吳黎慧，蒲南江，高磊，胡洋

（中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院 山西 太原 030051）

0 引言

水下通信中的傳感器網(wǎng)絡(luò)自主定位系統(tǒng)中，為了更加精確獲得待測目標(biāo)的位置信息就需要獲得大量的節(jié)點(diǎn)位置信息，我們可以通過采用碼分多址的方式對節(jié)點(diǎn)的定位信息進(jìn)行編碼來擴(kuò)充節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。如何將有限的通信資源在多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行有效的切割與分配，并且在保證多節(jié)點(diǎn)之間通信質(zhì)量的同時(shí)盡可能地降低系統(tǒng)的復(fù)雜度并獲得較高系統(tǒng)的容量是對信號(hào)進(jìn)行編碼方式研究的實(shí)質(zhì)。本文使用的就是基于碼分多址的信號(hào)編碼方式，該編碼方式是指不同節(jié)點(diǎn)傳輸信息所用的信號(hào)，用各自不同的編碼序列來區(qū)分，即靠信號(hào)的不同波形來區(qū)分。在接收端通過將信息信號(hào)進(jìn)行有效提取，得出使用預(yù)定碼型的信號(hào)。因?yàn)樵谠撃Ｊ较碌男盘?hào)編碼方式的時(shí)間和頻率利用率都很高，且編碼序列豐富，所以系統(tǒng)容量很大。從而使得節(jié)點(diǎn)數(shù)量得到擴(kuò)充，定位精度得到提高。

1 編碼方式——碼分多址

水下傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)工作于水下，功耗要低，否則不能完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)，為了保證節(jié)點(diǎn)位置信息的實(shí)時(shí)性和降低定位信息電路工作模塊的功耗，我們對于定位信息的發(fā)射要實(shí)行間歇式發(fā)射，即每隔一定的時(shí)間發(fā)送一組定位信息。聲音在水底下的傳播速度一般認(rèn)為是1500m/s，考慮到工作水域范圍（200m×200m），設(shè)置為每隔100ms發(fā)送一組定位信息。

定位信號(hào)實(shí)現(xiàn)主要依靠FPGA芯片和D/A轉(zhuǎn)換芯片來實(shí)現(xiàn)（見圖1）。FPGA主要是為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)的數(shù)字部分，D/A芯片通過數(shù)模轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)定位信號(hào)波形。利用VHDL實(shí)現(xiàn)的程序主要有分頻電路模塊，M序列發(fā)生模塊（見圖2），正弦波產(chǎn)生模塊，ASK調(diào)制模塊。

圖1 設(shè)計(jì)原理圖

圖2 M序列產(chǎn)生框圖

1.1 分頻電路

整個(gè)程序電路模塊的時(shí)鐘控制是利用8M晶振的分頻電路實(shí)現(xiàn)M序列和正弦波發(fā)生電路的時(shí)鐘輸入。對M序列時(shí)鐘電路輸送的時(shí)鐘是產(chǎn)生定位信息傳送的數(shù)據(jù)率。對于正弦波發(fā)生電路來說，時(shí)鐘輸入就是其采樣頻率。采樣頻率決定了載波的頻率，時(shí)鐘輸入是整個(gè)電路設(shè)計(jì)的同步輸入，整個(gè)電路的輸出只要利用一個(gè)控制輸入就可以控制，因此可以大大降低電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。

1.2 M序列發(fā)生電路

為了使任意兩個(gè)信號(hào)不容易混淆，相互之間不易發(fā)生干擾和誤判，在對節(jié)點(diǎn)位置信息進(jìn)行編碼的過程中要求各種信號(hào)之間的差別性越大越好。傳輸信息的理想形式應(yīng)是類似于白噪聲的隨機(jī)信號(hào)，因?yàn)槿∪魏螘r(shí)間段上不同的兩段噪聲來比較都不會(huì)完全相似，若能用它們來代表兩種信號(hào)，其差別性就最大。選址通信要求各個(gè)信號(hào)間必須正交或準(zhǔn)正交，這種理想的情況在工程中是不能實(shí)現(xiàn)的。偽隨機(jī)噪聲PN(Pseudo-Noise)具有類似于隨機(jī)噪聲的某些統(tǒng)計(jì)特性，同時(shí)又能夠重復(fù)產(chǎn)生。而且它具有隨機(jī)噪聲的優(yōu)點(diǎn)，又避免了隨機(jī)噪聲的缺點(diǎn)。

本硬件程序設(shè)計(jì)的核心部分是M序列發(fā)生模塊，對于定位信號(hào)而言，不同節(jié)點(diǎn)的位置信息需要不同的M序列代表，節(jié)點(diǎn)位置信息的數(shù)據(jù)傳送率由時(shí)鐘決定。在整個(gè)水下自主定位系統(tǒng)中，需要利用30個(gè)水下傳感器，由數(shù)學(xué)計(jì)算，必須選用五級(jí)移位寄存器來寄存本設(shè)計(jì)中產(chǎn)生的是32個(gè)31位的M序列編碼，不同的M序列代表不同的基站位置。

1.3 正弦波發(fā)生電路

定位信號(hào)要通過載波調(diào)制發(fā)射出去，載波工作頻率的選擇是根據(jù)介質(zhì)的傳播條件、環(huán)境、目標(biāo)特性及指向性要求等因素來綜合確定的。通常來說，主要是根據(jù)定位系統(tǒng)的工作范圍來確定工作頻率，如何最大限度的增大定位系統(tǒng)的作用距離就成為工作頻率的主要標(biāo)準(zhǔn)。圍繞這一標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)被動(dòng)聲納方程SL-TL=NL-DI2+DT(式中，SL：聲源級(jí)；TL：傳播損失；NL：噪聲級(jí)；DI2 :接收指向性系數(shù)；DT:檢測閥值)，工作頻率f0同聲源級(jí)SL，噪聲級(jí)NL，接收指向性系數(shù)DIR及檢測閾值DT有關(guān)。取衰減系數(shù) = 0.01f2dB/km或 = 0.036f3/2dB/km，則分別有:

作用距離隨著工作頻率的降低逐漸增大。自主定位系統(tǒng)工作范圍200m水域范圍，選用10kHz的工作頻率，從圖3中可以看出作用距離大約在5km左右，滿足本系統(tǒng)的工作范圍(200m)。

圖3 工作頻率與作用距離的關(guān)系

正弦波發(fā)生電路模塊產(chǎn)生M序列的載波信號(hào)，本設(shè)計(jì)中采用的是500kHz的采樣率，也就是本電路模塊的時(shí)鐘輸入。所用傳感器的工作頻率在10kHz附近。為了獲得最好的信號(hào)波形，選用10kHz正弦波進(jìn)行調(diào)制。這就需要產(chǎn)生正弦波。在本電路模塊的設(shè)計(jì)中，利用正弦波查找表實(shí)現(xiàn)：總共有以下幾個(gè)步驟來實(shí)現(xiàn)：1)確定每周期的采樣點(diǎn)數(shù)。本系統(tǒng)中，每周期分為50個(gè)相位點(diǎn)，即有50個(gè)采樣點(diǎn)。所以設(shè)置正弦波的頻率是10kHz.2）計(jì)算各個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)值，這些數(shù)值已經(jīng)計(jì)算出來。3）歸一化處理。就是將計(jì)算得到的數(shù)值值域轉(zhuǎn)化為[0,1]，以方便轉(zhuǎn)化為DAC對應(yīng)的數(shù)值。4）將歸一化的數(shù)值轉(zhuǎn)化為DAC所對應(yīng)的數(shù)值。8為DAC的輸出值最高為255，所以只需將3）中得到的數(shù)值乘以255即可。通過用采樣電路進(jìn)行控制，可以調(diào)節(jié)正弦波的周期，實(shí)現(xiàn)不同頻率的正弦波；通過調(diào)節(jié)幅度，實(shí)現(xiàn)不同幅度的正弦波產(chǎn)生。

Vhdl程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

圖4 vhdl程序設(shè)計(jì)流程圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

由定位信號(hào)模塊輸出定位信號(hào)寬度為24.5M，M序列碼元寬度為0.8M，共31個(gè)碼元組成一組M序列。每個(gè)碼元周期內(nèi)以8個(gè)載波為10kHz正弦波調(diào)制。

試驗(yàn)所用發(fā)射換能器的(水聲器)的中心頻率為11.5kHz，頻帶寬度為8.5kHz，輸出功率≥10W；接收換能器(水聽器)頻率響為2-20kHz，所用數(shù)據(jù)采集卡采集頻率為50kHz，用MATLAB軟件將數(shù)據(jù)恢復(fù)，所得一個(gè)節(jié)點(diǎn)的定位信息如圖5所示。通過時(shí)域與頻域分析可以看出，由于水下通信多徑干擾造成信號(hào)衰落和碼間串?dāng)_，時(shí)域表現(xiàn)為在一個(gè)碼元周期內(nèi)多于8個(gè)正弦波，頻域里除了10kHz信號(hào)之外還存在著9k～11k區(qū)域之間的諧波信號(hào)；如果存在多個(gè)節(jié)點(diǎn)，它們之間還有還存在碼間干擾的問題，如何進(jìn)行不同節(jié)點(diǎn)之間的信號(hào)分離，對信息進(jìn)行解碼，有效獲取定位信息就成為確定節(jié)點(diǎn)位置的關(guān)鍵。

圖5 定位信息傅里葉變換

3 結(jié)論

水下定位的成敗取決與水聲定位信號(hào)的優(yōu)劣，取決與其信號(hào)的穩(wěn)定性和獲取技術(shù)。文章介紹了一種基于碼分多址的水下定位信號(hào)技術(shù)。該設(shè)計(jì)簡單,較大的降低了功耗,較容易的實(shí)現(xiàn)了定位信息的發(fā)射，可靠性高,能夠很方便的應(yīng)用到多個(gè)基站。經(jīng)過試驗(yàn)檢測，該信號(hào)設(shè)計(jì)方法簡單可靠，能夠很好的滿足水下定位信號(hào)的發(fā)射要求。

[1]吳永亭,周興華,楊龍.水下聲學(xué)定位系統(tǒng)及其應(yīng)用[J].海洋測繪,2003,23(4):18-21.

[2]龐雷.高精度水下定位系統(tǒng)[D].西安：西北工業(yè)大學(xué),2007.

[3]林可祥.偽隨機(jī)碼的原理與應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社,1978.

[4]游遠(yuǎn)新.GPS技術(shù)在海洋測繪中的應(yīng)用[J].福建水產(chǎn),2006(4):61-62.

[5]“863”計(jì)劃“水下GPS高精度定位系統(tǒng)”課題組.我國首套水下GPS高精度定位導(dǎo)航系統(tǒng)簡介[J].中國水利,2004(3):52-53.

[6]杜坤坤.水聲信號(hào)編碼與傳輸特性研究[D].太原:中北大學(xué),2009.

[7]馬雯,黃建國,張群飛.用時(shí)延差編碼實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程水聲通信[J].電訊技術(shù),2002(4):70-72.

[8]王瑜,王輝,相敬林.時(shí)頻編碼水聲通信技術(shù)及性能分析[J].西北工業(yè)大學(xué)報(bào),2004,10(22):45-49.