認(rèn)知水聲通信中信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)?

龔潤(rùn)航，朱昌平，2，王 斌

（1.河海大學(xué)常州市傳感網(wǎng)與環(huán)境感知重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室江蘇省輸配電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，常州213022；2.江蘇省“世界水谷”與水生態(tài)文明協(xié)同創(chuàng)新中心，南京211100）

·微機(jī)應(yīng)用·

認(rèn)知水聲通信中信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)?

龔潤(rùn)航1，朱昌平1，2，王 斌1

（1.河海大學(xué)常州市傳感網(wǎng)與環(huán)境感知重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室江蘇省輸配電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，常州213022；2.江蘇省“世界水谷”與水生態(tài)文明協(xié)同創(chuàng)新中心，南京211100）

水聲信號(hào)發(fā)生器是認(rèn)知水聲通信中的關(guān)鍵設(shè)備之一，其寬頻帶輸出功能是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜接入的基礎(chǔ)，但目前市面上的水聲設(shè)備普遍存在價(jià)格昂貴，產(chǎn)生信號(hào)帶寬窄的問(wèn)題。為此，設(shè)計(jì)了一種用于認(rèn)知水聲通信的信號(hào)發(fā)生器，介紹了各個(gè)功能模塊的具體實(shí)現(xiàn)。使用低成本的MSP430單片機(jī)、壓控振蕩器、電流及溫度傳感器等組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了適用于寬頻水聲換能器的信號(hào)匹配電路。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠有效實(shí)現(xiàn)寬頻帶內(nèi)水聲換能器的調(diào)諧匹配，穩(wěn)定輸出1KHz-200KHz頻段內(nèi)的2ASK信號(hào)。

水聲通信；認(rèn)知無(wú)線電；壓控振蕩器；匹配電路；MSP430單片機(jī)；2ASK信號(hào)

1 引 言

近年來(lái)，世界各國(guó)對(duì)海洋權(quán)益日益重視，開(kāi)發(fā)利用海洋的熱潮已悄然興起，人們?cè)絹?lái)越重視水下通信系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)［1-2］。水聲通信在水環(huán)境監(jiān)測(cè)、海底探測(cè)、水下設(shè)備控制、災(zāi)害預(yù)測(cè)等方面應(yīng)用廣泛［3］。然而，水聲通信的工作頻段通常為一千到幾百千赫茲，且與海洋生物的叫聲頻段重疊，相較于陸上無(wú)線電通信，其頻譜資源極其有限［4］。認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)是近年來(lái)陸上無(wú)線通信研究中提出的一種智能通信新技術(shù)。其基本思想是，讓無(wú)線終端通過(guò)感知周圍無(wú)線環(huán)境狀況來(lái)調(diào)整自己的傳輸參數(shù)，以動(dòng)態(tài)頻譜接入的方式，使次用戶和主用戶共享頻譜資源，來(lái)完成無(wú)線傳輸，以提高頻譜利用率［5］。結(jié)合認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的認(rèn)知水聲通信技術(shù)，近期已有學(xué)者開(kāi)展研究［4］。其能夠合理利用水下的頻譜資源，從而有效緩解頻譜緊缺，其應(yīng)用場(chǎng)景如圖1所示。

圖1 認(rèn)知水聲通信技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景圖

在認(rèn)知水聲通信中，次用戶選擇特定頻段對(duì)其周圍的主用戶通信和海洋生物通信狀態(tài)進(jìn)行感知。只要檢測(cè)到二者之一有水聲信號(hào)發(fā)出，就保持靜默，并切換其他頻段繼續(xù)檢測(cè)。當(dāng)檢測(cè)到某一頻段主用戶和海洋生物均靜默時(shí)，次用戶便在當(dāng)前時(shí)隙動(dòng)態(tài)接入該頻段進(jìn)行通信，直到時(shí)隙結(jié)束，重新感知。

水聲信號(hào)發(fā)生器是認(rèn)知水聲通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備之一。作為實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜接入的基礎(chǔ)，需要在一千至幾百千赫茲的寬頻帶內(nèi)輸出水聲信號(hào)。但是目前市面上的水聲設(shè)備普遍存在價(jià)格昂貴，產(chǎn)生信號(hào)頻段窄的缺點(diǎn)。為此，設(shè)計(jì)了一種用于認(rèn)知水聲通信的信號(hào)發(fā)生器，使用MSP430單片機(jī)、壓控振蕩芯片、電流及溫度傳感器等組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了適用于寬頻水聲換能器的信號(hào)匹配電路。同時(shí)，給出了該系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案，對(duì)各個(gè)主要功能模塊的實(shí)現(xiàn)做了詳細(xì)說(shuō)明，并對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證。

2 系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)

水聲信號(hào)發(fā)生器的總體功能如圖2所示。

系統(tǒng)采用TI公司的16位低功耗MSP430F169型單片機(jī)，其內(nèi)嵌的12位DAC，配合壓控振蕩芯片，能以較低的成本實(shí)現(xiàn)寬頻帶振蕩電路［6］。

信號(hào)發(fā)生器工作時(shí)，MSP430處理器從DAC端口產(chǎn)生直流電壓，控制水聲信號(hào)產(chǎn)生電路生成特定頻率的方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)。該信號(hào)驅(qū)動(dòng)半橋功率放大電路將直流電源逆變?yōu)橥l同相的功率電信號(hào)，經(jīng)匹配電路完成阻抗和調(diào)諧匹配后，驅(qū)動(dòng)寬頻水聲換能器發(fā)出聲波。同時(shí)，由匹配變壓器電壓采樣抽頭、電流互感器和紅外溫度傳感器組成的運(yùn)行參數(shù)采樣模塊實(shí)時(shí)采集換能器端的運(yùn)行參數(shù)，反饋至處理器的ADC端口［7］。處理器根據(jù)接收到的參數(shù)，動(dòng)態(tài)調(diào)整寬頻信號(hào)匹配模塊的參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)設(shè)定頻段內(nèi)各頻點(diǎn)聲波的穩(wěn)定產(chǎn)生。

圖2 水聲信號(hào)發(fā)生器總體功能框圖

2.1 水聲信號(hào)產(chǎn)生電路

水聲信號(hào)產(chǎn)生電路的結(jié)構(gòu)如圖3所示。整個(gè)電路由三部分組成，分別是壓控振蕩器電路、非門(mén)整形電路和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生電路。其中，壓控振蕩器電路使用鎖相環(huán)芯片CD4046內(nèi)的壓控振蕩功能，由芯片R1、R2端和C1A、C1B端外接的振蕩電阻與電容充放電來(lái)產(chǎn)生基礎(chǔ)方波信號(hào)，再由芯片F(xiàn)req Control端輸入的電壓值來(lái)控制方波信號(hào)的頻率偏移。壓控振蕩器電路輸出的方波信號(hào)在后端的RC微分電路中被整形成正負(fù)尖脈沖波信號(hào)，經(jīng)非門(mén)整形電路翻轉(zhuǎn)、補(bǔ)償后變?yōu)檎伎毡刃∮?0%正脈沖波形，該信號(hào)進(jìn)入SG3525 PWM控制芯片的SYNC端后被二分頻，輸出同頻反相的兩路超聲驅(qū)動(dòng)信號(hào)［8］。同時(shí)，由單片機(jī)輸出調(diào)制信號(hào)至該芯片的IN+端，以實(shí)現(xiàn)2ASK調(diào)制。

2.2 半橋功率放大電路

半橋功率放大電路的結(jié)構(gòu)如圖4所示。整個(gè)電路由前級(jí)全橋放大器、前級(jí)隔離變壓器、D類半橋橋臂、匹配變壓器和匹配電感五部分組成。前級(jí)全橋放大器的兩個(gè)橋臂由Q1、Q3和Q2、Q4兩對(duì)達(dá)林頓功率晶體管組成，其作用是放大超聲驅(qū)動(dòng)信號(hào)功率，以驅(qū)動(dòng)半橋式功率放大電路。前級(jí)隔離變壓器為倒相輸出結(jié)構(gòu)，主要作用是隔離前后電路，防止因信號(hào)直接耦合產(chǎn)生的電路干擾。D類半橋橋臂在其原理結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，于柵極前端增加了由若干電阻電容構(gòu)成的RC吸收電路，用于改進(jìn)功放管開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)刻所承受的電壓、電流波形，提高半橋橋臂工作的穩(wěn)定性。

圖3 水聲信號(hào)產(chǎn)生電路結(jié)構(gòu)圖

圖4 半橋功率放大電路結(jié)構(gòu)圖

2.3 寬頻信號(hào)匹配電路

寬頻信號(hào)匹配電路的結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中，多抽頭匹配變壓器次級(jí)按匝數(shù)遞增順序抽出多個(gè)抽頭，由MSP430處理器控制繼電器切換開(kāi)關(guān)針對(duì)不同頻段，選擇合適的抽頭接入。一定變比的阻抗匹配變壓器，可驅(qū)動(dòng)寬頻水聲換能器穩(wěn)定產(chǎn)生一定頻段內(nèi)的聲波，當(dāng)次級(jí)抽出n個(gè)抽頭時(shí)，調(diào)整次級(jí)各抽頭檔位與初級(jí)的匝數(shù)比，可以使其分別滿足n+1個(gè)頻段的阻抗匹配要求。

圖5 寬頻信號(hào)匹配電路結(jié)構(gòu)圖

多抽頭級(jí)聯(lián)調(diào)諧匹配電感包括一級(jí)電感、二級(jí)電感、三級(jí)電感和繼電器切換開(kāi)關(guān)，各級(jí)電感上分別按感量遞增順序抽出多個(gè)抽頭，各級(jí)電感上磁芯的氣隙按序依次增大。同樣，各級(jí)電感抽頭的接入，由MSP430處理器控制繼電器切換開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)。

2.4 調(diào)諧匹配控制程序

在寬頻信號(hào)匹配電路的基礎(chǔ)上，由MSP430處理器負(fù)責(zé)根據(jù)采樣模塊所反饋的參數(shù)，實(shí)時(shí)控制該電路的阻抗與調(diào)諧匹配，其程序流程如圖6所示。下面以一具體實(shí)例，來(lái)說(shuō)明基于多抽頭級(jí)聯(lián)電感的寬頻信號(hào)調(diào)諧匹配過(guò)程。為產(chǎn)生162KHz的超聲，根據(jù)換能器阻抗、寄生電容值等參數(shù)計(jì)算得其調(diào)諧匹配電感值為302μH。繞制一至三級(jí)電感，通過(guò)調(diào)整磁芯氣隙并各抽出六個(gè)抽頭，使其各級(jí)電感的各檔位感值如表1所示。

表1 多抽頭級(jí)聯(lián)電感中各級(jí)電感各檔位感值

水聲信號(hào)發(fā)生器啟動(dòng)后，MSP430處理器計(jì)算出一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)電感經(jīng)級(jí)聯(lián)要達(dá)到302μH的感值所需檔位，控制一級(jí)電感的繼電器切換開(kāi)關(guān)切換至294μH檔，二級(jí)電感切換至7μH檔，三級(jí)電感切換至1μH檔。運(yùn)行時(shí)，處理器根據(jù)圖6中的程序設(shè)定微調(diào)參數(shù)，使換能器穩(wěn)定諧振。當(dāng)需接入其他頻段時(shí)，處理器可以根據(jù)感值計(jì)算結(jié)果與反饋參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

3 系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

水聲信號(hào)發(fā)生器各模塊實(shí)物圖如圖7所示。其中，圖7（a）為水聲信號(hào)產(chǎn)生模塊，圖7（b）為半橋功率放大模塊、寬頻信號(hào)匹配模塊及參數(shù)采樣模塊集成板，圖7（c）為基于MSP430F169單片機(jī)的控制模塊，圖7（d）為寬頻水聲換能器。各模塊配置完成后，設(shè)置單一信號(hào)發(fā)生頻率進(jìn)行測(cè)試，使用示波器對(duì)換能器帶載工作時(shí)電路各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)波形參數(shù)進(jìn)行采集和記錄，各模塊電路運(yùn)行測(cè)試點(diǎn)的分布如圖8所示。各模塊電路運(yùn)行測(cè)試點(diǎn)所采集到的信號(hào)波形如圖9（a）至圖9（e）所示，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的2ASK調(diào)制信號(hào)波形如圖9（f）所示。

圖6 調(diào)諧匹配控制程序流程圖

圖7 水聲信號(hào)發(fā)生器各模塊實(shí)物圖

圖8 電路運(yùn)行測(cè)試點(diǎn)設(shè)置框圖

結(jié)合2.1和2.2節(jié)所述的信號(hào)傳輸流程，由圖9（a）至圖9（d）可以看出，在324KHz脈沖信號(hào)的作用下，SG3525芯片輸出162KHz同頻反相的兩路超聲驅(qū)動(dòng)信號(hào)。該驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)前級(jí)放大隔離與RC吸收電路調(diào)整后，控制半橋功放工作，各測(cè)試點(diǎn)波形符合設(shè)計(jì)預(yù)期。圖9（e）中，從換能器端采集到的電流、電壓處于同相，說(shuō)明換能器處于穩(wěn)定的諧振狀態(tài)。圖9（f）中是調(diào)制信號(hào)為159Hz方波的2ASK信號(hào)，其載波頻率為162KHz。

圖9 電路運(yùn)行測(cè)試波形圖

經(jīng)測(cè)試，該水聲信號(hào)發(fā)生器能夠有效實(shí)現(xiàn)寬頻帶內(nèi)水聲換能器的調(diào)諧匹配，穩(wěn)定輸出1KHz～200KHz的2ASK信號(hào)。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)目前市面上的水聲設(shè)備普遍存在價(jià)格昂貴，產(chǎn)生信號(hào)頻段窄的缺點(diǎn)，提出了一種用于認(rèn)知水聲通信的信號(hào)發(fā)生器。該裝置可以與水聲通信接收模塊配合使用，為認(rèn)知水聲通信提供了一種穩(wěn)定、高效的硬件解決方案。并且與市面上的一些水聲設(shè)備相比該發(fā)生器成本較低。

［1］ 李曉東，楊軍，李雙田，等.通信聲學(xué)：過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)［J］.聲學(xué)技術(shù)，2007，26（5）：967-967. LIXiaodong，YANG Jun，LI Shuangtian，et al.The past，present and future of communication［J］.Technical Acoustics，2007，26（5）：967-967.

［2］ 劉林泉，梁國(guó)龍，吳波，等.一種低能耗的水聲通信編碼方案的研究［J］.聲學(xué)技術(shù)，2007，26（1）：130-133. LIU Linquan，LIANG Guolong，WU Bo，et al.Power Saving coding for underwater acoustic communication［J］. echnical Acoustics，2007，26（1）：130-133.

［3］ 朱昌平，韓慶邦，李建，等.水聲通信基本原理與應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009. ZHU Changping，HAN Qingbang，LI Jian，et al.The basic principle and application of underwater acoustic communication［M］.Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2009.

［4］ Yu Luo，Lina Pu，Michael Zuba，et al.Challenges and Opportunities of Underwater Cognitive Acoustic Networks［J］.IEEE transactions on emerging topics in computing，2014，2（2）：198-211.

［5］ JMitola，G Q Maguire.Cognitive radio：Making software radios more personal［J］.IEEE Personal Communications，1999，6（4）：13-18.

［6］ 王斌，朱昌平，單鳴雷，等.水聲傳感網(wǎng)中的高效調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計(jì)［J］.聲學(xué)技術(shù)，2012，31（4）：436-441. WANG Bin，ZHU Changping，SHAN Minglei，et al.A high-efficiency acoustic modem used in the underwater acoustic sensor network［J］.Technical Acoustics，2012，31（4）：436-441.

［7］ 謝友鵬，韓慶邦，鮑娜，等.基于ARM的超聲信號(hào)采集系統(tǒng)［J］.微處理機(jī)，2015，36（3）：89-91. XIE Youpeng，HAN Qingbang，BAO Na，et al.Ultrasonic Signal Acquisition System Based on ARM［J］.Microprocessors，2015，36（3）：89-91.

［8］ 賈玉芬，呂建軍.PWM控制器SG3525的變頻控制［J］.煤礦機(jī)械，2011，32（2）：204-206. JIA Yufen，LV Jianjun.Frequency Control Based on PWM Controller SG3525［J］.Coal Mine Machinery，2011，32（2）：204-206.

Design of Signal Generator for Underwater Cognitive Acoustic Communication

Gong Runhang1，Zhu Changping1，2，Wang Bin1
（1.Changzhou Key Laboratory of Sensor Networks and Environmental Sensing，Jiangsu Key Laboratory of Power Transmission and Distribution Equipment Technology，Hohai University，Changzhou 213022，China；2.Jiangsu Provincial Collaborative Innovation Center ofWorld Water Valley and Water Ecological Civilization，Nanjing 211100，China）

Underwater acoustic signal generator is the key equipmentof underwater cognitive acoustic communication，and itswideband output function is the basis of dynamic spectrum access.However，the current underwater acoustic equipment is expensive，andmost of them just generate the narrow bandwidth signals.This paper presents a design of the signal generator for underwater cognitive acoustic communication.Every module is described in detail.A closed-loop control system using low-cost MSP430 microcontroller，voltage controlled oscillator，current and temperature sensors，as well as a matching circuit is proposed.The final results of the experiments prove that the acoustic signal generator can drive broadband underwater acoustic transducers efficiently with 2ASK signals in bandwidth of 1KHz-200KHz.

Underwater acoustic communication；Cognitive radio；VCO；Matching circuit；MSP430 microcontroller；2ASK signal

10.3969／j.issn.1002-2279.2016.06.011

TN929.3

A

1002-2279（2016）06-0044-04

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（11274092）；江蘇省研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（KYLX15_0497）；河海大學(xué)中央高校基金項(xiàng)目（BZX／2015B101-47）

龔潤(rùn)航（1991-），男，江蘇省南京市人，碩士研究生，主研方向：通信與信息系統(tǒng)。

朱昌平（1956-），男，湖北省荊門(mén)市人，教授，博士，博導(dǎo)，主研方向：通信電路與聲學(xué)技術(shù)的研究。

2016-06-13