紫外光通訊體系的噪音處置探新范文
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數據采集部分的設計
編寫FPGA與PC之間的接口程序,控制數據采集的過程。在數據采集部分,FPGA收到PC發來的請求信息后,檢測AD(模/數)時鐘(384kHz)的上升沿,然后讀取采樣結果,并將其存儲到FPGA開發板的SRAM中,SRAM的大小為256k×16bit,共512k字節。12位的AD采樣數據存儲到16位數據位的低12位,高4位補0。為方便后面進行頻譜分析,我們每次采集240×1024共245760個采樣值。當采集到245760個采樣值后,FPGA停止讀取AD的采樣值,數據采集完成。
數據傳輸部分的設計
在數據采集模塊中,PC與FPGA之間通過USB接口進行通信,對USB芯片進行固件編程并編寫驅動程序,使其完成數據搬運的功能。對芯片進行8051固件編程,將其設置為SlaveFIFO(從屬先入先出)模式,即將其作為一個高速FIFO進行讀寫操作。通過8051固件將相關的寄存器配置完畢,且使自身工作在SlaveFIFO模式后,FPGA即可按照SlaveFIFO的傳輸時序與主機進行高速通信。當數據采集工作結束后,FPGA開始讀取SRAM中的數據,并將其寫入CY68013芯片的FIFO中,然后返回給PC,在PC上顯示出來,完成整個數據傳輸的過程。
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題會引入噪聲。PMT在完全黑暗的環境中仍會有微小的陽極電流輸出,經過PMT自身所帶的放大器后轉換為噪聲電壓,這種噪聲電壓稱為PMT的暗電流噪聲[1],是PMT引入的主要噪聲,會對系統后面的判決部分產生不利影響。PMT暗電流密度j可以表示為式中,e為電子電荷;m為電子質量;k為玻耳茲曼常數;h為普朗克常數;T為溫度;W為發熱溢出功率。實驗中將PMT的密封蓋蓋好,使PMT的接收端處于完全黑暗的狀態下,通過數據采集模塊采集此時PMT產生的暗電流噪聲數據,然后分析PMT暗電流噪聲的時域和頻域特性。圖3(a)所示為PMT暗電流噪聲的時域和頻域分布。從時域上看,暗電流噪聲基本在100mV上下波動,由于AD9220將負電壓信號均轉化為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,制作工藝等問題會使信號中疊加入熱噪聲,電子器件的噪聲特性不理想也會引入寬帶熱噪聲,這些熱噪聲都對信號有很大的干擾。在實際測試中,我們接入1.5V的直流信號,然后利用數據采集模塊采集直流信號。圖3(b)所示為直流信號的時域和頻域分布。從時域上看,信號以1.5V為基準上下波動,波動范圍約為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接收端工作時長時間暴露在外界環境中,日光和電設備都會對系統產生EMI,在系統發射端同樣會帶入EMI噪聲,這些EMI噪聲疊加于信號之上,形成很大的干擾。在室內環境中,EMI噪聲主要體現為日光燈的噪聲,而日光燈主要分為兩類:一類頻率為100kHz,另一類頻率為100Hz。這兩類日光噪聲經過PMT后都會以正弦波疊加于信號之上,形成干擾。我們分別采集這兩種噪聲信號,得到100kHz噪聲的時域和頻域特性如圖3(c)所示,100Hz噪聲的特性如圖3(d)所示。從時域圖可以看到兩種噪聲電壓都基本呈現正弦波波形,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,這說明噪聲信號主要集中于這兩個頻率之上。
4電源引起的噪聲
在紫外光通信系統中,穩壓電源輸出電壓紋波抑制比不理想,會對系統引入噪聲。將穩壓電源輸出設置為2V,利用數據采集模塊采集輸出電壓信號,圖3(e)所示為電源輸出電壓的時域和頻域特性?？梢钥闯?電源電壓有約60mV的抖動,呈現出熱噪聲特性。
5受到噪聲污染的信號
在現有平臺上我們實現了采用OOK(開關鍵控)調制方式的速率為38.4kbit/s的紫外通信,在接收端采集一幀數據信號進行分析,這幀信號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的時域和頻域特性,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,因此基帶信號頻譜主要集中在5~20kHz范圍內。
數字濾波器的設計
當前的紫外通信系統大多使用模擬濾波的方式。與模擬濾波器相比,數字濾波器具有精度高、穩定性好、體積小、重量輕、靈活和不要求阻抗匹配等特點,因此在紫外通信系統中,使用數字濾波器對AD轉換后的數字信號進行處理可以很好地達到降噪的目的。
1數字濾波器的選擇
從圖3可以看出,PMT轉換后的信號頻譜主要集中在5~20kHz的范圍內,而PMT暗電流噪聲和PCB的熱噪聲基本呈現出寬帶白噪聲的頻域分布特性,因此當外界日光噪聲為100kHz噪聲時,應該選擇最優化設計法設計FIR(有限沖擊響應)低通濾波器。經過研究發現,并不希望實際中的低通濾波器具有理想的幅頻特性,即過渡帶不應該很窄,因為這種情況下單位階躍響應會有過沖和振鈴現象,不利于后續的判決。因此低通濾波器應該在抑制噪聲的同時獲得一個比較平緩的過渡帶,這樣才能保持信號不發生畸變。當外界日光噪聲為頻率為100Hz的噪聲時,需要在低通濾波器之后加入一級高通濾波器級聯成為帶通濾波器,選用漢明窗設計高通濾波器可以濾除100Hz噪聲帶來的影響。
2數字濾波器的設計
圖4(a)、(b)分別為使用最優化設計法設計的FIR濾波器的幅頻特性和相頻特性曲線。從幅頻特性上看,數字濾波器對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,在信號頻譜范圍內相頻特性呈現出嚴格的線性相位特性,使信號不會產生失真。圖4(c)、(d)分別為選用漢明窗設計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,數字濾波器對100kHz的噪聲分量有約40dB的抑制;從相頻特性上看,在信號頻譜范圍內相頻特性呈現出嚴格的線性相位特性,信號不會產生失真。
數字濾波器性能分析
1數字濾波器性能分析
采集噪聲經過濾波器后的數據,觀察濾波器對噪聲的抑制作用。PMT暗電流噪聲、直流信號、100kHz日光噪聲、100Hz日光噪聲和電源輸出電壓通過相應濾波器后的時域和頻域特性曲線如圖5所示?？梢钥闯?經過低通濾波后噪聲波動幅度明顯減小,日光噪聲在100kHz和100Hz處的分量受到明顯的壓制。與圖3對比可以看出,濾波器對這些噪聲均有很好的抑制作用。
2低通濾波器對信號的改善
以一幀信號來分析測試信號經過低通濾波器后波形的變化,如圖6所示?？梢钥闯?由于噪聲的影響,濾波前的信號波形帶有很多“毛刺”,且在‘0’電平時波形抖動很明顯;當信號經過過渡帶較窄的低通濾波器后,出現了很明顯的過沖現象,這就是濾波器過渡帶過窄帶來的不利影響,不利于后續判決;而當信號經過過渡帶較平緩的低通濾波器后,波形變得平整且不會出現過沖現象。
3帶通濾波器對信號的改善
仍以一幀信號來進行分析。將濾波器進行級聯構成帶通濾波器,即信號先經過低通濾波,再經過高通濾波,觀察信號經過帶通濾波前后波形的改善情況,如圖7所示?？梢钥闯?經過濾波后信號波形產生了較大的變化。由于直流分量被抑制,因此信號波形由單極性碼變為雙極性碼。雖然高通濾波的幅頻特性不是特別理想,對信號的部分頻譜有一定抑制,導致信號波形不是很平整,但通過采用動態判決門限的方式可以實現正確接收。4.4性能提升分析通過對FIR型低通濾波器和高通濾波器進行測試并對比濾波前后的數據可以發現,低通濾波器對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,同時使信號波形得到改善,波形更加平滑;高通濾波器對100Hz日光噪聲有很明顯的抑制。下面通過SNR(信噪比)來分析數字濾波器給系統性能帶來的提升。取一幀信號進行分析,設噪聲數據為noise(n),信號數據為signal(n),則SNR可表示為經過計算可知,當外界日光噪聲為100kHz噪聲信號,同時考慮PMT暗電流噪聲和PCB熱噪聲時,信號通過低通濾波器前后SNR分別為12.0492和15.1025dB。
可以看出,經過低通濾波后,系統的SNR得到近3dB的提升。當外界日光噪聲為100Hz噪聲信號時,信號經過帶通濾波器前后SNR分別為11.4165和18.5807dB?？梢?經過帶通濾波后SNR得到近7dB的提升。
結束語
本文分析了噪聲對紫外光通信系統性能的影響,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域和頻域特性,可以看出，若不對噪聲進行處理會嚴重影響系統性能。在FP-GA上實現了兩種數字濾波器,分別用于外界噪聲不同的情況時,可以有效減小噪聲對系統的影響,對于采用OOK調制方式的紫外光通信系統,其SNR可以提高3~7dB,從整體上改善了系統的誤碼性能。同時指出,在設計低通濾波器時,過渡帶需要比較平緩,以保證信號不發生畸變。
作者：徐浩然左勇張文博范成吳朝燁伍劍單位：北京郵電大學信息光子學與光通信研究院信息光子學與光通信國家重點實驗室