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任何信息需要借助聲、光、電信 號進(jìn)行傳遞，由于光信號和電信號在海水中的衰減比較嚴重，而聲波是人類(lèi)迄今為止已知的惟一能在水中遠距離傳播的能量形勢，因此，近些年海洋中的水聲通信系統的研究以及開(kāi)發(fā)成了熱點(diǎn)。水聲通信是指利用水聲信道進(jìn)行通信雙方數據傳輸的通信系統，水聲通信系統構成與傳統的無(wú)線(xiàn)電通信系統構成具有極大的相似性，但是水聲通信系統是將電信號轉換成聲信號，攜載信息的聲信號在水中進(jìn)行傳播完成系統的數據傳輸。 1 水聲通信系統的總體結構 基于CDMA的水聲通信調制/解調系統的設計框圖如圖1所示，整個(gè)設計系統主要實(shí)現了信號的CDMA調制/解調、控制DAC 以及ADC 進(jìn)行數字采集，模數轉換和數模轉換由專(zhuān)用的集成芯片來(lái)實(shí)現。功率放大 器的功能是實(shí)現對調制信號的放大，信號放大與調理是功率放大的逆過(guò)程；發(fā)射水聲換能器實(shí)現將經(jīng)過(guò)放大器產(chǎn)生的電磁能轉化為聲能，接收水聲換能器是將接收到的聲信號轉化為電信號。 圖1 水聲通信系統基本模型 設計的水聲通信系統電路原理框圖如圖2 所示。系統的主控制芯片是Altera 公司的Cyclone Ⅲ系列的EP3C10E144C8N，內部主要包括通信模塊、擴頻模塊、BPSK調制模塊及相應的解調模塊；外圍電路包括整個(gè)系統的供電電路、實(shí)現A/D 轉換的ADS7800芯片、實(shí)現D/A 轉換的TY5639 芯片、為整個(gè)系統提供時(shí)鐘信號的的晶振電路、實(shí)現TTL電平與CMOS電平兼容的電平轉換芯片74HC245A、用于燒寫(xiě)目標程序的JTAG接口，另外還包括數據傳輸的電路等。 圖2 水聲通信系統的電路設計框圖 該系統的工作過(guò)程：首先是上位機模擬發(fā)射端，將要發(fā)送的數字信號經(jīng)串行口發(fā)送給FPGA芯片，通信模塊接收數字信息后依次傳送給擴頻模塊BPSK 調制模塊，至此將接收到的數字信息進(jìn)行調制后產(chǎn)生的信號經(jīng)D/A轉換器轉換成模擬電信號，然后該電信號經(jīng)水聲換能器轉換成聲信號發(fā)送出去，攜載了發(fā)送方發(fā)送信息的聲信號在水下環(huán)境進(jìn)行傳播。其次是接收端，接收端同樣有一個(gè)水聲換能器負責將接收到的聲信號轉換成電信號，經(jīng)A/D 轉換器后，所得數據信號經(jīng)同步后進(jìn)行BPSK解調，最后將解調出來(lái)的數字信號經(jīng)通信模塊傳給串行口，從而發(fā)送給接收端，一次水聲通信過(guò)程完成。 2 系統的FPGA實(shí)現 CDMA又稱(chēng)碼分多址，是以擴頻通信為基礎的一種調制和多址方式，擴頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，要求信號所占有的頻帶寬度遠大于所傳信息所必需的最小帶寬；頻帶的展寬是通過(guò)編碼及調制的方法實(shí)現的，并與所傳信息數據無(wú)關(guān)；在接收端則用相同的擴頻碼進(jìn)行相關(guān)解調來(lái)解擴及恢復所傳信息數據。其理論依據是信息論中的香農公式： C = B log2 (1 + S/N ) （1） 式中：C 為信道可能傳輸的 最大信息速率，表示信道容量；B 表示信道帶寬；S 表示信號的平均功率；N 表示噪聲功率。 從式（1）中可以看出：在信噪比很小的情況下，可以使用增加帶寬的辦法來(lái)提高系統的抗干擾性能，以保證信道容量不變。換句話(huà)說(shuō)，在信道容量相同的條件下，寬帶系統比窄帶系統的抗干擾性能要好，所以當信噪比太小而且不能保證通信質(zhì)量時(shí)，可以采用增加帶寬的方法來(lái)改善通信質(zhì)量。 圖3，圖4為直擴系統的工作原理圖，由信號源輸出的信息碼與偽隨機碼產(chǎn)生器產(chǎn)生的偽隨機碼進(jìn)行模2加或相乘，產(chǎn)生以速率與偽隨機碼速率相同的擴頻序列，然后再用載波去調制擴頻序列，就得到已擴頻調制的射頻信號。接收端解擴的過(guò)程與擴頻過(guò)程相同 ，用本地的偽隨機序列對接收信號進(jìn)行相關(guān)解擴后進(jìn)行解調。 圖3 發(fā)射單元原理圖 圖4 接收單元原理圖 2.1 發(fā)射單元設計 發(fā)射單元主要包括偽隨機序列碼模塊（PN 碼發(fā)生器），擴頻模塊，BPSK調制模塊。 2.1.1 PN碼發(fā)生器 PN碼發(fā)生器采用m序列發(fā)生器的原理，m序列式最長(cháng)線(xiàn)性移位寄存器，是由移位寄存器加反饋后形成的。一個(gè)線(xiàn)性反饋移存器能產(chǎn)生m 序列的充分必要條件為：期特征多項式為本原多項式。本設計設計了一個(gè)7 級周期為127 的發(fā)生器，所選用的本原多項式為f (x) = 1 + x + x2 + x6，使用VHDL語(yǔ)言編寫(xiě)。 2.1.2 擴頻模塊 將PN碼發(fā)生器生成的m序列與輸入的數字信號進(jìn)行異或，完成擴頻功能。擴頻模塊的RTL圖如圖5所示。 圖5 擴頻模塊RTL圖 2.1.3 BPSK調制模塊 調制模塊選擇了具有恒包絡(luò )特性的BPSK調制，它是通過(guò)基帶信號控制載波的相位，使得載波相位發(fā)生跳變的一種調制方式。當碼元為‘1’時(shí)，調制后相位變?yōu)?80°，當碼元為‘0’，時(shí)，調制后相位變?yōu)?°，為此設計了BPSK 調制模塊，設計例化了兩個(gè)ROM，通過(guò)Matlab 生成.mif文件用來(lái)存放0°和180°的數據，另外還有地址選擇器，數據選擇器。 整個(gè)發(fā)射端的仿真圖如圖6所示，clk為系統時(shí)鐘，clk_bpsk 為進(jìn)行BPSK 調制的時(shí)鐘，datain 為輸入數據，m_out 為生成的m 序列，spre_out 為擴頻后 的波形，bpsk_out為BPSK調制后的輸出。從結果可以明顯地看出輸出信號有兩次相位變化，一次是從0°~180°的跳變，另一次是從180°~0°的跳變，可以看到數據被正確的調制。 圖6 發(fā)射單元仿真圖 2.2 接收單元設計 為了驗證設計系統的可行性，系統里設計了BPSK解調和解擴模塊，并將發(fā)射端調制好的數據直接作為接收端的輸入數據。BPSK 解調模塊里同樣例化了一個(gè)ROM，存儲了相位為0°的數據，將通過(guò)載波同步后的數據與ROM的輸出數據進(jìn)行相乘，然后進(jìn)行抽樣判決，判決結果如圖7所示，圖中spre_out為發(fā)射端擴頻完的數據，sam_out 為進(jìn)行抽樣判決后并延時(shí)了70 個(gè)clk_bpsk，目的是為了將數據恰好在數據始終的上升沿，p_out表示開(kāi)始進(jìn)行解調輸出，從圖中可以看出判決延時(shí)后的數據恰好與擴頻后的數據完全相同，只是延時(shí)了一段時(shí)間表示解調時(shí)間。 圖7 BPSK解調模塊結果圖 假設解擴模塊里已進(jìn)行PN 碼的同步，此處只 是進(jìn)行了一定時(shí)間的延時(shí)，使其恰好與發(fā)射端PN 碼相同，然后與BPSK 解調后的數據進(jìn)行異或，得到輸出數據，結果如8 所示，sp_end 為解擴完的數據，p_end 為標志位表示開(kāi)始進(jìn)行解擴，datain 為輸入的原始數據，從圖中可以看出解擴的數據域最初的原始輸入數據相同，只是有一段時(shí)間的延時(shí)，可看出系統進(jìn)行了正確的 解調。 圖8 解調仿真圖 3 結語(yǔ) 本文設計了一個(gè)基于FPGA 的直接序列擴頻系統的水聲通信調制/解調系統，目的在于使水聲無(wú)線(xiàn)通信中具有更強的抗干擾性和保密性，系統中包含了信號的擴頻及BPSK 調制以及相應的解調模塊，并且在Modelsim 仿真軟件上驗證成功。雖然BPSK 調制相對于2FSK，2ASK 具有帶寬窄、頻率高、抗干擾性強等優(yōu)點(diǎn)，廣泛的應用于中高速通信中。但是在更高速的通信系統中，BPSK調制已經(jīng)不能滿(mǎn)足頻帶利用率和系統的有效性等要求，故基本采用多進(jìn)制調相系統。此外，絕對調相系統會(huì )產(chǎn)生倒相現象，因此應該考慮采用相對相位調相系統，基于該思路的水聲無(wú)線(xiàn)通信一定會(huì )有更好的應用前景。 |
