趙蓉 蔡果佑

【摘要】 本研究設計了一款基于中頻數(shù)字化無線傳輸技術(shù)的中長波水下無線通信機。該設備通過使用中長波500KHz電磁波為傳輸媒介來實現(xiàn)水下無線通信，主要由發(fā)射機系統(tǒng)和接收機系統(tǒng)兩部分組成。

【關(guān)鍵詞】 中長波 水下 無線通信機 發(fā)射機 接收機

一、前言

水下無線通信（underwater wireless communication），是指在水下對文字、數(shù)據(jù)、圖像等信息進行無線傳遞的通信技術(shù)[1]，在軍事和民用中都起著至關(guān)重要的作用。目前，水下無線通信主要分成三類，即水下電磁波通信、水聲通信和水下量子通信[2]。其中，水下電磁波通信研究較早，不易受水文條件影響，通信較為穩(wěn)定，但由于水介質(zhì)對電磁波具有較強的衰減作用而使其功效受到限制。中長波通信[3]則通過使用中長波波段電磁波為傳輸媒介，利用中長波受地形地物影響小、衰減慢、通信距離遠的特點，從而對電磁波通信受水介質(zhì)衰減作用而不穩(wěn)定的情況實現(xiàn)了改善。本研究設計了一款基于中頻數(shù)字化無線傳輸技術(shù)的中長波水下無線通信機。該設備通過使用中長波500 KHz電磁波為傳輸媒介來實現(xiàn)水下無線通信，系統(tǒng)方案設計如下。

二、系統(tǒng)方案設計

2.1 調(diào)制方式選擇

通過對2PSK、2DPSK、2ASK以及2FSK系統(tǒng)幾種常用的數(shù)字調(diào)制方式不同方面進行比較。2PSK系統(tǒng)寬帶占用較小，抗加性白噪聲性能較好，誤碼率較低，因而數(shù)字調(diào)制方式選擇2PSK系統(tǒng)?？紤]到同一種數(shù)字調(diào)制方式，采用相干解調(diào)方式的誤碼率要比采用非相干解調(diào)方式的誤碼率更低，因而解調(diào)方式選擇相干解調(diào)。

2.2 水下天線選擇

發(fā)射機產(chǎn)生的電信號經(jīng)由發(fā)射天線向空間介質(zhì)傳播，而接收天線則能接收空間傳播的電磁波繼而轉(zhuǎn)化為電信號傳入接收機，可見天線性能的好壞對整個通信系統(tǒng)信息的收發(fā)和質(zhì)量至關(guān)重要。本研究使用了適于水下傳輸?shù)腁N-100德生收音機天線系列中波環(huán)形天線。發(fā)射端天線兩端與307 pF電容釆用并聯(lián)諧振模式[4]。

三、系統(tǒng)設計

3.1發(fā)射機系統(tǒng)設計

發(fā)射機結(jié)構(gòu)設計，發(fā)射機上位機將數(shù)據(jù)信息經(jīng)由串口傳出，數(shù)字信號由Xilinx公司的Spartan3AN系列芯片F(xiàn)PGA進行處理，F(xiàn)PGA的串口模塊接收后，在FPGA內(nèi)部完成數(shù)字擴頻信道編碼和串行擴頻數(shù)據(jù)的BPSK數(shù)字調(diào)制，通過串轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換并行數(shù)據(jù)為串行數(shù)據(jù)，繼而通過擴頻調(diào)制以產(chǎn)生較高速率的基帶信號，再與DDS IP CORE產(chǎn)生的正弦載波進行BPSK調(diào)制，鍵控方式產(chǎn)生頻帶信號。使用8 bit的TLC5602CDW型號DA轉(zhuǎn)換芯片對調(diào)制信息進行DA轉(zhuǎn)換，再通過RC無源低通濾波器對雜波進行濾除，然后將模擬信號送到LTC1992芯片進行單端轉(zhuǎn)差分變換，最后經(jīng)由PA85芯片對信號進行放大，通過德生AN-100環(huán)形天線發(fā)射到水中。

3.2接收機系統(tǒng)設計

接收機結(jié)構(gòu)設計，水下環(huán)形天線采用并聯(lián)諧振模式接收水下中長波電磁信號，并聯(lián)諧振回路在選頻的同時起初級帶通濾波作用。數(shù)據(jù)信號傳入接收機電路板，并通過76dB一級的調(diào)諧中頻電路加以放大，輸出端調(diào)諧至500 KHz后，通過AD轉(zhuǎn)換芯片傳輸模擬信號至FPGA引腳，在FPGA內(nèi)完成中頻至基帶信號的解調(diào)以及解擴。使用本地IP核產(chǎn)生的500KHZ正線載波與接收數(shù)據(jù)進行BPSK差分相干解調(diào)，解調(diào)后的基帶信號傳輸至解擴模塊，在解擴模塊對m序列進行跟蹤、捕獲，再與本地產(chǎn)生的同步m序列進行擴頻解擴，解擴后的基帶信號在位同步時鐘的控制下進行數(shù)字信息“0”、“1”判決，最后數(shù)字信息通過接收機的串口轉(zhuǎn)換上傳至上位機，完成信息接收工作。

四、結(jié)論

中長波水下無線通信對近距離水下通信技術(shù)的發(fā)展具有巨大潛力。相比其他水下無線通信技術(shù)，中長波無線電通信技術(shù)抗干擾能力強、通信頻率高、功耗低、安全系數(shù)高[5]。實際檢測中，中長波水下無線通信機可能會面臨數(shù)據(jù)靈敏度不高、傳輸速率受限等不足，還有待進一步改善。此外，增加發(fā)射天線等效帶寬、提高發(fā)射天線的輻射效率[6]，有利于在增加輻射場強和提高傳輸速率；微弱信號放大技術(shù)和檢測技術(shù)的應用有利于對內(nèi)部和外部的噪聲干擾進行更好的處理；優(yōu)化編譯碼技術(shù)和調(diào)制解調(diào)技術(shù)則有利于提高接收機的可靠性和靈敏度。這些方面都是中長波水下無線通信機值得注意和改善的關(guān)鍵。

參 考 文 獻

[1]石海平， 鄧小濤. 中長波通信抗干擾新技術(shù)探討[J]. 通信對抗， 2007（4）：52-55.

[2]王毅凡， 周密， 宋志慧. 水下無線通信技術(shù)發(fā)展研究[J]. 通信技術(shù)， 2014， 47（6）： 589-594.

[3]夏維華， 王一璐. 潛艇通信系統(tǒng)綜述[J]. 計算機與網(wǎng)絡， 2002（17）：55-57.

[4]王樹本. 高頻電子線路原理[M]. 大連：大連理工大學出版社，2004.

[5]畢毅， 王波， 李和平. 水下自航模型無線長波遙控系統(tǒng)[J]. 船舶工程， 2002 （6）： 72-74.

[6]李卉云. 中波廣播發(fā)射天線的原理[J]. 硅谷， 2010， 15： 048.