基于FSK的微型水聲通信系統(tǒng)的研制.pdf

1、眾所周知，我們生活的地球是一個(gè)擁有龐大海洋的藍(lán)色星球。在人口增長、工業(yè)發(fā)展、資源消耗等現(xiàn)實(shí)壓力下，我們需要從海洋中獲取豐富的礦產(chǎn)資源和生物資源。同時(shí)，因?yàn)槲覈d延廣闊的海岸線，對(duì)于我們?cè)谧约侯I(lǐng)海的主權(quán)和利益保護(hù)也提出了嚴(yán)峻要求。在對(duì)海洋的開發(fā)和保護(hù)中，需要利用海洋勘探設(shè)備和節(jié)點(diǎn)通信等相關(guān)的設(shè)備技術(shù)。海洋環(huán)境中的數(shù)據(jù)通信是觀測勘探等應(yīng)用場景下的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于電磁波在水中的傳輸會(huì)有非常大的衰減，因此水中無法使用電磁波通信方式。光信號(hào)的傳輸對(duì)

2、于節(jié)點(diǎn)之間的位置要求很高，理論上節(jié)點(diǎn)要在一條直線上才能發(fā)送接收。所以聲波通信方式是現(xiàn)階段水下節(jié)點(diǎn)之間最合適的通信方式，其傳輸距離遠(yuǎn)，信號(hào)衰減小，且對(duì)位置要求也不高。
　　論文首先介紹了水聲通信的基礎(chǔ)理論知識(shí)，通過分析國內(nèi)外水聲通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)目前的水聲通信設(shè)備往往造價(jià)高昂，體積龐大，無法應(yīng)用于普通的實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域。立足于這一現(xiàn)狀，本文旨在設(shè)計(jì)一個(gè)成本低廉，體積較小的微型水聲通信驗(yàn)證平臺(tái)。利用本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)水聲通信功能，并具有

3、低功耗、低成本、微體積的特點(diǎn)。
　　本文的研究目標(biāo)是研制一個(gè)基于FSK信號(hào)調(diào)制方式的微型水聲通信系統(tǒng)，用以在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下演示水聲通信功能的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。本文從硬件、軟件與調(diào)試三個(gè)方面，介紹了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，實(shí)現(xiàn)方法以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。硬件設(shè)計(jì)主要包括MCU控制模塊、信號(hào)調(diào)制模塊、功率放大模塊、接收信號(hào)放大模塊、信號(hào)濾波模塊以及自動(dòng)增益控制放大模塊。其中，信號(hào)調(diào)制模塊采用了FSK調(diào)制方式將待發(fā)送的數(shù)字信號(hào)調(diào)制成兩個(gè)不同頻率的正弦載波信號(hào)。信號(hào)

4、調(diào)制模塊是本系統(tǒng)的核心模塊，模擬信號(hào)不適合水聲信道的傳輸，因此使用數(shù)字信號(hào)調(diào)制方式可以有效抑制傳輸中的噪聲。功率放大模塊將調(diào)制載波信號(hào)的輸出功率放大，提高系統(tǒng)的輸出功率，從而擴(kuò)展通信距離。信號(hào)接收模塊使用有源濾波器設(shè)計(jì)的信號(hào)濾波模塊通過帶通濾波的方式將接收信號(hào)中的環(huán)境噪聲濾除。自動(dòng)增益控制放大模塊使用可變?cè)鲆娣糯笃鳛楹诵钠骷瑢⒔邮招盘?hào)的幅值穩(wěn)定在一個(gè)固定值，使其在輸入解調(diào)芯片前信號(hào)幅度不受前級(jí)信號(hào)的強(qiáng)弱影響。
　　在軟件設(shè)計(jì)方面

5、，本文參照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議TCP協(xié)議族，設(shè)計(jì)了一套適用于水下系統(tǒng)通信的可靠的通信協(xié)議。可以有效地降低系統(tǒng)的誤碼率和數(shù)據(jù)丟失率，保證通信的可靠性。在系統(tǒng)軟件框架中增加了串口命令解析模塊，針對(duì)上位機(jī)下發(fā)的配置命令，可以完成系統(tǒng)工作模式配置，地址信息設(shè)置等功能。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊通過讀寫文件系統(tǒng)將系統(tǒng)工作日志以及通信數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在系統(tǒng)SD卡中。系統(tǒng)上位機(jī)軟件利用QT開發(fā)工具實(shí)現(xiàn)對(duì)串口的讀寫配置并增加了系統(tǒng)操作的相關(guān)命令按鈕，實(shí)現(xiàn)了對(duì)下位機(jī)系統(tǒng)的控制。