基于QPSK擴(kuò)頻技術(shù)的水下Modem設(shè)計

劉軍鋒， 王玉巧

(1.中船重工昆船設(shè)計研究院，云南 昆明 650236； 2.黃河科技學(xué)院，河南 鄭州 450006)

0 引 言

隨著水聲通信技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)海洋信息觀察、海洋資源勘探與開發(fā)是當(dāng)今熱點課題[1]，水下Modem是一種以海水為介質(zhì)，以應(yīng)答或自動的方式，實現(xiàn)水下Modem之間或水下Modem和水上設(shè)備之間的較遠(yuǎn)距離無線數(shù)據(jù)傳輸[2-3]。目前，國外的水下Modem技術(shù)相當(dāng)成熟，價格也偏高，國內(nèi)自主研發(fā)的產(chǎn)品較少，市場上大部分是進(jìn)口產(chǎn)品[4]。

正交相移鍵控(QPSK)擴(kuò)頻技術(shù)[5]是一種有效的抗多途干擾、頻譜利用率高、傳輸距離遠(yuǎn)、隱蔽可靠、被截獲概率低等優(yōu)點，再結(jié)合低功耗數(shù)字處理技術(shù)，可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離長期可靠通信，采用此原理，研制了一款低功耗、低成本、高性能的水下Modem產(chǎn)品[6-7]。

1 主要技術(shù)指標(biāo)

本產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)如下：① 最大工作水深：300 m，② 工作距離：8.5 km@150 b/s，③ RS232傳輸速率：9 600 b/s，④ 聲傳輸速率：150 b/s@SNR≥-3 dB，⑤ 誤碼率：<10-5，⑥ 發(fā)射聲源級SL：173 dB≤SL≤176 dB@12 kHz，⑦ 工作帶寬：9～14 kHz，⑧ 供電：37V10Ah可充電鋰電池組，⑨ 功耗：發(fā)射功耗≤15 W，接受功耗≤200 mW。

2 正交相移鍵控擴(kuò)頻調(diào)制原理

QPSK調(diào)制是利用載波的四種不同的相位來表征輸入的數(shù)字信息，是四進(jìn)制移相鍵控[8-9]。把相繼的兩個碼元的四種組合(00,01,10,11)對應(yīng)于正弦波的四個相位:0°、90°、180°、270°，圖1和圖2為QPSK擴(kuò)頻調(diào)制和解調(diào)的框圖[10-11]。

圖1 QPSK擴(kuò)頻調(diào)制原理圖

圖2 QPSK擴(kuò)頻解調(diào)原理圖

3 水下Modem的電路組成及工作原理

水下Modem的硬件原理框圖如圖3所示，主要由DC-DC電源板、發(fā)射功放板、接收板、DSP信號處理板和換能器等幾部分組成。

圖3 水下Modem硬件原理框圖

水下Modem入水后，入水開關(guān)接通，DSP板上電初始化，控制信號關(guān)斷發(fā)射板電源，繼電器把信號切到接收板，DSP板進(jìn)入微功耗待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)接收板接收到聲信號或通訊串口RS232串口信號時喚醒DSP板進(jìn)入工作狀態(tài)。

當(dāng)喚醒信號來自接收通道時，DSP對接收到的聲信號進(jìn)行識別解碼，從QPSK調(diào)制信號中解調(diào)出數(shù)據(jù)信息，然后將數(shù)據(jù)通過串口轉(zhuǎn)發(fā)給所連接的終端設(shè)備；當(dāng)喚醒信號來自通訊串口RS232時，DSP首先發(fā)出接通發(fā)射高壓控制信號，發(fā)射板通電進(jìn)入工作狀態(tài)，同時DSP對接收到的數(shù)據(jù)按QPSK算法解調(diào)，經(jīng)過D/A送發(fā)射板，發(fā)射板推動換能器將聲信號輻射到水中，以聲的形式傳播給遠(yuǎn)端的水下Modem，遠(yuǎn)端的水下Modem以相逆的方式工作，實現(xiàn)水下設(shè)備間的無線通訊連接。

3.1 DC-DC電源板

考慮到電源變換效率和功耗，采用開關(guān)電源芯片把電池組輸出高壓降壓濾波后，分三路進(jìn)行線性穩(wěn)壓濾波輸出相互隔離的+5 V，其中一路設(shè)計成可控輸出給功放發(fā)射板使用，另外兩路設(shè)計成不可控，分別送DSP信號處理板和接收板[5]。

3.2 功放發(fā)射板

為了提高發(fā)射板的效率和縮小體積,減小功耗和波形的線性度等因素，發(fā)射板采用D類音頻功率放大器，發(fā)射板原理框圖如圖4所示。

圖4 功放發(fā)射板原理框圖

當(dāng)需要功放發(fā)射板發(fā)射信號時，DSP的控制信號接通開關(guān)電源芯片，輸出直流高壓送功放板芯片和接受轉(zhuǎn)換繼電器。發(fā)射完成后，DSP板撤銷控制信號完全切斷發(fā)射機(jī)的高、低壓電源，收發(fā)轉(zhuǎn)換繼電器自動回到接收狀態(tài)，實現(xiàn)發(fā)射板零功耗待機(jī)。

3.3 接收板

考慮輸入阻抗匹配、低噪音、增益帶寬乘積和低功耗等因素，前置放大、阻抗匹配級采用低噪音、低功耗的儀表放大器轉(zhuǎn)差分信號為單端輸出信號，并采用低阻設(shè)計。為了保證接收通道寬的動態(tài)范圍，后置放大增益 多級可調(diào)增益電路，接收板原理框圖如圖5所示。

圖5 接收板原理框圖

3.4 DSP信號處理板

DSP信號處理板主要由電源變換、A/D采集、D/A信號調(diào)理、串口RS232接口、JTAG接口、復(fù)位電路和抗干擾電路等幾部分組成。

DSP信號處理板的核心處理芯片為ADSP-BF533芯片，該芯片具有低功耗、低噪聲和高速處理能力等特點[12-13]，A/D和D/A芯片也采用高速、低功耗、低噪聲的16位串行芯片，DSP原理框圖如圖6所示[14]。

圖6 DSP板原理框圖

4 軟件設(shè)計

上位PC機(jī)采用VC語言編制接收數(shù)據(jù)界面，這里不做論述。水下Modem的軟件是用C語言編制，其中QPSK擴(kuò)頻程序主要包含數(shù)據(jù)輸入、抗多途算法、PN序列碼產(chǎn)生和調(diào)制與解調(diào)四部分，這里只列出調(diào)制和解調(diào)程序流程圖。

擴(kuò)頻調(diào)制子程序流程圖如圖7所示，DSP初始化后，需要發(fā)射的數(shù)據(jù)送入DSP堆棧中，先進(jìn)行軟件濾波處理，處理后的數(shù)據(jù)在進(jìn)行調(diào)制，與PN序列碼進(jìn)行模二加法運(yùn)算，經(jīng)擴(kuò)頻編碼后，由D/A變?yōu)槟M信號，送發(fā)射板發(fā)射[15-16]。

圖7 擴(kuò)頻調(diào)制子程序流程圖

擴(kuò)頻解調(diào)子程序流程圖如圖8所示，接收板送來的擴(kuò)頻信號與本地同步的PN序列碼進(jìn)行模二加法運(yùn)算后，解調(diào)出QPSK已調(diào)信號，再經(jīng)載波恢復(fù)、低通濾波、抽樣判決和并/串轉(zhuǎn)換后就可以得到原始信息[17]。

圖8 擴(kuò)頻解調(diào)子程序流程圖

5 結(jié) 語

2010年1月份，在中國南海進(jìn)行了海上試驗，試驗結(jié)果為：在海深18 m、聲源級175 dB@12 kHz，達(dá)到通信傳輸率150 bps、距離8 500 m，無誤碼，試驗過程中接受功耗145 mW，發(fā)射功耗10 W。并且利用三臺水下Modem組成定點網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)水下無線組網(wǎng)通訊，從海上試驗結(jié)果來看，該產(chǎn)品抗淺海多途干擾能力強(qiáng)，實現(xiàn)了可靠通信。

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