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点对点半双工水声数据通信系统的研究与设计毕业论文

 2020-02-17 10:02  

摘 要

对海洋的探索是人类一直以来从未间断的活动之一,随着时代的发展,海洋资源的开发得到了前所未有的关注。由于在传统的通信中,有缆的水下通信存在着诸多弊端,给水下活动带来了许多限制,因此,无缆的水下通信技术研究成为了必然趋势。然而,海洋的环境十分复杂,相比于陆上环境,水下的传输环境要严峻得多。水声信道环境噪声大、传播时延高、多径干扰强及多普勒效应严重等特性给水下通信的传输带来了极大的挑战。本文则针对水声信道,设计一套实现点对点半双工的水声数据通信系统。

本文首先对水声信道特性进行详细的介绍,分析了其特性对水声通信的影响,并根据具体的影响给出了一些有效参考措施。本文的主要工作之一是对水声通信的系统硬件平台设计,包括发射模块与接收模块。其中,发射模块主要包括D类功率放大器、匹配网络;而接收模块主要包括放大电路与滤波器。同时,本文还对收发合置的水声换能器进行介绍与分析,针对换能器与功率放大器的阻抗匹配提出了当今匹配设计中常用的实频法与直接优化法。

另外,本文采用了MFSK数字调制技术对信号进行调制与解调。MFSK的频谱利用率高,其通信稳定性也较好。MFSK的解调可以利用数字解调,且不需要恢复本地载波,其性能也非常稳定。在低速的水下传播环境中,MFSK调制是一个很好的选择。

关键词:水声信道;发射模块;接收模块;水声换能器

Abstract

The exploration of the ocean is one of the activities that human beings have never stopped. With the development of the times, the exploitation of marine resources has received unprecedented attention. In traditional communication, there are many drawbacks in underwater communication with cables, which bring many restrictions to underwater activities. Therefore, the research on cable-free underwater communication technology has become an inevitable trend. However, the marine environment is very complex. Compared with the land environment, the underwater transport environment is much more severe. The characteristics of underwater acoustic channel, such as large environmental noise, high propagation delay, strong multipath interference and serious Doppler effect, bring great challenges to underwater communication transmission. In this paper, a point-to-point duplex underwater acoustic communication system is designed for underwater acoustic channel.

Firstly, the characteristics of underwater acoustic channel are introduced in detail, and the influence of its characteristics on underwater acoustic communication is analyzed, and some effective reference measures are given according to the specific impact. One of the main tasks of this paper is to design the hardware platform of underwater acoustic communication system, including transmitting module and receiving module. The transmitter module mainly includes class D power amplifier and matching network, while the receiver module mainly includes amplifier circuit and filter. At the same time, this paper also introduces and analyses the underwater acoustic transducer with transceiver and transceiver, and puts forward the real frequency method and direct optimization method commonly used in matching design for impedance matching between transducer and power amplifier.

In addition, this paper uses MFSK digital modulation technology to modulate and demodulate signals. MFSK has high spectrum utilization and good communication stability. The demodulation of MFSK can use digital demodulation without requiring local carrier recovery, and its performance is very stable. In low-speed underwater environment, MFSK modulation is a good choice.

Key words: underwater acoustic channel; transmitting module; receiving module; underwater acoustic transduce

目 录

第一章 绪论 1

1.1研究背景和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 研究内容及论文结构 2

第二章 水声信道特性 3

2.1 衰减和噪声 3

2.2 多径效应 4

2.3 多普勒效应 6

第三章 水声通信系统的设计 7

3.1 系统架构设计 7

3.2 硬件系统设计 8

3.2.1 发射系统 8

3.2.2 接收系统 9

第四章 系统详细设计 10

4.1 功率放大器 10

4.2 水声换能器 12

4.2.1 水声换能器的等效电路 12

4.2.2 匹配网络 13

4.3 接收放大电路 14

4.3.1 差分放大电路 14

4.3.2 滤波器 15

4.3.3 中间级放大电路 16

4.4 调制与解调 17

4.4.1 4FSK调制技术 17

4.4.2 FFT解调技术 19

第五章 总结与展望 20

参考文献 21

致 谢 22

第一章 绪论

1.1研究背景和意义

随着时代的发展,海洋资源的开发得到了前所未有的关注。地球表面70%的面积被海洋所覆盖,生活在海岸线一百公里以内的人口占全球人口数量的一半。 然而,到目前为止,人们对海洋的探索还仅仅只是一小部分,并且大多的是沿海岸线的探索。我们都知道,海洋是地球最大的宝库,然而,面对广阔的海洋,人类是渺小而无力地,海洋世界远比陆地世界复杂得多,而且是人类涉猎极小的部分。在人类探索海洋世界的过程中,不仅受到海洋灾害的威胁,沿海地区的人们更是常常受到海浪风暴的袭击。另外,由于对海洋探索有限,人类的一些粗暴不合理的海洋活动会破坏海洋的生态平衡,最终的后果自然由人类所承担。海洋灾难不仅给沿海国家带来很大的经济影响,更是对沿海地区人们造成了极大的伤害。因此,为了海洋经济的发展与沿海地带的安全,海洋环境监测与灾难预警系统的建立意义非凡。

传统的水下通信一般是有缆的,但是这种方式存在着诸多弊端,它在一定程度上限制了水下潜器的运动灵活性,并且活动范围较小,对电缆的损耗也非常大。要想像陆上通信一样实现从“有线电话”方式向“移动电话”方式的转变,则必须向无缆的水声通信方式的方向发展。目前,声波是海洋中传播性能最佳的能量形式,它所传播的距离最远。因此,声波在人类探索海洋的过程中得到了广泛的应用。

1.2 国内外研究现状

水声通信技术最初的出现是应用于海军通信。上世纪初期,英国海军研究所开始了水下通信技术的研究,随后研制出了水下电报系统,从此打开了水声通信技术领域的大门。到了1945年,美国海军实验室研发出水下语音电话,主要用于军用潜艇间的信息交流,成为了水声通信发展的里程碑,为后来的研究奠定了坚实的基础。美国的水声通信技术一直处于国际前沿,他们的研究团队所研发的水声通信产品、水声通信技术的应用等方面非常突出。德国、日本、英国等国在水声通信技术领域也取得了显著的成果。

国内对于水声通信技术的研究起步较晚,仍落后于西方发达国家。我国的一些研究单位,如中国科学院声学研究所、七一五研究所、浙江大学、厦门大学等,在水声通信领域的研究成果也渐渐追赶上世界水平,其研究领域已涉及水声通信与组网技术的各个方面。然而,总体来看,我国仍以美国等国家的研究方向为导向,创新点稍弱,仅在一些技术点上有所突破。未来我国仍需继续在这方面加大投入,加快水下通信领域的发展。

1.3 研究内容及论文结构

本文拟设计一套适用于水声信道的点对点半双工通信系统,该系统的功能主要为建立水面控制器和水下传感器节点的通信链路。水面控制器进行操作指令的发送和水下传感器节点状态信息显示,实现点对点双工水声数据通信系统。

本论文总共五个章节,安排如下:

第一章绪论,首先介绍关于水声通信的研究背景及意义,接着简单阐述国内外的研究现状及发展现状,最后指出本文所研究的内容及论文结构。

第二章水声信道的特性,主要介绍水声信道中影响声传播的几个主要因素,为后续的系统设计提供了参考并提出相应有效的措施。

第三章水声通信系统的设计,首先介绍了水声通信系统的组成,接着根据已有的方案设计了实现本系统的具体通信系统,最后根据本文重点模块进行方案设计。

第四章系统详细设计,在系统方案设计完成的基础上,对系统的部分模块进行详细设计,包括发射系统、接收系统及调制解调等设计。

第五章总结与展望,总结论文的主要工作,同时针对目前存在的不足提出意见与建议。

第二章 水声信道特性

声传播的特点有三个主要因素:随信号频率增加而衰减、时变多径传播及低声速(1500 m/s)。虽然环境噪声通常被认为是高斯噪声,但不是白高斯噪声,而是衰减的功率谱密度。信道容量取决于距离,但非常有限。声传播在低频情况下能很好地传播,但通信的可用带宽非常有限。并且,声信号在水下以极低速度传播,并在多条路径上传播,延迟传播超过数十甚至数百毫秒会导致频率选择性信号失真,易产生极端的多普勒效应。此外,声信号在水中传播时常常受到海洋流速、海洋生物等诸多因素干扰。声波在传播过程中会因海洋的特殊环境(如海水介质的非均匀性)而产生散射效应与折射效应等[1]。因此,水声信道在诸多因素的影响下成为了传播损失大且多径效应严重的复杂信道。

2.1 衰减和噪声

水声信道的一个特性是路径损耗由信号频率决定,这是能量吸收(即声能转化为热能)的结果。除了吸收损耗外,还有拓展损耗,它随着距离的增加而增加。总路径损耗由式(2.1)所示。

(2.1)

其中是信号频率,是传输距离,为参考数值。路径损耗指数表示拓展损耗,其值通常介于1和2之间(分别针对圆柱形和球形拓展)。

另外,衰减损失还包含吸收损失和散射损失。由于声传播介质是海水,其特性较差,声波的部分能量在传播过程中会被海水吸收转为热能而产生吸收损失。声波在传播介质不均匀条件下传播会产生散射现象,这种现象导致声波的能量损失,称为散射损失[2]。声波的频率及能量的吸收不仅与海水介质相关,在一定程度上也受海水的温度、盐度等因素的影响[3],其吸收系数为:

(2.2)

其中,;;为盐度(‰);为声波频率(kHz);为弛豫频率,表达式如式(2.3)所示,受海水温度的影响。

(2.3)

其中,表示海水介质的绝对温度。当海水深度的变化后,其温度和盐度也将随之而变化,其值无法确定,因此,在实际工程中通常采用可估量的吸收损失衰减系数,计算公式如下所示:

(2.4)

水声信道中的噪声包括环境噪声和特定点噪声。环境噪声出现在平静的深海中。与此相仿,特定点噪声只存在于某些地方。例如,极地地区的冰裂会产生声音噪声,在温暖的水域中捕捉虾也会产生声音噪声。虽然这种噪声通常近似为高斯噪声,但非白高斯噪声。图2.1描述了几个风速值(风驱动表面波)和几个远航活动的环境噪声光谱密度。环境噪声的功率谱密度大约以18dB/十年的速度衰减。如图2.1所示,衰减随频率增大,噪声频谱随频率衰减,信噪比随信号带宽变化。

图2.1 环境噪声的功率谱密度[4]

相比于陆上通信,水声通信一般使用较低的频段,在远距离传输时,受噪声干扰非常严重,到达接收端的信号非常微弱,信噪比相当低,从而极大降低了通信的可靠性。因此,在设计水声通信系统接收机时,对于在噪声环境下检测微弱信号的能力非常关键。此外,对抗噪声干扰还可以根据实际情况提高系统的中心频率,缩小带宽,或者增加高阶滤波器。高阶滤波器可以有效地滤除大部分带外噪声,提高信噪比。

2.2 多径效应

海洋中的多径效应由两种因素造成:表面、底部及任意物体的声音反射和水声折射。前者多发生于浅海信道,而后者多发生于深海信道。两类多径效应产生原理如图2.2所示。

图2.2 多径效应示意图[4]

多径效应会导致水声信号在传播时发生畸变。当一个声源在水下没有固定传播方向时,它受到的多径效应更为显著。水声信道是一种缓慢的、时变的相干多径信道,在一定条件下可以表示为线性时不变滤波器。图2.3为一个简化的水下多径信道模型。其中,为接收信号,为的发射信号,为信道响应(为时间变量,为时延),为信道输出信号,为信道噪声。

水声信号在传播时产生畸变的根本原因是多径效应。尤其是在使用无指向性声源的时候,多径效应非常显著。水声信道属于缓慢时变的相干多径信道,在相干时间长度内可用线性时不变滤波器来描述,图2.3为典型的水下多径信道模型

图2.3 简化的信道模型

接收端接收到的波形为:

(2.5)

式中,为第个声信号到达接收机时的信号幅值,为总的声波传输路径数量,为第个声信号到达接收机时的时延。

在浅海信道中,多径效应导致信号的时延拓展可达几百毫秒;在深海信道中,时延拓展可达几十微秒到几秒的数量级。水声信道的特性频率会因多径效应而产生“通带”“止带”相间的状况,致使信号能量与相位信息等发生畸变,直接影响接收端的判决。另外,多径时延拓展过大时,可能会使接收符号间的重叠,信息的解调也会因重叠而发生错误。

大量研究表明:水声信号在传播过程中产生畸变的根本原因是多径效应。因此,抗多径干扰的措施是工程师在设计水声通信系统时必须考虑的问题。在移动通信中,通常采取令码元长度大于信道时延拓展统计平均值的办法来消除多径效应引起的码间干扰。由于以海水为介质的特殊性,水声信道的时延拓展与海域的深度及通信的距离都相关,因此不能像陆上移动通信那样直接采用时延拓展统计平均值。因此,在设计水声通信系统时,为了预防时延拓展带来的码间干扰,通常采用降低码元速率或提高工作频率等方法。而在一些稳定的多径信道中,则大多采用Rake接收机、时域均衡等方法对抗多径干扰[5]

2.3 多普勒效应

发送端与接收端相对移动而产生的载波频率偏移称为多普勒效应[6]。在水声通信中,海面波浪、海洋内波等也是产生多普勒频移原因之一。多普勒频移扩展包括相对简单的频率变换和连续的频率扩展[7],由于发射机和接收机之间的声信号不止一条,从而导致连续的频率扩展。

通常由多普勒因子来衡量多普勒的幅度,表达式为:

(2.6)

式中,为载波速度,为发射机与接收机间的相对运动速度。

在陆上通信中,尽管发射机与接收机相对高速运动,多普勒因子也非常小,因为电磁波的速度非常快,所以产生的多普勒扩展几乎没有。而与电磁波相比,声速非常低,因相对运动而产生的声信号多普勒失真会非常严重。多普勒频移将导致每个码元产生千分之一左右的长度扩展或缩短,当长度变化积累到一定程度时,后续的码元同步会受到严重的影响,最终导致信息的判决错误。

在设计过程中,由于不同的环境下多普勒效应引起的频偏不同,因此还需要考虑多普勒效应导致的接收信号频率偏移。在接收端的解调过程中,若通信系统采取频率调制技术进行解调处理,需要在频率判决时留取一定的余量,否则会直接导致判决错误;若采取相位调制技术,则需采用锁相环技术来预防相位的累积误差,避免出现判决错误。

第三章 水声通信系统的设计

3.1 系统架构设计

目前,水声通信系统大多采用数字通信,其主要组成部分如图3.1所示,与通常数字通信系统构成差不多,其中包括编码器、译码器、调制器、解调器、换能器、水声信道等。

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