前言：尋找寫作靈感？中文期刊網(wǎng)用心挑選的水下無線通信技術(shù)研究，希望能為您的閱讀和創(chuàng)作帶來靈感，歡迎大家閱讀并分享。

摘要：

本文所闡述的水下無線技術(shù)即基于跳頻技術(shù)和同步捕獲技術(shù)的水聲通信，由于聲波在海水中的傳播特性顯著優(yōu)越于電磁波和可見光，使得水聲技術(shù)成為海洋高技術(shù)的主要研究領(lǐng)域之一，在國(guó)防領(lǐng)域也具有十分重要的研究意義。本文主要論述了水聲通信中跳頻技術(shù)和同步捕獲技術(shù)的原理、具體算法的實(shí)現(xiàn)方案以及部分硬件設(shè)施的使用簡(jiǎn)述，并通過展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證算法的可行性。

關(guān)鍵詞：

水聲通信；FHSS；同步捕獲；STM32F407

引言

當(dāng)今世界，通信是發(fā)展非常迅速的行業(yè)之一。Inter－net網(wǎng)和移動(dòng)通信網(wǎng)日臻完善，而海中通信的發(fā)展剛剛嶄露頭角。有纜方式的信息傳輸由于目標(biāo)活動(dòng)范圍受限制、通信纜道的安裝和維護(hù)費(fèi)用高昂以及對(duì)其他海洋活動(dòng)可能存在影響等缺點(diǎn)，極大地限制了它在海洋環(huán)境中的應(yīng)用。另外由于在海水中，光波、電磁波的傳播衰減都非常大，導(dǎo)致其在海水中的傳播距離十分有限，遠(yuǎn)不能滿足人類海洋活動(dòng)的需要，因此采用聲波作為信息傳送的載體是目前海洋中實(shí)現(xiàn)中、遠(yuǎn)距離無線通信的唯一手段。而隨著海洋通信逐漸占據(jù)重要地位，網(wǎng)絡(luò)化的水聲通信也將在海洋軍事或民用領(lǐng)域發(fā)揮極大作用，所以對(duì)高可靠性的高速率的水聲通信的研究極為重要。目前水聲通信技術(shù)發(fā)展已經(jīng)相對(duì)成熟，國(guó)外很多機(jī)構(gòu)都已研制出水聲通信Modem，通信方式目前主要有正交頻分復(fù)用技術(shù)、擴(kuò)頻以及其他的一些調(diào)制方式。目前在水聲通信領(lǐng)域，廈門大學(xué)以許克平教授為首的課題組出色地完成了國(guó)家交給的863項(xiàng)目，已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了在10公里之內(nèi)水下信號(hào)相互清晰地傳遞，達(dá)到實(shí)用要求。目前國(guó)際上水聲通信技術(shù)正處于網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展階段，但該方面的研究及應(yīng)用并沒有得到快速的發(fā)展，只有少數(shù)國(guó)家試驗(yàn)成功。本研究方案即通過水聲通信實(shí)現(xiàn)水下無線通信，為網(wǎng)絡(luò)化的水聲通信打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1實(shí)現(xiàn)方案

整個(gè)水聲通信過程主要分為發(fā)送方和接收方兩部分。發(fā)送方先通過溫度傳感器收集所需水域的溫度信息，微控制器對(duì)接收到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行跳頻處理，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后再經(jīng)過水聲換能器將其轉(zhuǎn)換為聲信號(hào)，在水下傳遞給接收端，其主要技術(shù)核心為跳頻技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。接收方的換能器首先將收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，微控制器控制帶通濾波器完成同步捕獲過程，獲得當(dāng)前所需頻率的信號(hào)后，將相應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)樗铚囟刃畔@示在顯示器上，接收端的主要技術(shù)核心為同步捕獲技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。具體流程如圖1所示。本次研究中使用的主要硬件為DYSTM32F4高頻開發(fā)板和80K水聲換能器。DYSTM32F4高頻超聲波開發(fā)板基于STM32F407VGT6微控制器，包括一個(gè)板載JLINK接口、2路LED、3路獨(dú)立按鍵、LCD12864顯示接口、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、UART異步串行口＋MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片、溫度傳感器MF58接口等。STM32F407VGT6微控制器基于ARMCortex－M4內(nèi)核，32位MCU，帶有FPU單元，有210DMIPS，多達(dá)1MBFLASH／192＋4KBRAM，17個(gè)定時(shí)器，3個(gè)ADC，15個(gè)通信接口和一個(gè)攝像接口。

2跳頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案

2．1跳頻技術(shù)概述

跳頻是常用的擴(kuò)頻方式之一，其工作原理是指收發(fā)雙方傳輸信號(hào)的載波頻率按照預(yù)定規(guī)律進(jìn)行離散變化的通信方式，也就是說，通信中使用的載波頻率受偽隨機(jī)變化碼的控制而隨機(jī)跳變。在發(fā)送端主要使用了跳頻技術(shù)來保證傳送信息的安全性和隱蔽性。

2．2實(shí)現(xiàn)原理

根據(jù)潛水換能器帶寬和水聲通信的工作環(huán)境將信道資源劃為8個(gè)跳頻組Fij（i＝0，1，2，…，7），每組分配4個(gè)頻率（j＝0，1，2，3），相鄰頻點(diǎn)的間隔為250Hz，每個(gè)頻率會(huì)根據(jù)單片機(jī)外部晶振所提供的固定頻率計(jì)算出一個(gè)初值，規(guī)定跳頻圖案F0～F7的順序循環(huán)（見圖2）。當(dāng)信號(hào)到達(dá)單片機(jī)時(shí)，將信號(hào)兩位為一組，根據(jù)跳頻圖案找到這兩位所在的跳頻組，并根據(jù)這兩位信息確定是該組的某一個(gè)分頻數(shù)。根據(jù)所得初值利用STM32內(nèi)部計(jì)數(shù)器將相應(yīng)的信號(hào)經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器處理得出對(duì)應(yīng)頻率信號(hào)，經(jīng)過潛水換能器發(fā)送聲信號(hào)。圖2和表1分別給出了發(fā)送端的跳頻圖案和頻率分組情況.

3同步捕獲技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案

3．1同步捕獲技術(shù)概述

擴(kuò)頻通信接收系統(tǒng)為了恢復(fù)發(fā)送信息，必須對(duì)經(jīng)過下變頻后的基帶信號(hào)進(jìn)行同步捕獲，同步技術(shù)是任何一種通信技術(shù)都需要解決的實(shí)際問題，其性能關(guān)系到整個(gè)通信系統(tǒng)的性能。

3．2實(shí)現(xiàn)原理

接收端水下?lián)Q能器在將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)后，應(yīng)經(jīng)過前置放大和幅度均衡過程，以便后續(xù)電路處理，但本次研究中所使用的硬件已完成該方面工作，在此就不多做贅述。當(dāng)加載側(cè)寬脈沖信號(hào)到來時(shí)，INT0為高電平，定時(shí)器的門控信號(hào)GATE＝1，接收端單片機(jī)定時(shí)器開始計(jì)數(shù)，當(dāng)INT0變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，定時(shí)器停止計(jì)數(shù)，觸發(fā)外部中斷在中斷服務(wù)程序中讀取定時(shí)器的計(jì)數(shù)值X，此時(shí)X為脈沖信號(hào)半個(gè)周期所用的時(shí)鐘數(shù)，即可由此判斷收到的正弦波的頻率。若單片機(jī)時(shí)鐘頻率為F，則可算出對(duì)應(yīng)的發(fā)送信號(hào)的頻率F’＝1／（1／F）×2X。根據(jù)跳頻與分頻數(shù)的關(guān)系可找出對(duì)應(yīng)的分頻數(shù)（可求出分頻數(shù)N＝2X），由此得出所傳輸?shù)膬晌恍畔?。單片機(jī)根據(jù)測(cè)頻的結(jié)果進(jìn)行同步捕獲，將8個(gè)捕獲不同頻率段的帶通濾波器輸出端接入單片機(jī)，接收方單片機(jī)根據(jù)跳頻圖案進(jìn)行搜索控制，先讓等待頻率Fs等于跳頻組F0的頻率范圍，單片機(jī)檢測(cè)對(duì)應(yīng)濾波器0送來的信號(hào)，如果檢測(cè)到頻率F01，判斷出F01落在F0，這時(shí)接收端開始根據(jù)跳頻圖案控制匹配濾波器工作（上文已經(jīng)規(guī)定跳頻圖案以F0～F7順序遞增），同時(shí)進(jìn)行同步判定，對(duì)接收到的跳頻信號(hào)進(jìn)行一個(gè)跳頻序列周期的判定，判定是否為真同步，如果判定值小于門限值，表明同步捕獲成功，本地匹配濾波器組工作就繼續(xù)下去；如果判定值大于門限值，認(rèn)為是捕捉到的信號(hào)錯(cuò)誤，這時(shí)就要停止本地匹配濾波器組控制，并將等待頻率變更到上一次等待頻率的前一個(gè)頻率值上，即Fs－1，等待頻率Fs是按照跳頻圖案變化的。接收端同步技術(shù)程序流程圖如圖4所示.

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

配合80K水下聲能轉(zhuǎn)換器的工作性能，本次研究的實(shí)驗(yàn)環(huán)境為直徑不小于100cm，高約為25cm的水池。發(fā)送端傳感器獲取水溫將數(shù)字信號(hào)通過單片機(jī)處理后，經(jīng)水下?lián)Q能器發(fā)送給接收端，接收端經(jīng)過同步捕獲可以獲得發(fā)送端所采集的水溫信息。經(jīng)過15次在不同時(shí)間的測(cè)試，接收端所得溫度與從實(shí)驗(yàn)環(huán)境中直接測(cè)量所得溫度誤差基本在±1℃內(nèi)。表2為測(cè)量數(shù)據(jù)。

5結(jié)語

本次研究實(shí)現(xiàn)了基于跳頻通信技術(shù)和同步捕獲技術(shù)的水聲通信系統(tǒng)，保證了信息通信的安全性，運(yùn)用在軍事領(lǐng)域可以有效保障通信的隱蔽性。在實(shí)際的系統(tǒng)實(shí)踐中，改進(jìn)并簡(jiǎn)化了同步捕獲算法，降低了單片機(jī)的計(jì)算量，一定程度上提高了數(shù)據(jù)處理的效率。合理利用STM32綜合開發(fā)板使整個(gè)開發(fā)過程更加順利，但本方案依舊有以下幾點(diǎn)需要改進(jìn)：①采用單片機(jī)進(jìn)行整數(shù)分頻，傳輸效率較低，還未達(dá)到未來網(wǎng)絡(luò)化的水聲通信技術(shù)中對(duì)高速率傳輸?shù)囊螅虎谕ㄐ诺目煽啃赃€可以進(jìn)一步加強(qiáng)，實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)此方案的誤碼率偏高，且跳頻過程中出現(xiàn)的邏輯錯(cuò)誤也會(huì)導(dǎo)致獲取信息有偏差，可以嘗試差錯(cuò)控制技術(shù)；③經(jīng)過水聲通信獲得的溫度數(shù)據(jù)都只保留了整數(shù)部分，應(yīng)該進(jìn)一步排查是溫度傳感器本身精度問題還是系統(tǒng)算法仍需優(yōu)化導(dǎo)致的問題。

參考文獻(xiàn)

［1］陳東升．水聲信道抗多途跳頻通信中同步技術(shù)的研究［D］．廈門：廈門大學(xué)，2002．

［2］彭新河．基于DSP的高速水下通信技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)［D］．秦皇島：燕山大學(xué)，2013．

［3］張豐偉．水下無線中長(zhǎng)波通信機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］．大連：大連理工大學(xué)，2013．

［4］許肖梅．水聲通信與水聲網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展與應(yīng)用［D］．廈門：廈門大學(xué)，2009．

［5］朱永建，徐鵬飛．水聲通信網(wǎng)的研究進(jìn)展及其應(yīng)用［D］．蘇州：海軍駐蘇州地區(qū)通信軍事代表室，2012．

［6］馮若．超聲手冊(cè)［M］．南京：南京大學(xué)出版社，1999：37－52．

［7］安布雷拉公司．RM0008ReferenceManual，2010．

作者:朱耘佳 施慧彬 單位:南京航空航天大學(xué) 江蘇省軟件新技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化協(xié)同創(chuàng)新中心