方案簡(jiǎn)介:基于CDMA技術(shù)的水聲通訊系統(tǒng)
任何信息需要借助聲、光、電信 號(hào)進(jìn)行傳遞,由于光信號(hào)和電信號(hào)在海水中的衰減比較嚴(yán)重,而聲波是人類迄今為止已知的惟一能在水中遠(yuǎn)距離傳播的能量形勢(shì),因此,近些年海洋中的水聲通信系統(tǒng)的研究以及開發(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(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng),水聲通信系統(tǒng)構(gòu)成與傳統(tǒng)的無(wú)線電通信系統(tǒng)構(gòu)成具有極大的相似性,但是水聲通信系統(tǒng)是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào),攜載信息的聲信號(hào)在水中進(jìn)行傳播完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。
1 水聲通信系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
基于CDMA的水聲通信調(diào)制/解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示,整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的CDMA調(diào)制/解調(diào)、控制DAC 以及ADC 進(jìn)行數(shù)字采集,模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換由專用的集成芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。功率放大 器的功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)制信號(hào)的放大,信號(hào)放大與調(diào)理是功率放大的逆過(guò)程;發(fā)射水聲換能器實(shí)現(xiàn)將經(jīng)過(guò)放大器產(chǎn)生的電磁能轉(zhuǎn)化為聲能,接收水聲換能器是將接收到的聲信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。
圖1 水聲通信系統(tǒng)基本模型
設(shè)計(jì)的水聲通信系統(tǒng)電路原理框圖如圖2 所示。系統(tǒng)的主控制芯片是Altera 公司的Cyclone Ⅲ系列的EP3C10E144C8N,內(nèi)部主要包括通信模塊、擴(kuò)頻模塊、BPSK調(diào)制模塊及相應(yīng)的解調(diào)模塊;外圍電路包括整個(gè)系統(tǒng)的供電電路、實(shí)現(xiàn)A/D 轉(zhuǎn)換的ADS7800芯片、實(shí)現(xiàn)D/A 轉(zhuǎn)換的TY5639 芯片、為整個(gè)系統(tǒng)提供時(shí)鐘信號(hào)的的晶振電路、實(shí)現(xiàn)TTL電平與CMOS電平兼容的電平轉(zhuǎn)換芯片74HC245A、用于燒寫目標(biāo)程序的JTAG接口,另外還包括數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娐返取?/p>
圖2 水聲通信系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)框圖
該系統(tǒng)的工作過(guò)程:首先是上位機(jī)模擬發(fā)射端,將要發(fā)送的數(shù)字信號(hào)經(jīng)串行口發(fā)送給FPGA芯片,通信模塊接收數(shù)字信息后依次傳送給擴(kuò)頻模塊BPSK 調(diào)制模塊,至此將接收到的數(shù)字信息進(jìn)行調(diào)制后產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào),然后該電信號(hào)經(jīng)水聲換能器轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)發(fā)送出去,攜載了發(fā)送方發(fā)送信息的聲信號(hào)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(fù)責(zé)將接收到的聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換器后,所得數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)同步后進(jìn)行BPSK解調(diào),最后將解調(diào)出來(lái)的數(shù)字信號(hào)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(tǒng)的FPGA實(shí)現(xiàn)
CDMA又稱碼分多址,是以擴(kuò)頻通信為基礎(chǔ)的一種調(diào)制和多址方式,擴(kuò)頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式,要求信號(hào)所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)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(diào)制的方法實(shí)現(xiàn)的,并與所傳信息數(shù)據(jù)無(wú)關(guān);在接收端則用相同的擴(kuò)頻碼進(jìn)行相關(guān)解調(diào)來(lái)解擴(kuò)及恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)。其理論依據(jù)是信息論中的香農(nóng)公式:
C = B log2 (1 + S/N ) (1)
式中:C 為信道可能傳輸?shù)?最大信息速率,表示信道容量;B 表示信道帶寬;S 表示信號(hào)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(tǒng)的抗干擾性能,以保證信道容量不變。換句話說(shuō),在信道容量相同的條件下,寬帶系統(tǒng)比窄帶系統(tǒng)的抗干擾性能要好,所以當(dāng)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(kuò)系統(tǒng)的工作原理圖,由信號(hào)源輸出的信息碼與偽隨機(jī)碼產(chǎn)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼進(jìn)行模2加或相乘,產(chǎn)生以速率與偽隨機(jī)碼速率相同的擴(kuò)頻序列,然后再用載波去調(diào)制擴(kuò)頻序列,就得到已擴(kuò)頻調(diào)制的射頻信號(hào)。接收端解擴(kuò)的過(guò)程與擴(kuò)頻過(guò)程相同 ,用本地的偽隨機(jī)序列對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)后進(jìn)行解調(diào)。
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(shè)計(jì)
發(fā)射單元主要包括偽隨機(jī)序列碼模塊(PN 碼發(fā)生器),擴(kuò)頻模塊,BPSK調(diào)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(zhǎng)線性移位寄存器,是由移位寄存器加反饋后形成的。一個(gè)線性反饋移存器能產(chǎn)生m 序列的充分必要條件為:期特征多項(xiàng)式為本原多項(xiàng)式。本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)了一個(gè)7 級(jí)周期為127 的發(fā)生器,所選用的本原多項(xiàng)式為f (x) = 1 + x + x2 + x6,使用VHDL語(yǔ)言編寫。
2.1.2 擴(kuò)頻模塊
將PN碼發(fā)生器生成的m序列與輸入的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行異或,完成擴(kuò)頻功能。擴(kuò)頻模塊的RTL圖如圖5所示。
圖5 擴(kuò)頻模塊RTL圖
2.1.3 BPSK調(diào)制模塊
調(diào)制模塊選擇了具有恒包絡(luò)特性的BPSK調(diào)制,它是通過(guò)基帶信號(hào)控制載波的相位,使得載波相位發(fā)生跳變的一種調(diào)制方式。當(dāng)碼元為‘1’時(shí),調(diào)制后相位變?yōu)?80°,當(dāng)碼元為‘0’,時(shí),調(diào)制后相位變?yōu)?°,為此設(shè)計(jì)了BPSK 調(diào)制模塊,設(shè)計(jì)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(shù)據(jù),另外還有地址選擇器,數(shù)據(jù)選擇器。
整個(gè)發(fā)射端的仿真圖如圖6所示,clk為系統(tǒng)時(shí)鐘,clk_bpsk 為進(jìn)行BPSK 調(diào)制的時(shí)鐘,datain 為輸入數(shù)據(jù),m_out 為生成的m 序列,spre_out 為擴(kuò)頻后 的波形,bpsk_out為BPSK調(diào)制后的輸出。從結(jié)果可以明顯地看出輸出信號(hào)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(shù)據(jù)被正確的調(diào)制。
圖6 發(fā)射單元仿真圖
2.2 接收單元設(shè)計(jì)
為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可行性,系統(tǒng)里設(shè)計(jì)了BPSK解調(diào)和解擴(kuò)模塊,并將發(fā)射端調(diào)制好的數(shù)據(jù)直接作為接收端的輸入數(shù)據(jù)。BPSK 解調(diào)模塊里同樣例化了一個(gè)ROM,存儲(chǔ)了相位為0°的數(shù)據(jù),將通過(guò)載波同步后的數(shù)據(jù)與ROM的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行相乘,然后進(jìn)行抽樣判決,判決結(jié)果如圖7所示,圖中spre_out為發(fā)射端擴(kuò)頻完的數(shù)據(jù),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(shù)據(jù)恰好在數(shù)據(jù)始終的上升沿,p_out表示開始進(jìn)行解調(diào)輸出,從圖中可以看出判決延時(shí)后的數(shù)據(jù)恰好與擴(kuò)頻后的數(shù)據(jù)完全相同,只是延時(shí)了一段時(shí)間表示解調(diào)時(shí)間。
圖7 BPSK解調(diào)模塊結(jié)果圖
假設(shè)解擴(kuò)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(diào)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行異或,得到輸出數(shù)據(jù),結(jié)果如8 所示,sp_end 為解擴(kuò)完的數(shù)據(jù),p_end 為標(biāo)志位表示開始進(jìn)行解擴(kuò),datain 為輸入的原始數(shù)據(jù),從圖中可以看出解擴(kuò)的數(shù)據(jù)域最初的原始輸入數(shù)據(jù)相同,只是有一段時(shí)間的延時(shí),可看出系統(tǒng)進(jìn)行了正確的 解調(diào)。
圖8 解調(diào)仿真圖
3 結(jié)語(yǔ)
本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于FPGA 的直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的水聲通信調(diào)制/解調(diào)系統(tǒng),目的在于使水聲無(wú)線通信中具有更強(qiáng)的抗干擾性和保密性,系統(tǒng)中包含了信號(hào)的擴(kuò)頻及BPSK 調(diào)制以及相應(yīng)的解調(diào)模塊,并且在Modelsim 仿真軟件上驗(yàn)證成功。雖然BPSK 調(diào)制相對(duì)于2FSK,2ASK 具有帶寬窄、頻率高、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),廣泛的應(yīng)用于中高速通信中。但是在更高速的通信系統(tǒng)中,BPSK調(diào)制已經(jīng)不能滿足頻帶利用率和系統(tǒng)的有效性等要求,故基本采用多進(jìn)制調(diào)相系統(tǒng)。此外,絕對(duì)調(diào)相系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生倒相現(xiàn)象,因此應(yīng)該考慮采用相對(duì)相位調(diào)相系統(tǒng),基于該思路的水聲無(wú)線通信一定會(huì)有更好的應(yīng)用前景。