通濾波器,即信號(hào)先經(jīng)過(guò)低通濾波,再經(jīng)過(guò)高通濾波,觀察信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波前后波形的改善情況,如圖7所示。可以看出,經(jīng)過(guò)濾波后信號(hào)波形產(chǎn)生了較大的變化。由于直流分量被抑制,因此信號(hào)波形由單極性碼變?yōu)殡p極性碼。雖然高通濾波的幅頻特性不是特別理想,對(duì)信號(hào)的部分頻譜有一定抑制,導(dǎo)致信號(hào)波形不是很平整,但通過(guò)采用動(dòng)態(tài)判決門(mén)限的方式可以實(shí)現(xiàn)正確接收。4.4性能提升分析通過(guò)對(duì)FIR型低通濾波器和高通濾波器進(jìn)行測(cè)試并對(duì)比濾波前后的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),低通濾波器對(duì)PMT暗電流噪聲、PCB熱噪聲和100kHz日光噪聲都有比較明顯的抑制作用,同時(shí)使信號(hào)波形得到改善,波形更加平滑;高通濾波器對(duì)100Hz日光噪聲有很明顯的抑制。下面通過(guò)SNR(信噪比)來(lái)分析數(shù)字濾波器給系統(tǒng)性能帶來(lái)的提升。取一幀信號(hào)進(jìn)行分析,設(shè)噪聲數(shù)據(jù)為noise(n),信號(hào)數(shù)據(jù)為signal(n),則SNR可表示為經(jīng)過(guò)計(jì)算可知,當(dāng)外界日光噪聲為100kHz噪聲信號(hào),同時(shí)考慮PMT暗電流噪聲和PCB熱噪聲時(shí),信號(hào)通過(guò)低通濾波器前后SNR分別為12.0492和15.1025dB。
可以看出,經(jīng)過(guò)低通濾波后,系統(tǒng)的SNR得到近3dB的提升。當(dāng)外界日光噪聲為100Hz噪聲信號(hào)時(shí),信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波器前后SNR分別為11.4165和18.5807dB。可見(jiàn),經(jīng)過(guò)帶通濾波后SNR得到近7dB的提升。
結(jié)束語(yǔ)
本文分析了噪聲對(duì)紫外光通信系統(tǒng)性能的影響,分析了PMT暗電流噪聲、PCB熱噪聲、EMI噪聲以及電源引入噪聲的時(shí)域和頻域特性,可以看出，若不對(duì)噪聲進(jìn)行處理會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能。在FP-GA上實(shí)現(xiàn)了兩種數(shù)字濾波器,分別用于外界噪聲不同的情況時(shí),可以有效減小噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響,對(duì)于采用OOK調(diào)制方式的紫外光通信系統(tǒng),其SNR可以提高3~7dB,從整體上改善了系統(tǒng)的誤碼性能。同時(shí)指出,在設(shè)計(jì)低通濾波器時(shí),過(guò)渡帶需要比較平緩,以保證信號(hào)不發(fā)生畸變。
作者：徐浩然左勇張文博范成吳朝燁伍劍單位：北京郵電大學(xué)信息光子學(xué)與光通信研究院信息光子學(xué)與光通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室