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水卜机器人中控制信息传输实现 摘要 水下机器人在海洋开发中占有重要地位，水声通信系统作为水下机器人中不可或缺 的一部分，是水下机器人无缆操控的关键设备。本文涉及的是一套实际应用于某型智能 水下机器人的水声通信系统，为机器人、岸基和船基提供通信节点，传输对机器人的控 制命令和机器人工作状态信息的回传，这些信息通过串口反馈给主控机和规划机，做进 一步的分析和处理。 系统使用扩频通信体制，采用软件来实现通信系统的绝大部分功能。系统硬件平台 采用p c i 0 4 和a r m + d s p 两种架构，软件平台采用嵌入式实时操作系统v x w o r k s ，在 v x w o r k s 上实现多任务调度，并编写软件实现通信算法。 首先实现v x w o r k s 系统下多任务调度，按照v x w o r k s 下外设驱动程序设计思路及 框架，完成v x w o r k s 下p c i 0 4 总线结构的串口扩展板驱动程序设计，用以实现p c i 0 4 平台下串口接口程序。 随后在a r m + d s p 平台下完成数据流打通工作，包括a r m 和d s p ，a r m 和f p g a 之间的数据传输，a r m 对c o d e c 的配置等工作。连接数据传输和扩频算法部分，进而 在该平台下实现扩频通信功能。 最后，对系统进行测试工作，主要包括实验室电联调，水池实验，系统单项验收湖 上实验，以及最后的大系统集成海试。编写实验所需的辅助程序，解决实验中遇到的实 际问题。 关键词：水声通信；v x w o r k sp c i 0 4 ra r m 水下机器人中控制信息传输实现 葺暑暑宣暑宣；i ；i i 薯i i l l lii 萱i 宣昌葺昌宣i 暑i 宣眚葺暑置i 置置譬暑暑宣i 昌i ；i 薯 a bs t r a c t u n d e r w a t e rr o b o tp l a y sa ni m p o r t a n tp a r ti ns e ad e v e l o p m e n t a c o u s t i cc o m m u n i c a t i o n s y s t e m i sa ni n d i s p e n s a b l e p a r t i nu n d e r w a t e rr o b o t ，i tp r o v i d e saw a yf o rc o t r o l l i n g u n t e t h e r e d l y i nt h i sp a p e ru n d e r w a t e ra c o u s t i cc o m m u n i c a t i n gs y s t e mi sr e a l i z e d ，w h i c hi s u s e da sn o d eo fs h i po rb a n k i ti sr e s p o n s i b l ef o rt r a n s m i t t i n gc o n t r o l l i n gc o m m a n da n d w o r k i n gs t a t ei n f o r m a t i o n a l lo ft h ei n f o r m a t i o ni st r a n s m i t t e dt oc o n t r o l l i n gm a c h i n ea n d p l a n n i n gm a c h i n et h r o u g h s e r i a lp o r t i tw i l lb ep r o c e s s e df u r t h e rm o r e s p r e a ds p e c t r u mi sa d o p t e db yt h es y s t e m t h em a i nf u n c t i o ni sr e a l i z e db ys o f t w a r e t h es y s t e mu s e st w ok i n d so fh a r d w a r ep l a t f o r m ，p c i 0 4a n da r m + d s ev x w o r k so si s e s t a b l i s h e do nt h ep l a t f o r m ，i ti s r e s p o n s i b l e f o rt a s k s c h e d u l i n g , a n dc o m m u n i c a t i n g a l g o r i t h m f i r s t l y , m u l t i t a s ki sr e a l i z e du n d e rv x w o r k s a b i d i n gb yt h er e g u l a t i o no fd e v i c ed r i v e r , d r i v i n gp r o g r a mf o rs e r i a le x p a n d i n gb o a r di sd e s i g n e d s e r i a lp o r tp r o g r a m sa r ed e s i g n e d , w h i c hp r o v i d e saw a yf o re x c h a n g i n gi n f o r m a t i o nb e t w e e nd i f f e r e n ts u b s y s t e m s s e c o n d l y , s o m ew o r ki sd o n eu n d e ra r m + d s p , i n c l u d i n gd a t as t r e a mb e t w e e na r m a n dd s p , f p g a c o d e ci sc o n f i g u r e dt h r o u g h1 2 c c o m m u n i c a t i n ga l g o r i t h mi st r a n s p l a n t e d u n d e rt h i sp l a t f o r m a tl a s t ，t h ew h o l es y s t e mi s t e s t e d t e s t i n gp r o c e d u r ei n c l u d e se l e c t r i cd e b u g g i n g ， t e s t i n gi np o o l ，a n ds y s t e mi n t e g r a t e dt e s t d u r i n g t h et e s t ，s o m ea s s i s t a n tp r o g r a mi s d e s i g n e dt os e t t l et h ep r o b l e m s k e yw o r d s ：u n d e r w a t e ra c o u s t i cc o m m u n i c a t i o n ；v x w o r k s ：p c i 0 4 ；a r m 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 水下机器人国内外研究状况 随着海洋开发战略意义的逐步显现，水下机器人由于其在海洋开发、海事研究等 方面的应用前景而越来越受到世界各国的重视。水下机器人是一个复杂的系统，其本 身集成了许多的设备和技术，主要涵盖了推进设备，控制设备，动力电源设备，水下 目标探测与识别，导航与通信设备等等1 。有了设备和技术的保障，水下机器人可以在 复杂海洋环境中执行各种军用以及民用任务。因此水下机器入研究与开发本身综合性 很强，涉及的技术较广，主要包括：机器人载体设计技术、基础运动控制技术、系统 可靠性、智能规划与决策技术、水下目标探测与识别技术等等。水下机器人主要可以 分为两大类，一类是有缆水下机器人，另一类是无缆水下机器人，无缆机器人也就是 通常意义上的智能水下机器人( a u v ) 。a u v 具有很高的自治能力，能够自主航行并完 成一些动作田。近年来，a u v 的发展迅速， 成果也很丰硕。 1 1 1 水下机器人国外研究状况 各国都对此倾注了较大的科研开发力度， 上世纪5 0 年代，美国研制了第一艘无缆水下机器人，并用于水文调查实验。随 后伴随着海洋开发的热潮，海上石油勘探的繁荣，水下机器人的研究开发倍受关注。 1 9 8 7 年日本成功研制出“海纯3 k 号，它是一款深海无人水下机器人，最大下 潜深度可达3 3 0 0 米，主要用途在于深海科学探索研究。 欧洲各国在水下潜器的研究方面也有着悠久的历史，并具有着一定的技术 优势。根据欧洲尤里卡计划，英国、意大利、丹麦等国联合研制水下无人潜器， 主要涉及无人遥控潜器，有缆潜器，用于水下测量、水下故障检查与维修等p 1 。 美国研究水下机器人的热点在于无缆自治水下机器人( a u v ) ，伴随着计算机、电 子技术的发展，a u v 的技术逐步走向成熟。2 0 0 9 年5 月3 1 日，n e r e u sh r o v ( h y b r i d r e m o t e l yo p e r a t e dv e h i c l e ) 在马里亚纳海沟成功完成第一次下潜试验，在1 0 ，9 0 3 m 深度 下潜2 6 小时。n e r e u s 可以工作在两种模式下，即a u v 模式和r o v 模式。工作在 a u v 模式下，可以使用声纳和摄像机完成勘察，绘制海底地形。在近距离成像和取 样时，n e r e u s 可以转换成r o v 模式，使用光纤连接到水面，以供人工控制川。 1 1 2 水下机器人国内研究状况 c r 0 16 0 0 0 米自治水下机器人是由我国8 6 3 计划支持的国家重大高科技项 目，由中俄联合研制。1 9 9 5 年c r 0 16 0 0 0 米无缆自治水下机器人研制成功，标 哈尔滨j ：程人学硕士学位论文 志着中国拥有了世界上只有少数国家拥有的6 0 0 0 米自治水下机器人技术。国内 研究水下机器人的科研机构主要有：中国科学院沈阳自动化研究所、中国科学 院声学所、哈尔滨工程大学等单位。 图1 1 哈尔滨工程大学研发的某型智能水下机器人 我校从事智能水下机器人研究开发工作多年，主要侧重智能水下机器人研 发。目前，我校智能水下机器人的研究已处于国内领先水平。图1 1 为我校研发 的某型智能水下机器人，可用于海底考查，海底管道跟踪等。 1 2 水下机器人通信系统 通信系统是水下机器人的一个不可缺少的部分，用于机器人工作状态信息的回传 和控制命令的传输。水下机器人的通信方式主要有：无线电通信，水声通信系统。无 线电通信只限于机器人在接近海面或者在海面上时有效。而水声通信是水下远距离信 息传输的主要手段。水声通信凭借其较高的可靠性和稳定性，便于实现对机器人的无 缆操控。 应用于水声通信系统的主要技术有高速水声通信和低速水声通信阁。高速水声通 信系统采用的通信体制主要是多载波通信。而低速水声通信系统主要采用扩频通信。 低速系统主要用于机器人之问传送命令信息，数据量不大，但对误码率要求较高。而 高速系统主要用于图像信息的传输，数据量大，因此要求较高的通信速率，但可以相 应降低可靠性要求。本文中讨论的水声通信系统采用扩频通信体制，实现岸基或船基 节点对机器人的控制命令传输和机器人状态信息的回传。 1 3 水下机器人控制信息传输格式 a u v 中用于传输的信息主要有：经度、纬度、深度、速度、高度、艏向角度、 动力电、控制电、任务及状态信息等。c o m p a c tc o n t r o ll a n g u a g e ( c c l ) 是一种传输a u v 信息的语言，它最初被应用于w h o i 海洋研发中心的r e m u sa u v 。c c l 包含对a u v 的控制命令和典型的传感器信息，并且所有信息都小于3 2 字节。其中命令包含简单 第1 章绪论 的操作指令，比如：停止，启动，以及一系列复杂指令。c c l 这套标准的体制已经被 成功用于多机器人协作中的信息传输与共享、任务规划和任务完成后状态信息的回放 1 6 1 。c c l 的意义在于，通过使用这种标准化的语言能够实现无障碍的信息交流，实现 机器人之间的协作。在机器人编队中，各个机器人之间的信息交流需要一种统一的信 息传输格式，但对于单个的某种类型的机器人往往根据实际条件制定自己的一套控制 信息传输格式。 1 3 1 某型智能水下机器人中控制信息格式 智能水下机器人中水声通信系统传送的内容主要由机器入主控系统和机器人规 划系统给出，所以信息传输的基本格式也有两种。规划机或控制机经由串口传送给水 声通信系统，将其经过水声信道发送出去。水声通信系统的接收信息同样经过串口反 馈给规划机和控制机，具体格式如表1 1 和表1 2 所示。 表1 1 智能水下机器人控制机信息传输格式 格式具体含义 取值 宰宰 标志此信息由控制机发送 a l n c 报文长度a , b ，c 值代表不同的长度值 c h a r 【】 字符串表示待上传信息 具体取值由控制机决定 结束符 表1 2 智能水下机器人规划机信息传输格式 格式具体含义取值 ， 标志此信息由规划机发送 c h a r 1 航速不同的值代表了不同航速 c h a r 2 】 上浮 是否进行此操作 c h a r 3 】 是否需要重规划 是否进行此操作 c h a r 4 】 中继通讯使用状态是否使用中继通讯 c h a r 5 】 作业类型代表具体的作业类型 c h a r 6 1 奇偶校验 这里使用偶校验 舞 结束符结束符 1 4 智能水下机器人水声通信系统简介 智能水下机器人的主要结构包括主控系统，规划系统，动力电系统，导航系统， 自救系统，声通信系统，无线电系统，声光探测系统等。各个子系统有的独立工作， 有的子系统之间需要相互依赖。水声通信子系统主要为机器人提供水下通信保障，其 3 哈尔滨t 稗大学硕士学位论文 发射信息由主控机和规划系统给出，声通信系统的接收信息交由主控机和规划机处 理，为机器人的无缆遥控操作提供了最主要的手段。图1 2 为该智能水下机器人基本 组成结构图。 处于系统可靠性考虑，通信子系统采用的硬件平台是p c i 0 4 ，平台上运行嵌入式 实时操作系统v x w o r k s ，以实现系统多任务的实时调度。通信算法采用扩频机制，有 效地抵抗浅海声信道的多途效应，实现低信噪比下的可靠传输。系统载频为7 3 k h z ， 通信带宽约为3 k h z ，通信速率2 9 b p s 。 图1 2 智能机器人系统结构图 1 5 本文主要研究内容 本文主要任务是实现一个应用于水下机器人的水声通信系统，主要研究内容包括 以下几个方面： 1 在v x w o r k s 下进行p c i 0 4 总线结构串口板动驱动程序开发。从而提供给水声 通信系统足够的通信接口，保证通信系统能够准确地接收机器人主控机、规划机以及 自救系统的命令，并且将接收到的信息发送到对应的子系统。 2 该通信系统具备发射和接收功能，采用v x w o r k s 提供的优先级调度方式实现 系统中任务间的调度，实现发射和接收任务准确切换，并及时响应串口接口设备。 3 完成基于a t 9 1 r m 9 2 0 0 的v x w o r k s 系统的搭建，在v x w o r k s 下实现a r m 与 d s p ，a r m 与f p g a 之间的数据传输，之后进行扩频通信算法的移植工作，实现通 信功能。 4 针对于这套水声通信子系统进行了电联调，水池实验，系统单项验收湖试， 大系统联调水池实验，系统集成海试。为实验设计辅助测试程序，解决实验中出现的 实际问题。 最后，对全文作出总结，并对未来的工作做了展望。 4 第2 章水声扩频通信原理 第2 章水声扩频通信原理 2 1 水声扩频通信系统概述 该系统应用于一型智能水下机器人，它的实现是基于软件无线电的思想。 s b r ( s o f t w a r eb a s e dr a d i o ) 是基于软件的无线电技术，是无线通信的一种全新的实现 方式。在软件无线电概念提出之前，无线通信系统的实现基本上是以硬件为核心，并 且面向某一种应用，可扩展性很差。s b r 的概念是把无线通信的实现方法过渡到计算 平台上来实现，通信系统的各个环节采用软件编程来实现，主要包括信号处理部分和 信号控制部分。s b r 的接收机把经过数字化的天线信号经过滤波，放大，下变频然后 进行后端处理，发射机是这样相反的一个过程p 1 。 该系统是一套低速水声通信系统，主要用于传输机器人的命令和状态信息。整个 系统接收机中声音信号经过声卡a d 变换数字化后，通信信号处理过程完全使用软件 编程设计实现，主要包含的处理环节有：自动增益控制，解调，多普勒频率搜索，多 途分量提取，信道估计等。发射机的实现也类似，主要处理环节有发射信号设计，调 制，波形形成，信道编码等。这套系统采用的通信体制是扩频通信中的直扩方式，考 虑水声信道的特点，扩频系统具有一些抵抗这些不利信道条件的优势，比如抗多径干 扰，抵抗信道的频率选择性衰落，降低发射机的功率等。 2 1 1 扩频通信基本理论 香农定理指出：在加性高斯白噪声干扰条件下，信道容量为： c = b l 0 9 2 0 + s ) 0 1 ) 其中c 为信道容量，曰为信号频带宽度，s 为信号平均功率，为噪声平均功率嘲。 这说明在给定信号功率和白噪声功率的条件下，采用某种方法可以以任意小的差 错概率，以接近于c 的传输速率来传输信息。也就是说在保持信息传输速率c 不变 的条件下，可以用不同信号频带宽度b 和信噪比来传输信息，两者可以互换，以得到 相应好处。扩频通信正是以带宽换取信噪比的好处，但是这种好处需要借助于某种编 码方式，这种编码方式能够将信号的带宽扩展，该过程通常称为扩频。 柯捷尔尼的潜在抗干扰性理论指出信息差错概率的公式： p 。= f ( e n o ) 倍2 、 、一一， 该公式说明：差错概率是每个比特信号能量e 与噪声功率谱密度之比的函 数h 。若数字信息的码元宽度为丁，则信息带宽既为吃一1 t ，信号功率s 为s 。e t 。 设已扩频信号的带宽为8 ，噪声功率n = n o b 将其代入上式得： 5 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 一f ( s r b n ) 一i ( s b n b )( 3 - 3 ) 从上式可以看出，差错概率只是输入信噪比与信号带宽的乘积与信息带宽之比的函 数，也说明了一个事实，信噪比和信号带宽是可以相互转换的。因此可以利用扩频的 手段来传输信息，从而提高通信系统的抗干扰能力，降低信噪比要求。 2 1 2 扩频通信系统的性能指标 扩频系统在发射机中扩展了信号频谱，在接收机中进行同步自相关解扩后恢复了 所传输的信息，这一处理过程带来了信噪比上的好处，输出信噪比相对于输入信噪比 有较大改善，从而提高了系统的抗干扰能力。 各种扩展频谱系统的抗干扰性能大体上与扩频信号的带宽形与所传信息带宽b 之比成正比，工程上以分贝来表示： g 。盟；堡。堡ir = ；一2 一 一( s s ) ；b 兄 g 。= ( 一掣一1 ) ，系统的处理增益在数值上等于p n 码的周期p 川。 g 。为扩频系统的处理增益，表示了扩频系统对信噪比改善的程度。这是一个重 要的参数，是扩频系统的一个重要的性能指标。 但扩频增益并不能充分地说明系统在干扰环境下的工作性能。通常通信系统正常 工作需要保证输出端有一定的信噪比，干扰容限能够更好地说明问题，其定义如式 ( 3 - 5 ) ： m f = g p - i ( s i n ) o + 丘】 ( 3 5 ) 其中g p 为系统的处理增益； n ) o 为系统正常工作时要求解扩器的最小输出信噪 比；。为系统的内部信噪比损槲1 1 1 。 干扰容限直接反映了扩频系统接收机可能抵抗的极限干扰强度。因此干扰容限往 往比处理增益更能确切地反映系统的抗干扰能力。 2 1 3m 序列 扩频码是扩频通信的关键部分。扩频码需要具有类似高斯噪声的特性，并且应该 在发射机和接收机中易于实现。 m 序列又称为伪随机序列，凭借其优良的特性广泛应用于通信领域，如扩频通信， 码分多址，加密通信、信号同步等诸多方面p 2 1 。 m 序列全称是最长线性反馈移位寄存器序列，是伪随机序列的一种。由1 1 级串接 的移位寄存器和反馈逻辑线路组成。带线性反馈逻辑的移位寄存器设定了初始状态 后，在时钟触发下每次移位后各级寄存器状态会发生变化。 6 第2 章水声扩频通信原理 n 级线性反馈移位寄存器的输出序列是一个周期序列，其周期长短由移位寄存器 的级数、线性反馈逻辑和初始状态决定。在产生最长线性反馈移位寄存器序列时，需 要初始状态非全零，并且要有合适的线性反馈逻辑。可以根据本原多项式构造出m 序列发生器引。 m 序列可以设计成具有良好的自相关性和互相关性，图2 1 中的m l 和m 2 序列 产生于不同的本原多项式，图中可以看出该序列的自相关呈现大峰值，而互相关则类 似噪声，无明显峰值出现。 m 1 波形图i n = 7 )m 2 波形图怍7 ) r r r r t t r t 1 _ t r t 瑚 l ，j 。一，。l ，。：。l j j 5 0 1 0 01 5 0 2 0 02 f 幻 m 序列的自相关州= 7 ) 3 r 一一一一1 5 0 1 0 01 5 02 2 m 序列的自相关( n = 7 ) 4 0r 一一t r 一一 图2 1m 序列的自相关与互相关性 2 2 发射信号设计 水下声信道是一种缓慢时变的相干多途信道。信道对信号传输所产生的影响主要 表现在三个方面：路径损失，阴影衰落，多径衰落。其中路径损失主要是传输损失， 表现在信号强度随距离变化的特性，并且在不同的环境下路径损失指数是不同的。阴 影衰落主要是由于海底地形起伏导致的阴影区，以及由声线弯曲引起的阴影衰落。多 径衰落又称为快衰落，经过反射、绕射和散射的声波始终存在，从而产生了多径，这 些多径信号在强度、时延、带宽方面会有差异，导致合成信号的强度和相位会产生变 化。多径衰落效应主要表现在以下几个方面：信号强度在很短的时间内具有快速的变 化；由于路径不同引起多普勒频偏不同，叠加后产生多普勒调制：多径传播时延引起 的扩展1 4 1 。 发射信号的设计要考虑到水声信道的这些特性，信号本身要具有一些抵制这些信 7 孵鄹h杯耕驵矩椿磐牲夔 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 道畸变性质的特性。本系统使用直接序列扩频通信方式，这种通信方式可以在一定程 度上克服多途效应，甚至会利用多途效应。并且使用r s 信道编码来实现纠正突发错 误，同时由于信道衰落引起的误码一般是比较集中的，因此这里引入交织，将集中错 误“打散”，从而满足信道编码纠错能力。 在通信中同步是一个很重要的概念，同步信号的设计也是很关键的。所谓同步是 指收发双方在时间上步调一致，也可以称之为定时。在数字通信中，按照同步的功能 主要分为：位同步、群同步、载波同步、网同步i 峙1 。载波同步是指在相干解调时，接 收端需要提供一个与接收信号中的调制载波同频同相的相干载波。在相干解调中载波 同步是必须的步骤。 基于以上考虑，本系统中发射信号的结构如图2 2 所示。这里使用的m 序列m l 和m 2 相关性很小，产生于不同本原多项式。同步信号和信息信号分别调制于相互正 交的载波上。同时为了纠正由于水声信道衰落特性导致的突发错误，发射信号设计了 r s 信道编码。 图2 2 发射信号结构 2 2 1 调制 信号发射之所以要经过调制的过程，主要是基于以下考虑：提高信道的利用率； 减小天线尺寸，从而有利于物理实现；减小相对带宽；改善信息传输的均匀性，提高 了可靠性阍。 数字信号在带通信道中传输时，需要用数字信号对载波进行调制。调制方式主要 有幅度调制，频率调制和相位调制三种。 其中，相移键控载波相位随着调制信号而变化，对于二进制调制来说，一般使用 o 或石。数学表达式为： 是嗽o ) 一l 巳g o 一万i ) i c o s 吐f ( 3 6 ) l j 其中a 。为基带信号，取值为1 或1 1 7 1 。图2 3 是b p s k 调制方式中信号调制前后波形 图及调制后的频谱图，其实质上等同于一个抑制载波的双边带调幅信号，不存在直流 分量，信号的解调必须采用相干解调的方式。相干解调的方式必须要有一个同频同相 的载波，因此载波同步在相干解调中是一个必要的过程。 8 第2 章水声扩频通信原理 为了提高频带利用率可以考虑采用多进制数字调制方式，但同时带来的代价是增 加了信号功率和实现上的复杂性。 在直接序列扩频系统中，调制方式通常采用的是p s k 方式。本系统中采用的是 b p s k 调制解调方式。 1 0 5 0 1 0 1 原始信息数据 00 10 20 30 40 50 60 70 8 0 91 调制后的信号 ! i 骶鳓 饥“1 00 10 20 3 0 40 b p s k 信号 70 80 91 图2 3b p s k 信号调制后时域信号与功率谱 2 2 2 波形形成 在数字通信中，基带数据需要经过波形形成才能适合信道传输。波形形成的任务 是在不产生符号间干扰的前提下使发送信号频带受限，它的优劣直接影响到接收信息 的误码性能，因此基带滤波器的设计是数据传输中很重要的一环。基带滤波器的设计 依据是奈奎斯特准则。 波形形成可以采用模拟和数字两种实现方式。模拟实现的方法成本低，但难以获 得理想的输出波形，而且频率范围较窄。采用数字信号处理的实现方法可以克服模拟 方法的缺点，但处理速度满足不了高速数据通信的要求，为了解决速度的问题，可以 使用存储查表的方式来实现m 。 当矩形脉冲通过带限信道时，脉冲会产生时延扩展，使脉冲进入相邻码的时间间 隔内，就会造成码间干扰。减小码间干扰最直接的方式是增加信道带宽，然而水声信 道是有限带宽的，因此希望采用这样的一种技术：在减小码间干扰的同时，能够减小 9 哈尔滨r t 程大学硕十学位论文 调制带宽和抑制频带外的扩散。脉冲成形技术可以同时有效地减小码间干扰的影响和 被调制数字信号的频谱宽度。一种实用的脉冲成形滤波器是升余弦脉冲滤波器。在实 际应用中，通常在收、发双方都采用升余弦滤波器。其提升因子决定了系统实际带宽 与最小带宽的关系。 在本系统中主要采用三个级联的低通滤波器，来限制基带信号的频带范围，同时 保证了线性相位，从而适应信道的传输条件。 2 3 水声扩频通信系统接收机 水声信道是相对复杂的，缓慢时变多途，还有由于节点相对速度或者振荡器的频 率误差所产生的多普勒效应。因此在接收机中必然需要使用一系列的处理算法力求减 弱这些不利影响。接收机中的主要问题在于同步，多普勒频率搜索，多途分量提取， 自动增益控制等处理。 2 3 1 同步搜索 在这个系统中主要考虑的同步是伪随机码同步。伪随机码的同步好坏直接影响到 处理增益的大小。伪随机码同步的捕获方法比较多，通常有以下几种：匹配滤波器捕 获法，滑动相关捕获法n 明。 在扩频通信系统中，接收机处理的第一个步骤通常是解扩，用一个与发射端相同 的p n 码相乘，并且必须保证本地p n 码速率相位与接收信号的p n 码保持一致。难 点在于怎样保持本地p n 码与接收信号中的p n 码相位一致。p n 码本身具有的优良特 性，当相位差大于一个码片是，相关峰将会消失，因此可以通过相关处理来达到p n 码同步的目的。当相关器的相关峰出现时，即可捕捉到p n 码。本系统中采用的p n 码捕获方法就是滑动相关法，这种方法方便易行。 2 3 2 频率搜索 由于水声通信固有的特点，通信的载频较低，并且声波速度较无线电传输速率低 很多，因此多普勒影响表现得很明显。当通信收发双方存在相对运动时，为了保证可 靠通信，需要对多普勒频移进行补偿。 多普勒频移可以分为宽带多普勒频移和窄带多普勒频移。宽带多普勒对不同载频 的影响是不同的，表现在时域上是对信号的压缩或扩展。窄带多普勒频移对于所有载 波来说，频移都是相同的。宽带多普勒的补偿问题可以归结为信号变采样问题，窄带 多普勒补偿是对载波频率偏移的估计刚。 系统中导致频率偏移的原因主要有：通信收发两端的相对运动，或者由于收发两 端晶振存在偏移，导致载波发生偏移。因此这里主要考虑窄带多普勒频率的影响以及 1 0 第2 章水声扩频通信原理 补偿问题。纠正频偏采用频率搜索的方式，频率搜索分为粗搜索和精搜索两个阶段， 利用粗搜索先确定一个大概的范围，然后在这个范围内以更小的步距进行精搜索。确 定的方式使用相关，根据相关峰值来判定。 2 3 3 多途分量提取 声波在传输过程中，有许多不同的传输路径，不同路径的传播时延不同，因此在 同一时间上接收到的信号叠加在一起，会导致波形产生畸变。水声信道的多途效应比 较明显，为了抵抗多途效应，可以利用直扩通信系统自身的特点。d s s s 系统的抗多 途性能是依靠p n 码的自相关性，如果多途时延大于伪随机码片的一个周期，多径信 号可以当作不相关的噪声伫。这套系统对多途分量的提取和利用类似于r a k e 接收机 的处理方法。 有名的r a k e 接收机正是利用了伪随机码的白相关性来克服多径效应。r a k e 接收 机使用若干个相关器来捕捉各个多径分量，然后对相关器处理得到的结果进行线性组 合。这相当于进行了时间分集，把结果按照某种规则进行合并，然后进行判决，巧妙 地把多径分量提取出来，同时相当于增加了信号强度。 乱 典型的r a k e 接收机由若干个相关器和加权网络组成。相关器用于捕获各多径分 量，然后按照定规则对强径分量进行组合，最后对组合后的结果进行判决得到结果。 这里加权规则主要有：最大比合并，等增益合并，选择式合并掣硐。 ? 、判决 l - 输出 图2 4r a k e 接收机结构图 2 3 4 自动增益控制 自动增益控制的本质是当接收机输入信号动态范围很大时，维持输出信号稳定在 一个确定的线性动态范围内，它是一种提高接收机动态范围的有效方法嘲。自动增益 控制可以使用硬件或软件来实现。本系统中采用软件方式来实现，主要由抽取、包络 提取、门限判决等环节组成。由于a g c 只需要考虑信号包络的慢变特性，所以经过 哈尔滨工程大学硕十学位论文 信号抽取环节。信号抽取降低了数据量，从而提高了后面信号处理的速度。包络提取 模块主要处理环节包括取模和低通滤波器，得到信号包络的信息。之后是门限判决， 将包络提取的结果与门限进行比较，做出相应调整。 本系统中自动增益控制模块，一次自动增益控制取3 2 个码片的包络平方和玑， 与基准值进行比较，然后做相应调整，调整规则如下： 彳o ) 一u ，a o - i ) w o( 3 7 ) 其中彳0 ) 为忍时刻调整系数，u ，为基准值。 2 4 本章小结 本章主要讨论了扩频通信中的基本问题，包括水声通信中的发射和接收信号处理 过程。发射环节包括发射信号设计、扩谱、波形形成滤波器、调制、信道编码等技术。 接收环节包括自动增益控制、解调、多途分量提取，多普勒频率搜索等。分析扩频通 信原理为后续通信程序移植和调试工作做准备。 1 2 第3 章水f 通信软1 ，t t 设计 第3 章水下通信软件设计 本文中实现的水声通信系统设计采用了两种硬件上的设计方案，两种方案中采用 的处理器不同，一种是水下机器人中经常使用的处理器p c i 0 4 ，这种处理器是基于x 8 6 结构的，实验证明其能够可靠工作在水下机器人电子舱这种密闭环境中。另外一种方 案采用“a r m + d s p ”作为处理器，其特点是功耗较低，体积较小。论文中的软件设 计工作在这两种平台下完成。 3 1v x w r o r k s 操作系统 v x w o r k s 是美国w i n d r i v e r 公司于1 9 8 3 年推出的一款嵌入式实时操作系统，如 今己成为实时系统中最出色的操作系统之一，它支持多种c p u 架构彤1 。良好的兼容 性使得v x w o r k s 得以流行。另外v x w o r k s 提供了高性能的系统内核，良好的中断管 理机制，实时的任务调度以及任务间通信机制，并且提供了友好的用户开发环境 t o r n a d o 。 v x w o r k s 具有微内核结构，其可靠性高，任务间切换的时间短，中断延迟小。主 要保障在于：多任务之间的快速切换，可抢占式的任务调度，多种任务间通信方式瞄1 。 v x w o r k s 的鲜明特色有以下几点： 1 、v x w o r k s 系统具有良好的可裁剪性，用户可以根据实际工程需要进行组件的裁剪。 2 、v x w o r k s 的兼容性较好，可以在不同的硬件平台之间移植，便于开发实践。 3 、v x w o r k s 兼容p o s i x 标准，极大地提高了应用程序的可移植性。 v x w o r k s 包含了一般操作系统的基本组成部分，如进程管理、存储管理、设备管 理、文件系统、网络等部分，但作为嵌入式系统，它又有着自己的特点，它是分层结 构的，即分为与硬件相关的部分、独立于硬件的部分，和独具特色的用于上层和底层 隔离的板级支持包b s p ( b o a r ds u p p o r tp a c k a g e ) 陋1 。具体层次结构如图3 1 所示。 0 ，ii t 薅i。_ h _ 融蝌嘲憎，卿重- i ! 鬟晰o 一一i + + 。j 曩誊曩。： 蓐t ，_ 一5 _ ，n t 、 ，。 。l l ，o h m r l v j 啊b - t - l h n m 眩量 t r p 儿p l | ；i “玉j i + * 曩j 嚣q 露i 。j 鬻 。 1 l - i l ej - , n t l l - ，r m f 7 j w j l _ _ 汪1 - n v e l l |爱裂 薯 ， 、it ， i 。 ji t a ：r m d a p m , m , 毫酬啊_ 妇皤。 。i ”： 置、“，j 冀、 0 l l m 晰j v ， 1 黑。，i 。d 1 罂wjl-kiitp j ： 黧c 。滁纛。s e r t a 1k 。愿器愿c f _ z h e n 陋t e l l 凝 图3 1v x w o r k s 操作系统层次结构图 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 3 2a r m 平台下v x w o r k s 软件设计 出于低功耗、小体积和可扩展性的考虑，为水下通信系统设计了一套基于 “a r m + d s p ”的硬件平台。该平台的主要器件有：a r m 芯片，d s p 芯片，f p g a ，c o d e c 芯片等。其中a r m 为主处理器，运行v x w o r k s 操作系统，d s p 作为辅助处理器，分 担通信算法的计算工作，f p g a 实现相关的控制工作，c o d e c 芯片实现模数，数模转 换功能。该系统的硬件结构如图3 2 所示。系统中的数据流主要涉及： c o d e e - - f p g a a r m ，c ( d e o f p g a - d s p - a r m 。需要在v x w o r k s 下完成这两条 数据通道下的数据传输。 图3 2 系统硬件结构图 3 2 1b s p 概念及其在a t 9 1 r m 9 2 0 0 下的移植工作 这套系统中的a r m 芯片是a t m e l 公司生产的a t 9 1 r m 9 2 0 0 ，该芯片属于 a r m 9 2 0 t 类型，特点是：采用5 级流水线，哈佛体系结构，支持数据c a c h e 和指令 c a c h e ，支持3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集，支持3 2 位高速a m b a 总线 接口，具有m m u ( 内存管理单元1 ，支持绝大多数的嵌入式操作系统口1 。 b s p 是针对于特定硬件平台的系统启动代码和系统中部分设备驱动程序的集合， 是系统中用于隔离底层硬件环境和v x w o r k s 上层应用程序的软件接口网。b s p 的功能 主要在于：系统加电后进行系统硬件设备的初始化，实现一部分重要硬件设备( 时钟、 中断、串口) 的驱动程序。因此v x w o r k s 在不同平台移植时，重点需要考虑的就是b s p 的修改。 风河已经提供了大量的定制好的b s p 版本，它能够支持许多c p u 类型，用户可 以寻找最相近的b s p ，并在此基础之上进行相应的修改以满足实际工作要求。b s p 所 做的工作主要有以下几个方面：( 1 ) c p u 初始化，对c p u 内部的寄存器进行初始化； ( 2 ) 目标机初始化，包括对目标机控制芯片的寄存器、1 0 设备寄存器进行初始化；( 3 ) 系统资源初始化，包括存储器空间的分配和部分设备的初始化操作等等嘲。 首先根据c p u 选择b s p 模板，要考虑字节序和a r m 核心版本( a r m 9 2 0 t ) ，因 此选择t o r n a d o 目录下的i n t e g r a t o r 9 2 0 t 作为b s p 移植的开发模板。在“t a r g e t c o n f i g ” 1 4 第3 章水下通信软件设计 目录下建立“t a r g e t c o n f i g a t 9 1 r m 9 2 0 0 ”目录，作为自己的b s p 目录，并将“c o n f i g a l l ” 目录下的文件复制到a t 9 1 r m 9 2 0 0 目录，a l l 目录下的文件是所有b s p 共用的，通常情 况下不需要修改，若需要修改的话，可以在c o n f i g h 中另外做修改。 将a t 9 1 r m 9 2 0 0 相关的设备文件拷贝到该目录下，比如：p i o 、e b i 、p i c 、s p i 、 p d c 等。修改m a k e f i l e ，这个文件定义了编译和链接b s p 的规则，包括编译工具的选 择、编译选项等信息，控制生成v x w o r k s 映像的类型，还有存储区大小的信息，但 是要注意必须与c o n f i g h 中的相关内容一致。m a k e f i l e 中的主要变量如表3 1 所示。 表3 1m a k e f i l e 中的主要变量 变量含义 c p u目标板处理器类型 t o o l 选择编译器类型，有g n u 和d i a b t a r g e td i r b s p 所在目录 b o a r d 目标板名称 r o mt e x ta d r s b o o t r o m 起始地址 r o ms i z er o m f l a s h 的大小 r o m _ l o wa d r s v x w o r k s 在r o m 中入口地址 r o m _ h i g ha d r s 非驻留r o m 内核的启动程序加载地址 c o n f i g h 中包含了c p u 相关的头文件，相关内核组件的头文件。该文件包含了很 多重要信息，主要包括： 1 、系统启动行： 卜 # d e f i n ed e f a u l t b o o t l i n e ”t f f s = o ，o ( o ，0 ) h o s t ：t f f s 0 v x w o r k s ” ”h = 1 9 2 1 6 8 0 4 7e = 1 9 2 1 6 8 0 3 4 ：f f f f f t 0 0u = v i c k yp w = v i c k yt n = a r m 9 2 0 to = a t e m a c 该行定义了系统的启动设备以及启动方式，主机和目标机的相关信息等。 2 、存储器地址定义，主要有：r o mb a s ea d r s 、r o mt e x ta d r s 、r o ms i z e 、 r a m l o w a d r s 、r a m _ h i g h _ a d r s 。 # d e f i n er o m _ b a s e _ a d r s0 x 1 0 0 0 0 0 0 0 | 卑f l a s h 对随c s 0 | f # d e f i n er o mt e x ta d r sr o mb a s ea d r s 幸代码段起始于f l a s h 宰 # d e f n er o ms i z e 0 x 0 0 2 0 0 0 0 0 事v x w o r k s 映像存储空间大小幸 # d e f i n er a ml o wa d r so 】【2 0 0 0 1 0 0 0 * r a m 中v x w o r k s 映像入口地址掌 # d e f i n er a mh i g ha d r s0 ) ( 2 1 e 0 0 0 0 0 * r a m 中b o o t r o m 的入口地址毒 3 、r o m l n i t s 文件是引导r o m 和基于r o m 的v x w o r k s 映像入口初始化汇编代码。系 统上电后执行的第一个函数r o m l n i t o i 函数，主要用于初始化一部分硬件设备，使系统 进入一个已知状态。主要工作有保存启动类型，复位处理器，初始化f l a s h 和s d r a m ， 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 禁用中断，初始化m m u 寄存器等。 4 、s y s l i b c 是b s p 初始化最为核心的c 代码。这里对系统进行进一步的初始化工作。 复位所有的硬件，使其处于