基于QPSK擴頻技術的水下Modem設計

劉軍鋒， 王玉巧

(1.中船重工昆船設計研究院，云南 昆明 650236； 2.黃河科技學院，河南 鄭州 450006)

0 引 言

隨著水聲通信技術的發展，實現海洋信息觀察、海洋資源勘探與開發是當今熱點課題[1]，水下Modem是一種以海水為介質，以應答或自動的方式，實現水下Modem之間或水下Modem和水上設備之間的較遠距離無線數據傳輸[2-3]。目前，國外的水下Modem技術相當成熟，價格也偏高，國內自主研發的產品較少，市場上大部分是進口產品[4]。

正交相移鍵控(QPSK)擴頻技術[5]是一種有效的抗多途干擾、頻譜利用率高、傳輸距離遠、隱蔽可靠、被截獲概率低等優點，再結合低功耗數字處理技術，可實現遠距離長期可靠通信，采用此原理，研制了一款低功耗、低成本、高性能的水下Modem產品[6-7]。

1 主要技術指標

本產品主要技術指標如下：① 最大工作水深：300 m，② 工作距離：8.5 km@150 b/s，③ RS232傳輸速率：9 600 b/s，④ 聲傳輸速率：150 b/s@SNR≥-3 dB，⑤ 誤碼率：<10-5，⑥ 發射聲源級SL：173 dB≤SL≤176 dB@12 kHz，⑦ 工作帶寬：9～14 kHz，⑧ 供電：37V10Ah可充電鋰電池組，⑨ 功耗：發射功耗≤15 W，接受功耗≤200 mW。

2 正交相移鍵控擴頻調制原理

QPSK調制是利用載波的四種不同的相位來表征輸入的數字信息，是四進制移相鍵控[8-9]。把相繼的兩個碼元的四種組合(00,01,10,11)對應于正弦波的四個相位:0°、90°、180°、270°，圖1和圖2為QPSK擴頻調制和解調的框圖[10-11]。

圖1 QPSK擴頻調制原理圖

圖2 QPSK擴頻解調原理圖

3 水下Modem的電路組成及工作原理

水下Modem的硬件原理框圖如圖3所示，主要由DC-DC電源板、發射功放板、接收板、DSP信號處理板和換能器等幾部分組成。

圖3 水下Modem硬件原理框圖

水下Modem入水后，入水開關接通，DSP板上電初始化，控制信號關斷發射板電源，繼電器把信號切到接收板，DSP板進入微功耗待機狀態，當接收板接收到聲信號或通訊串口RS232串口信號時喚醒DSP板進入工作狀態。

當喚醒信號來自接收通道時，DSP對接收到的聲信號進行識別解碼，從QPSK調制信號中解調出數據信息，然后將數據通過串口轉發給所連接的終端設備；當喚醒信號來自通訊串口RS232時，DSP首先發出接通發射高壓控制信號，發射板通電進入工作狀態，同時DSP對接收到的數據按QPSK算法解調，經過D/A送發射板，發射板推動換能器將聲信號輻射到水中，以聲的形式傳播給遠端的水下Modem，遠端的水下Modem以相逆的方式工作，實現水下設備間的無線通訊連接。

3.1 DC-DC電源板

考慮到電源變換效率和功耗，采用開關電源芯片把電池組輸出高壓降壓濾波后，分三路進行線性穩壓濾波輸出相互隔離的+5 V，其中一路設計成可控輸出給功放發射板使用，另外兩路設計成不可控，分別送DSP信號處理板和接收板[5]。

3.2 功放發射板

為了提高發射板的效率和縮小體積,減小功耗和波形的線性度等因素，發射板采用D類音頻功率放大器，發射板原理框圖如圖4所示。

圖4 功放發射板原理框圖

當需要功放發射板發射信號時，DSP的控制信號接通開關電源芯片，輸出直流高壓送功放板芯片和接受轉換繼電器。發射完成后，DSP板撤銷控制信號完全切斷發射機的高、低壓電源，收發轉換繼電器自動回到接收狀態，實現發射板零功耗待機。

3.3 接收板

考慮輸入阻抗匹配、低噪音、增益帶寬乘積和低功耗等因素，前置放大、阻抗匹配級采用低噪音、低功耗的儀表放大器轉差分信號為單端輸出信號，并采用低阻設計。為了保證接收通道寬的動態范圍，后置放大增益 多級可調增益電路，接收板原理框圖如圖5所示。

圖5 接收板原理框圖

3.4 DSP信號處理板

DSP信號處理板主要由電源變換、A/D采集、D/A信號調理、串口RS232接口、JTAG接口、復位電路和抗干擾電路等幾部分組成。

DSP信號處理板的核心處理芯片為ADSP-BF533芯片，該芯片具有低功耗、低噪聲和高速處理能力等特點[12-13]，A/D和D/A芯片也采用高速、低功耗、低噪聲的16位串行芯片，DSP原理框圖如圖6所示[14]。

圖6 DSP板原理框圖

4 軟件設計

上位PC機采用VC語言編制接收數據界面，這里不做論述。水下Modem的軟件是用C語言編制，其中QPSK擴頻程序主要包含數據輸入、抗多途算法、PN序列碼產生和調制與解調四部分，這里只列出調制和解調程序流程圖。

擴頻調制子程序流程圖如圖7所示，DSP初始化后，需要發射的數據送入DSP堆棧中，先進行軟件濾波處理，處理后的數據在進行調制，與PN序列碼進行模二加法運算，經擴頻編碼后，由D/A變為模擬信號，送發射板發射[15-16]。

圖7 擴頻調制子程序流程圖

擴頻解調子程序流程圖如圖8所示，接收板送來的擴頻信號與本地同步的PN序列碼進行模二加法運算后，解調出QPSK已調信號，再經載波恢復、低通濾波、抽樣判決和并/串轉換后就可以得到原始信息[17]。

圖8 擴頻解調子程序流程圖

5 結 語

2010年1月份，在中國南海進行了海上試驗，試驗結果為：在海深18 m、聲源級175 dB@12 kHz，達到通信傳輸率150 bps、距離8 500 m，無誤碼，試驗過程中接受功耗145 mW，發射功耗10 W。并且利用三臺水下Modem組成定點網絡，實現水下無線組網通訊，從海上試驗結果來看，該產品抗淺海多途干擾能力強，實現了可靠通信。

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