趙德勝 梁文磊 陳勵(lì)軍

(1.92932部隊(duì) 湛江 524016)(2.東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 南京 210096)

基于PXI平臺(tái)的水聲通信節(jié)點(diǎn)研究*

趙德勝1梁文磊2陳勵(lì)軍2

(1.92932部隊(duì) 湛江 524016)(2.東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 南京 210096)

論文利用韋弗法實(shí)現(xiàn)單邊帶調(diào)制,并且使用幅頻分傳技術(shù)改善通信質(zhì)量。對所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行了仿真建模和數(shù)值計(jì)算,在此基礎(chǔ)上搭建了基于NI PXI FPGA平臺(tái)和LabVIEW軟件開發(fā)平臺(tái)的水下通信節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)。通過水池實(shí)驗(yàn)對系統(tǒng)的性能進(jìn)行了分析。結(jié)果表明基于PXI平臺(tái)的水聲通信節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)靈活,性能穩(wěn)定,具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

PXI平臺(tái); 模擬水聲通信; 韋弗法; 幅頻分傳

Class Number TN929.3

1 引言

水下語音通信在海洋科考和國防軍事等諸多方面有著廣泛用途[1],尤其隨著我國經(jīng)濟(jì)科技發(fā)展,經(jīng)營海洋已經(jīng)成為一個(gè)重要的著力點(diǎn)。水聲通信的性能主要受復(fù)雜時(shí)變空變信道的傳播損失、多途干擾和隨機(jī)起伏等方面的影響[2],因此水聲通信也就成為一種與電磁通信技術(shù)有極大差異的特殊通信技術(shù)。作為水聲通信領(lǐng)域最早應(yīng)用的通信方式之一,單邊帶(SSB)通信已經(jīng)發(fā)展成為一種成熟的水聲通信方式,并且被廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的模擬單邊帶系統(tǒng)對模擬器件的性能要求較高,靈活性差,不易調(diào)試[3]。隨著現(xiàn)在數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展,通過軟件無線電技術(shù)實(shí)現(xiàn)的單邊帶通信系統(tǒng)將更能適應(yīng)水聲信道的復(fù)雜多變。

本文介紹一種基于軟件無線電思想[4],在NI PXI信號(hào)處理平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的數(shù)字單邊帶水聲通信節(jié)點(diǎn)。其中單邊帶調(diào)制用韋弗法實(shí)現(xiàn),并且通過幅頻分傳技術(shù)來改善通信質(zhì)量。關(guān)鍵的信號(hào)處理和調(diào)制解調(diào)等環(huán)節(jié)均通過LabVIEW軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn),充分發(fā)揮了軟件無線電的靈活性、開放性和快速可配置性。

2 單邊帶通信節(jié)點(diǎn)模型及分析

2.1 通信節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)模型

數(shù)字單邊帶水聲通信就是將語音信息從信源通過信道傳遞給信宿的過程。首先是將自然語音輸入轉(zhuǎn)換為電信號(hào),經(jīng)過處理后將該電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲信號(hào)發(fā)送到水中,以聲波為載體通過水聲信道傳播到信宿接收端,接收端將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后經(jīng)過相關(guān)的處理,還原成自然語音信息提供給接收者。這一過程如圖1的水聲通信系統(tǒng)模型所示。

圖1 數(shù)字單邊帶水聲通信系統(tǒng)模型

圖1中各部分功能簡述如下:

1) 發(fā)射部分

首先通過麥克風(fēng)等將語音消息轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號(hào)。然后通過發(fā)射信號(hào)處理部分對信源傳遞過來的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行通帶濾波,保留傳遞有效信息所需的語音信號(hào),濾除帶外冗余和噪聲。通過數(shù)字單邊帶調(diào)制技術(shù)將數(shù)字語音信號(hào)搬移到適于在水聲信道中傳播的頻帶上。最后通過發(fā)射換能器將經(jīng)過調(diào)制的信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)發(fā)射到水中,進(jìn)行傳播。

2) 水聲信道

水聲信道是指能夠傳播聲音信號(hào)的水下物理媒質(zhì),從而使發(fā)射端的信號(hào)到達(dá)接收端。同時(shí),水聲信道的時(shí)變、空變、頻變以及多徑特性也將對接收信號(hào)引入干擾和噪聲[5]。

3) 接收部分

接收端首先通過接收水聽器,將接收到的聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并經(jīng)過放大、A/D變換和數(shù)字濾波處理后,再通過數(shù)字單邊帶解調(diào)技術(shù)將接收信號(hào)搬移到原始語音信號(hào)頻帶上。最后通過揚(yáng)聲器等輸出。

2.2 數(shù)字單邊帶調(diào)制解調(diào)

基帶信號(hào)對載波進(jìn)行幅度調(diào)制后,輸出信號(hào)頻譜包括載頻、上邊帶、下邊帶三部分,而實(shí)際上傳輸一個(gè)邊帶的信號(hào)即可保留全部信息。因此僅僅傳輸一個(gè)邊帶的單邊帶通信(SSB)就能節(jié)省發(fā)射功率和信道帶寬,而后者在水聲通信中極具現(xiàn)實(shí)意義。

本文選擇利用相位關(guān)系的韋弗法來實(shí)現(xiàn)單邊帶調(diào)制解調(diào)。以下將就韋弗法調(diào)制過程進(jìn)行介紹,解調(diào)為調(diào)制的逆過程,不再贅述[6]。

首先利用一對頻率在基帶信號(hào)邊帶正中間的正交預(yù)載波與基帶信號(hào)相乘,折疊下邊帶,再通過低通濾波器將上邊帶濾除。然后通過一對二級(jí)正交載波將頻譜搬移到所需的頻帶上,兩路信號(hào)相加即可得在載波頻帶上的單邊帶調(diào)制信號(hào)。調(diào)制過程如圖2所示。

圖2 韋弗法單邊帶調(diào)制

如圖2所示,假設(shè)輸入語音基帶信號(hào)是一個(gè)單頻信號(hào):f(t)=V0cosω0t,并且假設(shè)ωm為語音信號(hào)的最高頻率。

輸入信號(hào)與正交預(yù)載波調(diào)制得:

(1)

(2)

經(jīng)過低通濾波保留下邊帶:

(3)

(4)

經(jīng)過二級(jí)正交載波調(diào)制后:

(5)

(6)

兩者相加后,即得保留上邊帶的單邊帶信號(hào):

(7)

韋弗法單邊帶調(diào)制解調(diào)的關(guān)鍵是在低通濾波后需要進(jìn)行數(shù)字內(nèi)插-抽取處理[6]。這是由于通?；鶐盘?hào)比載波信號(hào)的頻帶低得多,兩者的采樣率也會(huì)相差很大。因此在預(yù)載波調(diào)制并且低通濾波后需要通過內(nèi)插來提升信號(hào)采樣率,從而實(shí)現(xiàn)將信號(hào)調(diào)制到較高頻帶上的目的。同樣的,接收解調(diào)時(shí),需要相應(yīng)的抽取來降低采樣率到適合基帶信號(hào)的范圍內(nèi)。

2.3 幅頻分傳技術(shù)

雖然單邊帶通信已經(jīng)能夠節(jié)約發(fā)射功率和帶寬了,但是由于水聲通信受信道環(huán)境影響非常大,實(shí)際通信質(zhì)量往往不理想,而且受客觀條件的制約也不能簡單地通過增大發(fā)射功率來解決,因此可以通過對發(fā)射信號(hào)進(jìn)一步加工來改善通信質(zhì)量。

通常在講話的過程中,聲音強(qiáng)度的起伏較大,這樣低強(qiáng)度信號(hào)就容易被噪聲淹沒,并且功率利用效率也很低。同時(shí),人耳的聽覺是非線性的,主觀上聽到的聲音并不會(huì)隨著聲音強(qiáng)度的增大而線性增大。因此可以通過振幅壓擴(kuò)技術(shù)[7]來降低信號(hào)的起伏。對調(diào)制產(chǎn)生的單邊帶信號(hào)進(jìn)行深度限幅后發(fā)射,可以提高發(fā)射功率利用率。同時(shí),限幅產(chǎn)生的諧波已經(jīng)不在使用頻帶內(nèi),因此可以通過帶通濾波來抑制諧波。

圖3 振幅壓縮信號(hào)示意圖

如圖3所示對調(diào)制載波信號(hào)進(jìn)行振幅壓縮,直接限幅后將引入諧波,如圖3(c)示,經(jīng)過通帶濾波后,可以將諧波抑制掉。同時(shí)注意到,由于損失了幅度信息,功率譜上的起伏也相應(yīng)的降低了,功率譜在通帶范圍內(nèi)也較為平滑,如右下角圖示。

限幅導(dǎo)致單邊帶信號(hào)中的幅度信息損失,可以通過專門的載波單頻信號(hào)承載幅度信息,與單邊帶信號(hào)一起發(fā)射出去,然后在接收端將幅度和頻率信息進(jìn)行還原。

圖4 幅頻分傳信號(hào)示意圖

圖4所示首先用一個(gè)單頻信號(hào)承載調(diào)制載波的幅度信息,然后將該信號(hào)包絡(luò)在0～1之間翻轉(zhuǎn),疊加到限幅的載波信號(hào)上,可以大大減少信號(hào)強(qiáng)度的起伏,同時(shí)可以保留頻率信息。

上述即為幅頻分傳的過程,采用這種方式發(fā)射信號(hào)可以提高功率利用率,同時(shí)保證語音的可懂度。

3 基于PXI平臺(tái)的通信節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)

本通信節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)采用NI公司PXI總線實(shí)時(shí)控制平臺(tái)[8]來實(shí)現(xiàn),包括基于PXI總線的可擴(kuò)展機(jī)箱PXIe-1802、PXIe-8133高性能嵌入式控制器模塊、NI FlexRio 5781 I/O適配器和FlexRio 7965R FPGA模塊,以及顯示器、鍵鼠等外接設(shè)備。

5781 I/O模塊具有兩個(gè)采樣率可達(dá)100MS/s的I/O通道,完全能夠滿足水聲通信的需求。7965R FPGA模塊包括高性能的Xilinx Virtex-5 FPGA模塊和高達(dá)512MB的板載內(nèi)存,滿足高性能數(shù)據(jù)處理需要。5781適配器與7965R FPGA模塊相結(jié)合完全能夠滿足本文所述水聲通信節(jié)點(diǎn)的性能需求。

圖5 通信節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)架構(gòu)圖示

軟件系統(tǒng)采用NI公司的LabVIEW軟件開發(fā)平臺(tái)[9],LabVIEW作為虛擬儀器(Visual Instrument,VI)圖形化開發(fā)平臺(tái),能夠簡潔方便地開發(fā)NI FPGA模塊程序和系統(tǒng)前端控制程序,編程靈活方便,實(shí)時(shí)性強(qiáng),系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

本系統(tǒng)包括對FPGA進(jìn)行映射編程的FPGA VI和上位機(jī)前端控制的Host VI兩部分。7965R FPGA主要完成具有實(shí)時(shí)性要求的信號(hào)采樣和相關(guān)的數(shù)據(jù)處理;上位機(jī)控制VI主要完成人機(jī)交互以及需要大量矩陣運(yùn)算的調(diào)制解調(diào)和相關(guān)的濾波任務(wù)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)接收和發(fā)射模塊相互獨(dú)立,因此可以方便地實(shí)現(xiàn)收發(fā)雙工模式,兩者并行獨(dú)立工作。

FPGA VI通過7965R FPGA模塊控制5781適配器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入/輸出功能。在發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí),將上位機(jī)傳輸進(jìn)來的單邊帶調(diào)制數(shù)據(jù)通過5781直接經(jīng)過功放傳送到發(fā)射換能器發(fā)射到水聲信道中。接收數(shù)據(jù)時(shí),通過5781采集經(jīng)過放大的接收換能器收到的數(shù)據(jù),在經(jīng)過RMS預(yù)觸發(fā)模塊進(jìn)行粗同步后開始接收數(shù)據(jù)傳入FPGA中,然后經(jīng)過帶通濾波處理后將數(shù)據(jù)傳入上位機(jī)進(jìn)行接收解調(diào)處理。

圖6 FPGA VI關(guān)鍵模塊

圖6所示為FPGA模塊的關(guān)鍵程序,主要包括將數(shù)據(jù)從上位機(jī)導(dǎo)入后傳入I/O口進(jìn)行發(fā)射的發(fā)射信號(hào)模塊和從I/O口接收數(shù)據(jù)的接收模塊。其中接收模塊在接收數(shù)據(jù)后將首先進(jìn)行RMS預(yù)觸發(fā)判斷,在確認(rèn)有用信號(hào)到達(dá)后才將數(shù)據(jù)傳入上位機(jī)。

上位機(jī)VI負(fù)責(zé)主要的數(shù)據(jù)處理工作。發(fā)射信息時(shí),首先通過控制麥克風(fēng)來接收語音信息的輸入,然后在LabVIEW中直接通過MatlabScript腳本[10]完成韋弗法調(diào)制,并對信號(hào)進(jìn)行幅頻分傳調(diào)整。然后將數(shù)據(jù)通過DMA通道傳入FPGA中。接收信息時(shí),接收到FPGA模塊傳來的數(shù)據(jù)后,通過MatlabScript腳本來完成幅頻分傳調(diào)整,然后進(jìn)行韋弗法解調(diào)和相關(guān)的濾波操作,最后控制揚(yáng)聲器或耳機(jī)將解調(diào)得到的接收基帶信號(hào)播放出來。

上位機(jī)VI主要包括人機(jī)交互的前面板和后臺(tái)的數(shù)據(jù)處理程序。前面板可以輸入各種控制參數(shù),并且能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)視接收到的和發(fā)射出去的數(shù)據(jù)。后臺(tái)數(shù)據(jù)處理程序承擔(dān)信號(hào)調(diào)制解調(diào)的主要工作,通過Matlab Script腳本模塊調(diào)用Matlab程序來完成數(shù)據(jù)處理工作。

4 水池實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文所述通信節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室長8m,寬5m,深5m的消聲水池進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。T54水聲換能器一對,間距4m,發(fā)射換能器深度3m,接收換能器深度2m,沿水池短邊中線布放,并且對稱于長邊中線;JYH-100功放一臺(tái);PF-1u-16FA信號(hào)調(diào)理器一臺(tái);通信信號(hào)為一段長11s左右的語音文件;PXI實(shí)時(shí)控制處理平臺(tái)及LabVIEW軟件系統(tǒng)。

通過實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn),韋弗法調(diào)制解調(diào)的效果要比同等條件下的通帶濾波法效果好,能夠在更低信噪比的條件下實(shí)現(xiàn)相同的通信效果。通過幅頻分傳技術(shù)對發(fā)射信號(hào)進(jìn)行調(diào)整后,可以在相同發(fā)射功率下獲得更好的通信效果。

以下對水池實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)片段進(jìn)行舉例分析。

圖7 發(fā)射信號(hào)片段及其功率譜

圖7所示為信源語音信號(hào)的一個(gè)片段,考慮自然語言交流所需語音頻帶范圍,對源信號(hào)進(jìn)行了帶通濾波,從而節(jié)省帶寬。經(jīng)過韋弗法兩級(jí)正交調(diào)制,得到的調(diào)制信號(hào)功率譜如圖7(c)示,可以看到該調(diào)制信號(hào)功率譜為原始信號(hào)功率譜在載波頻段的鏡像翻轉(zhuǎn)。

圖8 接收信號(hào)片段及其功率譜

如圖8所示的接收信號(hào)片段,具有較高的信噪比。雖然從接收信號(hào)時(shí)域波形包絡(luò)上看,有一定的失真,但是從解調(diào)后恢復(fù)的語音信號(hào)的功率譜上看,已經(jīng)能夠恢復(fù)較理想的頻域信息了。主要在低頻段有一定的帶外干擾,可以通過更加嚴(yán)格的數(shù)字帶通濾波來改善。

5 結(jié)語

本文介紹了一種基于PXI實(shí)時(shí)控制平臺(tái)的單邊帶水聲通信節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合FPGA模塊,可以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集和處理。實(shí)現(xiàn)了韋弗法單邊帶調(diào)制解調(diào),并且通過幅頻分傳技術(shù)改善通信效果。通過水池實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性,通過比較分析,本系統(tǒng)信息傳輸性能穩(wěn)定,可靠性強(qiáng),具有較好的實(shí)用前景。

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Underwater Acoustic Communication Node Based on the PXI Platform

ZHAO Desheng1LIANG Wenlei2CHEN Lijun2

(1. No. 92932 Troops of PLA, Zhanjiang 524016) (2. Information Science and Engineering Department, Southeast University, Nanjing 210096)

Using Weaver method to achieve single sideband modulation, use the amplitude and frequency separate transmitting technology to improve the quality of communication. The simulation modeling and numerical computation have been done for the designed system, on this basis, build the system based on NI PXI FPGA and LabVIEW. The system performance is analyzed by waterpool experiments. The results showed that the underwater acoustic communication node based on the PXI platform have flexibility design, stable performance, and application value.

PXI, simulate underwater acoustic communication, Weaver method, amplitude and frequency separate transmitting

2014年4月7日,

2014年5月26日

趙德勝,男,工程師,研究方向:通信工程。梁文磊,男,碩士研究生,研究方向:信號(hào)處理。陳勵(lì)軍,男,碩士研究生,教授,研究方向:信號(hào)處理。

TN929.3

10.3969/j.issn1672-9730.2014.10.017