水聲通信半物理仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

周 琳,遲書(shū)凱,郭志強(qiáng)

(中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院,山東青島266100)

半物理仿真技術(shù)是指將復(fù)雜系統(tǒng)或?qū)ο蟮囊徊糠钟糜?jì)算機(jī)系統(tǒng)模型模擬而另一部分采用物理效應(yīng)模型或?qū)嶋H系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的仿真技術(shù)[1]。半物理仿真技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空、航天、水下航行器、大型復(fù)雜控制系統(tǒng)等高投入、高風(fēng)險(xiǎn)的研究領(lǐng)域[2-4],半物理仿真技術(shù)的應(yīng)用,一方面解決了純數(shù)字離線仿真中系統(tǒng)模型抽象困難、簡(jiǎn)化模型無(wú)法有效模擬實(shí)際系統(tǒng)的問(wèn)題,另一方面避免了實(shí)際系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、重復(fù)性工作多的問(wèn)題,有效降低了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成本和風(fēng)險(xiǎn)。

隨著海洋開(kāi)發(fā)進(jìn)程的飛速發(fā)展和海洋實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)應(yīng)用需求的日益增加,作為目前水下長(zhǎng)距離無(wú)線通信唯一可行方案的水聲通信技術(shù)成為無(wú)線通信技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一。與衛(wèi)星信道和地面射頻信道相比,水聲信道是1個(gè)更復(fù)雜、更有挑戰(zhàn)性的無(wú)線信道,有著衛(wèi)星信道的大延遲和地面射頻信道的低可靠性兩方面特點(diǎn)[5]。水聲通信技術(shù)研究主要受兩方面制約:一是水聲通信算法研究平臺(tái)的有限性。目前水聲通信算法研究主要采用基于M atlab的純數(shù)字離線仿真,采用的簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型無(wú)法有效模擬復(fù)雜的水聲信道。二是水聲通信現(xiàn)場(chǎng)級(jí)試驗(yàn)的高投入、低效率、長(zhǎng)周期性。水聲通信現(xiàn)場(chǎng)級(jí)試驗(yàn)對(duì)設(shè)備的防水、布放等要求高,需要船舶等交通工具的支持,同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試環(huán)境差,導(dǎo)致試驗(yàn)失敗的因素較多,因此現(xiàn)場(chǎng)級(jí)試驗(yàn)一般用于最終產(chǎn)品的性能驗(yàn)證。

為了克服純數(shù)字離線仿真和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)試驗(yàn)的缺陷,在水聲通信系統(tǒng)研究階段,水聲通信技術(shù)研究人員多采用建立實(shí)驗(yàn)室水聲試驗(yàn)平臺(tái)的方法[6-7]。建立實(shí)驗(yàn)室水聲試驗(yàn)平臺(tái)在一定程度上緩解了水聲通信技術(shù)研究階段的調(diào)試問(wèn)題,但仍有局限性,主要表現(xiàn)在:水聲試驗(yàn)平臺(tái)的尺度小,水聲反射嚴(yán)重,在一定程度上增加了水聲信道的復(fù)雜性;水聲試驗(yàn)平臺(tái)的尺度小,不能模擬大尺度水聲通信場(chǎng)景;水聲試驗(yàn)平臺(tái)的水多為靜態(tài)、恒溫水,不能模擬風(fēng)、洋流、水溫等環(huán)境噪聲對(duì)水聲通信的影響。

針對(duì)水聲通信技術(shù)研究過(guò)程面臨的研究階段調(diào)試方法有限的問(wèn)題,本論文提出了1種水聲通信半物理仿真平臺(tái)水聲通信半物理仿真平臺(tái)(A Hardware-in-Loop Simulation Platform for Underwater Acoustic Communication)。水聲通信半物理仿真平臺(tái)以SOPC(System on a Programmable Chip)技術(shù)、VC++、M atlab為支撐技術(shù),以基于SOPC技術(shù)的可配置水聲Modem為核心,集成了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試采集、算法仿真評(píng)估、算法實(shí)現(xiàn)裝載、水聲波形存儲(chǔ)播放4種系統(tǒng)?；诮⒌乃曂ㄐ虐胛锢矸抡嫫脚_(tái)進(jìn)行的水聲直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的半物理仿真研究結(jié)果表明水聲通信半物理仿真平臺(tái)可有效提高水聲通信技術(shù)的研究效率。

1 水聲通信半物理仿真平臺(tái)的系統(tǒng)組成

圖1所示為本文提出的水聲通信半物理仿真平臺(tái)水聲通信半物理仿真平臺(tái)的系統(tǒng)組成。水聲通信半物理仿真平臺(tái)包括4個(gè)子系統(tǒng):現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試采集系統(tǒng)、算法仿真評(píng)估系統(tǒng)、算法實(shí)現(xiàn)裝載系統(tǒng)、水聲波形存儲(chǔ)播放系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了仿真、實(shí)現(xiàn)、測(cè)試、采集、播放、再仿真的水聲通信半物理仿真過(guò)程?，F(xiàn)場(chǎng)級(jí)測(cè)試采集系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對(duì)可配置水聲Modem通信性能的測(cè)試評(píng)估和實(shí)際水聲通信波形的采集,其測(cè)試采集過(guò)程通過(guò)基于長(zhǎng)距離無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)開(kāi)發(fā)的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制,通信性能測(cè)試結(jié)果通過(guò)長(zhǎng)距離無(wú)線通信實(shí)時(shí)上傳,水聲通信實(shí)際波形通過(guò)大容量SD卡存儲(chǔ)?；贛atlab搭建的算法仿真評(píng)估系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)水聲通信算法的仿真研究和算法運(yùn)行關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),驗(yàn)證通過(guò)的仿真算法交給算法實(shí)現(xiàn)裝載系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。算法實(shí)現(xiàn)裝載系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)兩方面工作:一是通過(guò)對(duì)算法的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì),在DSP Builder、QuartusⅡ、NiosⅡIDE等EDA(Electronic Design Automation)工具支持下,將水聲通信算法快速映射成SOPC系統(tǒng)的軟件程序和硬件邏輯;二是利用AL TERA公司支持SOPC系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的FPGA(Field Programmable Gate A rray)的軟硬件配置技術(shù),在高速無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)W iFi的支持下,將水聲通信算法映射成的軟件程序和硬件邏輯遠(yuǎn)程在線配置到可配置水聲Modem中。水聲波形存儲(chǔ)播放系統(tǒng)基于VC++開(kāi)發(fā),主要負(fù)責(zé)實(shí)際水聲波形的建庫(kù)管理和為算法仿真評(píng)估系統(tǒng)提供基于實(shí)際水聲波形的仿真數(shù)據(jù)。

圖1 水聲通信半物理仿真平臺(tái)的系統(tǒng)組成Fig.1 Constitution of HLSP/UWAC system

水聲通信半物理仿真平臺(tái)的主要特點(diǎn)體現(xiàn)在:(1)與傳統(tǒng)的基于M atlab純數(shù)字離線仿真相比,水聲通信半物理仿真平臺(tái)的仿真信號(hào)源是實(shí)際水聲數(shù)據(jù),防止了數(shù)據(jù)模型對(duì)水聲信道模擬所造成的偏差;(2)基于M atlab搭建的算法仿真評(píng)估系統(tǒng)與基于數(shù)字邏輯實(shí)現(xiàn)的可配置水聲Modem系統(tǒng)在算法邏輯上一一對(duì)應(yīng),不僅具有仿真驗(yàn)證功能,還能夠監(jiān)測(cè)算法運(yùn)行關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),以彌補(bǔ)實(shí)際水聲通信系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程監(jiān)測(cè)困難的問(wèn)題;(3)基于SOPC技術(shù)的可配置水聲Modem為核心的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試采集平臺(tái),在遠(yuǎn)程無(wú)線IAP(In Application Programming)技術(shù)的支持下,可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)算法軟件和硬件的實(shí)時(shí)免拆裝下載更新,提高了水聲通信現(xiàn)場(chǎng)級(jí)試驗(yàn)的效率;(4)基于VC++開(kāi)發(fā)的水聲波形存儲(chǔ)播放系統(tǒng),數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容會(huì)隨著現(xiàn)場(chǎng)級(jí)試驗(yàn)次數(shù)的增加而逐漸豐富。通過(guò)水聲波形播放器的控制管理,可以在實(shí)驗(yàn)室重復(fù)波形回放、模擬各種情形(多徑、多普勒頻移)的實(shí)際水聲波形以支持水聲通信算法的研究,從而大大加快研發(fā)人員的工作效率。

2 水聲通信半物理仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

如前所述,水聲通信半物理仿真平臺(tái)包括現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試采集系統(tǒng)、算法仿真評(píng)估系統(tǒng)、算法實(shí)現(xiàn)裝載系統(tǒng)、水聲波形存儲(chǔ)播放系統(tǒng)等4個(gè)子系統(tǒng),本節(jié)將分別介紹各個(gè)子系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

2.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試采集系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試采集系統(tǒng)是水聲通信半物理仿真平臺(tái)的物理效應(yīng)子系統(tǒng),也是系統(tǒng)核心,負(fù)責(zé)水聲通信算法的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)性能測(cè)試和實(shí)際水聲波形的采集存儲(chǔ),其系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主要包括基于SOPC技術(shù)的可配置水聲Modem設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.1.1 基于SOPC技術(shù)的可配置水聲Modem設(shè)計(jì)

圖2所示為基于SOPC技術(shù)的可配置水聲Modem的結(jié)構(gòu)框圖,可配置水聲Modem的核心芯片是支持SOPC技術(shù)的AL TERA公司的FPGA,SOPC技術(shù)支持軟件、硬件可編程,可方便支持水聲通信半物理仿真平臺(tái)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程免拆裝IAP功能(免拆裝對(duì)于水密性要求嚴(yán)格的水聲Modem是非常重要的,可有效提高現(xiàn)場(chǎng)級(jí)試驗(yàn)的效率)?？膳渲盟昅odem的FPGA片內(nèi)集成了高性能NiosⅡ軟核處理器、發(fā)射機(jī)通信算法邏輯、發(fā)射機(jī)驅(qū)動(dòng)電路接口邏輯、接收機(jī)通信算法邏輯、接收機(jī)驅(qū)動(dòng)電路接口邏輯、接收機(jī)波形采集存儲(chǔ)邏輯等。發(fā)射機(jī)通信算法邏輯與接收機(jī)通信算法邏輯分別與水聲通信半物理仿真平臺(tái)的仿真評(píng)估系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)算法和接收機(jī)算法一一對(duì)應(yīng);發(fā)射機(jī)驅(qū)動(dòng)電路接口邏輯、接收機(jī)驅(qū)動(dòng)電路接口邏輯分別控制模擬前端電路的發(fā)射電路和接收電路的相關(guān)參數(shù),可配置水聲Modem的模擬前端電路也是可配置的,其通信帶寬、發(fā)射功率等參數(shù)基本覆蓋了水聲通信的可用范圍,保證了不同應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)需求,這也是水聲通信半物理仿真平臺(tái)的1個(gè)特點(diǎn),其水聲Modem是通用的,算法研究人員只需要關(guān)注于算法研究,不需要關(guān)心底層電路的具體細(xì)節(jié),只是根據(jù)需求進(jìn)行簡(jiǎn)單的配置;接收機(jī)波形采集存儲(chǔ)邏輯負(fù)責(zé)采集接收機(jī)A/D采樣后的波形數(shù)據(jù),該波形數(shù)據(jù)是攜帶了接收機(jī)電路噪聲和待機(jī)狀態(tài)AGC(Automatic Gain Control)放大信息的波形數(shù)據(jù),與水聲換能器接收到的水聲波形相比,是真正的水聲通信算法需要處理的數(shù)據(jù),利用該數(shù)據(jù)進(jìn)行水聲通信算法研究更有針對(duì)性,這是水聲通信半物理仿真平臺(tái)區(qū)別于傳統(tǒng)利用水聽(tīng)器采集實(shí)際水聲波形數(shù)據(jù)的1個(gè)特點(diǎn)。

圖2 可配置水聲Modem的結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 SOPC technology based configurable underwater acoustic modem

2.1.2 現(xiàn)場(chǎng)級(jí)無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 現(xiàn)場(chǎng)級(jí)無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)管理控制水聲Modem的通信性能測(cè)試和實(shí)際波形采集過(guò)程。圖3所示是現(xiàn)場(chǎng)級(jí)無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)組成框圖(虛線框內(nèi)為現(xiàn)場(chǎng)級(jí)無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng))?，F(xiàn)場(chǎng)級(jí)無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)包括系統(tǒng)管理分析中心、系統(tǒng)匯聚節(jié)點(diǎn)和浮子節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)管理分析中心是1臺(tái)PC機(jī),負(fù)責(zé)測(cè)試系統(tǒng)的控制、數(shù)據(jù)管理和分析,通過(guò)全雙工的RS232串口跟系統(tǒng)匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)有線通信。系統(tǒng)匯聚節(jié)點(diǎn)和浮子節(jié)點(diǎn)具有相同的硬件電路結(jié)構(gòu),不同的軟件功能。系統(tǒng)匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)向浮子節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)管理分析中心的命令、向系統(tǒng)管理分析中心轉(zhuǎn)發(fā)浮子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息和狀態(tài)信息;浮子節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)向可配置水聲Modem轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)管理分析中心的命令、向系統(tǒng)管理分析中心轉(zhuǎn)發(fā)可配置水聲Modem的數(shù)據(jù)信息和狀態(tài)信息。系統(tǒng)匯聚節(jié)點(diǎn)和浮子節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)射頻無(wú)線方式通信,具有2種無(wú)線通信方式:數(shù)傳電臺(tái)和WiFi。數(shù)傳電臺(tái)通信距離大,通信速率低,負(fù)責(zé)測(cè)試命令、水聲通信數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息的傳輸;WiFi通信距離小,通信速率高,負(fù)責(zé)系統(tǒng)軟硬件程序的在應(yīng)用中下載(IAP)、在應(yīng)用中轉(zhuǎn)存水聲通信波形的采集數(shù)據(jù),而可配置水聲Modem的水聲波形采集數(shù)據(jù)緩存到浮子節(jié)點(diǎn)的SD卡中。實(shí)際水聲波形的采集過(guò)程由系統(tǒng)管理分析中心通過(guò)由系統(tǒng)匯聚節(jié)點(diǎn)和浮子節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的射頻無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制,系統(tǒng)管理中心通過(guò)廣播命令同步各個(gè)可配置水聲Modem,并為各個(gè)發(fā)送水聲Modem設(shè)置不同的發(fā)送延遲時(shí)間,從而在接收水聲Modem中采集到預(yù)采樣時(shí)間不同的水聲通信波形。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)級(jí)無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)組成框圖Fig.3 Field wirelessmonito ring system

2.2 算法仿真評(píng)估系統(tǒng)

圖4所示為算法仿真評(píng)估系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。算法仿真評(píng)估系統(tǒng)主要包括發(fā)射機(jī)模塊、接收機(jī)模塊和實(shí)際水聲波形播放模塊。發(fā)射機(jī)模塊主要用于水聲通信發(fā)射機(jī)算法的仿真驗(yàn)證,同時(shí)也用于在水聲通信系統(tǒng)初始設(shè)計(jì)時(shí)接收機(jī)仿真信號(hào)源的產(chǎn)生;接收機(jī)模塊是水聲通信設(shè)計(jì)的重點(diǎn),也是算法仿真評(píng)估系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。接收機(jī)模塊在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)初期選擇仿真系統(tǒng)發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行算法功能驗(yàn)證,通過(guò)水聲通信半物理仿真平臺(tái)的一輪循環(huán)運(yùn)行后,選擇實(shí)際水聲波形信號(hào)源進(jìn)行算法性能的評(píng)估、改進(jìn)以及算法運(yùn)行關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。仿真評(píng)估系統(tǒng)中算法改進(jìn)是離線的。算法仿真評(píng)估系統(tǒng)中發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的功能模塊要與可配置水聲Modem中的功能模塊一一對(duì)應(yīng),實(shí)現(xiàn)方法也要一一對(duì)應(yīng)。

圖4 算法仿真評(píng)估系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Algorithm simulation evaluation system

2.3 算法實(shí)現(xiàn)裝載系統(tǒng)

算法實(shí)現(xiàn)裝載系統(tǒng)以DSP Builder、QuartusⅡ、NiosⅡIDE為支撐工具,負(fù)責(zé)水聲通信算法的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì),將水聲通信算法分別映射成DSP(Digital Signal Processing)硬件處理模塊、硬件流程處理邏輯和NiosⅡ軟件程序。實(shí)現(xiàn)算法模塊的組態(tài)化設(shè)計(jì)是水聲通信半物理仿真平臺(tái)的算法實(shí)現(xiàn)裝載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)和特點(diǎn),可以使水聲通信算法研究人員方便的將其Matlab仿真算法轉(zhuǎn)化成DSP硬件處理模塊和硬件流程處理邏輯。目前利用DSPBuilder可實(shí)現(xiàn)水聲通信算法向DSP硬件處理模塊和硬件處理流程邏輯的轉(zhuǎn)化。

除了上述軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)功能,算法實(shí)現(xiàn)裝載系統(tǒng)的另一重要功能是將算法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程下載配置到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試采集系統(tǒng)的可配置水聲Modem中。水聲通信半物理仿真平臺(tái)的程序遠(yuǎn)程下載配置功能的實(shí)現(xiàn)方案是:以軟件、硬件可配置的SOPC技術(shù)為載體,以高速無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)WiFi為通信手段,利用AL TERA公司支持SOPC技術(shù)的FPGA運(yùn)行過(guò)程中硬件配置存儲(chǔ)器和軟件程序存儲(chǔ)器空閑的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)基于SOPC技術(shù)開(kāi)發(fā)的可配置水聲Modem的軟件和硬件在應(yīng)用中的編程配置(IAP)。這是1種系統(tǒng)自舉的系統(tǒng)軟件和硬件編程配置方式,需要嚴(yán)格的流程控制和差錯(cuò)校驗(yàn),圖5為水聲通信半物理仿真平臺(tái)的IAP實(shí)現(xiàn)流程,圖6為水聲通信半物理仿真平臺(tái)系統(tǒng)IAP功能的操作界面。

圖5 水聲通信半物理仿真平臺(tái)的IAP實(shí)現(xiàn)流程Fig.5 IAP implementation process of HLSP/UWAC

圖6 水聲通信半物理仿真平臺(tái)的IAP操作界面Fig.6 Operation Interface of IAP Function of HLSP/UWAC

2.4 水聲波形存儲(chǔ)播放系統(tǒng)

水聲波形存儲(chǔ)播放系統(tǒng)基于VC++開(kāi)發(fā),其功能見(jiàn)圖7,包括實(shí)際水聲波形存儲(chǔ)管理和水聲波形提取播放2個(gè)方面。波形存儲(chǔ)管理功能首先是建立實(shí)際水聲采集波形文件與原始發(fā)送數(shù)據(jù)、測(cè)試環(huán)境參數(shù)的關(guān)聯(lián),然后將數(shù)據(jù)同步整合后存入數(shù)據(jù)庫(kù);水聲波形播放功能首先是通過(guò)檢索將相應(yīng)的水聲波形從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取,然后根據(jù)需要選擇是否需要將多個(gè)波形或同一波形的不同延遲備份進(jìn)行疊加處理,處理完畢播放形成仿真評(píng)估系統(tǒng)的仿真信號(hào)源文件。

圖7 水聲波形存儲(chǔ)播放系統(tǒng)功能框圖Fig.7 Function diagram of underwater acoustic wave data storing and p laying system

3 水聲通信半物理仿真平臺(tái)的應(yīng)用驗(yàn)證

針對(duì)水聲直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究,對(duì)水聲通信半物理仿真平臺(tái)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證,采用的水聲直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的算法原理見(jiàn)圖8,是1個(gè)基于帶通信號(hào)進(jìn)行信號(hào)同步捕獲的直接序列擴(kuò)頻通信。信號(hào)同步捕獲利用擴(kuò)頻碼的相關(guān)性采用延遲相關(guān)捕獲法,信號(hào)同步捕獲位置的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到通信系統(tǒng)的性能,而捕獲閾值、捕獲信號(hào)采集長(zhǎng)度是同步捕獲位置確定的關(guān)鍵因素之一。通過(guò)本論文提出的水聲通信半物理仿真平臺(tái)可以方便確定實(shí)際水聲通信系統(tǒng)的捕獲閾值和捕獲信號(hào)采集長(zhǎng)度。

圖8 水聲直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的算法原理框圖Fig.8 Algorithm principle diagram of underwater acoustic direct sequence sp read-spectrum communication system

圖9是可配置水聲Modem采集到的實(shí)際水聲波形,圖10是利用采集到的實(shí)際水聲波形進(jìn)行算法功能仿真時(shí)監(jiān)測(cè)得到的信號(hào)捕獲模塊的信號(hào)相關(guān)值輸出結(jié)果,該輸出結(jié)果真實(shí)直觀的給出了捕獲算法的運(yùn)行細(xì)節(jié),從輸出結(jié)果可以看出,在實(shí)際水聲通信中,由于水聲信號(hào)的頻率選擇性衰落,捕獲模塊的同步信號(hào)強(qiáng)度與理想值有了較大差異,若采用理想值設(shè)置捕獲閾值,系統(tǒng)的工作性能將大大降低或甚至不工作,利用算法仿真評(píng)估系統(tǒng)的直觀結(jié)果,可以方便地設(shè)定捕獲模塊的捕獲閾值和捕獲信號(hào)采集長(zhǎng)度。

圖9 可配置水聲Modem采集的實(shí)際水聲波形Fig.9 Real underwater acoustic wave data collected by configurable underwater acoustic modem

圖10 算法仿真評(píng)估系統(tǒng)輸出的信號(hào)捕獲模塊運(yùn)算結(jié)果Fig.10 Operation result of signal catching module output by algorithm simulation evaluation system

4 結(jié)論與展望

本文針對(duì)水聲信道數(shù)學(xué)模型難以建立及水聲通信現(xiàn)場(chǎng)級(jí)試驗(yàn)高投入、高風(fēng)險(xiǎn)、調(diào)試?yán)щy的特點(diǎn),提出了1種水聲通信半物理仿真平臺(tái)水聲通信半物理仿真平臺(tái),給出了系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)和各個(gè)子系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì),并基于1個(gè)水聲直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行了水聲通信半物理仿真平臺(tái)的初步應(yīng)用測(cè)試。應(yīng)用結(jié)果表明,水聲通信半物理仿真平臺(tái)可有效輔助水聲通信算法的研究,可有效提高水聲通信的研發(fā)效率。

水聲通信半物理仿真是水聲通信技術(shù)快速發(fā)展的必然需求,方便、通用的水聲通信半物理仿真平臺(tái)的建立必然會(huì)加速水聲通信技術(shù)研究的分工合作,從而加速水聲通信技術(shù)的發(fā)展。本文以SOPC技術(shù)為核心,已經(jīng)完成了1種水聲通信半物理仿真平臺(tái)水聲通信半物理仿真平臺(tái)的初步設(shè)計(jì)和驗(yàn)證,下一步的主要工作是完成各個(gè)子系統(tǒng)接口的標(biāo)準(zhǔn)化和各個(gè)子系統(tǒng)功能模塊的組態(tài)化。

[1] 吳海彬,朱世強(qiáng),陳鷹.基于半物理仿真的桶形基礎(chǔ)平臺(tái)沉浮過(guò)程研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2002,23(6):635-637.

[2] 楊正賢,孔憲仁,王繼河,等.基于xPC的小衛(wèi)星半物理仿真驗(yàn)證平臺(tái)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2009,21(20):6444-6448.

[3] 邱志強(qiáng),鄒海,孫建華.船用蒸汽發(fā)生器給水控制系統(tǒng)半物理仿真技術(shù)研究[J].艦船科學(xué)技術(shù),2009,31(2):141-145.

[4] 聶衛(wèi)東,程文利,趙昌利,等.水下航行器熱動(dòng)力系統(tǒng)半實(shí)物仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2008,20(17):4582-4587.

[5] Preisig J.Acoustic p ropagation considerations for underwater acoustic communications network development[C].United States:Proceedings of the 1st ACM International Workshop on Underwater Networks,WUWNet 2006,2006:1-5.

[6] Chao RuMin,Lin ShiZheng,Huang YuXiang.The imp lementation of PC-based instrumentation for underwater acoustic communication system[C].Japan:Proceedings of the 16th IEEE International Symposium on the Applications of Ferroelectrics,2007:1-5.

[7] Zheng Peng,JunHong Cui,Bing Wang,et al.An Underwater Network Testbed:Design,Implementation and Measurement[C].Canada:Proceedingsof the 2007 International Conference on Mobile Computing and Networking-Second Workshop on Underwater Networks,Montreal,QC,2007:65-72.