（水声工程专业论文）水声通信网络节点信号处理平台的设计与实现.pdf

哈尔滨f ：稃人学硕十学付论文 a bs t r a c t a c o u s t i cc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kn o d e si sa n i m p o r t a n tc o m p o n e n to f 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 nn e t w o r k s y s t e m ，t h em a i np h y s i c a ll a y e r c o m m u n i c a t i o na n dd e t e c t i o na r ec o m p l e t e dt h r o u g ht h en o d e s c o n s i d e r i n gt h e c o m p l e x i t yi nu n d e r w a t e ra c o u s t i cc h a n n e l s ，f o rt h es a k eo fo f f e r i n gah i g h s p e e d ， r e a l t i m ea n dr e l i a b l eu n d e r w a t e rc o m m u n i c a t i o n ，e f f e c t i v em o d u l a t i o na n d d e m o d u l a t i o n ，m o r d e nm e t h o d sf o re n c o d i n g ，c o m p l e xc h a n n e le s t i m a t i o na n d b a l a n c e dm e a n ss h o u l db eu s e d h o w e v e r ，t r a d i t i o n a ls i m p l eu n d e r w a t e ra c o u s t i c c o m m u n i c a t i o nn e t w o r kn o d e sc a n n o tm e e tc u r r e n t r e q u i r e m e n t s ，s o t h e d e v e l o p m e n t o fan e w t y p e o f u l t r a - h i g h s p e e d u n d e r w a t e ra c o u s t i c c o m m u n i c a t i o nn e t w o r kn o d e sh a sa g r e a ts i g n i f i c a n c e i nt h et h e s i s ，t h ea c o u s t i cc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kn o d ea r c h i t e c t u r ea n d t e c h n i c a li n d i c a t o r sa r es t u d i e d ，t h eh a r d w a r es o l u t i o ns c h e m eo fc o m m u n i c a t i o n p r o c e s s i n gp l a t f o r mu s i n gh i g h p e r f o r m a n c e d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r t m s 3 2 0 c 6 4 5 5i si d e n t i f i e da n dd e m o n s t r a t e d o nt h i ss c h e m e at m s 3 2 0 c 6 4 5 5 d s p b a s e du l t r a - h i g h - s p e e du 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 nn e t w o r ks i g n a l p r o c e s s i n gp l a t f o r mi sd e v e l o p e d ，w h i c hi sc o m p o s e do ft h eb e l o wm o d u l e s ：t h r e e p a r a l l e ld a t aa c q u i s i t i o nc h a n n e l s ，af r e q u e n c yc o m p e n s a t i o nc i r c u i tb a s e do n d d s ，n e t w o r kc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，d am o d u l e ，a n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o n m o d u l e b yd e b u g g i n gh a r d w a r ep l a t f o r mo fu 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 n e t w o r kn o d ea n dd e s i g n i n gb o t t o ml e v e ls o f t w a r e ，d a t aa c q u i s i t i o n , d i r e c td i g i t a l f r e q u e n c ys y n t h e s i z a t i o n ，u a r tc o m m u n i c a t i o n ，n e t w o r kc o m m u n i c a t i o na n d d aa n a l o go u t p u tf u n c t i o n sa r ei m p l e m e n t e d t h e nt h ed a t as t r e a mo ft h ew h o l e s y s t e mi sg o t t e nt h r o u g h f i n a l l yd u p l e xc o m m u n i c a t i o ni s i m p l e m e n t e d i n c o n c l u s i o n ，t h ee x p e c t a n th a r d w a r ed e s i g nr e q u i r e m e n t sa r ea c h i e v e d k e yw o r d ：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 nn e t w o r k ；n o d e ；s i g n a l 哈尔滨l ：稚人学硕十学何论文 p r o c e s s i n gp l a t f o r m ；d s p ； 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引 用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表 的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结 果由本人承担。 作者( 签字) ：识丧烨 日期：神年】局夕日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：茌趣年 日期：即呷年；月尹鞴葺乡势护伊1 月夕日 哈尔滨f ：稃人学硕卜学何论文 第1 章绪论 1 1 论文研究背景和意义 水声通信的应用主要涉及长期监测一定的海洋区域、海洋水文资料的收 集、海洋运输、海洋渔业资源的调查、矿业资源( 石油、天然气) 的勘探和 开发等。传统的监测海底或海洋水体的做法是部署海洋传感器，一段时间后 把设备从海底取上来，回收工具，收集海底和海洋水体的数据信剧“。这种 方法会在接收记录信息的过程中产生很长的滞后效应，如果恢复前有错误发 生，而且一旦设备损坏所有的数据将会丢失b 1 。对于这些应用( 例如从热喷 口区域、离岸采矿或钻井等进行数据采集) ，理想的解决方案是在水下工具和 网络控制中心之间进行实时通信，通过水下声学通信网就可以把数据及时可 靠地传到陆地p 1 。随着现代信息技术的飞速进步，覆盖了地面、空中、水面 的立体信息网已经形成并为各国的通信、交通、资源调查、国防等各项事业 服务。但是由于电磁波( 超长波除外) 在海洋中的传输受到极大的限制，水 下的信息网络建设尚处于初级阶段h 1 。 水声通信网络是一个长期在水下进行海洋工程、海底地质、海洋生物、 实施海洋能源与矿产资源勘探开发，是完成深海援潜救生与海底打捞作业等 的固定和活动式海上平台。水声通信网络是由许多水声网络节点组成，它们 既是水声通信网络的探测装置又是无线连接岸基、水下和水面基站的纽带。 一方面考虑水声信道的复杂性，为了获得高速可靠的水下通信，水下通信网 络节点必须采用复杂的水声通信信号处理方法，比如复杂的信道编码、复杂 的信道均衡等手段，另一方面由于水声网络节点采用电池供电，还必须节约 系统能量，因此对于水声通信网络节点的研究与开发具有非常重要的意义。 1 2 水声通信网的研究与发展 1 2 1 水声通信的研究与发展 水声通信的历史可以追溯到二十世纪2 0 年代，第一个水下声通信系统是 美国海军水声实验室于1 9 4 5 年研制的水下电话，该系统主要用于潜艇之间的 通信并且使用了一个上边带为8 3 k h z 抑制载波的单边带调制技术p 1 。在过去的 l 哈尔滨1 ：稃人导：硕十导：何论文 近二十年罩，在军用与民用需求的推动下无线水声通信系统的研究与丌发工 作取得了长足进展1 。7 0 年代以来随着电子技术和信息科学突飞猛进的发展， 水声通信技术也得到了迅速的发展，新一代的水声通信系统也丌始采用数字 调制技术。随着处理器技术的提高，各种采用快速解调的算法也发展起来， 数字调制技术的主流也变成了幅移键控( a s k ，a m p l i t u d es h i f tk e y i n g ) 、频移 键控( f s k ，f r e q u e n c ys h i f tk e y i n g ) 和相移键控( p s k ，p h a s e c o h e r e n tk e y i n g ) 1 在占 号子。 随着具有相似衰落特性的无线电高频信道中通信技术的发展，下一代的 水声通信系统对数字编码的数据采用了f s k 调制方式。在水声通信中采用数 字技术有两方面的重要作用：一是可以采用复杂的纠错编码技术以增加传输 的可靠性；二是可以采用数字处理技术来抵消信道多途和频率扩展的影响。 因此，与模拟通信相比，数字通信具有抗干扰性强、可用再生中继避免干扰 累加、便于加密、便于交换和设备易于集成化等优点p 1 。从上个世纪9 0 年代 开始，水声通信领域的研究重点转向对高速相干通信技术的研究，各种基于 p s k 调制的通信系统相继出现。9 0 年代中后期以来，人们又展开了对水声通 信新技术的研究，主要包括水下多载波调制技术、码分多址扩谱技术、空问 分集技术、水下通信网络等，取得了一些令人鼓舞的初步成果。目前，人们 对水声通信的研究主要集中在高速高效的通信技术研究之上。多载波通信技 术、自适应均衡、分集技术、纠错编码、时间反转镜等是人们研究的热点。 从水声通信研究的横向比较来看，世界水声通信的研究主要集中在欧美 等发达国家的大学和科研机构，一些国外公司也开发了许多产品，而我国对 这方面的研究相对起步较晚。自上世纪8 0 年代中期以来，尤其是进入9 0 年代 后，国内一些大学和科研单位都对水声通信进行了大量的研究工作，在水下 图像传输、语音通信、自适应均衡技术纠错编码、扩频通信、通信网络等许 多方面都取得了一定的成果p 1 。从总体上来讲，我国的水声通信领域的研究 水平还远落后于国际先进水平。 1 2 2 水声通信网的研究现状 自上个世纪九十年代中、后期以来，随着水声通信，特别是水声网络在 军事、科研和民用方面的大量应用，国外水声通信的主要研究机构，已逐步 2 哈尔滨i ：平i i ! 人学硕十学何论文 将水声通信的重点从单纯点对点的通信研究，转向水声通信网络的研究，世 界范围水声通信传感网络技术的研究和发展十分迅速。 由于水声通信网络在海洋军事防卫和民用海洋开发方面巨大的应用潜 力，美国、加拿大和欧共体等国家，都投入相当的力量，进行研究和开发， 许多网络系统都己成功地应用或进行了海洋试验。 美国从上世纪5 0 年代就建设了大尺寸水声监视系统( s o s u s ，s o u n d s u r v e i l l a n c es y s t e m ) 0 0 1 0s o s u s 逐步建成并不断经过更新，在冷战期间战略 反潜中起了很重要的作用，但s o s u s 是深水固定布设的工程，难于维护更 新，而且技术上逐渐落后，因此自上世纪8 0 年代至9 0 年代美国开始对浅海 局域网进行研究，陆续开发了分布式固定系统( f d s ，f i x e dd i s t r i b u t i o n s y s t e m ) 、先进可布放系统( a d s ，a d v a n c ed i s t r i b u t i o ns y s t e m ) 、自主式分 布传感器系统( d a d s ，d e p l o y a b l ea u t o n o m o u sd i s t r i b u t e ds y s t e m ) ”、综合 水下监视系统( i u s s ，i n t e g r a t e du n d e r s e as u r v e i l l a n c es y s t e m ) 等。在m o n t e r e y c a n y o n 建立了深水声通信局域网络，监测范围为5 1 0 公里，水下节点与海 面浮标之问利用1 0 - - - 3 0 k h z 的垂直声信道，浮标与岸基通过射频的方式通信 等3 “坨1 。美国在1 9 9 8 年起多次进行了广域海网( s e a w e b ) 的海底水声通信网 络试验，s e a w e b 是d a d s 计划的扩展项目，旨在推进未来海军作战能力刖 。 a o s n ( a u t o n o m o u so c e a n o g r a p h i cs a m p l i n gn e t w o r k s ) 自治式海洋信息采集 系统，目标是设计一个a u v 作为移动传感平台的智能水下采样网络q 。美国 已实现的水声传感器实验网络f r o n t ( f r o n t r e s o l v i n go b s e r v a t i o n a ln e t w o r k t e l e m e t r y ) ，被美国海军称作为“t e l e s o n a r ”( 遥远声纳) 。 欧共体在m a s t ( m a r i n es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o g r a m m e ) i l l 计划的支 持下，开展了一个水声通信网络研究计划：r o b l i n k s ( l o n gr a n g es h a l l o w w a t e r r o b u s ta c o u s t i cc o m m u n i c a t i o nl i n k s ) 目标是研究浅水中长距离、高数据 率的稳健通信算法。s w a n ( s h a l l o ww a t e ra c o u s t i cc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k ) 计划目标是研究浅水水声通信网络通信协议算法，提高浅水水声通信网物理 层的相关通信技术，建立浅水水声通信网基础模块，即m e m i j 阵接收器。 一些典型的水声通信网络系统如图1 1 、1 2 、1 3 所示： 哈尔滨i “人羊顺卜学化论文 搽黧辫磷麟 h _ w + r t f 1 n _ _ 黼幽豳豳黼豳溆 自w 臻# i 蕾l 瑟瑟澎一 磁黼躐擎紫警登，。 ：盘 ：麓：焉嚣韶一 一 到11d a d s 系统组成示意幽 图12s e a w e b 2 0 0 5 海试示意图 图13a o s n 示意幽 村j 对而舀，我闷水声通信嘲络技术的研究起步很晚，仍处于o 仿真研 哈尔滨【挫人学硕士学位论文 究阶段，国内对水声通信网的研究侧重在水声通信技术方面，主要停留在水 下通信网的系统框架、多址接入技术、逻辑信道的分配、m a c 层协议等通信 网关键技术的仿真研究工作，目前尚未有取得试验成果的报道。 1 2 3 水声m o d e m 的研究现状 随若人们对水声通信网络系统的大力研究与开发，以及水声通信调制方 式、硬件水平、信号处理芯片计算能力的不断提高，水下通信网络m o d e m 的发展非常迅速。国外的许多公司积极开展了水下声通信m o d e m 的研究， 丌发出了一系列产品，如美国b e n t h o s 公司研制的a t m 8 0 0 系列调制解调 器，低频带宽9 - 1 4 k h z 、中频带宽1 6 2 1 k h z ，发送数据1 5 0 1 5 3 6 0 b p s ，接 收数据通信速率2 4 0 0 b p s ，调制方式采用m f s k ( m u l t i p l ef r e q u e n c ys h i f t k e y i n g ) 和p s k ，误码率】07 ，通信距离可达6 k m ”。其产品如图1 4 所示： 母誊守孝 图14 d a t a s o n i c s 公司的a t m 8 0 0 系列 l i n k q u s e t 公司u w m 系列产品，不同产品其串行通信速率从 4 0 1 9 2 0 0 b i “s 、声通信速率从5 3 75 k b i t ，s 、工作频率从75 8 92 5 k h z 、工作 范围从4 0 0 1 0 0 0 0 m 、探测深度可以达到2 0 0 0 7 0 0 0 m 不同”“。其产品如图i5 所示。 n e w c a s t l e 大学开发的a m 2 0 0 水声调制解调器可直接与计算机串口相 连，以9 6 0 0 、1 9 2 0 0 b i v s 的速率在2 公晕的范围内通信，见图16 所示。 l r 尔，ni 州人+ 嘶! 卜化论义 图15l i n k q u s e t 公司u w m 系列产品 图16 n e w c a s t l e 大学丌发的a m 2 0 0 水声调制解调器 ? 趱两? 眵 图17d s p c o m m 公叫的水声无线m o d e m 瞪萼卷嘎珂q赢蔑 攀多 一擎 哈尔滨j 榉人学硕+ 学 奇沧文 d s p c o m m 公司开发的水声无线m o d e m 采用带宽1 6 - 3 0 k h z 信号，数 据通信速率1 0 0 或4 8 0 b i t s 不同类型，误码率1 06 ，探测距离3 公罩1 。其产 品如图17 所示。 美国w o o d sh o l e 海洋研究所开发的微型m o d e m ：基于多平台的水声通信 和导航系统，它工作在浅水中，可以发送从3 3 0 k h z 四种不同带宽的信号， 调制解调可采用低速f h - f s k ( f r e q u e n c y - h o p p i n gf r e q u e n c y s h i f tk e y i n g ) 和 可变速率的p s k ，数据通信速率3 0 5 0 0 0 b p s ”。其产品如图1 8 所示： 一 、1 4 i。i 攮： 图1 8w h o l 海洋声学研究所研制的微型m o d e m 1 3 水声通信网的工作机制 水下声学( u w a ，u n d e r w a t e r a c u s t i c ) 通信网络一般是由布放在水下的 不同工具像海底或海洋水体中的水声换能器、水声通信网络节点、水下机器 人( a u v ，u n d e r w a t e rv e h i c l e ) 和作为主节点的海面站之间的全双工声数据 链构成的水声无线通讯网络 1 1 1 1 9 q 这个网络被连接到表面基站，各网络节点 与主节点的连接一般采用分层中继结构，传感器节点采集的数据经主节点的 无线f t 2 m o d e m 与岸上的控制中心相连，也可经网关节点与i n t e r n e t 骨干网或其 它网络连接”“”1 。这种配置形成一种交互式的环境，在这种环境中人们可以从 多个水下远程设备提取实时数据，评估得到的数据之后，并把控制信息传递 给各个水下设各，这种网络可适用于不断变化的环境。 水声网络节点之间一般采用异步传输模式进行通讯，发射节点通常采用 半般工方式并以分组的形式发送。通过水声网络可以从水下远程设备提取数 据，并把控制和战术信息传递给网络中的每个设备。水下通信网络节点探测 哈尔滨l ：科人学硕十学位论文 被跟踪的水面及水下目标，测量目标的大地坐标及航速等运动参数，对目标 进行分类并定义批号。节点同时也把在传输过程中所引入的噪声和其它干扰 过滤干净，使其尽可能的复原出原始的数据信号，然后再进行转发，经过多 次中继等方式，最后将目标信息传送给固定网关和移动网关来进行作业或作 战决策。所以说节点既是水声通信网的探测装置又是无线连接岸基、水面和 水下基站之间的纽带。 水下通信网的主要研究内容： ( 1 ) 水声通信信道在很多方面不同于无线通信信道，水下声信道可用的 带宽受限，并且决定于距离和频率1 6 “2 0 1 。这种受限带宽下，相对于无线通信信 道，声信号受到时变多途效应，可能导致严重的符号间干扰( i s i ，i n t e r s y m b o l i n t e r f e r e n c e ) 和多普勒频移、扩散p 1 。因此研究单跳或多跳问题非常重要。 ( 2 ) 信道编码及均衡技术是实现高速、高质量、低检测阈( 影响到低功 耗、远程通信能力) 通信的关键技术。o f d m 耳u ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 是一种多载波调制技术，具有较高的频谱利用率和较好的抗多 途干扰能力，在没有信道均衡的情况下可以抑制由多途传播造成的i s i 。以满 足物理层应用的要求，o f d m 技术越发的受到人们关注。 ( 3 ) 水下通信网络和陆地上的通信网络一样，都需要有各种通信协议的 支持才能保证通信过程的快速准确。因此，对水下通信网络协议的研究也是 十分重要的。 ( 4 ) 由于水下通信网络节点是水声通信网的探测和连接岸基、水面、水 下基站之间的纽带，要接收和发送大量的数据信息，并且要达到近乎于实时 的通信。水下通信网络节点信号处理平台是水下通信网络节点的主要处理模 块，它的通信方式、主处理器的处理速度、数字输出接口速度等性能特点都 直接影响水下通信网络节点的性能。设计一个什么样的水下通信网络节点是 一个重要的任务。 ( 5 ) 作为一个水声通信系统，系统必须进行水声换能器的设计和制作。 同时还必须考虑水下通信网络节点的体积、布放和回收等问题。 1 4 论文研究内容 通过分析水声通信网工作机制和研究内容以及水声通信网络节点的技术 8 哈尔滨l ：拌人硕十学位论文 要求，根据水声通信网络节点的信号处理平台设计指标，本论文主要完成水 声通信网络节点信号处理平台( 简称信号处理平台) 的设计与实现，包括总 体设计、原理图设计、电路板设计、系统调试和底层软件设计等。 第二章通过分析水声通信网节点所要完成的主要任务和整体结构，给出 了水声通信网络节点信号处理平台的设计技术指标；根据技术指标设计了水 声通信网络节点信号处理平台的方案，并从芯片选择和要实现的硬件电路出 发对设计方案进行系统论证，最后指出本系统的设计特点。 第三章根据电路的设计方案，分模块设计水声通信网络节点信号处理平 台要实现的主要功能电路，主要包括t m s 3 2 0 c 6 4 5 5 及其外设、f p g a 的配置、 数据采集、模数转换、频率合成、u a r t 通信、网络通信、电源模块等电路。 最后根据实际设计中遇到的问题以及电路板设计原则说明在本论文设计电路 需要考虑和注意的一些问题。 第四章硬件电路调试，根据刑s 3 2 0 c 6 4 5 5 的设计要求及其外设技术文 档配置和初始化d s p 芯片，编写了f p g a 的逻辑控制程序，设计了串口通信 和网络通信等d s p 底层接口程序，而且给出了测试数据、图形和测试结果。 9 哈尔滨i ：稃人学硕十学何论文 第2 章水声通信网络节点信号处理平台方案 近年来，随着数字通信技术的不断发展，出现多载波通信技术、自适应 均衡、分集技术、纠错编码、时间反转镜等新技术b 2 小1 ，使得可实现的水声通 信速率不断得到提高，而且自适应均衡等技术的发展，在一定程度上降低了 信道传输的误码率。这些通信技术的应用都为快速发展水声通信网提供了有 利的条件，为了适应快速发展的通信技术，硬件电路上必须采用高速的信号 处理芯片，才能满足算法的需求。随着其它数字调制技术的发展和超低功耗 数字处理芯片的出现，更低功率损耗、更高速可靠的水下通信网络节点系统 的研究必然受到关注。本章阐述了水声通信网络节点信号处理电路的设计方 案，给出水声通信处理平台的设计技术指标以及系统的方案设计框图，总结 了本系统的特点。 2 1 水声通信网络节点的整体结构 由于水声信道的复杂性，为了获得高效可靠的水下通信，水下通信网节 点需要采用复杂的水声通信信号处理方法，比如复杂的信道编码、信道均衡 等技术；由于水声网络节点采用电池供电，还必须考虑节约系统能量，传统 相对简单的水声通信网络节点无法胜任当前的需求，因此如何设计低功耗、 信号处理能力强的水声通信网络节点是一个十分重要的问题。水声通信网络 是一个复杂的系统，其中水声通信网络节点是整个水声通信网络系统的一部 分，是主要的通信和探测节点，国外已经有许多公司开展了水下声通信网络 节点的研究，他们采用如图2 1 所示的结构框架。 水下通信网络节点由几大模块组成：( 1 ) 矢量水听器，完成声电转换的 功能；( 2 ) 发射换能器，完成电声转换的功能；( 3 ) 值班电源电路板，它起 到值班和电源管理的作用，它是水下通信网络节点唯一一直供电电路模块， 控制信号处理电路等其它部分电路的上电；( 4 ) 信号处理模块，它是一个采 用高性能、高处理速度d s p 的数字信号处理电路，它要完成同步、信道均衡 和纠错等调制解调工作，同时还要完成对目标的探测与识别功能；( 5 ) 存储 板，可以采集内记原始信号，并负责与母船通信( 通过光纤或串行数据线) ， l o 哈尔滨i ：稃人学硕十学何论文 它在试验阶段应用，实际应用时候不采用；( 6 ) 发射模块，它被用来对信号 处理板输出的信号进行功率放大，以达到远程通信的目的，同时用于匹配换 能器。 图2 1 典型的水声通信网络节点硬件框图 本文所采用的水声通信网络节点电子舱内部框架及其外部连接如图2 2 所示： 蛘 f 矢量水听器i 电池 通信处理模 块( 调制) 通信处理模 块( 解调) 发射模块 发射换能器 图2 2 水声通信网络节点硬件电连接结构图 2 2 信号处理平台的技术指标 本文设计的水声通信网络节点信号处理平台的基本技术指标如下： 信号带宽2 8 k h z ，中心频率5 k h z ； 通信速率：3 0 0 6 0 0 1 0 0 0 2 4 0 0 b p s 可选，误码率： 5 0 0 h ： 水声通信网络节点采用的通信技术为正交频分复用( 0 f d m ) 技术； 高的处理速度、足够的运算能力，可以完成任务并有冗余； 能够在节点与节点、岸基、母船等之间进行全双工通信； 拥有网络传输、串口通信等数字输出接口； 方便调试与试验。 2 3 信号处理平台的方案与论证 2 3 1 信号处理平台方案 一方面由于水声信道的复杂性，为了获得高可靠的水下通信，水声通信 网络节点必须采用现代编码方式、复杂的信道估计和均衡等手段：另一方面 能量有效性也是水声通信网节点必须考虑的重要问题之一，以更快的速度发 送信息是一种节约能量的有效方法，因此水声通信网络节点必须采用高效的 调制解调方式；传统相对简单的水声通信网络节点无法胜任当前的需求，因 此开发一个能够满足目前高速水声调制解调技术的新型水声通信网络节点信 号处理平台迫在眉睫。 根据水声通信网络节体整体结构和信号处理平台的技术指标，从整个水 声通信网络节点的角度来考虑，水声通信网路络节点工作流程是：水声通信 网络节点使用矢量水听器来接收水声信号；接收的声信号被转换成电信号之 后，经过模拟电路进行放大滤波等过程调理：调理的信号输入到水声通信处 理电路，经过调制解调等对量化后的信号进行数字处理；最后信号通过模拟 端口被送到发射电路模块，经过发射换能器发送出去。 水声通信网络各节点之间一般进行水平远距离通信，本文使用的水听器 是二维矢量水听器，它有六路差分输出2 卯，分别是：声压( p ) 和质点振速 的两个水平正交分量( e v , 、k ，) ，所以水声通信处理平台采用六路差分信 号输入；系统采用了水声通信调制解调技术( o f d m ) 、现代编码方式、复杂 的信道估计和均衡等手段，为了高效实时可靠进行水下通信，一般低速的d s p 处理器都不能满足本系统的需求，所以本文采用一款高速数字处理芯片作为 本系统的主处理芯片：在多载波实时水声通信中，存在着多普勒频移口q ，为 了补偿多普勒频移，本文设计了一个基于频率合成的补偿电路，结合d s p 测 1 2 哈尔滨i ：稗人学硕十学伊论文 频的方法从频率和相位方面给d d s 频率控制字，d d s 进行频率合成，其输 出的时钟信号给a d 数据采集电路，实时对多普勒现象进行补偿：水声通信 网络节点是一个全双工的水声通信网络节点，所以水声通信网络节点信号处 理平台必须设计路模拟输出，同时为了方便系统测试以及提供高速的板问 数据通信、兼容目前的r s 2 3 2 串行通信等，本系统还设计了网络通信接口和 串行通信接口。综上而言，本文要设计一个六路差分输入三路数据采集、具 有大运算量、本地通信、串口通信、能够对多普勒进行补偿的全双工水声通 信信号处理平台电路。本着以上思考，本文设计的系统方案框图如图2 3 所 示。 广一一一 l 2 ：d d r 一2 一f j 厂一# 枷芒 【一一一- , i i - 一- - - - - 。一 d ab l 图2 3 水声通信网络节点信号处理平台方案框图 2 3 2 信号处理平台方案论证 根据系统要求和方案，本文将从系统功能模块以及芯片选择的角度来论 证实现上节的设计方案。 ( 1 ) 矢量水听器输出六路差分信号，选择三片差分输入的a d 转换芯片 就能满足要求，所以需要设计三路数据采集电路。因为低频信号在海水中吸 收衰减小，使用低频水声信号进行水下通信利于深海远距离通信。本系统使 用的矢量水听器输出的是低频信号，所以尽量选择高精度的a d 转换器。本 文选择a d 公司的精度为l8 b i t 的a d 芯片a d 7 6 4 3 以满足系统要求，将在下 章介绍它的性能特点。 ( 2 ) 针对本论文水声通信信号处理平台采用的正交频分复用( o f d m ) 技术和t u r b o 编码技术对处理速度和运算量的要求，同时保证完成任务并且 有冗余量，本文必须选择一个高速的数字信号处理芯片，对比了一些t i 数字 1 3 哈尔滨i ：稃人。硕十学何论文 处理芯片，最终选择了t i 公司生产的3 2 b i t 定点d s p 芯片t m s 3 2 0 c 6 4 5 5 。 为了满足系统对运算量的要求，并且需要有一定的运算冗余，本文设计了以 两片d d r 2s d r a m 作为d s p 的外部存储空间。但是遗憾的是为了满足高速 处理的任务，本文选择的这款d s p 功耗比较大。 ( 3 ) 一般的d s p 芯片都集成了m a c 控制器，但是考虑到t c m p 协议 编程比较复杂、开发周期较长而且d s p 的网络开发包( n d k ，n e t w o r k d e v e l o p e r sk i t ) b 玎比较昂贵，本文选择使用硬件协议栈芯片w 51 0 0 ，它内部 固化了t c p i p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l i n t e m e tp r o t o c 0 1 ) 核心叫捌，使硬 件电路和程序设计都比较简单。这种方法能满足本系统的需求，可以达到预 期的目标。 ( 4 ) 对于速度相对较慢的r s 2 3 2 串口通信，实现方法很多。本文选择 一种带有s p i 接口的芯片设计串口电路，d s p 的多通道缓冲串口( m c b s p o ) 工作在时钟停止模式下与s p i 协议兼容p 们，这种硬件电路简单，能够满足本 系统的要求。本文选择了美信公司的m a x 3 1 1l e ，将在下章介绍它的性能特 点。 ( 5 ) 为了克服多载波实时水声通信中存在的多普勒频移现象，本文采用 d d s 频率合成技术，结合d s p 测频和多普勒估计，从频率和相位方面给d d s 频率控制字，d d s 进行频率合成实现实时的多普勒补偿，其频率合成和补偿 精度都比较高。本文选择a d 公司的a d 9 8 3 1 ，其性能特点将在后面介绍。 ( 6 ) 设计了一路d a 实现数模转换，可以保证全双工通信，满足了系统 要求。 ( 7 ) 考虑到本系统是在水下工作，所以在选择元器件方面，所有的主要 芯片在满足设计指标的同时尽量选择低功耗高性能器件，可以使得通信网络 节点的整体功耗大幅度降低。 从以上各点可以看出，按照目前的资源和市场，本系统的方案可以满足 系统要求。 2 4 信号处理平台的方案特点 本系统应用于水声通信网络节点中，是基于高精度的a d 、d a 、d d s ， 较高处理速度的数字处理芯片，高速的数字通信接口，采用了全双工水声通 1 4 哈尔滨i ：科人学硕十学伊论文 信方式的适应多载波实时水声通信网络节点的信号处理平台。该系统具有以 下特点： l 、该信号处理平台可以最大限度的发挥t m s 3 2 0 c 6 4 5 5 数字信号处理芯 片的结构和功能特性。t m s 3 2 0 c 6 4 5 5 工作频率最高达到1 2 g h z ，处理能力 高达9 6 0 0 m i p s ，带有丰富的片内外设，其中包括t u r b o 码、增强的卷积码编 译码协处理器等p ，可以进行复杂的调制解调等水声通信处理，可以满足系 统对于处理速度的要求。 2 、该信号处理平台采用的t m s 3 2 0 c 6 4 5 5d s p 内部带有专用d d r 2 控制 器，使用了两片d d r 2 外部动态存储器( s d r a m ) ，总容量1 2 8 m b 的d d r 2 存储器时钟速度最高可达8 0 0 m h z ，保证了该系统具有强大的运算能力和运 算冗余。 3 、该信号处理平台采用了硬件协议栈芯片w 5 1 0 0 ，设计了网络传输功 能电路，使用t m s 3 2 0 c 6 4 5 5 内部时钟和硬件协议栈芯片内部时钟匹配时序， 保证了快速的、大的数据量传输。w 5 1 0 0 内部固化了t c p i p 协议核，从而 简化了程序设计，使水声通信网络节点方便的与本地以太网进行互连。 4 、该水声通信处理平台设计了串行通信功能电路，设计电路通过 t m s 3 2 0 c 6 4 5 5 的m c b s p 接口工作在s p i 模式和m a x 3 l l l e 芯片相连，实 现r s 2 3 2 串行通信功能，它能很好的和上位机的t t l 电平兼容，简化了硬件 结构。 5 、水声通信网络节点工作在深海环境，为了达到深海远距离通信的目的， 尽量使用低频信号，所以在选择元器件方面尽量选用高精度、快速的转换器 件。例如1 8 b i t 、1 2 5 m s p sa d ，1 4 b i t 、1 6 5 m s p sd a ，1 6 b i t2 5 m h zd d s 。 2 5 本章小结 本章主要从系统设计的角度，全面阐述了水声通信网络节点信号处理平 台的设计方案。首先给出了水声通信网络节点的整体结构和信号处理平台的 技术指标；详细论述了信号处理平台的系统方案设计，设计了系统的方案结 构框图；结合系统技术指标从芯片选择和系统实现的功能出发论证了系统的 设计方案；最后归纳总结了信号处理平台的方案特点。 哈尔滨i ：稃人学硕十学何论文 第3 章水声通信网络节点信号处理平台设计 水声通信网络节点信号处理平台的主要工作就是对接收的水声信号进行 调制、解调，从而保证发送出去的信号干扰或者失真度小。本章将主要从整 体硬件系统入手，详细介绍系统的总体设计，根据水声通信处理平台的总体 结构具体研究该系统的硬件组成以及各部分的设计原理，同时说明所用该部 分功能电路的性能特点。从整个水声通信处理平台的d s p 芯片及其外围设 备、f p g a 芯片及其外围设备、模数转换电路、频率合成电路、硬件协议栈 网络通信、串行通信、电源设计等几方面分别加以详细地论述。 3 1 信号处理平台的总体设计 本系统是针对用于水声通信网络节点的多载波实时水声通信设计的高速 水声通信信号处理硬件平台，水声通信网络节点信号处理平台的总体结构如 图3 1 所示： 图3 1 水声通信网络节点信号处理平台的总体设计框图 1 6 哈尔滨l ：科人学硕十学位论文 3 2d s p 及其外围设备电路设计 本文设计的d s p 及其外围设备由高速的t m s 3 2 0 c 6 4 5 5 主处理芯片、两 片d d r 2s d r a m 和f l a s h 组成。d s p 芯片是整个电路的核心，不仅要对接 收到的信号进行数字信号处理，而且兼顾m c u 的功能，以控制整个系统的 运行。下面分别介绍水声通信网络节点信号处理器平台的d s p 芯片及其外设 的接口设计。 3 2 1t m s 3 2 0 c 6 4 5 5 的主要特点 t m s 3 2 0 c 6 4 5 5 以t m s 3 2 0 c 6 4 x + 为核心是在t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 t md s p 平台 基础上产生的高性能定点的数字信号处理器( d s p s ) 。t m s 3 2 0 c 6 4 5 5 是美国 t i 公司在第三代高性能、先进的v e l o c i t l t m 超长指令字( v l i w ，v e r yl o n g i n s t r u c t i o nw o r d ) 结构基础上开发的，制造这些d s p s 是为了在视频、电信基 站、图像医疗、无线基站等应用上有更优秀的选择。t m s 3 2 0 c 6 4 5 5 的主频 最高可以达到1 2 g m h z ，加电压3 3 v 、1 s v 、1 5 v ，内核电压1 2 5 v 。c 6 4 5 5 有丰富的外围设备和资源，主要如下【3 ： 高性能的定点d s p ( c 6 4 5 5 ) ： 一高达0 8 3 n s 的指令周期； - - 9 6 0 0 m i p s ； 一每个周期8 条3 2 b i t 指令； t m s 3 2 0 c 6 4 x + l 1 l 2 存储器结构 2 5 6 k b i tl i p 程序缓存 2 5 6 k b i tl i d 数据缓存； 一l6 m b i tl 2 统一映射r a m 缓存 - - 2 5 6 k b i tl 2r o m 6 4 b i t 外部存储器接口( e m i f a ) ： 无缝连接异步存储器( s r a m 、f l a s h 和e e p r o m ) 和同步存储器 ( s b s r a m 和z b t s r a m ) 一支持标准和同步器件和逻辑器件( f p g a 、a s i c s 等) 连接 一总共3 2 m 外部存储器地址空间 d d r 2 存储器控制器： 1 7 哈尔滨f ：稃人学硕十学何论文 一支持d d r 2 5 3 3 m h zs d r a m ； 一支持3 2 1 6b i t ，5 3 3 m h z 数据总线； 一总5 1 2 m 字节的外部可寻址范围； 串行高速i o ( r a p i di o ) ； 增强型卷积码编译码协处理器( v c p 2 ) ； 增强型t u r b o 码编译解码协处理器( t c p 2 ) ； 6 4 通道e d m a 3 ； 3 2 1 6 b i t 主机接口( h