中長(zhǎng)波水下無(wú)線通信機(jī)的設(shè)計(jì)與研究

趙蓉 蔡果佑

【摘要】 本研究設(shè)計(jì)了一款基于中頻數(shù)字化無(wú)線傳輸技術(shù)的中長(zhǎng)波水下無(wú)線通信機(jī)。該設(shè)備通過(guò)使用中長(zhǎng)波500KHz電磁波為傳輸媒介來(lái)實(shí)現(xiàn)水下無(wú)線通信，主要由發(fā)射機(jī)系統(tǒng)和接收機(jī)系統(tǒng)兩部分組成。

【關(guān)鍵詞】 中長(zhǎng)波 水下 無(wú)線通信機(jī) 發(fā)射機(jī) 接收機(jī)

一、前言

水下無(wú)線通信（underwater wireless communication），是指在水下對(duì)文字、數(shù)據(jù)、圖像等信息進(jìn)行無(wú)線傳遞的通信技術(shù)[1]，在軍事和民用中都起著至關(guān)重要的作用。目前，水下無(wú)線通信主要分成三類，即水下電磁波通信、水聲通信和水下量子通信[2]。其中，水下電磁波通信研究較早，不易受水文條件影響，通信較為穩(wěn)定，但由于水介質(zhì)對(duì)電磁波具有較強(qiáng)的衰減作用而使其功效受到限制。中長(zhǎng)波通信[3]則通過(guò)使用中長(zhǎng)波波段電磁波為傳輸媒介，利用中長(zhǎng)波受地形地物影響小、衰減慢、通信距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，從而對(duì)電磁波通信受水介質(zhì)衰減作用而不穩(wěn)定的情況實(shí)現(xiàn)了改善。本研究設(shè)計(jì)了一款基于中頻數(shù)字化無(wú)線傳輸技術(shù)的中長(zhǎng)波水下無(wú)線通信機(jī)。該設(shè)備通過(guò)使用中長(zhǎng)波500 KHz電磁波為傳輸媒介來(lái)實(shí)現(xiàn)水下無(wú)線通信，系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)如下。

二、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 調(diào)制方式選擇

通過(guò)對(duì)2PSK、2DPSK、2ASK以及2FSK系統(tǒng)幾種常用的數(shù)字調(diào)制方式不同方面進(jìn)行比較。2PSK系統(tǒng)寬帶占用較小，抗加性白噪聲性能較好，誤碼率較低，因而數(shù)字調(diào)制方式選擇2PSK系統(tǒng)?？紤]到同一種數(shù)字調(diào)制方式，采用相干解調(diào)方式的誤碼率要比采用非相干解調(diào)方式的誤碼率更低，因而解調(diào)方式選擇相干解調(diào)。

2.2 水下天線選擇

發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的電信號(hào)經(jīng)由發(fā)射天線向空間介質(zhì)傳播，而接收天線則能接收空間傳播的電磁波繼而轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳入接收機(jī)，可見(jiàn)天線性能的好壞對(duì)整個(gè)通信系統(tǒng)信息的收發(fā)和質(zhì)量至關(guān)重要。本研究使用了適于水下傳輸?shù)腁N-100德生收音機(jī)天線系列中波環(huán)形天線。發(fā)射端天線兩端與307 pF電容釆用并聯(lián)諧振模式[4]。

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1發(fā)射機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，發(fā)射機(jī)上位機(jī)將數(shù)據(jù)信息經(jīng)由串口傳出，數(shù)字信號(hào)由Xilinx公司的Spartan3AN系列芯片F(xiàn)PGA進(jìn)行處理，F(xiàn)PGA的串口模塊接收后，在FPGA內(nèi)部完成數(shù)字?jǐn)U頻信道編碼和串行擴(kuò)頻數(shù)據(jù)的BPSK數(shù)字調(diào)制，通過(guò)串轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換并行數(shù)據(jù)為串行數(shù)據(jù)，繼而通過(guò)擴(kuò)頻調(diào)制以產(chǎn)生較高速率的基帶信號(hào)，再與DDS IP CORE產(chǎn)生的正弦載波進(jìn)行BPSK調(diào)制，鍵控方式產(chǎn)生頻帶信號(hào)。使用8 bit的TLC5602CDW型號(hào)DA轉(zhuǎn)換芯片對(duì)調(diào)制信息進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換，再通過(guò)RC無(wú)源低通濾波器對(duì)雜波進(jìn)行濾除，然后將模擬信號(hào)送到LTC1992芯片進(jìn)行單端轉(zhuǎn)差分變換，最后經(jīng)由PA85芯片對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，通過(guò)德生AN-100環(huán)形天線發(fā)射到水中。

3.2接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

接收機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，水下環(huán)形天線采用并聯(lián)諧振模式接收水下中長(zhǎng)波電磁信號(hào)，并聯(lián)諧振回路在選頻的同時(shí)起初級(jí)帶通濾波作用。數(shù)據(jù)信號(hào)傳入接收機(jī)電路板，并通過(guò)76dB一級(jí)的調(diào)諧中頻電路加以放大，輸出端調(diào)諧至500 KHz后，通過(guò)AD轉(zhuǎn)換芯片傳輸模擬信號(hào)至FPGA引腳，在FPGA內(nèi)完成中頻至基帶信號(hào)的解調(diào)以及解擴(kuò)。使用本地IP核產(chǎn)生的500KHZ正線載波與接收數(shù)據(jù)進(jìn)行BPSK差分相干解調(diào)，解調(diào)后的基帶信號(hào)傳輸至解擴(kuò)模塊，在解擴(kuò)模塊對(duì)m序列進(jìn)行跟蹤、捕獲，再與本地產(chǎn)生的同步m序列進(jìn)行擴(kuò)頻解擴(kuò)，解擴(kuò)后的基帶信號(hào)在位同步時(shí)鐘的控制下進(jìn)行數(shù)字信息“0”、“1”判決，最后數(shù)字信息通過(guò)接收機(jī)的串口轉(zhuǎn)換上傳至上位機(jī)，完成信息接收工作。

四、結(jié)論

中長(zhǎng)波水下無(wú)線通信對(duì)近距離水下通信技術(shù)的發(fā)展具有巨大潛力。相比其他水下無(wú)線通信技術(shù)，中長(zhǎng)波無(wú)線電通信技術(shù)抗干擾能力強(qiáng)、通信頻率高、功耗低、安全系數(shù)高[5]。實(shí)際檢測(cè)中，中長(zhǎng)波水下無(wú)線通信機(jī)可能會(huì)面臨數(shù)據(jù)靈敏度不高、傳輸速率受限等不足，還有待進(jìn)一步改善。此外，增加發(fā)射天線等效帶寬、提高發(fā)射天線的輻射效率[6]，有利于在增加輻射場(chǎng)強(qiáng)和提高傳輸速率；微弱信號(hào)放大技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用有利于對(duì)內(nèi)部和外部的噪聲干擾進(jìn)行更好的處理；優(yōu)化編譯碼技術(shù)和調(diào)制解調(diào)技術(shù)則有利于提高接收機(jī)的可靠性和靈敏度。這些方面都是中長(zhǎng)波水下無(wú)線通信機(jī)值得注意和改善的關(guān)鍵。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]石海平， 鄧小濤. 中長(zhǎng)波通信抗干擾新技術(shù)探討[J]. 通信對(duì)抗， 2007（4）：52-55.

[2]王毅凡， 周密， 宋志慧. 水下無(wú)線通信技術(shù)發(fā)展研究[J]. 通信技術(shù)， 2014， 47（6）： 589-594.

[3]夏維華， 王一璐. 潛艇通信系統(tǒng)綜述[J]. 計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)， 2002（17）：55-57.

[4]王樹(shù)本. 高頻電子線路原理[M]. 大連：大連理工大學(xué)出版社，2004.

[5]畢毅， 王波， 李和平. 水下自航模型無(wú)線長(zhǎng)波遙控系統(tǒng)[J]. 船舶工程， 2002 （6）： 72-74.

[6]李卉云. 中波廣播發(fā)射天線的原理[J]. 硅谷， 2010， 15： 048.