2FSK水下通信仿真與硬件實現(xiàn)

楊鈺瑩 厲夫兵 孫鄭平

摘 ?要：水聲通信系統(tǒng)用于在水下環(huán)境中完成信息的傳輸。為了實現(xiàn)水下數(shù)據傳輸，文章設計一款2FSK水下通信系統(tǒng)，通過Simulink對該系統(tǒng)進行仿真，利用STM32搭建了基于2FSK的水下通信實驗硬件平臺，發(fā)送端STM32控制DDS模塊生成2FSK信號，接收端電路完成2FSK信號的非相干解調。在水池中進行了短距離的數(shù)據傳輸實驗，實驗結果表明，該通信系統(tǒng)能夠實現(xiàn)數(shù)據的發(fā)射、傳輸、接收與恢復，具有易于嵌入、功耗低的特點，實驗驗證了該系統(tǒng)的可行性，能夠實現(xiàn)水下數(shù)據傳輸任務。

關鍵詞：水下通信實驗系統(tǒng);二進制頻移鍵控;STM32;Simulink

中圖分類號：TP391.9 ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2022）05-0071-05

2FSK Underwater Communication Simulation and Hardware Implementation

YANG Yuying， LI Fubing， SUN Zhengping

（School of Information and Communication Engineering， Beijing Information Science and Technology University， Beijing ?100101， China）

Abstract： Underwater acoustic communication system is used to complete information transmission in underwater environment. In order to realize underwater data transmission， this paper designs a 2FSK underwater communication system， simulates the system through Simulink， and uses STM32 to build a 2FSK-based underwater communication experiment hardware platform. The transmitter STM32 controls the DDS module to generate 2FSK signal， and the receiver circuit completes the incoherent demodulation of 2FSK signal. A short-distance data transmission experiment is carried out in water tank， the experimental results show that the communication system can realize data transmission， reception and recovery， and has the characteristics of easy embedding and low power consumption. The experiment verifies the feasibility of the system and can realize the task of underwater data transmission.

Keywords： underwater communication experimental system; binary system frequency shift keying; STM32; Simulink

0 ?引 ?言

隨著我國海洋探索領域的逐漸擴大，實時獲取深海監(jiān)測數(shù)據并完成數(shù)據的傳輸在海洋資源探測、開采和生產中具有重要意義[1]，為此建設深海觀測網絡的需求不斷增加。水聲通信系統(tǒng)是以聲波作為信息載體的一種水下無線通信設備[2]，由于聲波在水體中是以機械波的形式向外傳播，與電磁波相比，聲波擁有在水中傳播時能量衰減小、傳播距離遠等特點。利用水聲通信可實現(xiàn)海洋水下數(shù)據的收集與傳輸，因此設計出一款能在海洋設備中使用的小型水聲通信設備具有重要意義。本文設計了一種水聲通信系統(tǒng)，闡述了該系統(tǒng)的組成以及通信功能的實現(xiàn)過程。文獻[3]利用STM32實現(xiàn)了基于2FSK的水聲通信系統(tǒng)，并在50 m的水槽中完成了對數(shù)據的傳輸。文獻[4]設計了基于2ASK的硬件電路，通過FPGA產生偽隨機序列來控制2ASK信號的生成，解調采用包絡檢波法，該硬件電路可以正常通信。文獻[5]設計了基于STM32和FPGA的水聲通信系統(tǒng)，對語音信號進行2FSK和傳輸，解調采用包絡檢波法，實現(xiàn)了水下傳輸數(shù)據的功能。上述文獻中采用的都是包絡檢波法并且是短距離傳輸，本文提出的水下通信系統(tǒng)是短距離傳輸，因此利用STM32搭建了基于2FSK的水下通信實驗系統(tǒng)。文章首先介紹了2FSK調制解調的原理，對基于2FSK調制解調的通信系統(tǒng)進行了Simulink仿真，并搭建了基于STM32的水下通信實驗系統(tǒng)，在水池中完成了對信號的傳輸，最后對實驗結果進行了分析比較。

1 ?2FSK調制解調原理

1.1 ?調制原理

頻移鍵控調制是只改變載波的頻率，對幅度和相位沒有影響，基帶數(shù)字信息是依賴載波頻率的變化而進行傳遞的[6]。FSK用于傳輸二進制碼元時，二進制碼元“0”和“1”控制載波的頻率，使輸出信號在頻率f1和f2之間變化[7]，因此稱為2FSK，其表達式為：

（1）

2FSK信號又稱為二進制頻移鍵控，它有兩種實現(xiàn)方式：一種是數(shù)字鍵控法;另一種是模擬調頻法[8]。本文采用數(shù)字鍵控法，原理是利用高低電平“1”和“0”來控制電子開關（高電平時打開頻率振蕩器1，低電平時打開頻率振蕩器2），輸出頻率交替改變的調制信號[9]。調制原理圖如圖1前半部分所示。

1.2 ?解調原理

2FSK的解調分為相干解調和非相干解調，相干解調需要在接收端提取與發(fā)送端頻率、相位均相同的載波信號，因此如果采用相干解調，所提取載波信號的好壞會影響到對2FSK信號的解調[10]。由于水聲信道中存在多徑效應和噪聲[11]，在接收端恢復與發(fā)送端一樣的載波比較困難，因此本文采用非相干解調中的包絡檢波法，原理如圖1中后半部分所示，2FSK信號會被分成如右虛線框中所示的兩路信號，兩路信號同時進入帶通濾波器（Band-pass filter， BPF）BPF1和BPF2，再經過整流濾波，進入對應的低通濾波器（Low-Pass Filter， LPF）LPF1和LPF2，濾出載頻f1、f2，最后經比較器判決，解調出二進制信號。

2 ?Simulink仿真模型

調制部分如圖2左虛線框中所示，二進制信號由仿真模型中的Bernoulli Binary模塊生成，幅值為1，Sine Wave1產生正弦載波信號，載波頻率f1=200 kHz，Sine Wave2產生正弦載波信號，載波頻率f2=100 kHz，幅值為1，Sum1模塊輸出2FSK信號r（t）。解調部分如圖2右虛線框中所示，信號經過噪聲方差為2的高斯白噪聲（Additive White Gaussian Noise， AWGN）信道以后，被分成兩路信號同時由帶通濾波器Analog Filter Design1和帶通濾波器Analog Filter Design2濾除掉高頻和低頻的干擾信號（Analog Filter Design1濾波頻率區(qū)間是130 kHz～260 kHz，Analog Filter Design1濾波頻率區(qū)間是50 kHz～150 kHz），然后再同時經過全波整流模塊（整流模塊的作用是把經過帶通濾波后信號的下半部分翻到上半部分），通過全波整流器的信號同時進入低通濾波器Analog Filter Design3和低通濾波器Analog Filter Design4，對經過低通濾波器輸出的兩路信號進行比較、脈沖抽樣和判決，Quantizing Encoder1模塊輸出解調二進制信號。圖2是仿真模型與調制解調過程對應的波形。

調制部分的波形如圖3所示，圖中橫坐標表示時間，縱坐標表示幅值。圖3（a）是發(fā)送的二進制信號，對應碼元為1011100001，圖3（b）是Sum1模塊輸出的2FSK信號，發(fā)送“1”時，輸出載波頻率f2=200 kHz，發(fā)送“0”時，輸出載波頻率f2=100 kHz。

解調過程的波形圖如圖4、圖5、圖6、圖7所示，圖中橫坐標表示時間，縱坐標表示幅值。2FSK信號通過高斯白噪聲信道以后，分兩路經過頻率區(qū)間為130 kHz～ 260 kHz和50 kHz～150 kHz的帶通濾波器，圖4（a）為經過帶通濾波器130 kHz～260 kHz的信號波形，圖4（b）為經過帶通濾波器50 kHz～150 kHz的信號波形。然后對信號進行整流，由圖5可以看出，整流以后信號下半部分的波形折疊到了上半部分，變?yōu)檎牟ㄐ?。整流以后的信號再經過低通濾波器，如圖6所示，可以看出波形的大致包絡。最后對信號進行脈沖抽樣和判決，如圖7所示輸出解調二進制信號。

由仿真結果可知，對發(fā)射數(shù)據進行2FSK調制并對接收數(shù)據進行包絡檢波解調的通信系統(tǒng)是可行的，能夠實現(xiàn)數(shù)據的正確傳輸，在實驗中得到了驗證。

3 ?實驗通信系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

本實驗通信系統(tǒng)功能框圖如圖8所示，由發(fā)送端、水聲信道和接收端構成。在發(fā)送端，控制器STM32通過SPI通信方式控制直接數(shù)字式頻率合成器（Direct Digital Synthesizer， DDS）模塊生成2FSK信號，STM32引腳為高電平時，DDS模塊輸出200 kHz的正弦波，STM32引腳為低電平時，DDS模塊輸出100 kHz的正弦波。將2FSK信號先后經過功率放大器和變壓器進行兩級放大，得到峰峰值100 V左右的輸出信號驅動發(fā)射換能器。在接收端，接收換能器將聲信號轉換為電信號[12]，再利用包絡檢波法對電信號進行解調，獲取發(fā)送數(shù)據。

3.1 ?發(fā)送端硬件模塊

發(fā)送端用于生成和發(fā)送2FSK信號，包括DDS模塊、放大模塊兩部分。

DDS模塊是由AD9959芯片以及外圍電路組成的，完成對信號的2FSK調制。DDS模塊電路主要是由AD9959芯片外圍電路、低通濾波電路組成，工作原理如圖9所示，在頻率控制字寄存器中輸入頻率控制字，相位累加器由相位寄存器組和加法器構成，每個時鐘脈沖進行累加，同時將累加的結果存入相位寄存器組中，然后將寄存在相位累加器中的值與輸入的相位偏差值再進行累加，其結果以二進制碼的形式去正弦查詢表尋址，輸出的數(shù)字正弦信號經過DAC轉換器輸出正弦信號。

放大電路模塊是對DDS模塊輸出的2FSK信號進行放大，以AD811作為主控芯片，后級連接高速放大器BUF634起到緩沖的作用，可以提高模塊的帶負載能力。AD811芯片接入BUF634的數(shù)量越多放大能力越強，最多接入四個BUF634。BUF634位于AD811反饋回路中，目的是提高AD811的輸出電流，實現(xiàn)功率放大的效果，整個模塊的放大倍數(shù)如式（2）所示，A是放大倍數(shù)。

（2）

模塊R7和R6的值分別為1.8 kΩ和120 Ω，因此模塊放大倍數(shù)的理論值為16倍。經過BUF634模塊的2FSK信號，電壓較小，不能用來驅動發(fā)射換能器，因此還需要經過變壓器的放大，系統(tǒng)選用的變壓器線圈匝數(shù)比為16：210。

3.2 ?接收端硬件模塊

接收端對信號進行包絡檢波解調，包括帶通濾波、二極管整流和比較器判決輸出三個部分。由于2FSK信號的解調需要兩路帶通濾波、整流電路以及比較判決，因此在接收端設計了對2FSK信號包絡檢波解調電路，如圖10所示。

帶通濾波由AD8052芯片和電容電阻器件組成。接收到的信號首先經過S9018的放大，再通過AD8052組成的放大濾波電路，根據式（3）選擇濾波電路的電容和電阻，其中fc是帶通濾波器的中心頻率。電路原理圖中上路對應100 kHz的帶通濾波電路，下路對應200 kHz的帶通濾波電路。

上路中電容c=100 pF，對應C17、C20、C18、C15，Req對應R18和R23的并聯(lián)電阻值、R19和R25的并聯(lián)電阻值，R18、R19、R23、R25電阻是7.5 kΩ，R對應R20和R22，電阻值是62 kΩ，中心頻率大約是101 kHz，帶寬大約是48 kHz。下路中電容C2、C3、C4、C6是100 pF，Req對應R2和R7的并聯(lián)電阻值、R3和R8的并聯(lián)電阻值，R2、R7、R3、R8電阻是3.6 kΩ，R對應R4和R5，電阻值是33 kΩ，中心頻率大約是206 kHz，帶寬大約是96 kHz。

（3）

整流部分上下兩路皆采用兩個1N4148二極管，我們需要對信號進行全波整流，因此每一路需要兩個二極管來保證信號的上半部分和下半部分都可以通過，這樣才能得到完整的包絡。電壓比較器采用的芯片TLV3501是一種高速比較器，通過對兩路信號的包絡進行比較，上路信號大于下路信號時輸出低電平，上路信號小于下路信號時輸出高電平，得到對應的二進制信號。

4 ?短距離水下通信

實驗水池如圖11所示，水池對角線放置的是超聲波換能器，左下角是發(fā)射換能器，右上角是接收換能器，傳輸距離為2.5 m左右。實驗中的換能器采用福州恒豐泰自動化公司生產的指向性壓電換能器，型號為DW-200-NA-LJZ，頻率為200 kHz±5%，傳輸距離介于0.6 m～120 m之間，水池尺寸為2 m×3 m。

圖12（a）上方是DDS模塊輸出的2FSK信號，下方是STM32輸出的二進制信號。發(fā)送數(shù)字“1”時，對應頻率200 kHz的載波信號，發(fā)送數(shù)字“0”時，對應頻率100 kHz的載波信號。

圖12（b）上方是接收端2FSK信號經過帶通濾波器后的波形，12（b）下方是發(fā)送的二進制信號。圖12（c）上方是解調的二進制信號，下方是發(fā)送端的二進制信號。

由以上實驗結果可以看出，解調得到的二進制信號與發(fā)送端二進制信號相比延遲了約1.8 ms，發(fā)送換能器與接收換能器的距離是2.5 m，超聲波在水下傳輸?shù)乃俣仁?500 m/s，理論上的延遲是1.6 ms。接收端信號與發(fā)送端信號相比除了有些許延遲以外，二者的碼元都是一致的，表明該實驗系統(tǒng)用于水下短距離數(shù)據傳輸是可行的。

5 ?結 ?論

本文利用STM32設計搭建出基于2FSK的水下實驗通信系統(tǒng)的平臺，在2.5 m左右的水池中完成對二進制數(shù)據的發(fā)送和接收，接收端信號與發(fā)送端信號相比除了有些許延遲以外，二者的碼元都是一致的，實驗結果較好，可以實現(xiàn)水下正常通信。因此本文設計的基于STM32的水聲通信系統(tǒng)可行，并且可以應用于低速率的水下通信。

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作者簡介：楊鈺瑩（1995—），女，漢族，山西臨汾人，碩士研究生在讀，研究方向：水下信號的處理以及硬件系統(tǒng)平臺的搭建;厲夫兵（1982—），男，漢族，山東日照人，副教授，博士后，研究方向：信號與信息處理;孫鄭平（1997—），女，漢族，北京人，碩士研究生在讀，研究方向：水下圖像處理。