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。