基于水聲傳感的頻移鍵控圖像傳輸方法

陶 帥， 何 寧， 龐維慶， 鄧德迎

(1.桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院, 廣西 桂林 541004；2.桂林航天工業(yè)學(xué)院 廣西高校無人機(jī)遙測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西 桂林 541004)

隨著人類海洋活動(dòng)的日益頻繁，水聲通信系統(tǒng)在科考、軍事、民用領(lǐng)域越來越受到重視。海洋中高速通信的新技術(shù)，特別是圖像傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)，將使下一代海底探測成為可能[1]。然而，水下信道高誤碼率、高損耗和低容量的特性使得水下高質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸比地面無線電鏈路的傳輸更具挑戰(zhàn)性[2]。因此，選擇一種合適的調(diào)制方式和傳輸方式去適應(yīng)復(fù)雜多變的信道至關(guān)重要。

水下通信包括信道編碼、調(diào)制、均衡、時(shí)間反轉(zhuǎn)和MIMO等關(guān)鍵技術(shù)。Esmaiel等[2]搭建了一套基于SPIHT算法的圖像傳輸系統(tǒng)，將RS編碼與HQAM調(diào)制結(jié)合起來作為不等差錯(cuò)保護(hù)技術(shù)，對(duì)傳輸中易受信道干擾影響的編碼比特位起到了很好的保護(hù)效果，降低了系統(tǒng)誤碼率。王永恒[3]從理論和實(shí)驗(yàn)探討了時(shí)頻域聯(lián)合處理技術(shù)、時(shí)變環(huán)境下寬帶多普勒估計(jì)與補(bǔ)償技術(shù)，設(shè)計(jì)的OFDM-MFSK水聲通信系統(tǒng)能夠適應(yīng)復(fù)雜多變的工作環(huán)境。Santoso等[4]介紹的水下圖像傳輸系統(tǒng)采用OFDM-BPSK調(diào)制和基于最小二乘、最小均方誤差準(zhǔn)則的均衡技術(shù)，很好的改善了系統(tǒng)性能。

從實(shí)際工程和可行性角度出發(fā)，提出了一種基于陣列式水聲傳感的頻移鍵控圖像傳輸方法。在傳統(tǒng)的頻移鍵控(FSK)調(diào)制技術(shù)上加入碼元載波間隔保護(hù)機(jī)制，具有更強(qiáng)的抗干擾能力；采用易于實(shí)現(xiàn)的非相干檢測進(jìn)行解調(diào)，能夠適應(yīng)相位變化快的淺水信道和長距離傳輸[5]。通過對(duì)圖像分割編碼、分幀傳輸，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。方向性增?qiáng)的陣列式接收，有效降低水下多徑干擾，使圖像接收性能得到進(jìn)一步改善。

1 水聲傳感原理與特性

1.1 水聲傳感器原理

水聲傳感器是進(jìn)行能量互換的器件，目前應(yīng)用于水聲領(lǐng)域的以壓電式傳感器為主，它通過各種具有壓電效應(yīng)的材料，如石英(壓電單晶體)、壓電陶瓷、壓電高聚物、壓電復(fù)合材料等，進(jìn)行電/聲和聲/電的轉(zhuǎn)換，按照工作性質(zhì)不同可分為如圖1(a)所示的正壓電效應(yīng)和如圖1(b)所示的逆壓電效應(yīng)[6]。正壓電效應(yīng)是指電介質(zhì)在施加機(jī)械應(yīng)力的情況下，兩表面會(huì)出現(xiàn)極化電荷的積累，形成電勢差[7]；利用此原理工作的水聲傳感器又稱為水聽器，常用作接收機(jī)。逆壓電效應(yīng)是指電介質(zhì)在極化方向上施加電場時(shí)，會(huì)發(fā)生形變；利用此原理工作的水聲傳感器又稱為水聲換能器，常用作發(fā)射機(jī)。

圖1 正壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)原理圖

由若干個(gè)水聲傳感器按一定規(guī)律排列組成的水聲傳感器基陣具有以下優(yōu)勢：1)提高空間增益和空間分辨率；2)提高接收端信噪比；3)增大發(fā)射聲功率、頻帶或改善瞬態(tài)特性；4)增強(qiáng)指向性[8]。

1.2 傳播損耗

聲波在海水中傳輸會(huì)產(chǎn)生信號(hào)衰落，其傳播損耗主要包括幾何擴(kuò)散、衰減和傳播異常3個(gè)方面。后者幾乎不可能建模，因此在載波頻率f，傳輸距離l上發(fā)生的信號(hào)衰減A(l,f)可表示為[9]：

10lgA(l,f)=k·10lgl+l·10lgα。

(1)

其中：k為幾何擴(kuò)散因子，數(shù)值為1～2，實(shí)際應(yīng)用中常取k=1.5；α為海水中的聲吸收系數(shù)，可由W.H.Thorp的經(jīng)驗(yàn)公式得到[10]：

0.003。

(2)

1.3 多徑效應(yīng)

水聲通信中，由于信道中傳輸媒質(zhì)的不均勻，海面及海底的邊界不規(guī)整和海水中內(nèi)部結(jié)構(gòu)(如內(nèi)波、紊波、潮汐等)的影響，使得信號(hào)在傳播過程中出現(xiàn)散射、折射、反射等現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致接收端接收到的信號(hào)為經(jīng)不同路徑衰減和時(shí)延后的各個(gè)子信號(hào)的疊加，形成多徑效應(yīng)[11]。通常，淺海的多徑效應(yīng)比深海嚴(yán)重的多。其特征由平均幅度增益Gp和時(shí)延tp表示[12]：

(3)

(4)

2 圖像編碼與傳輸

對(duì)自然界中圖像進(jìn)行采集、數(shù)字化與編碼處理可實(shí)現(xiàn)傳輸，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中有一種常用的圖形、圖像編碼方式，即位圖編碼方式；它是一種典型的數(shù)字圖像格式，使用像素陣列來表示一幅圖像，每個(gè)像素的顏色信息由一個(gè)(組)量化的灰度值或RGB組合表示。根據(jù)顏色信息所需的數(shù)據(jù)位分為1、4、8、16、24及32位等，位數(shù)越高顏色越豐富，相應(yīng)的數(shù)據(jù)量越大。對(duì)于一幅位深度為8 bit的灰度圖像來說，灰階為28，可以包含黑白色在內(nèi)的256種灰色；其矩陣元素的取值范圍為0～255，矩陣中的元素對(duì)應(yīng)圖像的像素，元素的值即該像素的灰度值，數(shù)值越大，像素的顏色越淺，數(shù)值越小，像素的顏色越深。圖2以分辨率3×3的圖片為例說明灰度圖像與像素矩陣對(duì)應(yīng)關(guān)系。

獲得圖片的像素矩陣后，以行優(yōu)先的順序進(jìn)行讀取，轉(zhuǎn)換成一維十六進(jìn)制整型字符串，每個(gè)矩陣元素與兩位十六進(jìn)制字符串一一對(duì)應(yīng)，傳輸時(shí)則是將字符串轉(zhuǎn)換為比特?cái)?shù)據(jù)串行輸出。以字符“3”為例，其ASCII值十六進(jìn)制表示為“33”，對(duì)應(yīng)二進(jìn)制是“00110011”，圖3所示為圖2矩陣傳輸時(shí)對(duì)應(yīng)的串口幀格式：1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、2個(gè)停止位。根據(jù)圖中編碼字符串與串口幀格式之間的關(guān)系，可得到系統(tǒng)信息傳輸速率Rb與串口波特率Rbit之間的計(jì)算關(guān)系：

(5)

圖2 灰度圖像與像素矩陣

圖3 字符串與串口幀格式

解碼過程為編碼的逆過程。串口接收到比特?cái)?shù)據(jù)后，以字符串的形式存下來，然后將字符串轉(zhuǎn)換成像素矩陣，再生成相對(duì)應(yīng)的灰度圖像。還原圖片的質(zhì)量，可以用圖像相似度進(jìn)行測度。

3 改進(jìn)型FSK設(shè)計(jì)

由于FSK具有一定的抗衰落能力，因而在一些衰落信道的傳輸中得到了廣泛的應(yīng)用[13]。圖4為2FSK信號(hào)波形，它是通過2個(gè)不同頻率載波的無縫切換來傳輸數(shù)字信號(hào)1和0，假設(shè)2個(gè)載波分別為Acos(2πf1t+φ1)和Acos(2πf2t+φ2)，則2FSK信號(hào)可以看成這2個(gè)波形的合成。

S(t)=m1(t)Acos(2πf1t+φ1)+

m2(t)Acos(2πf2t+φ2)。

(6)

圖4 2FSK信號(hào)波形

根據(jù)水聲信道信號(hào)傳輸特性，傳統(tǒng)的FSK系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮各方面因素選擇頻率相對(duì)較低、頻率間隔適當(dāng)?shù)膬蓚€(gè)載波進(jìn)行調(diào)制。但是實(shí)際應(yīng)用中調(diào)制信號(hào)經(jīng)過超聲換能器的發(fā)射和水聲信道的傳播，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的信號(hào)畸變。究其原因，主要是換能器余震引起的頻率混疊和多徑效應(yīng)造成的時(shí)延擴(kuò)展。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了一種改進(jìn)型FSK調(diào)制方式，即在調(diào)制的相鄰載波間加入保護(hù)間隔，且保護(hù)間隔越長越有利于降低碼間串?dāng)_。由于MFSK調(diào)制，通過延長每個(gè)頻率的持續(xù)時(shí)間可以消除干擾回聲[14]，所以，設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸速率保證碼元持續(xù)時(shí)間內(nèi)有更多的載波脈沖個(gè)數(shù)。設(shè)系統(tǒng)傳輸速率為Rb，載波持續(xù)時(shí)間為Δt1，保護(hù)間隔時(shí)間為Δt2，則有1/Rb=Δt1+Δt2。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)總結(jié)：當(dāng)取Δt1=τ時(shí)(在τ時(shí)間內(nèi)低頻載波的脈沖個(gè)數(shù)至少保持3～4個(gè))，且滿足Δt2≥2τ，系統(tǒng)能穩(wěn)定工作。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)組成

水聲傳感的頻移鍵控圖像傳輸系統(tǒng)框圖如圖5所示，系統(tǒng)工作流程為上位機(jī)控制相機(jī)采集圖像，對(duì)圖像數(shù)據(jù)編碼后傳給FPGA進(jìn)行FSK調(diào)制，調(diào)制信號(hào)經(jīng)功率驅(qū)動(dòng)送水聲換能器以超聲波的形式發(fā)射；接收端采用4個(gè)換能器構(gòu)成陣列形式接收聲波信號(hào)，經(jīng)放大整形后由FPGA解調(diào)送上位機(jī)進(jìn)行圖像解碼、顯示處理。

圖5 水聲圖像傳輸系統(tǒng)框圖

4.2 系統(tǒng)收發(fā)端FPGA實(shí)現(xiàn)

通信傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵在于穩(wěn)定、可靠、準(zhǔn)確的同步[15]。由于圖像傳輸數(shù)據(jù)量大，為了消除數(shù)據(jù)傳輸過程中的累計(jì)誤差，系統(tǒng)利用串口通信的幀同步對(duì)數(shù)據(jù)分幀傳輸：當(dāng)數(shù)據(jù)到來時(shí)標(biāo)志信號(hào)置0，變?yōu)榭臻e狀態(tài)，對(duì)每幀串口的數(shù)據(jù)位進(jìn)行調(diào)制；數(shù)據(jù)調(diào)制完成后標(biāo)志信號(hào)置1，變?yōu)榉泵顟B(tài)，等待新數(shù)據(jù)的到來。同時(shí)為了降低數(shù)據(jù)變化前后不穩(wěn)定帶來的采樣出錯(cuò)率，在發(fā)送端的串口通信模塊和接收端的串并轉(zhuǎn)換模塊中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行過采樣：將比特?cái)?shù)據(jù)平均分成16小段，只對(duì)中間相對(duì)穩(wěn)定的6～11小段進(jìn)行采樣，從得到的6個(gè)采集數(shù)據(jù)中取出現(xiàn)次數(shù)多的電平作為采樣結(jié)果。例如，采樣6次的數(shù)據(jù)分別為0/0/0/0/1/0，則取電平結(jié)果為0；若為1/1/0/1/1/1，則取電平結(jié)果為1；如果6次采樣數(shù)據(jù)中0和1各占一半，則表明數(shù)據(jù)極其不穩(wěn)定，不具備可靠的通信條件，圖6所示為數(shù)據(jù)過采樣示意圖。解調(diào)時(shí)上升沿計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)出每個(gè)數(shù)據(jù)周期內(nèi)的上升沿個(gè)數(shù)，與設(shè)定好的上升沿閾值進(jìn)行比較，若大于閾值，則給解調(diào)信號(hào)賦0，反之則賦1，依次恢復(fù)出數(shù)字信號(hào)。

圖6 數(shù)據(jù)過采樣示意圖

根據(jù)載波配置要求和保護(hù)間隔設(shè)計(jì)原則，改進(jìn)的FSK系統(tǒng)選擇50 kHz、200 kHz為頻率載波，持續(xù)時(shí)間選擇80 μs(脈沖載波周期分別能保持4個(gè)和16個(gè))，則保護(hù)間隔應(yīng)不小于160 μs。以FPGA的系統(tǒng)時(shí)鐘周期20 ns，串口通信波特率2400 bit/s為例進(jìn)行討論。圖7為系統(tǒng)FPGA仿真波形。

圖7 FSK調(diào)制解調(diào)仿真波形

圖7中，data_s為基帶信號(hào)，信號(hào)1、0分別控制50 kHz(fout_1)、200 kHz(fout_2)的載波；fp為調(diào)制后的頻帶信號(hào)，載波持續(xù)時(shí)間為79.98 μs，相鄰脈沖波之間已經(jīng)加入了保護(hù)間隔，時(shí)間為492.96 μs，均與設(shè)計(jì)要求相符；data為解調(diào)信號(hào)，解調(diào)信號(hào)相對(duì)于基帶信號(hào)有一定的延遲，但是波形一致。

5 實(shí)驗(yàn)測試與分析

實(shí)驗(yàn)測試在2 m×0.85 m×0.85 m的水箱中進(jìn)行，數(shù)據(jù)收發(fā)端相距1.5 m，發(fā)射端加載到水聲換能器的載波驅(qū)動(dòng)信號(hào)幅度為218 V。實(shí)驗(yàn)發(fā)送一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)0x55，接收端的測試波形如圖8所示。圖中上半部分為換能器接收到的模擬信號(hào)，尖峰端比較密集且幅值較大的為頻率200 kHz的波形，尖峰端相對(duì)稀疏且幅值較小的為頻率50 kHz的波形?？梢钥闯?，超聲波信號(hào)經(jīng)水下一定距離傳輸后，由于受到環(huán)境干擾和回波疊加，信號(hào)出現(xiàn)一定起伏和畸變。特別是50 kHz的信號(hào)由于低頻時(shí)換能器的發(fā)散角較大，在實(shí)驗(yàn)水箱中傳輸出現(xiàn)多路信號(hào)相互疊加，導(dǎo)致信號(hào)抖動(dòng)、幅值下降和脈沖展寬，此時(shí)相鄰脈沖波間的間隔起到了很好的保護(hù)效果；同時(shí)利用四元陣列接收，一定程度上抑制了多途效應(yīng)。圖8中下半部分為混合信號(hào)經(jīng)整形電路后的整形波形，通過選擇合適的比較電壓，能從混合信號(hào)中恢復(fù)出2種頻率，獲得一個(gè)滿足FPGA處理的標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)，經(jīng)FPGA處理能正確實(shí)現(xiàn)解調(diào)。

圖8 換能器接收與整形信號(hào)

圖9 收發(fā)端圖像

圖10 收發(fā)端圖像灰度直方圖

圖像傳輸監(jiān)控由上位機(jī)人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)，通過設(shè)置系統(tǒng)收發(fā)端傳輸參數(shù)，傳輸圖像分辨率大小為320×240。實(shí)驗(yàn)測得收發(fā)端的圖像如圖9所示，對(duì)保存下來的圖像進(jìn)行32位轉(zhuǎn)8位的位深預(yù)處理后，利用Matlab獲得圖像的灰度直方圖如圖10所示，利用余弦相似性算法對(duì)統(tǒng)計(jì)到的灰度分布進(jìn)行相似度的比較，結(jié)果顯示余弦值為0.983，余弦夾角為10.647°。說明圖像數(shù)據(jù)經(jīng)編碼調(diào)制、水下信道傳輸、解調(diào)解碼后，在接收端得到了很好的還原。

6 結(jié)束語

研究了水聲信道下數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)實(shí)現(xiàn)，通過理論分析、FPGA仿真和實(shí)驗(yàn)測試手段，設(shè)計(jì)了基于水聲傳感的改進(jìn)型FSK調(diào)制圖像傳輸系統(tǒng)。對(duì)傳輸速率、載波持續(xù)時(shí)間和間隔保護(hù)時(shí)間進(jìn)行對(duì)比選擇。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試證明，當(dāng)選定傳輸速率Rb和頻率載波持續(xù)時(shí)間τ時(shí)，可取相鄰載波間的保護(hù)間隔不小于2τ。采用載波間隔保護(hù)機(jī)制和四元陣列接收方式可有效降低多徑效應(yīng)對(duì)脈沖信號(hào)切換帶來的拖尾交疊影響；經(jīng)編碼分幀處理的圖像數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性得到一定改善；圖像恢復(fù)相似度達(dá)98.3%，基本實(shí)現(xiàn)零誤碼率傳輸。