方案簡介：基于CDMA技術的水聲通訊系統(tǒng)

任何信息需要借助聲、光、電信 號進行傳遞，由于光信號和電信號在海水中的衰減比較嚴重，而聲波是人類迄今為止已知的惟一能在水中遠距離傳播的能量形勢，因此，近些年海洋中的水聲通信系統(tǒng)的研究以及開發(fā)成了熱點。水聲通信是指利用水聲信道進行通信雙方數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)，水聲通信系統(tǒng)構成與傳統(tǒng)的無線電通信系統(tǒng)構成具有極大的相似性，但是水聲通信系統(tǒng)是將電信號轉換成聲信號，攜載信息的聲信號在水中進行傳播完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。

1 水聲通信系統(tǒng)的總體結構

基于CDMA的水聲通信調制/解調系統(tǒng)的設計框圖如圖1所示，整個設計系統(tǒng)主要實現(xiàn)了信號的CDMA調制/解調、控制DAC 以及ADC 進行數(shù)字采集，模數(shù)轉換和數(shù)模轉換由專用的集成芯片來實現(xiàn)。功率放大 器的功能是實現(xiàn)對調制信號的放大，信號放大與調理是功率放大的逆過程;發(fā)射水聲換能器實現(xiàn)將經過放大器產生的電磁能轉化為聲能，接收水聲換能器是將接收到的聲信號轉化為電信號。

圖1 水聲通信系統(tǒng)基本模型

設計的水聲通信系統(tǒng)電路原理框圖如圖2 所示。系統(tǒng)的主控制芯片是Altera 公司的Cyclone Ⅲ系列的EP3C10E144C8N，內部主要包括通信模塊、擴頻模塊、BPSK調制模塊及相應的解調模塊;外圍電路包括整個系統(tǒng)的供電電路、實現(xiàn)A/D 轉換的ADS7800芯片、實現(xiàn)D/A 轉換的TY5639 芯片、為整個系統(tǒng)提供時鐘信號的的晶振電路、實現(xiàn)TTL電平與CMOS電平兼容的電平轉換芯片74HC245A、用于燒寫目標程序的JTAG接口，另外還包括數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娐返取?/p>

圖2 水聲通信系統(tǒng)的電路設計框圖

該系統(tǒng)的工作過程：首先是上位機模擬發(fā)射端，將要發(fā)送的數(shù)字信號經串行口發(fā)送給FPGA芯片，通信模塊接收數(shù)字信息后依次傳送給擴頻模塊BPSK 調制模塊，至此將接收到的數(shù)字信息進行調制后產生的信號經D/A轉換器轉換成模擬電信號，然后該電信號經水聲換能器轉換成聲信號發(fā)送出去，攜載了發(fā)送方發(fā)送信息的聲信號在水下環(huán)境進行傳播。其次是接收端，接收端同樣有一個水聲換能器負責將接收到的聲信號轉換成電信號，經A/D 轉換器后，所得數(shù)據(jù)信號經同步后進行BPSK解調，最后將解調出來的數(shù)字信號經通信模塊傳給串行口，從而發(fā)送給接收端，一次水聲通信過程完成。

2 系統(tǒng)的FPGA實現(xiàn)

CDMA又稱碼分多址，是以擴頻通信為基礎的一種調制和多址方式，擴頻通信技術是一種信息傳輸方式，要求信號所占有的頻帶寬度遠大于所傳信息所必需的最小帶寬;頻帶的展寬是通過編碼及調制的方法實現(xiàn)的，并與所傳信息數(shù)據(jù)無關;在接收端則用相同的擴頻碼進行相關解調來解擴及恢復所傳信息數(shù)據(jù)。其理論依據(jù)是信息論中的香農公式：

C = B log2 (1 + S/N ) (1)

式中：C 為信道可能傳輸?shù)?最大信息速率，表示信道容量;B 表示信道帶寬;S 表示信號的平均功率;N 表示噪聲功率。

從式(1)中可以看出：在信噪比很小的情況下，可以使用增加帶寬的辦法來提高系統(tǒng)的抗干擾性能，以保證信道容量不變。換句話說，在信道容量相同的條件下，寬帶系統(tǒng)比窄帶系統(tǒng)的抗干擾性能要好，所以當信噪比太小而且不能保證通信質量時，可以采用增加帶寬的方法來改善通信質量。

圖3，圖4為直擴系統(tǒng)的工作原理圖，由信號源輸出的信息碼與偽隨機碼產生器產生的偽隨機碼進行模2加或相乘，產生以速率與偽隨機碼速率相同的擴頻序列，然后再用載波去調制擴頻序列，就得到已擴頻調制的射頻信號。接收端解擴的過程與擴頻過程相同 ，用本地的偽隨機序列對接收信號進行相關解擴后進行解調。

圖3 發(fā)射單元原理圖

圖4 接收單元原理圖

2.1 發(fā)射單元設計

發(fā)射單元主要包括偽隨機序列碼模塊(PN 碼發(fā)生器)，擴頻模塊，BPSK調制模塊。

2.1.1 PN碼發(fā)生器

PN碼發(fā)生器采用m序列發(fā)生器的原理，m序列式最長線性移位寄存器，是由移位寄存器加反饋后形成的。一個線性反饋移存器能產生m 序列的充分必要條件為：期特征多項式為本原多項式。本設計設計了一個7 級周期為127 的發(fā)生器，所選用的本原多項式為f (x) = 1 + x + x2 + x6，使用VHDL語言編寫。

2.1.2 擴頻模塊

將PN碼發(fā)生器生成的m序列與輸入的數(shù)字信號進行異或，完成擴頻功能。擴頻模塊的RTL圖如圖5所示。

圖5 擴頻模塊RTL圖

2.1.3 BPSK調制模塊

調制模塊選擇了具有恒包絡特性的BPSK調制，它是通過基帶信號控制載波的相位，使得載波相位發(fā)生跳變的一種調制方式。當碼元為‘1’時，調制后相位變?yōu)?80°，當碼元為‘0’，時，調制后相位變?yōu)?°，為此設計了BPSK 調制模塊，設計例化了兩個ROM，通過Matlab 生成.mif文件用來存放0°和180°的數(shù)據(jù)，另外還有地址選擇器，數(shù)據(jù)選擇器。

整個發(fā)射端的仿真圖如圖6所示，clk為系統(tǒng)時鐘，clk_bpsk 為進行BPSK 調制的時鐘，datain 為輸入數(shù)據(jù)，m_out 為生成的m 序列，spre_out 為擴頻后 的波形，bpsk_out為BPSK調制后的輸出。從結果可以明顯地看出輸出信號有兩次相位變化，一次是從0°~180°的跳變，另一次是從180°~0°的跳變，可以看到數(shù)據(jù)被正確的調制。

圖6 發(fā)射單元仿真圖

2.2 接收單元設計

為了驗證設計系統(tǒng)的可行性，系統(tǒng)里設計了BPSK解調和解擴模塊，并將發(fā)射端調制好的數(shù)據(jù)直接作為接收端的輸入數(shù)據(jù)。BPSK 解調模塊里同樣例化了一個ROM，存儲了相位為0°的數(shù)據(jù)，將通過載波同步后的數(shù)據(jù)與ROM的輸出數(shù)據(jù)進行相乘，然后進行抽樣判決，判決結果如圖7所示，圖中spre_out為發(fā)射端擴頻完的數(shù)據(jù)，sam_out 為進行抽樣判決后并延時了70 個clk_bpsk，目的是為了將數(shù)據(jù)恰好在數(shù)據(jù)始終的上升沿，p_out表示開始進行解調輸出，從圖中可以看出判決延時后的數(shù)據(jù)恰好與擴頻后的數(shù)據(jù)完全相同，只是延時了一段時間表示解調時間。

圖7 BPSK解調模塊結果圖

假設解擴模塊里已進行PN 碼的同步，此處只 是進行了一定時間的延時，使其恰好與發(fā)射端PN 碼相同，然后與BPSK 解調后的數(shù)據(jù)進行異或，得到輸出數(shù)據(jù)，結果如8 所示，sp_end 為解擴完的數(shù)據(jù)，p_end 為標志位表示開始進行解擴，datain 為輸入的原始數(shù)據(jù)，從圖中可以看出解擴的數(shù)據(jù)域最初的原始輸入數(shù)據(jù)相同，只是有一段時間的延時，可看出系統(tǒng)進行了正確的 解調。

圖8 解調仿真圖

3 結語

本文設計了一個基于FPGA 的直接序列擴頻系統(tǒng)的水聲通信調制/解調系統(tǒng)，目的在于使水聲無線通信中具有更強的抗干擾性和保密性，系統(tǒng)中包含了信號的擴頻及BPSK 調制以及相應的解調模塊，并且在Modelsim 仿真軟件上驗證成功。雖然BPSK 調制相對于2FSK，2ASK 具有帶寬窄、頻率高、抗干擾性強等優(yōu)點，廣泛的應用于中高速通信中。但是在更高速的通信系統(tǒng)中，BPSK調制已經不能滿足頻帶利用率和系統(tǒng)的有效性等要求，故基本采用多進制調相系統(tǒng)。此外，絕對調相系統(tǒng)會產生倒相現(xiàn)象，因此應該考慮采用相對相位調相系統(tǒng)，基于該思路的水聲無線通信一定會有更好的應用前景。