多用戶水聲通信仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)

摘 要： 多用戶水聲通信仿真平臺(tái)由服務(wù)器和客戶端兩部分組成，在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)服務(wù)器功能；在以Cyclone III FPGA為核心的SoPC系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)客戶端功能。信號(hào)通過(guò)客戶端的數(shù)據(jù)采集處理后，傳輸至服務(wù)器并與模擬水聲信道的沖擊響應(yīng)進(jìn)行卷積等運(yùn)算，最后將運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)發(fā)給其他客戶端，實(shí)現(xiàn)多用戶水聲通信仿真功能。
關(guān)鍵詞： 水聲通信；仿真平臺(tái)；服務(wù)器；客戶端；SoPC

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，海洋資源的探測(cè)與開(kāi)發(fā)日益受到注目。開(kāi)發(fā)海洋資源需要母船、水下機(jī)器人和深海固定開(kāi)發(fā)基站協(xié)同作業(yè)，因此對(duì)一個(gè)信息化、現(xiàn)代化的海洋通信網(wǎng)絡(luò)有著極為迫切的需求。而聲波信號(hào)是目前已知的唯一能在海洋中遠(yuǎn)距離傳播的信號(hào)，由此水聲通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生。然而為構(gòu)建水聲通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的海洋試驗(yàn)，卻由于海上試驗(yàn)高昂的費(fèi)用和冗長(zhǎng)的試驗(yàn)周期讓人望而卻步，因此設(shè)計(jì)一套可以在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬海洋環(huán)境的水聲通信網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)有著重要的意義。
國(guó)際上，早在20世紀(jì)70年代就有較完善的仿真系統(tǒng)問(wèn)世，我國(guó)直到20世紀(jì)90年代中期才開(kāi)始有一些對(duì)于海洋聲信道模型、現(xiàn)代先進(jìn)聲納信號(hào)處理模型等仿真系統(tǒng)的研究。但對(duì)于水聲通信網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)的研究也僅限于PC機(jī)軟件模擬。由軟、硬件相結(jié)合方法構(gòu)建的水聲通信網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)彌補(bǔ)了這一方面的空白，并對(duì)水聲通信網(wǎng)絡(luò)的研究有著很好的輔助和補(bǔ)充作用。
1 仿真平臺(tái)構(gòu)建
為達(dá)到模擬海洋水聲信道、仿真多個(gè)用戶之間水聲通信的目的，仿真平臺(tái)采用標(biāo)準(zhǔn)接口，可連接多個(gè)實(shí)際的水聲設(shè)備，仿真其間的水聲傳播情況。該平臺(tái)可以仿真各種海洋環(huán)境，幫助測(cè)試水聲設(shè)備的功能，完成水聲通信、水聲定位、導(dǎo)航及水聲對(duì)抗等試驗(yàn)。同時(shí)平臺(tái)可以存儲(chǔ)大量實(shí)際測(cè)量的水聲數(shù)據(jù)，用以“重現(xiàn)”已進(jìn)行的湖海試驗(yàn)。
由于仿真平臺(tái)需模擬多個(gè)水聲通信節(jié)點(diǎn)之間的水聲通信狀況，故系統(tǒng)采用服務(wù)器端-客戶端模式。服務(wù)器端負(fù)責(zé)水聲信道模型建立、人機(jī)交互界面顯示等功能；客戶端負(fù)責(zé)水聲信號(hào)采集、數(shù)字信號(hào)處理以及信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能。如圖1所示，以兩節(jié)點(diǎn)通信為例，在實(shí)際的水聲通信中，通信節(jié)點(diǎn)發(fā)射的聲波信號(hào)通過(guò)水聲換能器發(fā)送到海洋中，聲波信號(hào)在經(jīng)過(guò)水聲信道后被接收方水聽(tīng)器接收，并傳送給接收方通信節(jié)點(diǎn)。在仿真系統(tǒng)中，通過(guò)客戶端、以太網(wǎng)傳輸及服務(wù)器水聲信道建模來(lái)模擬聲波信號(hào)離開(kāi)通信節(jié)點(diǎn)后的傳輸過(guò)程。使得軟、硬件結(jié)合的仿真系統(tǒng)可以更真實(shí)地仿真水聲通信網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)狀況。

2 服務(wù)器端設(shè)計(jì)
2.1 水聲信道理論建模
水聲信道實(shí)際是時(shí)變、空變的信道，由于其變化緩慢，在仿真系統(tǒng)中近似為時(shí)不變信道。本仿真平臺(tái)要求能夠?qū)崟r(shí)顯示接收信號(hào)的畸變波形。射線聲學(xué)以其計(jì)算的高精度、高速度及物理含義的顯著性成為本系統(tǒng)的首選建?；A(chǔ)理論。射線聲學(xué)理論體系由如下兩個(gè)方程構(gòu)建：

其中，N為聲波傳播途徑的總數(shù)；Ai為聲波沿第i條傳播途徑到達(dá)接收點(diǎn)的信號(hào)幅度值；τi為聲波沿第i條傳播途徑到達(dá)接收點(diǎn)的信號(hào)傳播時(shí)延。只要能求解出Ai、τi的值，就可以近似構(gòu)建所需的信道系統(tǒng)函數(shù)，并逼真地反映出水下聲信道的傳輸特性。令通信節(jié)點(diǎn)所發(fā)射的聲信號(hào)為s(t)，則其經(jīng)過(guò)水聲信道作用后的輸出信號(hào)y(t)應(yīng)為s(t)與信道系統(tǒng)函數(shù)的卷積：

其中，n(t)為信道內(nèi)的加性噪聲，體現(xiàn)水下噪聲特性。接收信號(hào)的幅度畸變、接收時(shí)延及受噪聲干擾等信息均可以通過(guò)y(t)得出。由于實(shí)際運(yùn)算中對(duì)于較長(zhǎng)的信號(hào)序列使用卷積計(jì)算較為緩慢，考慮到運(yùn)算的實(shí)時(shí)性，可利用FFT快速算法求解輸出信號(hào)y(t)。此流程表示為：

至此，完成了水聲信道模型的建立及接收波形生成的理論分析，據(jù)此設(shè)計(jì)實(shí)際使用的信道模型與波形處理軟件模塊。
2.2 服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)
圖2所示為服務(wù)器軟件功能結(jié)構(gòu)圖。以兩個(gè)水聲通信節(jié)點(diǎn)為例，服務(wù)器軟件基本功能為通過(guò)以太網(wǎng)接收客戶端發(fā)送的水聲信號(hào)波形數(shù)據(jù)s(t)，并將s(t)與水聲信道建模產(chǎn)生的信道沖擊響應(yīng)h(t)進(jìn)行卷積、時(shí)延等運(yùn)算，得到通過(guò)模擬水聲信道的信號(hào)波形數(shù)據(jù)y(t)，再將y(t)傳輸給其他客戶端，進(jìn)而完成仿真任務(wù)。

3 客戶端設(shè)計(jì)
3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
客戶端系統(tǒng)采用SoPC方案，主要完成信號(hào)采集、信號(hào)處理及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能，如圖3所示。FPGA芯片為系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)傳輸核心，對(duì)于水聲信號(hào)的采集由音頻CODEC完成，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)FPGA內(nèi)置MAC結(jié)合外部PHY芯片完成。NOR Flash用于操作系統(tǒng)及程序代碼存儲(chǔ)，SDRAM用于程序運(yùn)行，Nand Flash用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，JTAG用于系統(tǒng)調(diào)試，RS232用于與GPS相連完成系統(tǒng)時(shí)間同步。

3.2 FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
FPGA是系統(tǒng)的核心，整個(gè)系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度和管理都由FPGA來(lái)完成。圖4所示為FPGA內(nèi)部的總體結(jié)構(gòu)圖，其中I²C模塊用于配置CODEC工作模式，I2S模塊用于CODEC與FPGA之間數(shù)據(jù)傳輸。

3.3 Nios II 處理器程序設(shè)計(jì)
圖5所示為FPGA內(nèi)部總體結(jié)構(gòu)圖。在Nios II處理器運(yùn)行后，首先初始化?滋C/OS-II以及TCP/IP協(xié)議棧，然后開(kāi)始運(yùn)行客戶端程序，Nios II處理器接收服務(wù)器的命令后通過(guò)I2C總線對(duì)CODEC進(jìn)行配置，配置CODEC實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的A/D或D/A功能，由此程序進(jìn)入正常工作的無(wú)限循環(huán)狀態(tài)。

4 系統(tǒng)測(cè)試
對(duì)于客戶端與服務(wù)器的聯(lián)合測(cè)試，采用在理想水聲信道模型中收發(fā)單頻信號(hào)的測(cè)試方法。由一個(gè)客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)，經(jīng)服務(wù)器接收并相應(yīng)處理后轉(zhuǎn)發(fā)給其他客戶端。如圖6所示，服務(wù)器接收客戶端四（圖中字母B指示處）數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)發(fā)給另外三個(gè)客戶端（圖中字母A指示處）。測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示。

多用戶水聲通信仿真平臺(tái)通過(guò)服務(wù)器端軟件與客戶端硬件的完美結(jié)合，可以最大程度地在實(shí)驗(yàn)室模擬海洋試驗(yàn)時(shí)所處的海況。在實(shí)際湖海試驗(yàn)前進(jìn)行仿真試驗(yàn)對(duì)節(jié)約試驗(yàn)成本及縮短項(xiàng)目周期有著重要意義。
在多用戶水聲通信仿真平臺(tái)中，服務(wù)器端很好地完成了信道建模、顯控界面及以太網(wǎng)傳輸?shù)裙δ堋？蛻舳讼到y(tǒng)采用SoPC方案，在單片F(xiàn)PGA中完成系統(tǒng)控制、信號(hào)處理及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽鄬?duì)于傳統(tǒng)ARM+DSP方案有著信號(hào)處理能力強(qiáng)、系統(tǒng)集成度高、硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單及系統(tǒng)穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。