基于FSK的微型水聲通信系統(tǒng)的研制.pdf

1、眾所周知，我們生活的地球是一個擁有龐大海洋的藍色星球。在人口增長、工業(yè)發(fā)展、資源消耗等現(xiàn)實壓力下，我們需要從海洋中獲取豐富的礦產資源和生物資源。同時，因為我國綿延廣闊的海岸線，對于我們在自己領海的主權和利益保護也提出了嚴峻要求。在對海洋的開發(fā)和保護中，需要利用海洋勘探設備和節(jié)點通信等相關的設備技術。海洋環(huán)境中的數據通信是觀測勘探等應用場景下的關鍵環(huán)節(jié)。由于電磁波在水中的傳輸會有非常大的衰減，因此水中無法使用電磁波通信方式。光信號的傳輸對

2、于節(jié)點之間的位置要求很高，理論上節(jié)點要在一條直線上才能發(fā)送接收。所以聲波通信方式是現(xiàn)階段水下節(jié)點之間最合適的通信方式，其傳輸距離遠，信號衰減小，且對位置要求也不高。
　　論文首先介紹了水聲通信的基礎理論知識，通過分析國內外水聲通信技術的發(fā)展現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)目前的水聲通信設備往往造價高昂，體積龐大，無法應用于普通的實驗教學領域。立足于這一現(xiàn)狀，本文旨在設計一個成本低廉，體積較小的微型水聲通信驗證平臺。利用本系統(tǒng)可以實現(xiàn)水聲通信功能，并具有

3、低功耗、低成本、微體積的特點。
　　本文的研究目標是研制一個基于FSK信號調制方式的微型水聲通信系統(tǒng)，用以在實驗室環(huán)境下演示水聲通信功能的實驗系統(tǒng)。本文從硬件、軟件與調試三個方面，介紹了系統(tǒng)的設計原理，實現(xiàn)方法以及實驗結果。硬件設計主要包括MCU控制模塊、信號調制模塊、功率放大模塊、接收信號放大模塊、信號濾波模塊以及自動增益控制放大模塊。其中，信號調制模塊采用了FSK調制方式將待發(fā)送的數字信號調制成兩個不同頻率的正弦載波信號。信號

4、調制模塊是本系統(tǒng)的核心模塊，模擬信號不適合水聲信道的傳輸，因此使用數字信號調制方式可以有效抑制傳輸中的噪聲。功率放大模塊將調制載波信號的輸出功率放大，提高系統(tǒng)的輸出功率，從而擴展通信距離。信號接收模塊使用有源濾波器設計的信號濾波模塊通過帶通濾波的方式將接收信號中的環(huán)境噪聲濾除。自動增益控制放大模塊使用可變增益放大器為核心器件，將接收信號的幅值穩(wěn)定在一個固定值，使其在輸入解調芯片前信號幅度不受前級信號的強弱影響。
　　在軟件設計方面

5、，本文參照網絡協(xié)議TCP協(xié)議族，設計了一套適用于水下系統(tǒng)通信的可靠的通信協(xié)議。可以有效地降低系統(tǒng)的誤碼率和數據丟失率，保證通信的可靠性。在系統(tǒng)軟件框架中增加了串口命令解析模塊，針對上位機下發(fā)的配置命令，可以完成系統(tǒng)工作模式配置，地址信息設置等功能。數據存儲模塊通過讀寫文件系統(tǒng)將系統(tǒng)工作日志以及通信數據存儲在系統(tǒng)SD卡中。系統(tǒng)上位機軟件利用QT開發(fā)工具實現(xiàn)對串口的讀寫配置并增加了系統(tǒng)操作的相關命令按鈕，實現(xiàn)了對下位機系統(tǒng)的控制。