朱耘佳，施慧彬

(1.南京航空航天大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京 211106；2.江蘇省軟件新技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化協(xié)同創(chuàng)新中心)

基于跳頻和同步捕獲技術(shù)的水下無線通信技術(shù)研究

朱耘佳1,2，施慧彬1,2

(1.南京航空航天大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京 211106；2.江蘇省軟件新技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化協(xié)同創(chuàng)新中心)

本文所闡述的水下無線技術(shù)即基于跳頻技術(shù)和同步捕獲技術(shù)的水聲通信，由于聲波在海水中的傳播特性顯著優(yōu)越于電磁波和可見光，使得水聲技術(shù)成為海洋高技術(shù)的主要研究領(lǐng)域之一 ，在國防領(lǐng)域也具有十分重要的研究意義。本文主要論述了水聲通信中跳頻技術(shù)和同步捕獲技術(shù)的原理、具體算法的實現(xiàn)方案以及部分硬件設(shè)施的使用簡述，并通過展示實驗結(jié)果驗證算法的可行性。

水聲通信；FHSS；同步捕獲；STM32F407

引 言

當(dāng)今世界，通信是發(fā)展非常迅速的行業(yè)之一。Internet網(wǎng)和移動通信網(wǎng)日臻完善，而海中通信的發(fā)展剛剛嶄露頭角。有纜方式的信息傳輸由于目標(biāo)活動范圍受限制、通信纜道的安裝和維護費用高昂以及對其他海洋活動可能存在影響等缺點，極大地限制了它在海洋環(huán)境中的應(yīng)用。另外由于在海水中，光波、電磁波的傳播衰減都非常大,導(dǎo)致其在海水中的傳播距離十分有限，遠(yuǎn)不能滿足人類海洋活動的需要，因此采用聲波作為信息傳送的載體是目前海洋中實現(xiàn)中、遠(yuǎn)距離無線通信的唯一手段。而隨著海洋通信逐漸占據(jù)重要地位，網(wǎng)絡(luò)化的水聲通信也將在海洋軍事或民用領(lǐng)域發(fā)揮極大作用，所以對高可靠性的高速率的水聲通信的研究極為重要。

目前水聲通信技術(shù)發(fā)展已經(jīng)相對成熟，國外很多機構(gòu)都已研制出水聲通信Modem，通信方式目前主要有正交頻分復(fù)用技術(shù)、擴頻以及其他的一些調(diào)制方式。目前在水聲通信領(lǐng)域，廈門大學(xué)以許克平教授為首的課題組出色地完成了國家交給的863項目，已經(jīng)成功實現(xiàn)了在10公里之內(nèi)水下信號相互清晰地傳遞，達(dá)到實用要求。目前國際上水聲通信技術(shù)正處于網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展階段，但該方面的研究及應(yīng)用并沒有得到快速的發(fā)展，只有少數(shù)國家試驗成功。本研究方案即通過水聲通信實現(xiàn)水下無線通信，為網(wǎng)絡(luò)化的水聲通信打下堅實基礎(chǔ)。

1 實現(xiàn)方案

整個水聲通信過程主要分為發(fā)送方和接收方兩部分。發(fā)送方先通過溫度傳感器收集所需水域的溫度信息，微控制器對接收到的數(shù)字信號進行跳頻處理，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后再經(jīng)過水聲換能器將其轉(zhuǎn)換為聲信號，在水下傳遞給接收端，其主要技術(shù)核心為跳頻技術(shù)的實現(xiàn)。接收方的換能器首先將收到的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，微控制器控制帶通濾波器完成同步捕獲過程，獲得當(dāng)前所需頻率的信號后，將相應(yīng)信號轉(zhuǎn)變?yōu)樗铚囟刃畔@示在顯示器上，接收端的主要技術(shù)核心為同步捕獲技術(shù)的實現(xiàn)。具體流程如圖1所示。

圖1 水聲通信實現(xiàn)流程圖

本次研究中使用的主要硬件為DYSTM32F4高頻開發(fā)板和80K水聲換能器。DYSTM32F4 高頻超聲波開發(fā)板基于 STM32F407VGT6微控制器，包括一個板載JLINK接口、2 路LED、3 路獨立按鍵、LCD12864顯示接口、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、UART 異步串行口+MAX232 電平轉(zhuǎn)換芯片、溫度傳感器MF58 接口等。STM32F407VGT6微控制器基于ARM Cortex-M4 內(nèi)核，32位 MCU，帶有FPU單元，有210 DMIPS，多達(dá)1 MB FLASH/192+4 KB RAM，17 個定時器，3個ADC，15個通信接口和一個攝像接口。

2 跳頻技術(shù)實現(xiàn)方案

2.1 跳頻技術(shù)概述

跳頻是常用的擴頻方式之一，其工作原理是指收發(fā)雙方傳輸信號的載波頻率按照預(yù)定規(guī)律進行離散變化的通信方式，也就是說，通信中使用的載波頻率受偽隨機變化碼的控制而隨機跳變。在發(fā)送端主要使用了跳頻技術(shù)來保證傳送信息的安全性和隱蔽性。

2.2 實現(xiàn)原理

根據(jù)潛水換能器帶寬和水聲通信的工作環(huán)境將信道資源劃為 8 個跳頻組Fij(i=0,1,2,…，7),每組分配 4 個頻率(j=0,1,2,3)，相鄰頻點的間隔為250 Hz，每個頻率會根據(jù)單片機外部晶振所提供的固定頻率計算出一個初值，規(guī)定跳頻圖案F0～F7的順序循環(huán)(見圖2)。當(dāng)信號到達(dá)單片機時，將信號兩位為一組，根據(jù)跳頻圖案找到這兩位所在的跳頻組，并根據(jù)這兩位信息確定是該組的某一個分頻數(shù)。根據(jù)所得初值利用STM32內(nèi)部計數(shù)器將相應(yīng)的信號經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器處理得出對應(yīng)頻率信號，經(jīng)過潛水換能器發(fā)送聲信號。圖2和表1分別給出了發(fā)送端的跳頻圖案和頻率分組情況。

圖2 跳頻圖案

表1 發(fā)射跳變頻率與分頻數(shù)關(guān)系表

發(fā)送端單片機程序流程圖如圖3所示。

圖3 跳頻程序流程圖

3 同步捕獲技術(shù)實現(xiàn)方案

3.1 同步捕獲技術(shù)概述

擴頻通信接收系統(tǒng)為了恢復(fù)發(fā)送信息，必須對經(jīng)過下變頻后的基帶信號進行同步捕獲，同步技術(shù)是任何一種通信技術(shù)都需要解決的實際問題，其性能關(guān)系到整個通信系統(tǒng)的性能。

3.2 實現(xiàn)原理

接收端水下?lián)Q能器在將聲信號轉(zhuǎn)換為模擬信號后，應(yīng)經(jīng)過前置放大和幅度均衡過程，以便后續(xù)電路處理，但本次研究中所使用的硬件已完成該方面工作，在此就不多做贅述。

當(dāng)加載側(cè)寬脈沖信號到來時，INT0 為高電平，定時器的門控信號 GATE=1,接收端單片機定時器開始計數(shù)，當(dāng) INT0 變?yōu)榈碗娖綍r，定時器停止計數(shù)，觸發(fā)外部中斷在中斷服務(wù)程序中讀取定時器的計數(shù)值 X， 此時X為脈沖信號半個周期所用的時鐘數(shù)，即可由此判斷收到的正弦波的頻率。若單片機時鐘頻率為F， 則可算出對應(yīng)的發(fā)送信號的頻率F’=1/(1/F)×2X。根據(jù)跳頻與分頻數(shù)的關(guān)系可找出對應(yīng)的分頻數(shù)(可求出分頻數(shù)N=2X)，由此得出所傳輸?shù)膬晌恍畔ⅰ?/p>

單片機根據(jù)測頻的結(jié)果進行同步捕獲，將8個捕獲不同頻率段的帶通濾波器輸出端接入單片機，接收方單片機根據(jù)跳頻圖案進行搜索控制，先讓等待頻率 Fs等于跳頻組 F0的頻率范圍，單片機檢測對應(yīng)濾波器 0 送來的信號，如果檢測到頻率 F01，判斷出F01落在F0,這時接收端開始根據(jù)跳頻圖案控制匹配濾波器工作(上文已經(jīng)規(guī)定跳頻圖案以F0～F7順序遞增)，同時進行同步判定，對接收到的跳頻信號進行一個跳頻序列周期的判定，判定是否為真同步，如果判定值小于門限值，表明同步捕獲成功，本地匹配濾波器組工作就繼續(xù)下去；如果判定值大于門限值，認(rèn)為是捕捉到的信號錯誤，這時就要停止本地匹配濾波器組控制，并將等待頻率變更到上一次等待頻率的前一個頻率值上,即Fs-1，等待頻率 Fs是按照跳頻圖案變化的。接收端同步技術(shù)程序流程圖如圖4所示。

圖4 同步技術(shù)程序流程

4 實驗結(jié)果

配合80K水下聲能轉(zhuǎn)換器的工作性能，本次研究的實驗環(huán)境為直徑不小于100 cm,高約為25 cm的水池。發(fā)送端傳感器獲取水溫將數(shù)字信號通過單片機處理后，經(jīng)水下?lián)Q能器發(fā)送給接收端，接收端經(jīng)過同步捕獲可以獲得發(fā)送端所采集的水溫信息。經(jīng)過15次在不同時間的測試，接收端所得溫度與從實驗環(huán)境中直接測量所得溫度誤差基本在±1 ℃內(nèi)。表2為測量數(shù)據(jù)。

表2 測量數(shù)據(jù)

結(jié) 語

本次研究實現(xiàn)了基于跳頻通信技術(shù)和同步捕獲技術(shù)的水聲通信系統(tǒng)，保證了信息通信的安全性，運用在軍事領(lǐng)域可以有效保障通信的隱蔽性。在實際的系統(tǒng)實踐中，改進并簡化了同步捕獲算法，降低了單片機的計算量，一定程度上提高了數(shù)據(jù)處理的效率。合理利用STM32綜合開發(fā)板使整個開發(fā)過程更加順利，但本方案依舊有以下幾點需要改進：①采用單片機進行整數(shù)分頻，傳輸效率較低，還未達(dá)到未來網(wǎng)絡(luò)化的水聲通信技術(shù)中對高速率傳輸?shù)囊螅虎谕ㄐ诺目煽啃赃€可以進一步加強，實踐中發(fā)現(xiàn)此方案的誤碼率偏高，且跳頻過程中出現(xiàn)的邏輯錯誤也會導(dǎo)致獲取信息有偏差，可以嘗試差錯控制技術(shù);③經(jīng)過水聲通信獲得的溫度數(shù)據(jù)都只保留了整數(shù)部分，應(yīng)該進一步排查是溫度傳感器本身精度問題還是系統(tǒng)算法仍需優(yōu)化導(dǎo)致的問題。

致 謝

[1] 陳東升.水聲信道抗多途跳頻通信中同步技術(shù)的研究[D].廈門:廈門大學(xué),2002.

[2] 彭新河.基于DSP的高速水下通信技術(shù)的研究與實現(xiàn)[D].秦皇島:燕山大學(xué),2013.

[3] 張豐偉.水下無線中長波通信機的設(shè)計與實現(xiàn)[D].大連:大連理工大學(xué),2013.

[4] 許肖梅.水聲通信與水聲網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展與應(yīng)用[D].廈門:廈門大學(xué),2009.

[5] 朱永建,徐鵬飛.水聲通信網(wǎng)的研究進展及其應(yīng)用[D].蘇州:海軍駐蘇州地區(qū)通信軍事代表室,2012.

[6] 馮若.超聲手冊[M].南京:南京大學(xué)出版社,1999:37-52.

[7] 安布雷拉公司.RM0008 Reference Manual,2010.

朱耘佳，主要研究方向為物聯(lián)網(wǎng)工程；施慧彬(副教授)，主要研究方向為計算機體系結(jié)構(gòu)、可重構(gòu)計算、基于GPU及FPGA的計算加速、生物信息處理、嵌入式系統(tǒng)、SoPC設(shè)計等。

Socionext新款嵌入式芯片采用Imagination PowerVR Series8XE GPU

Imagination Technologies 宣布，Socionext公司出的新款 SC1810 系統(tǒng)單芯片 (SoC) 采用 PowerVR Series8XE GPU，以實現(xiàn)創(chuàng)新、高效率的圖形功能。Socionext 公司是視頻與圖像系統(tǒng)的先進 SoC 技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者。SC1810 瞄準(zhǔn)嵌入式圖形工業(yè)與汽車應(yīng)用，包括要求嚴(yán)格、以攝影機為基礎(chǔ)的駕駛信息系統(tǒng)、集簇以及先進的信息顯示器，例如抬頭數(shù)字顯示器 (HUD)、乘客顯示器或后座娛樂系統(tǒng)等。

無論從車載圖形的特性還是性能來看，SC1810 都代表了進一步的演進，而 Socionext 在此領(lǐng)域中擁有非常優(yōu)異的業(yè)界成績。與 Socionext 先前的產(chǎn)品相比，除了高分辨率的 PowerVR 圖形功能實現(xiàn)了顯著的3D圖像處理性能的提升之外，新款的四核 SoC 能夠處理六個通道的Full HD視頻信息輸入、以及三個通道的 Full HD 顯示輸出。SC1810 還能提供多種 H.264 解碼與編碼內(nèi)核，可同步處理不同的攝影機圖像，并支持環(huán)繞影像、電子鏡 (electrical mirror) 或行車記錄儀等這些正日益受到歡迎的應(yīng)用。

Imagination的 Series8XE GPU 能以最小的芯片占位面積與功耗預(yù)算提供最佳的單位面積性能，并包含了多項先進特性，可支持最新的 API，包括 OpenGL ES 3.2 和 Vulkan 1.0。PowerVR GPU 的性能可使 Socionext 的 CGI Studio 3.0 更具強大功能，這是一套混合式2D和3D圖形界面用的軟件開發(fā)平臺。

Socionext公司 IOT 與圖形解決方案事業(yè)部資深總監(jiān) Markus Mierse 表示：“我們的新款 SC1810 芯片組是我們?nèi)找鎵汛蟮膱D形處理器產(chǎn)品中的一員，運用了我們強大的工程專業(yè)技術(shù)與尖端科技，可滿足最嚴(yán)格的嵌入式應(yīng)用需求，并可為各種工業(yè)應(yīng)用提供所需的強大特性與長使用壽命。PowerVR GPU 在性能、效率與特性等方面表現(xiàn)優(yōu)異。PowerVR 與我們的 Socionext 2D ‘SEERIS’ 圖形架構(gòu)的結(jié)合，將能為家庭、工業(yè)以及汽車系統(tǒng)提供一套非常有效的解決方案?！?/p>

Imagination公司 PowerVR 產(chǎn)品與技術(shù)營銷資深總監(jiān) Chris Longstaff 表示：“隨著汽車行業(yè)持續(xù)經(jīng)歷重大的變革，并通過采用更多的電子元件來提供更安全的聯(lián)網(wǎng)與娛樂體驗，PowerVR 已逐漸成為汽車應(yīng)用GPU 技術(shù)的首選。Socionext 是 Imagination 創(chuàng)新、且深具價值的合作伙伴，我們很高興能與他們合作，確保內(nèi)置于其系統(tǒng)中的 PowerVR GPU 可提供最佳的消費者體驗?！?/p>

Underwater Wireless Communication Technology Research Based on FHSS Synchronization Acquisition Technique

Zhu Yunjia1，2,Shi Huibin1,2

(1.College of Computer Science and Technology,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 211106,China;2.Collaborative Innovation Center of Novel Software Technology and Industrialization of Jiangsu Province)

The paper has elaborated the implementation of underwater acoustic communication based on Frequency-Hopping Spread Spectrum(FHSS) and synchronization acquisition technique.Due to the significant superiority of acoustic wave propagation in seawater,the underwater acoustic technology has become one of the main research areas of marine high technology.And it has important research significance in the field of national defense too.In the paper,the principle of FHSS and synchronous acquisition technique in underwater acoustic communication,implementation of the specific algorithm and the use of several main hardware facilities are introduced.Finally,the feasibility of the algorithm is verified by the experimental results.

underwater acoustic communication;FHSS;synchronization acquisition technique;STM32F407

TP277

A

士然

2016-12-16)