（控制理论与控制工程专业论文）基于fpga的水声通信技术研究与实现.pdf

基于f p g a 的水声通信技术研究与实现 摘要 随着海洋开发和信息产业的发展，利用海洋信道传输数据信息的需求大为增 加。在这种需求的牵引之下以及海洋通信本身所具有的挑战性，使得在海洋中实 现高速率、高可靠性的信息传递成为当今人类的重要研究课题。 本论文针对国家8 6 3 科研项目基于传感器网络的深远海环境监测体系 结构及关键技术研究开展工作，主要致力于水声通信系统的研究和设计。根据水 声通信的特性和国内外水声通信的研究成果及研究方法，本论文提出了基于 s o p c 技术的水声通信系统总体设计方案并开发实现，为项目整体功能的实现以 及相关网络通信协议的正常运行，提供了通信保证。 本论文主要工作之一，是结合当前水声通信领域取得的成果，提出了4 f s k 调制方式结合曼彻斯特编码的水声通信算法。利用频率调制本身对于相位变换不 敏感的特性，抑制了水声信道中多途效应引起的相位偏移以及能量衰减。并且利 用曼彻斯特编码作为信源编码，为信号传输的可靠性提供保证，同时为解调过程 提供了充分的同步信息。 本论文的另一个主要工作，是采用基于f p g a 的硬件开发平台，利用s o p c 技术，具体实现了水声通信过程主要模块的逻辑设计，以及相关的软件控制功能 设计。同时，设计水声通信数据采样存储功能，保证水声通信数据的实时采样与 存储。设计和开发过程中采用软硬件协同方式，使系统达到了高性能处理、高灵 活性、可移植、可裁剪及降低成本的要求。 最后，论文通过大量的计算机仿真工作，以及现场实验，验证了算法的可行 性以及实现方式的可靠性。根据本系统实际研究开发的结果，总结分析了系统的 特点，并根据目前设计中的遇到的问题提出了下一步研究的建议。 关键字：水声通信；四载波频率调制；曼彻斯特编码方式；可编程片上系统； 软硬件协同设计 t h eu n d e r w a t e rc o m m u nic a tio nt e c h n oi o g y sr e s e a r c ha n d r e aliz a tio nb a s e do nf p g a a b s t r a c t w r ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h eo c e a , na n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , t h e r e q u i r e m e n to ft r a n s m i t t i n gt h ed a t at h r o u g ht h eu n d e r w a t e rc h a n n e li si n c r e a s i n g g r e a t l y , a n di tb e c o m e sav e r yi m p o r t a n tp r o j e c tf o ru st om a k eh i g hd a t a - r a t ea n dh i g h r e l i a b l ei n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o ni nt h eo c e a nt o d a y a st h es u b p r o j e c to ft h en a t i o n a l8 6 3p r o j e c t ，t h i st h e s i sm a i n l yc o n c e n t r a t e so n t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h eu 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 ns ) ，s t e m a c c o r d i n gt ot h eu n d e r w a t e rc o m m u n i c a t i o n sc h a r a c t e ra n dt h eo u t c o m eo ft h e d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c h t h i st h e s i sp u t sf o r w a r dt h et o t a id e s i g nm e t h o d b a s e do ns o p ct e c h n i q u e t k st h e s i se n a b l e st h e8 6 3p r o j e c t sr e a l i z a t i o na n dt h e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sr u n n i n gb e t w e e nr e l a t i v en e t w o r k s t h ef i r s ti m p o r t a n tc o m e n to ft h i st h e s i si st op u tf o r w a r dt h e4 f s km o d u l a t i o n a l g o r i t h mw i t hm a n c h e s t e rc o d i n ga st h em a i nc o m m u n i c a t i o nm e t h o d ，a c c o r d i n gt o t h er e s u l ti nu n d e r w a t e rc o m m u n i c a t i o nf i e l d b e c a u s et h ef r e q u e n c ym o d u l a t i o ni s n t s e n s i t i v ew i t ht h ec h a n g eo ft h ep h a s e ，i tc a no v e r c o m et h es w i f to f p h a s ea n df a d i n g o fe n e r g yw h i c hi sc a u s e db yw a t e rc h a n n e l 1 1 1 em a n c h e s t e rc o d i n gc a np r o v i d e e n o u g hs y n c h r o n o u si n f o r m a t i o na n da s s u r ef o rr e l i a b i l i t yo ft h es i g n a lt r a n s m i s s i o n a n o t h e r i m p o r t a n tc o n t e n to ft 1 1 i st h e s i si st ou s et h ef p g ap l a t f o r m i na d d i t i o n s o p ct e c h n o l o g y , a n dt or e a l i z et h el o g i cd e s i g no ft h em a i nm o d u l eo ft h e u n d e r w a t e rc o m m u n i c a t i o np r o c e s sa sw e l la st h ed e s i g no ft h es o f t w a r ec o n t r o l f u n c t i o n a tt h es a m et i m e ，t h et h e s i sd e s i g n st h eu n d e r w a t e rc o m m u n i c a t i o nd a t a s a m p l ea n ds t o r ef u n c t i o n ，w h i c he n a b l e st h ec o m m u n i c a t i o nd a t a si nt i m es a m p l i n g a n ds t o r i n g t h ec o d e s i g no fh a r d w a r e s o f i w a r em e t h o de n a b l e st h es y r s t e mt o a c h i e v et h ea i mo f1 1 i 西p e r f o r m a n c e ，g r e a tf l e x i b l e ，a n dr e m o v a b l e a tl a s t , a c c o r d i n gt og r e a tm o u n t so fc o m p u t e r ss i m u l a t i o n sa n de n o u g h e x p e r i m e n t s t h ea l g o r i t h mi sv e i l f l e da n dt h er e a l i z a t i o ni sr e l i a b l e t h j st h e s i sa l s o a n a l y s t s t h e s y s t e m s c h a r a c t e ra n dp u t sf o r w a r dt h e s u g g e s t i o n f o rf u r t h e r d e v e l o p m e n t st h e s i sm a k e si t s e l ft h ef o u n d a t i o nf o rf u r t h e rr e s e a r c h k e yw o r k 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 ；4 f s k ；m a n c h e s t e r c o d i n g ；s o p c ；c o d e s i g no fh a r d w a r e s o f t w a r e 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得或 其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者摊。丢b v ) 签字日期：妒务厂月矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解 密后适用本授权书) 学位论文作者签名：喜。 签字日期：母厂月刁日安 荪 碍 玩弦 基于f p g a 的水声通信技术研究与实现 l 绪论 1 1 课题的来源 本课题来源于“十一五国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 海洋技术领域 海洋环境立体监测技术专题探索导向类项目基于传感器网络的深远海环境 监测平台关键技术研究。本课题的总体目标是提出一种用于深远海环境监测的水 声传感器网络( u w - a s n ：u n d e r w a t e r a c o u s t i cs e n s o rn e t w o r k ) 节点之间的数据通 信，采样存储的水声通信解决方案，可靠保证水声传感器网络系统实验平台的搭 建与项目实施。同时，掌握水声通信研发的核心技术，基本解决水声通信面f 临的 主要问题，如多径，时延，信道特性不稳定，信噪比低等关键技术问题。克服传 统的水声通信方式灵活度差，整合度低的缺点，并且增加了数据存储功能，实现 海洋数据实时可靠采集，传输。为水声传感器网络自组网协议的运行，海洋环境 监测、海洋灾害预报、海洋资源开发、海洋军事安全等方面的数据通信提供通信 保障；同时为水声传感器网络在深远海恶劣环境中实现高可靠性水声通信应用奠 定坚实的理论和应用基础，并提供有效的水声通信算法，设计支撑环境和实现参 考【l 】【2 】。 1 2 国内外的研究现状以及发展动态 水下声波信道存在着带宽窄、频率低、传播速度慢的特点。这就使得水下无 线传感器网络( u w - a s n ) 除了受到节点资源的限制以外， 还面临着水下声波信 道传输延时大、链接能力差以及节点的移动性等客观条件的制约。对于水声通信， 主要有相位非相干通信与相干水声通信这两种方式。其中，前者基于f s k 调制方 式，在1 9 8 8 年，美国h i l l 研究机构实现6 海里距离，带宽5 5 k h z ，数据率为3 6 0 b p s 的无误码水声通信。通过结合纠错码方式，非相干通信方式得到了进一步发展， 在1 9 9 7 年，s c u s s e l 等人结合h a d a m a r d 码，实现水下1 0 海里，带宽为5 1 2 0 h z ，数据 率为2 4 0 0 b p s 的无误码水声通信。为了获取更高的信息传输率，美国w o o d sh o l e 海洋研究所和d a t a s o n i c s 公司联合研制的m f s k 数据遥测系统，采用更加复杂的 信道分集技术使得相邻子信道同时传输不同的比特流，达到了带宽2 0 k 一- - 3 0 k h z ， 数据传输率为5 k b p s 的水平。在4 k m 远的浅海水平信道、7 0 0 m 远的极浅海区、3 k m 的深水垂直信道上分别进行了海试，不采用任何差错编码时，误码率为1 0 也l o 刁 数量级。对于相干通信方式，可以实现很高的信息传输速率，但是由于接收机复 杂，水下相干通信技术还处于研究和实验阶段。其中，1 9 9 8 年，f r e i t a g 研究机构 报告，通过q p s k 的调制方式，在2 至4 公里的水域距离内，实现了6 7 k b p s 的无误 码水声通信。 近十几年来，水下声通信及测量技术有了长足的进步。这方面研究主要集中 基于f p g a 的水声通信技术研究与实现 在六个领域：水声信道的物理特性，信道仿真及信道测量；接收端的结构；分集 技术的研究；纠错码；网络化系统；其他调制方式。伴随水声通信技术的发展， 也逐渐有相关产品问世。美国t e l e d y n eb e n t h o s 公司水声传感器节点a t m 一8 8 5 ， a t m 8 8 7 ，并且提供代工产品。针对不同水下环境，还有更加灵活的水下调制解 调器产品，比如s m 7 5 ，s r 1 0 0 ，s r - 5 0 等。l i n k q u e s t 公司也推出了相关水声传 感器节点，例如u w m l 0 0 0 ，u w m 2 0 0 0 ，u w m 2 0 0 0 h ，u w m 2 2 0 0 等，并且得到 了很多机构的应用，包括美国海军例。 1 3 课题研究的意义、目的和主要内容 1 3 1 课题研究的意义及目的 随着世界各国对海洋开发和利用步伐的加快，水声传感器网络( u w - a s n ) 作 为海洋环境立体监测系统中的重要组成部分，其研究备受青睐。由于网络传感器 的大规模性，u w - a s n 具有如下优点：通过不同空间视角获得的信息具有更大的 信噪比；通过分布式处理大量的采集信息能够提高检测的精确度，降低对单个节 点传感器的精度要求；大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性能；大 量节点能够增大覆盖的检测区域，减少洞穴或者盲区，因此使得水下传感器网络 可以克服传统的海洋监测方法( 采用水声传感器记录数据后回收传感器进一步分 析) 的缺点，能实现海洋数据实时可靠采集、处理、传输与分析。其对于海洋信 息采集、海洋环境监测、水下探测、海洋灾害预测、海洋军事监测、海洋安全和 国家决策等方面有着重要的意义。水声传感器网络的建设尚处于起步阶段，现有 的水声通信大部分仅限于海底传感器和自治水下潜器a u v s 这些节点之间实时 的点对点的研究和应用。因此，研发出一种同时满足高效性与高可靠性的水声通 信解决方案，无论对于水声传感器网络节点之间通信，还是对于自组网协议的可 靠运行，都具有十分重要的实际意义【4 】i s 。 本课题研究的主要目的是保证水声条件下，数据通信传输的稳定性，可靠性， 以及通信速率的快速性，高效性。通过经典的f s k 数字调制方式，利用其抗干扰 性强，整合性高，以及功能组合清晰的特点，结合f p g a 可编程逻辑控制芯片的 高度的灵活性与极强的可操作性特点，实现了数据的编码，调制，接收，解码， 存储等功能。由于水声通信条件的带限性质和混响干扰，其具有多途干扰，信道 延迟，频道突变等特性，所以设计一种可靠的水声通信方法，具有极强的实际意 义。作为8 6 3 课题的组成部分，保证了整个课题的实现，为传感器网络的搭建以 及协议的实施，做到了物理层的保证。 1 3 2 课题研究的关键技术及主要内容 由于光与电磁波在海水中的传播衰减很大，无法用在中等以上距离的信息传 2 基于f p g a 的水声通信技术研究与实现 递，对于水下通信，水声是当前唯一可选择的有效手段。然而，水声信道是一个 十分复杂的时空频变参数随机多径传输的信道，再加上它的环境噪声高、带宽低、 可适用的载波频率低、传输的时延大等诸多不利因素加剧了抗多径干扰的困难， 实现误码率低、数据率高的水声通信是很困难的。这就使得本课题的研究有诸多 的难点，有较多的关键技术有待解决，主要包括： 1 ) 水声通信调制解调模式选择； 2 ) 水声通信高精度同步； 3 ) 水声通信数据的采样与存储； 4 ) 水声通信噪声智能处理系统； 5 ) 功能模块的易操作性与易整合性： 6 ) 不同水声环境下的通信参数的可控性与可调节性。 本论文力图充分结合f p g a 技术特点以及相关的水声通信理论，数字电路设 计，数字信号处理及软件无线电等领域已有的成果，以解决上述的关键技术难题。 首先，论文根据水声信道特点以及相关的研究成果，提出了4 f s k 调制方式 结合曼彻斯特信源编码的通信算法方案，从理论上保证了算法的可行性以及稳定 性。 其次，论文采用基于f p g a 的s o p c 技术，对于水声通信算法进行了逻辑功能 设计。通过设计功能逻辑的i p 核，实现了参数可配置，以及i p 核的可重构，高度 集成。 再次，论文对于f p g a 嵌入式软核c p u 的控制部分功能进行了软件设计，一 方面保证了软硬件协同工作，另一方面也实现了程序的可移植性。 最后，论文根据相关的计算机仿真以及现场实验，对于设计的性能情况进行 了总结，并且提出了下一步工作展望。 3 基于f p g a 的水声通信技术研究与实现 2 水声信道特性分析及水声通信算法选择 随着海洋事业研究的发展，利用水声信道及水声通信系统进行信息传输的需 求大为增加，人们对水声通信的研究也随之增加。实现高速，高可靠性水声通信 一直是人们追求的目标。 任何信道中都存在着各种各样的干扰，对信道的研究也就是对信道传输特性 和信道中各种干扰的分析和研究。通信理论的研究表明，信道的特性可以用其等 效的传输函数来描述，根据其等效的函数是否随时间变化，信道分为恒参信道和 变参信道。显然，海洋信道属于变参信道，是一个极为复杂的时变并且空变信道。 以往对于水声通信的研究大多从声纳的观点展开。几年来，由于水声通信的 迅速发展，仅仅以声纳方程为核心的能量模型对水声信道进行研究是远远不够 的，还需从通信技术的观点对于水声信道进行研究i l o j 。 2 1 水声信道特性分析 信道是通信系统必不可少的组成部分之一，也是系统设计所必须考虑的关键 问题。针对不同信道特性，会有不同的设计方案，因此我们首先分析水声信道的 特性。 2 1 1 水下声信道分类 根据目前研究成果，水下声信道可以大致分为混合层声信道，深海声信道和 浅海声信道。 海面下由于湍流以及风力对表面海水的扰动形成并保持了一恒温层，简称为 混合层。由于压力对声速的影响，声速随深度增加而增加( 每加深1 0 m 增加 0 1 m s ) ，致使声波向上折射。沿着声线轨迹，声波在海面产生多次反射，因而 被限制在层中的声波能够传播很长的距离。 深海声道，有时被称为声发声道。在深海中，水温随深度增加而降低，最后 稳定在大约4 。在这以上声速渐低，在这以下温度不变，但压力增加，声速又 渐升，因此形成稳定的深水声道。 浅海声道，其特性表现为当声波在其中传至远处时，声波经受海面和海底多 次反射。因此，海面和海底的声学特性对确定声场是很重要的。在声学上讲，浅 海可以理解为：水声传播距离至少数倍于海水深度。在这种情况下，水层的上下 边界将对传播发生影响。在地理学意义上，浅海是指海湾和港口等内海以及深度 小于1 0 0 米的近海，它往往向外伸展到大陆架的边缘。浅海在海面和海底间形成 了另外一种类型的声道，声波在其中传播时，被限制在声道的上下边界之间。在 海洋里传播的各种情况中，声波在浅海声道传播所受到的衰减是最大的【6 卜 9 1 ，1 1 1 】。 4 基于矸g a 的水声通信技术研究与实现 2 1 2 多径效应 水声信道是典型的时变多途衰落信道，由该信道传输后的接收信号，可视为 经由不同路径到达的，具有不同时延和幅度的多个分量的叠加。图2 一l 所示是一 个简单的浅海信道上的声传播模型。 图2 1 浅海声场的基本路线图 图中声线分别标出1 、2 、3 、4 ，用来指示四种不同的到达信号。其中，声 线l 表示直达信号，在处理时认为这是发射源所发射的原始信号。而声线2 、3 、 4 是多径信号，有时把这些多径信号统称为混响信号。它们都是干扰信号，但由 于混响信号的特点( 多径分量) ，它们又不同于一般的噪声信号。 多径传播是影响水声通信系统性能的重要因素之一。多径传播在单个接收器 上产生信号的幅度和相位起伏，而且由于沿不同路径传输的时间不同，多径传播 会导致信号畸变，并使得信号的持续时间和频带被展宽，信道表现为选择性衰落 特性。由于海水中的内部结构( 如水团，内波，湍流等因素) 影响，多径结构通 常是时变的，且与通信系统的相对位置有关，在数字通信系统当中，多径传播会 产生码间干扰( i s i ) 。 浅水信道的多径问题没有较为精确的数学描述，在这一方面的工作主要是通 过实测来解决的。即在实际的通信环境中，发射单频脉冲，在接收端通过对接收 信号的测量来具体测定多径的数目以及多径的时延和衰减【l 引。 2 1 3 多普勒效应 在无线通信的理论中，尤其是无线移动通信的理论对多普勒效应的研究较为 充分。由于声源的运动产生了多普勒频移，进一步地，由多普勒频移现象又产生 了多普勒扩展或称作多普勒扩散以及时间选择性衰落。 如图2 2 所示，假定接收端接收远程信号源发出的信号时，正在以恒定速 度v 沿长度为d 的路段x y 运动。来自信号源的信号到达位于点x 和y 的移动 用户所经由的路径之差为a d c o s = v a t c o s 0 ，其中，是从点x 到点y 需要 用的时间。 5 基于f p g a 的水声通信技术研究与实现 o 可+ 图2 2 多普勒效应 假定信源距离很远，点x 和点y 处的到达角秒相同，则由路径长度差引起 的信号相位变化为 口：型：垫堂c o s o s 口( 一- _ 1 )口= = k - l ， 旯a 式中名为波长。因此，频率的变化即为多普勒频移厶由下式给出： 厶：土鲤：兰c o s 目 ( 2 2 ) “ 2 za ，z 式( 2 2 ) 表明，多普勒频移的大小和正负由接收端的移动速度v 以及接收 机运动方向与信号到达方向之间的夹角所决定。 多普勒频移对水声信道的信号传输有重要影响。海洋介质的非均匀性以及声 源、接收器的运动都会产生多普勒频移。这种多普勒频移会影响声波的传播，使 接收信号产生频率扩散。 对于由非均匀海洋介质的随机波动产生的多普勒频移的影响，我们可以等效 的表示为以载频为中心的一个频率扩散区间。 而对于由声源、接收器的运动产生的多普勒频移则与声线角度、运动速度、 以及载波频率等有关。一般情况下，当声波在源和接收器之间直线传播时，可以 用相对速度来描述源和接收器之间运动产生的多普勒频移。然而，在水声信道中， 由于声线折射和边界反射，声波传播路径是极少会出现直线的，并且声源的发射 角和接收器的入射角是不同的。因此，由源的运动与由接收器的运动分别造成的 多普勒频移并不相同，而且它们之间也不能简单的用一个相对速度来描述。 在海洋环境中，由于洋流和波浪的作用，接收机和发射机的运动都是不可避 免的。因此，在实际的工作环境中，多普勒效应对于通信的可靠性有着重要影响。 同时，因为水声通信的调制频率比较低，所以即使是几十赫兹频移都会对信号的 正确解调产生严重的影响【2 3 1 。 6 基于f p g a 的水声通信技术研究与实现 2 2 水声通信算法选择 目前水声通信可以分为相干调制方式和非相干调制方式。非相干调制方式具 有抗信道起伏的能力强，接收端易于解调，且算法稳定性好的特点。相干方式在 带宽利用率、通信速率方面有优势。但是相干信号的解调需要载波精确的同步， 这在恶劣的水声信道中是很难实现的。同时，为了解决由多径效应产生的码间干 扰，接收端也需要一定的自适应算法才能实现较为理想的解调。 2 2 1 相干调制方式 相干调制方式中最常用的是p s k ( 相移键控) 方式，该方式也是与扩频技术 结合最成熟的调制技术，原则上可以看作是一种线性调制。从基带变换到中频以 及射频过程中，频谱搬移以及信号放大需要一个要求较高的线性信道，因而设计 难度较大。其特点如下： ( 1 ) 针对存在的码间干扰0 s d ，不是试图抑制，而是采用信道均衡技术平衡 其影响； ( 2 ) 针对变化缓慢的信道，采用决策反馈均衡器( d f e ) 跟踪信道的响应； ( 3 ) 针对变化较快的信道，采用决策反馈均衡器( d f e ) 和锁相环( p l l ) 相结合 的方法估计和补偿信道的相位偏移。 水声通信相干调制方式多采用q p s k ( 四相相移键控) 方式，该调制方式是 m p s k ( 多相相移键控) 的一种特殊情况。它是利用四个不同的相位表示数字信 息的调制方式。 q p s k 的信号可以表示为： 广1 ( ，) = i g ( t - n t s ) | c o s ( c o j + 纯) ( 2 - 3 ) l 打j 公式2 3 中，q 是载波角频率，是码元的载波相位取值，它将去可能的 四种相位之一，瓦是一个发送码元的的持续时间，g ( t ) 是发送码元的原始波形函 数。纯可以是区间( o 2 刀) 任何离散值的随机变量，在q p s k 调制系统中，1 1 取 值为4 个。 将式2 3 展开，得到： r1r1 ( f ) = j g ( t - n t s ) e o s 伊j c o s c o c f l g ( t n r s ) s m q , 1 s i l l 0 ) c r ( 2 - 4 ) l 玎jl 甩j 由式2 - 4 可以看出，四相调制的波形，可以看成是两个正交载波进行二进制 幅度调制的信号之和。同时，q p s k 还可以用两个正交的载波信号进行相干解调， 接收方首先要恢复载波，即首先实现载波同步，然后进行正交解调，把信号搬移 到基带进行处理【1 3 】【1 4 1 。 q p s k 调制方式的解调过程，由图2 3 所示： 7 基于f p g a 的水声通信技术研究与实现 图2 - 3q p s k 相干解调流程图 2 2 2 非相干调制方式 水声通信中最早采用的非相干调制方式是f s k ( 频移键控) 调制。针对多径 效应的影响，可在相邻脉冲之间插入保护时间；对于存在的多普勒频移，也可以 在相邻载波频带之间加入保护频带。 f s k 调制方式具有较高的功率效率，带宽效率较低。f s k 的特点如下： 1 ) 基于能量检测，不需要载波相位的跟踪； 2 ) 通过在连续信号脉冲之间插入保护时间的方式来抑制多径效应的影响； 3 ) 采用动态频率保护的方式来适应多普勒效应的影响。 在传输大量信息时，采用多进制频移键控( m f s k ) 方式，即以一个频率码 元代表多位二进制代码的信息，其优点之一是极大的提高了信息的传输速率和编 码效率。m f s k 方式是2 f s k 方式的推广，m f s k 被认为是一种稳健的水声通信 体制，其具有以下两个特点： ( 1 ) 在相同的码元传输速率下，多进制系统信息传输速率是二进制方式的 m 2 倍。比如，四进制系统的信息传输速率是二进制系统的两倍； ( 2 ) 在相同信息速率下，由于多进制码元传输速率比二进制的低，因而多进 制信号码元的持续时间比二进制的长。显然，增大码元宽度，就会增加码元的能 量，并能够减小由于信道特性引起的码间干扰的影响等。 4 f s k 调制信号可以表示为： s ( f ) = a c o s ( o i t + 识) 0 t 互 ( 2 5 ) 其中，墨o ) ，( f = 1 ，2 ，3 ，4 ) 表示四个发送波形，哆为第i 个载波的载频，谚 为第i 个载波的相位。在水声通信过程中，由于带宽有限，因此需要适当选取合 适载频保证解调过程的可靠性。 在4 f s k 解调过程中，可以结合不同信源编码，保证数据传输时足够的前导 信息。四载波频移键控方式( 4 f s k ) 常用的解调方法是非相干检测法【1 3 1 【1 5 1 【1 6 1 。 8 基于f p g a 的水声通信技术研究与实现 4 f s k 解调主要流程如图2 4 所示： 图2 - 4 4 f s k 非相干解调 2 2 3 信源编码 由于数字信号在传输过程中收到干扰的影响，使信号码元波形变坏，所以传 输到接收端可能发生错误判决。信源编码的作用主要作用是针对通信过程中信源 数据易受“污染”的特点，对其进行数据处理的方法。由于信道传输特性不同， 所以产生不同的信源编码方法，必须综合考虑安全性，稳定性，以及效率的各方 面原因，对不同条件选用合适的编码方式【l 引。 曼彻斯特编码( m a n c h e s t e re n c o d i n g ) ，也叫做相位编码( p e ) ，是一个同步时 钟编码技术，在物理层上用来编码一个同步位流的时钟和数据。曼彻斯特编码提 供一个简单的方式二进制序列，而没有改变其周期，也没有转换其级别。因而曼 彻斯特编码可以防止时钟同步的丢失，以及低频率位移在反馈补偿时的模拟链接 错误。 曼彻斯特编码分为标准编码方式与差分曼彻斯特编码方式。其中，曼切斯特 编码的每个比特位在时钟周期内只占一半，当传输“1 ”时，在时钟周期的前一半 为高电平，后一半为低电平：而传输“0 ”时正相反。这样，每个时钟周期内必有 一次跳变，这种跳变就是位同步信号。 曼彻斯特编码的编码规则是： 1 ) 在信号位中电平从低到高跳变，表示逻辑1 ； 2 ) 在信号位中电平从高到低跳变，表示逻辑0 。 差分曼切斯特编码是曼切斯特编码的改进。它在每个时钟位的中间都有一次 跳变，传输的是“l ”还是“0 ”，是在每个时钟位的开始有无跳变来区分的。 差分 曼切斯特编码比曼切斯特编码的变化要少，因此更适合与传输高速的信息，被广 泛用于宽带高速网中。然而，由于每个时钟位都必须有一次变化，所以这两种编 码的效率仅可达到5 0 左右。 差分曼彻斯特编码的编码规则是： 1 ) 在信号位开始时不改变信号极性，表示逻辑l ； 2 ) 在信号位开始时改变信号极性，表示逻辑0 。 9 基于f p g a 的水声通信技术研究与实现 两种曼彻斯特编码是将时钟和数据包含在数据流中，在传输代码信息的同 时，也将时钟同步信号一起传输到对方，每位编码中有一跳变，不存在直流分量， 因此具有自同步能力和良好的抗干扰性能。 图2 5 所示，为两种编码方式的示意图： 数宇稿号 曼彻新特 编码 差分受甥 额特编辑 ：l ：0 ：1 ：l ：0 ：0 ：l ：0 ：l ： 2 5 曼彻斯特编码示意图 2 2 4 通信算法方案的确定 为了在水下通信过程中得到良好的性能，许多学者以及研究机构做了大量的 理论研究和水下实验，提出了不少有价值的信号处理方法和通信实现方式。近些 年来，相干调制方式在水声通信过程中，得到了进一步发展，但是相干调制方式 实现起来相对复杂一些，并且对硬件要求较高。同时，相干调制方式对于带宽有 较高要求，在水声条件下，难以得到理想匹配带宽范围。近些年来，采用非相干 调制方式的产品已经比较成型，作为一种比较成熟的水声通信方式，非相干调制 方式有广泛的应用价值。 基于能量检测的非相干f s k 方式的最大优点是，通信的可靠性高。由于水 声信道的混响与起伏特性，信号的相位与幅度都受到严重的畸变，而基于能量检 测的f s k 方式对相位畸变是不敏感的，所以在抗多径干扰信号设计中，通常采 用非相干检测方法。f s k 方式解决了载波相位跟踪问题，其抗干扰性、抗衰落性 能好，信号的产生、解调容易，在浅海远程通信中通常被认为是的唯一选择，并 且得到了广泛的应用。为了减小多径效应造成的码间干扰，f s k 调制方式可在输 出的相邻两码元之间插入一段空闲的时间，这样在下一个脉冲到达之前，前一个 脉冲引起的干扰已经减弱或消失，这也是水声通信中采用的f s k 方式和无线通 信方式中的不同之处。 曼彻斯特编码作为一种信源编码，为f s k 信号提供数据保护的同时，还利 用自身特性，对解调设计提供了充足的同步时钟信息，为在解调过程中实时恢复 时钟信息，准确判断信号频率提供保证。由于曼彻斯特编码在每个码元周期都有 跳变的特点，在解调通路，还可利用跳变间隔，判断频率偏移，为测试不同环境 下引起的多普勒频移提供参考。 1 0 基于f p g a 的水声通信技术研究与实现 通过以上分析，非相干调制方式f s k 信号适合较恶劣的通信环境，抗干扰 能力强，且设备容易实现，成本低。结合水声通信特点，本设计采用四载频频移 键控( 4 f s k ) 调制方式结合曼彻斯特信源编码的水声通信算法，实现水声传感器网 络w - a s n ) 实验平台节点之间的水声通信功能。 基于f l e a 的永声通信技术研究与实现 3 水声通信系统的整体设计方案 在绪论中，已经介绍了研究海洋条件下水声通信的重要性和研发前景，是机 遇与挑战并存。为了保证水声传感器网络( u w - a s i 0 项目设计的顺利进行，对水 声通信系统的研发袤q 不容缓，本章将首先对水声传感器网络系统平台进行简单的 介绍，然后就水声通信系统的整体设计思路进行重点阐述。 3 1 系统平台简介 3 11u w - a s n 节点系统测试平台 用于深远海三维监测的水声传感器网络体系结构，分为水下与水上两部分。 海面以下采用水声无线传感器网络，海面以上采用卫星通信、地面射频通信等无 线通信方式。u w - a s n 节点通过锚固定在海底，节点上具有一定长度的缆绳， 节点本身具有深度自动控制功能，可以根据设定。各自停留在相应的深度，形成 一个三维的监测网络。节点采集的数据通过水声信道传递，经过网络路由传送到 海面的监测站和陆地监测站。传感器布局可以采用飞机或轮船定点撤播的方式， 节点入水后自动确定入水位置，海底着陆后，自动上升至指定深度，然后开始通 信和其它节点自组织成网络。 为了对每个节点状态进行有效的监控，我们开发了基于c a n 总线的水下无 线传感器网络系统的测试平台。该测试平台为水下传感器网络调试、测试和评估 提供一个高效的研究平台。测试平台由大型水槽和相应的计算机监控系统组成， 如图3 - 1 所示。 厂_ 手= 弓仁二= 孑_ 7 厶? 垒 么 i 鞘! ! 直 直画 画 图3 - i 实验室平台系统结构图 由圈可以看出，该系统平台可以分为三层：系统管理层，监测网络层和水下 基于f p g a 的水声通信技术研究与实现 节点层。 系统管理层：将监测网络层传输上来的信息进行存储、处理分析，并可以动 态设置u w - a s n 节点的工作参数和工作模式。系统管理层软件能够实现图形显 示、节点参数设置、通信干扰模拟、故障检测与模拟、数据存储与分析等功能。 监测网络层：监测网络层向下通过a 埘总线与水下节点相连接，向上由前 置机通过以太网络和系统管理层连接。该层采用c a n 总线是考虑到系统的实时 性和高可靠性要求，能够准确实时的将u w - a s n 节点在水下的工作状态和水声 通信数据传送到前置机中，并由前置机转发到系统管理层进行进一步的分析处 理。同时也可以将系统管理层发出的控制命令转发给水下节点。 水下节点层：水下节点层包括两种形式的水下节点：常规u w - a s n 节点和 监听节点。 常规u w - a s n 节点为水下传感器网络的一个真实组成部分，一般情况下， 该节点可以接两个网络接口，其中一个接口为水声通信接口，另一个接口连接监 测网络层。它可以通过c a n 总线相连接到监测网络层，在进行正常水声通信传 输数据的同时，能够自动的将u w - a s n 节点的状态和水声通信的数据通过c a n 总线传输到监控网络层。这种内部监测的方式，可以有效的监控水声通信网络中 传感器组网的拓扑结构、数据包流向以及协议的正确性，从而方便系统的调试和 控制。 监听节点，它负责直接监听水声通道中的实时通信数据，并将水声数据实时 传输到上层监测网络。这种外部监测的方式可以直接通过水声通信数据，获得水 下传感器网络的拓扑结构，通信状态等信息。 实验室平台的建设，一方面为u w - a s n 节点的开发、调试和测试提供了实 验平台；另一方面，也为研究可用于深远海三维监测的u w - a s n 体系结构，奠 定了实验基础。 3 1 2 水声通信系统结构 本设计在监控测试平台条件下，主要工作在水下节点层。通过设计一种可靠 的水声通信方式，保证传感器节点之间正常的数据流动以及自组网络协议的稳定 运行，为测试平台节点之间的通信提供物理层保证。 本设计主要分为以下三个部分： 1 ) 控制部分： 主要完成对于调制解调部分逻辑的控制，以及水声通信数据的采样存储，并 负责与前置机进行c a n 通信，完成参数配置，以及实验数据的接收与发送。 2 ) 功能逻辑部分： 主要完成设计所实现通信数据的调制与解调，信元的编码与解码，以及信道 干扰的滤波，频偏冗余等功能，保证水声通信的可靠性，与参数的可配置性。 基于f p g a 的水声通信技术研究与实现 3 ) 数据采样存储部分： 主要目的方便对于海洋不同环境下，通信数据受到的干扰性分析，易于上位 机根据不同算法进行原始数据比较，改善通信效果，从而为测试平台的可靠运行 以及不同情况下的测试目的提供数据保证。同时，在自组网协议运行之中，可以 用作数据包暂存，通过节点控制c p u 的本地协议解析，完成不同功能节点之间 的数据转换。 水声通信系统的主要结构图，如图3 2 所示： 图3 2 水声通信系统结构图 其中，调制解调方式采用非相干方式，功能实现采用f p g a 平台，实现功能 的灵活性与易整合性。模拟通道部分包括模拟信号的处理电路以及水声通信信 道，对于通信效果依然有非常重要的影响，但这里不属于本论文涉及范围，故不 做过多说明。 3 2 硬件方案的选择 3 2 1 硬件方案的比较 在系统硬件平台方案的确定中，处理器是最重要的，它是嵌入式系统的核心 部件，同时处理器的选择往往会限制其他器件的选择。据不完全统计，目前全世 界嵌入式处理器品种总量已经超过了1 0 0 0 种，流行体系结构有3 0 几个系列。要 使嵌入式系统能够合理运用，根据实际需求，选择恰当的处理器十分重要。从实 时性考虑，选择嵌入式处理器要考虑以下几个方面： 1 ) 操作系统支持： 应该考虑针对处理器系列产品做过优化的商用操作系统，这样可以缩短开发 周期。相关的g u i 设计，特别是图像化建模仿真可以减少嵌入式系统开发的复 杂性。 2 ) 性能： 评估系统开发成功与否的重要指标是一个处理器能否有足够的性能来执行 1 4 基于f p g a 的水声通信技术研究与实现 任务和支持产品生命周期，这是选择处理器的关键。 3 ) 工具支持： 支持软件创建、调试、仿真、系统集成、代码调整和优化工具是整体项目成 功与否的关键。同时也要考虑软件工具的兼容性，以及操作的便利性。 4 1 应用支持： 选择一个嵌入式处理器，应用平台也是必须考虑的方面。必须考虑应用过程 中所获得的技术支持，包括预打包软件和应用框架，甚至是完好的测试平台。 5 ) 功耗： 对于嵌入式实时操作系统，功率损耗成为系统的重要参数，应该考虑使用应 用优化的低功耗产品。 6 ) 成本： 嵌入式应用对于成本特别敏感，产品成本的少许差别可能会导致产品市场的 失败。 7 ) 兼容性： 如果选中的处理器需要设计人员编写与现存代码接口，将会导致整个设计流 程的严重滞后，因此需要选择款代码兼容的器件来避免或减少这一过程带来的 问题。 综合考虑以上因素，水声通信系统设计处理器有三种可供选择的方案：以 d s p 芯片为核心的系统、基于f p g a 嵌入i p 硬核的s o p c 系统以及基于f p g a 嵌入i p 软核的s o p c 系统这三种设计方法。下面我们将对这三种方案进行对比， 进而确定水声通信系统处理器的选择方案。 1 ) 以d s p 芯片为核心的系统： 不断发展的数字信号处理技术( d s p ) 迅速扩展到其应用领域，如移动通信、 多媒体系统、实时图像识别与处理以及软件无线电等。在很长一段时间内，d s p 处理器是数字信号处理领域核心的处理器件。尽管d s p 处理器具有通过软件设 计能够适应不同环境的灵活性，但是面对当今变化的d s p 市场，特别是现代通 信技术的高速发展，d s p 处理器显示出其局限性。例如，其硬件结构的不可变性 导致其总线的不可变，而固定的数据总线宽度已经成为d s p 芯片难以突破的瓶 颈。d s p 处理器这种固定的硬件结构，不太适合要求结构特征能够变换的场合， 即所谓面向用户的d s p 系统。 面向