水聲通信實驗教學平臺的設(shè)計及實現(xiàn)

摘? ?要：針對水聲學課程實驗教學中存在的綜合實驗數(shù)量偏少問題，本文結(jié)合水聲通信研究最新技術(shù)和現(xiàn)有實驗條件，構(gòu)建了一種基于普通電腦和聲卡的水聲通信實驗教學平臺。該實驗平臺硬件簡單，所有的算法，包括調(diào)制/解調(diào)、信道編碼/解碼、信道估計和均衡都在電腦上實現(xiàn)，同時，軟件使用也直觀簡單、易操作，降低了水聲學和通信理論的抽象性，有助于激發(fā)學生的實踐和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：水聲通信;水聲學;發(fā)射系統(tǒng);接收系統(tǒng)

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2019）09-0089-05

一、引言

水聲學是理論和應(yīng)用性都很強的一門學科，如何培養(yǎng)學生的學習積極性和實踐動手能力是水聲教育工作者面臨的一個重要挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的“水聲學實驗”課程主要包括聲速測量、聲波在海水中的衰減、換能器聲阻抗、發(fā)射響應(yīng)和指向性測量等?？傮w來看，“水聲學實驗”課程實驗數(shù)量，尤其綜合應(yīng)用實驗偏少，急需構(gòu)建一些新的實驗平臺和方法。

水聲通信屬于水聲學范疇下的一個重要應(yīng)用分支，在海洋科學研究，海水污染監(jiān)測、海底資源勘探、水下AUV導航和定位等許多方面都體現(xiàn)了重要的應(yīng)用價值[1-3]。近幾十年來，水聲通信取得了快速發(fā)展，無線電通信中的許多先進技術(shù)，包括自適應(yīng)信道均衡和估計、信道糾錯編碼、多載波通信和時空分集技術(shù)等都被應(yīng)用于水聲信道，并在海上試驗中取得了很好的通信效果。目前，市場上出現(xiàn)各種不同通信方式和速率的水聲Modem，如LinkQuest公司生產(chǎn)的UWM系列水聲Modem、Benthos公司生產(chǎn)的ATM 910系列水聲Modem等。廈門大學在水聲通信和應(yīng)用方面也取得了重要研究進展，成功研制出多種水聲Modem、水聲數(shù)字語音通信系統(tǒng)和水下圖像傳輸系統(tǒng)[4-8]。將這些先進的科研成果進行簡化、改進和綜合，構(gòu)建出一套水聲通信實驗教學系統(tǒng)，不僅可以擴展“水聲學實驗”課程的實驗手段和條件，還可以加深學生對通信原理、數(shù)字信號處理、水聲換能器和水聲學等海洋物理核心課程的理解，進一步提高學生的專業(yè)興趣和學習動力。

本文基于水聲通信基本原理，結(jié)合水聲通信的最新研究進展和“水聲學實驗”課程的現(xiàn)有教學條件，構(gòu)建了一種以PC電腦為處理核心，聲卡為輸入輸出設(shè)備的水聲通信教學平臺。

二、水聲通信原理

早期的水聲通信系統(tǒng)主要采用模擬調(diào)制方式，存在尺寸較大、功率利用效率較低和容易串擾等缺陷[9]。目前的水聲通信系統(tǒng)大多采用數(shù)字通信方式，根據(jù)調(diào)制方式不同，可以分成頻移鍵控（FSK）、相移鍵控（PSK）和正交頻分復用多載波調(diào)制（OFDM）等三種。FSK調(diào)制方式通常跟載波頻率跳變技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成FH-MFSK調(diào)制方式，發(fā)射端根據(jù)跳頻圖案選擇載波頻率，采用FSK調(diào)制方式將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為模擬信號;接收端采用快速傅立葉變換（FFT）進行頻率識別，并根據(jù)跳頻圖案進行數(shù)據(jù)恢復[10]。PSK調(diào)制方式根據(jù)待傳送的數(shù)據(jù)改變載波的相位，接收端通常采用二階數(shù)字鎖相和判決反饋均衡技術(shù)進行解調(diào)[11]。OFDM多載波調(diào)制方式將載波分成N個相互正交的子載波，通過延長每個OFDM符號的周期和插入循環(huán)前綴等技術(shù)來緩解水聲信道的多途干擾[12]。OFDM通信接收端通常采用FFT變換進行解調(diào)。除FH-MFSK調(diào)制水聲通信系統(tǒng)外，水聲信道估計和均衡是水聲通信系統(tǒng)的最為關(guān)鍵的技術(shù)之一。由于聲波在海水中的傳播速度約為1500 m/s， 遠遠小于光波在空氣中的傳播速度，因此，水聲信道的多途干擾相對更復雜，其主要特征為多途時延長，一般在幾毫秒到幾十毫秒之間，特殊海洋條件下可達幾百，甚至幾千毫秒。水聲信道估計和均衡算法主要有最小均方算法和正交匹配追蹤壓縮感知算法等[13-14]。

圖1為水聲通信系統(tǒng)的原理框圖。分發(fā)射和接收系統(tǒng)兩部分：發(fā)射系統(tǒng)主要由信道編碼、調(diào)制和功率放大等三部分組成;接收系統(tǒng)主要由前置放大、解調(diào)、信道編碼等三部分組成。由于水聲信道存在嚴重的多途干擾，發(fā)射的聲信號功率有限，聲波在海水介質(zhì)中的傳播損失又較大，因此，接收信號的信噪比較低，需要進行信道糾錯編碼才能將誤比特率降至應(yīng)用需求，如在語音通信中的10-3，文本、指令等的10-5等。本文所研制水聲通信系統(tǒng)涉及的主要方法或技術(shù)有幀同步、調(diào)制/解調(diào)、信道編碼和信道均衡等。

1.幀同步

同步是獲得可靠水聲通信的關(guān)鍵技術(shù)之一，包括幀同步、載波同步、位同步和網(wǎng)絡(luò)同步等。本文所研制的水聲通信通信系統(tǒng)只需要進行幀同步，方法是在每一幀信號前都插入一段線性調(diào)頻（linear frequency modulation，LFM）信號，接收機用本地拷貝LFM信號對輸入信號作相關(guān)處理，通過比較相關(guān)峰值與預設(shè)閾值的大小來確定是否有同步信號到達。若相關(guān)峰值大于閾值，則有同步信號到達，系統(tǒng)進入解調(diào)和信道解碼處理，若相關(guān)峰值小于閾值，則沒有同步信號到達，系統(tǒng)繼續(xù)做相關(guān)處理。LFM信號的時間長度設(shè)置為 20 ms，可確保系統(tǒng)在頻率選擇性衰落嚴重水聲信道中的有效性。

在每一幀信號后也插入一段LFM信號，接收機通過測量兩段LFM信號之間的時間變化來估計多普勒頻移動。設(shè)發(fā)射信號中兩段LFM信號之間的時間差為T，接收信號中兩段LFM信號之間的時間差為T′，則相對多普勒移β為：β=（1）

接收機根據(jù)相對多普勒頻移，采用線性插值方法進行補償。

2.調(diào)制/解調(diào)

所構(gòu)建水聲通信系統(tǒng)采用FH-MFSK調(diào)制和OFDM多載波調(diào)制兩種通信方式。FH-MFSK調(diào)制方式相對較簡單，發(fā)送端根據(jù)跳頻圖案選擇發(fā)送信號的頻率，接收端采用快速傅立葉變換（FFT）進行鑒頻，并根據(jù)跳頻圖案進行解跳。OFDM多載波調(diào)制方式的主要優(yōu)點是頻帶利用效率高，能在帶寬十分有限的水聲信道中獲得高速通信。另外，OFDM系統(tǒng)的抗多途干擾能力較強，通過延長每個OFDM符號周期和插入循環(huán)前綴等措施抑制長時延的多途干擾。OFDM系統(tǒng)的缺點是峰均比高，受多普勒頻移的影響相對較大，在時變水聲信道中會產(chǎn)生子載波間的干擾，影響通信系統(tǒng)的誤比特率。

水聲OFDM通信系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)過程分別如圖2和3所示。由圖2可見，OFDM調(diào)制過程主要包括串/并轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)-符號映射和IFFT變換等3個步驟。系統(tǒng)采用IFFT變換實現(xiàn)發(fā)送符號向發(fā)射信號的轉(zhuǎn)換，具有快速有效，便于軟件實現(xiàn)等優(yōu)點。由圖3可見，OFDM解調(diào)過程與調(diào)制過程剛好相反，主要包括FFT變換、符號-數(shù)據(jù)映射和并/串轉(zhuǎn)換等3個步驟。

3.信道編碼

信道編碼亦稱差錯控制編碼，即在發(fā)送的數(shù)據(jù)中插入冗余信息，接收端通過這些冗余信息將傳輸過程中可能出錯的數(shù)據(jù)正確地恢復出來。信道編碼包括分線性分組碼和非分組碼等兩種，前者如漢明碼、循環(huán)碼和低密度奇偶校驗（LDPC）碼等，后者如卷積碼和Turbo碼等。本文構(gòu)建的水聲通信系采用Turbo碼進行信道編碼。Turbo碼的兩個分量編碼器采用完全相同的遞歸系統(tǒng)卷積碼，編碼過程簡述如下：①信息序列通過第一個分量編碼器編碼后輸出校驗序列，經(jīng)信道交織后通過第二個分量編碼器編碼輸出校驗序列;②根據(jù)設(shè)定的碼率對校驗序列進行刪余，得到校驗序列;③將信息序列和校驗序列復用后輸出編碼序列。在Turbo碼的編碼過程中，交織器的作用是實現(xiàn)信息序列的順序重置，若信息序列經(jīng)過第一個編碼器編碼后的碼字重量較低，則經(jīng)交織器交織后的信息經(jīng)過第二個分量編碼器后輸出高重量碼字?？梢源蟠筇岣叽a字的自由距離。另外，交織器還可大大降低兩個校驗序列之間的相關(guān)性，使得Turbo碼獲得近似隨機編碼。Turbo碼的性能與交織器密切相關(guān)，在實際應(yīng)用中可采用隨機交織方式以提高編碼性能。

1，k為信道中獲得的系統(tǒng)信息;Z1，k為從分量譯碼器2中獲得的先驗信息;l1，k為外部信息。外部信息主要從校驗信息中獲得，與系統(tǒng)信息無關(guān)，因此，該信息經(jīng)過交織后可作為先驗信息發(fā)送給譯碼器1。譯碼器2的譯碼原理與譯碼器1完全相同，但由于系統(tǒng)信息與校驗信息為交織關(guān)系，需對先驗信息做交織處理。

Turbo碼的譯碼算法主要有最大后驗概率算法、對數(shù)形式的最大后驗概率算法和軟輸入軟輸出Veterbi（SOVA）算法等。最大后驗概率算法性能最優(yōu)，但計算量最大，非常復雜，SOVA算法根據(jù)編碼格圖尋找一條最優(yōu)路徑，并對這條路徑上的信息做出最優(yōu)估計，性能相對較差。SOVA算法的主要優(yōu)點是算法復雜度低，容易在各種處理器，包括普通PC、DSP和嵌入式CPU中實時實現(xiàn)。

4.信道估計和均衡

三、水聲通信實驗教學系統(tǒng)

水聲通信發(fā)射和接收系統(tǒng)的所有算法都在PC電腦中通過Visual Studio C++編程實現(xiàn)，模擬信號的輸入輸出都通過電腦上的聲卡來完成。發(fā)射和接收系統(tǒng)屬于同一軟件，即一個軟件系統(tǒng)即可發(fā)射，也可接收，但在任意時刻僅處于發(fā)射或接收狀態(tài)之一。為確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，發(fā)射和接收系統(tǒng)分別安排不同的線程。

1.發(fā)射系統(tǒng)

發(fā)射系統(tǒng)的硬件部分如圖5所示，主要由普通PC電腦、聲卡、功率放大器和發(fā)射換能器等四部分組成。電腦上完成的操作或算法包括待發(fā)送數(shù)據(jù)的讀入，信道編碼，符號映射和調(diào)制等。調(diào)制后生成的數(shù)字音頻信號通過“waveOutWrite（）”函數(shù)寫入聲卡，聲卡根據(jù)預先設(shè)置的采樣頻率將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，并輸出至功率放大器。經(jīng)功率放大后的信號激勵水聲換能器發(fā)射聲波。為確保系統(tǒng)采用OFDM多載波調(diào)制方式時的信號不失真，功率放大器應(yīng)采用線性功放，頻率范圍DC～100 kHz即可。水聲換能器采用圓管型壓電陶瓷換能器，目前可提供兩種選擇，一種頻率范圍在13-18 kHz，另外一種頻率范圍在22-30 kHz之間。

Waveout是Windows提供的數(shù)字音頻輸出應(yīng)用接口程序，通過該接口輸出音頻主要包括如下步驟：①打開音頻輸出，通過調(diào)用waveOutOpen（）函數(shù)打開一個音頻輸出流，調(diào)用該函數(shù)時，需指明音頻輸出格式和采樣頻率等信息;②寫音頻頭，通過調(diào)用waveOutPrepareHeader（）函數(shù)完成;③寫音頻數(shù)據(jù)，通過調(diào)用waveOutWrite（）函數(shù)完成。為確保音頻數(shù)據(jù)輸出的連續(xù)性，設(shè)計中考慮每一幀數(shù)據(jù)調(diào)用一次waveOutWrite（）函數(shù)。數(shù)據(jù)寫完后通過回調(diào)函數(shù)通知發(fā)送線程寫入新的一幀數(shù)據(jù)。

2.接收系統(tǒng)

接收系統(tǒng)的硬件部分如圖6所示，主要由水聽器、放大濾波器、聲卡和普通PC電腦等四部分組成。水聽器采用球形水聽器，在DC～100 kHz范圍接收響應(yīng)平坦，負責接收來自發(fā)射換能器的聲信號。聲信號經(jīng)放大濾波后通過聲卡輸入至電腦。電腦上完成的操作或算法主要包括：待處理水聲信號的讀入、同步，信道估計和均衡、解調(diào)，信道解碼，數(shù)據(jù)顯示和保存等。

聲卡采集到的音頻數(shù)據(jù)通過Windows提供的應(yīng)用程序接口WaveIn輸入，主要步驟為：①打開音頻輸入，通過調(diào)用waveInOpen（）函數(shù)打開一個音頻輸入流，需要明確指明輸入音頻格式和采樣頻率等;②添加輸入緩存，通過調(diào)用waveInPrepareHeader（）和waveInAddBuffer（）函數(shù)完成;③開始輸入，調(diào)用waveInStart（）函數(shù)啟動音頻數(shù)據(jù)的輸入。當添加的緩存數(shù)據(jù)滿時，回調(diào)函數(shù)通知音頻輸入處理線程取出數(shù)據(jù)。

3.操作界面

水聲通信系統(tǒng)的操作界面如圖7所示。主要功能包括：系統(tǒng)通信方式的設(shè)置，待傳輸文件的讀入、發(fā)送，接收數(shù)據(jù)的保存、清除，水聲信道沖擊響應(yīng)的測試等。系統(tǒng)目前提供FH-4FSK和OFDM多載波兩種通信方式。信道編碼方式包括：無編碼、Turbo碼（硬）、Turbo碼（軟）和LDPC碼等四種。Turbo碼（硬）指信息經(jīng)硬判后再輸入譯碼器;Turbo碼（軟）指譯碼算法采用軟輸入、軟輸出的Vitebi算法，即SOVA算法[16]。系統(tǒng)采用4FSK調(diào)制方式時，其碼元周期可選擇1、2、4和8 ms等四種，可讓學生充分了解符號碼元周期對通信誤比特率的影響。系統(tǒng)的操作界面直觀簡單，未經(jīng)訓練的學生五分鐘便可學會使用，可以讓學生在暫短的3個課時內(nèi)就熟悉和理解水聲跳頻通信和OFDM多載波調(diào)制通信的基本原理，直觀感受到水聲信道多途的復雜性。

四、結(jié)束語

將水聲通信技術(shù)應(yīng)用于實驗教學，為“水聲學實驗”的教學提供了新的平臺和空間，豐富了教學的內(nèi)容和形式。實驗平臺直觀簡單、易操作，彌補了水聲學和通信理論的抽象性。通過該實驗教學平臺，學生不僅能直接了解水聲通信的全過程，還可加深對通信原理、水聲學和水聲換能器等課程的理解。有助于培養(yǎng)學生的實踐動手能力，激發(fā)他們的學習積極性和創(chuàng)造性思維。

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（編輯：王曉明）