2FSK水下通信仿真與硬件實(shí)現(xiàn)

楊鈺瑩 厲夫兵 孫鄭平

摘 ?要：水聲通信系統(tǒng)用于在水下環(huán)境中完成信息的傳輸。為了實(shí)現(xiàn)水下數(shù)據(jù)傳輸，文章設(shè)計(jì)一款2FSK水下通信系統(tǒng)，通過Simulink對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行仿真，利用STM32搭建了基于2FSK的水下通信實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)，發(fā)送端STM32控制DDS模塊生成2FSK信號(hào)，接收端電路完成2FSK信號(hào)的非相干解調(diào)。在水池中進(jìn)行了短距離的數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該通信系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)射、傳輸、接收與恢復(fù)，具有易于嵌入、功耗低的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性，能夠?qū)崿F(xiàn)水下數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。

關(guān)鍵詞：水下通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng);二進(jìn)制頻移鍵控;STM32;Simulink

中圖分類號(hào)：TP391.9 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2022）05-0071-05

2FSK Underwater Communication Simulation and Hardware Implementation

YANG Yuying， LI Fubing， SUN Zhengping

（School of Information and Communication Engineering， Beijing Information Science and Technology University， Beijing ?100101， China）

Abstract： Underwater acoustic communication system is used to complete information transmission in underwater environment. In order to realize underwater data transmission， this paper designs a 2FSK underwater communication system， simulates the system through Simulink， and uses STM32 to build a 2FSK-based underwater communication experiment hardware platform. The transmitter STM32 controls the DDS module to generate 2FSK signal， and the receiver circuit completes the incoherent demodulation of 2FSK signal. A short-distance data transmission experiment is carried out in water tank， the experimental results show that the communication system can realize data transmission， reception and recovery， and has the characteristics of easy embedding and low power consumption. The experiment verifies the feasibility of the system and can realize the task of underwater data transmission.

Keywords： underwater communication experimental system; binary system frequency shift keying; STM32; Simulink

0 ?引 ?言

隨著我國(guó)海洋探索領(lǐng)域的逐漸擴(kuò)大，實(shí)時(shí)獲取深海監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并完成數(shù)據(jù)的傳輸在海洋資源探測(cè)、開采和生產(chǎn)中具有重要意義[1]，為此建設(shè)深海觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的需求不斷增加。水聲通信系統(tǒng)是以聲波作為信息載體的一種水下無(wú)線通信設(shè)備[2]，由于聲波在水體中是以機(jī)械波的形式向外傳播，與電磁波相比，聲波擁有在水中傳播時(shí)能量衰減小、傳播距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。利用水聲通信可實(shí)現(xiàn)海洋水下數(shù)據(jù)的收集與傳輸，因此設(shè)計(jì)出一款能在海洋設(shè)備中使用的小型水聲通信設(shè)備具有重要意義。本文設(shè)計(jì)了一種水聲通信系統(tǒng)，闡述了該系統(tǒng)的組成以及通信功能的實(shí)現(xiàn)過程。文獻(xiàn)[3]利用STM32實(shí)現(xiàn)了基于2FSK的水聲通信系統(tǒng)，并在50 m的水槽中完成了對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了基于2ASK的硬件電路，通過FPGA產(chǎn)生偽隨機(jī)序列來(lái)控制2ASK信號(hào)的生成，解調(diào)采用包絡(luò)檢波法，該硬件電路可以正常通信。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了基于STM32和FPGA的水聲通信系統(tǒng)，對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行2FSK和傳輸，解調(diào)采用包絡(luò)檢波法，實(shí)現(xiàn)了水下傳輸數(shù)據(jù)的功能。上述文獻(xiàn)中采用的都是包絡(luò)檢波法并且是短距離傳輸，本文提出的水下通信系統(tǒng)是短距離傳輸，因此利用STM32搭建了基于2FSK的水下通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。文章首先介紹了2FSK調(diào)制解調(diào)的原理，對(duì)基于2FSK調(diào)制解調(diào)的通信系統(tǒng)進(jìn)行了Simulink仿真，并搭建了基于STM32的水下通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在水池中完成了對(duì)信號(hào)的傳輸，最后對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析比較。

1 ?2FSK調(diào)制解調(diào)原理

1.1 ?調(diào)制原理

頻移鍵控調(diào)制是只改變載波的頻率，對(duì)幅度和相位沒有影響，基帶數(shù)字信息是依賴載波頻率的變化而進(jìn)行傳遞的[6]。FSK用于傳輸二進(jìn)制碼元時(shí)，二進(jìn)制碼元“0”和“1”控制載波的頻率，使輸出信號(hào)在頻率f1和f2之間變化[7]，因此稱為2FSK，其表達(dá)式為：

（1）

2FSK信號(hào)又稱為二進(jìn)制頻移鍵控，它有兩種實(shí)現(xiàn)方式：一種是數(shù)字鍵控法;另一種是模擬調(diào)頻法[8]。本文采用數(shù)字鍵控法，原理是利用高低電平“1”和“0”來(lái)控制電子開關(guān)（高電平時(shí)打開頻率振蕩器1，低電平時(shí)打開頻率振蕩器2），輸出頻率交替改變的調(diào)制信號(hào)[9]。調(diào)制原理圖如圖1前半部分所示。

1.2 ?解調(diào)原理

2FSK的解調(diào)分為相干解調(diào)和非相干解調(diào)，相干解調(diào)需要在接收端提取與發(fā)送端頻率、相位均相同的載波信號(hào)，因此如果采用相干解調(diào)，所提取載波信號(hào)的好壞會(huì)影響到對(duì)2FSK信號(hào)的解調(diào)[10]。由于水聲信道中存在多徑效應(yīng)和噪聲[11]，在接收端恢復(fù)與發(fā)送端一樣的載波比較困難，因此本文采用非相干解調(diào)中的包絡(luò)檢波法，原理如圖1中后半部分所示，2FSK信號(hào)會(huì)被分成如右虛線框中所示的兩路信號(hào)，兩路信號(hào)同時(shí)進(jìn)入帶通濾波器（Band-pass filter， BPF）BPF1和BPF2，再經(jīng)過整流濾波，進(jìn)入對(duì)應(yīng)的低通濾波器（Low-Pass Filter， LPF）LPF1和LPF2，濾出載頻f1、f2，最后經(jīng)比較器判決，解調(diào)出二進(jìn)制信號(hào)。

2 ?Simulink仿真模型

調(diào)制部分如圖2左虛線框中所示，二進(jìn)制信號(hào)由仿真模型中的Bernoulli Binary模塊生成，幅值為1，Sine Wave1產(chǎn)生正弦載波信號(hào)，載波頻率f1=200 kHz，Sine Wave2產(chǎn)生正弦載波信號(hào)，載波頻率f2=100 kHz，幅值為1，Sum1模塊輸出2FSK信號(hào)r（t）。解調(diào)部分如圖2右虛線框中所示，信號(hào)經(jīng)過噪聲方差為2的高斯白噪聲（Additive White Gaussian Noise， AWGN）信道以后，被分成兩路信號(hào)同時(shí)由帶通濾波器Analog Filter Design1和帶通濾波器Analog Filter Design2濾除掉高頻和低頻的干擾信號(hào)（Analog Filter Design1濾波頻率區(qū)間是130 kHz～260 kHz，Analog Filter Design1濾波頻率區(qū)間是50 kHz～150 kHz），然后再同時(shí)經(jīng)過全波整流模塊（整流模塊的作用是把經(jīng)過帶通濾波后信號(hào)的下半部分翻到上半部分），通過全波整流器的信號(hào)同時(shí)進(jìn)入低通濾波器Analog Filter Design3和低通濾波器Analog Filter Design4，對(duì)經(jīng)過低通濾波器輸出的兩路信號(hào)進(jìn)行比較、脈沖抽樣和判決，Quantizing Encoder1模塊輸出解調(diào)二進(jìn)制信號(hào)。圖2是仿真模型與調(diào)制解調(diào)過程對(duì)應(yīng)的波形。

調(diào)制部分的波形如圖3所示，圖中橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)表示幅值。圖3（a）是發(fā)送的二進(jìn)制信號(hào)，對(duì)應(yīng)碼元為1011100001，圖3（b）是Sum1模塊輸出的2FSK信號(hào)，發(fā)送“1”時(shí)，輸出載波頻率f2=200 kHz，發(fā)送“0”時(shí)，輸出載波頻率f2=100 kHz。

解調(diào)過程的波形圖如圖4、圖5、圖6、圖7所示，圖中橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)表示幅值。2FSK信號(hào)通過高斯白噪聲信道以后，分兩路經(jīng)過頻率區(qū)間為130 kHz～ 260 kHz和50 kHz～150 kHz的帶通濾波器，圖4（a）為經(jīng)過帶通濾波器130 kHz～260 kHz的信號(hào)波形，圖4（b）為經(jīng)過帶通濾波器50 kHz～150 kHz的信號(hào)波形。然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行整流，由圖5可以看出，整流以后信號(hào)下半部分的波形折疊到了上半部分，變?yōu)檎牟ㄐ巍Ｕ饕院蟮男盘?hào)再經(jīng)過低通濾波器，如圖6所示，可以看出波形的大致包絡(luò)。最后對(duì)信號(hào)進(jìn)行脈沖抽樣和判決，如圖7所示輸出解調(diào)二進(jìn)制信號(hào)。

由仿真結(jié)果可知，對(duì)發(fā)射數(shù)據(jù)進(jìn)行2FSK調(diào)制并對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行包絡(luò)檢波解調(diào)的通信系統(tǒng)是可行的，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的正確傳輸，在實(shí)驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。

3 ?實(shí)驗(yàn)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本實(shí)驗(yàn)通信系統(tǒng)功能框圖如圖8所示，由發(fā)送端、水聲信道和接收端構(gòu)成。在發(fā)送端，控制器STM32通過SPI通信方式控制直接數(shù)字式頻率合成器（Direct Digital Synthesizer， DDS）模塊生成2FSK信號(hào)，STM32引腳為高電平時(shí)，DDS模塊輸出200 kHz的正弦波，STM32引腳為低電平時(shí)，DDS模塊輸出100 kHz的正弦波。將2FSK信號(hào)先后經(jīng)過功率放大器和變壓器進(jìn)行兩級(jí)放大，得到峰峰值100 V左右的輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)射換能器。在接收端，接收換能器將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)[12]，再利用包絡(luò)檢波法對(duì)電信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，獲取發(fā)送數(shù)據(jù)。

3.1 ?發(fā)送端硬件模塊

發(fā)送端用于生成和發(fā)送2FSK信號(hào)，包括DDS模塊、放大模塊兩部分。

DDS模塊是由AD9959芯片以及外圍電路組成的，完成對(duì)信號(hào)的2FSK調(diào)制。DDS模塊電路主要是由AD9959芯片外圍電路、低通濾波電路組成，工作原理如圖9所示，在頻率控制字寄存器中輸入頻率控制字，相位累加器由相位寄存器組和加法器構(gòu)成，每個(gè)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行累加，同時(shí)將累加的結(jié)果存入相位寄存器組中，然后將寄存在相位累加器中的值與輸入的相位偏差值再進(jìn)行累加，其結(jié)果以二進(jìn)制碼的形式去正弦查詢表尋址，輸出的數(shù)字正弦信號(hào)經(jīng)過DAC轉(zhuǎn)換器輸出正弦信號(hào)。

放大電路模塊是對(duì)DDS模塊輸出的2FSK信號(hào)進(jìn)行放大，以AD811作為主控芯片，后級(jí)連接高速放大器BUF634起到緩沖的作用，可以提高模塊的帶負(fù)載能力。AD811芯片接入BUF634的數(shù)量越多放大能力越強(qiáng)，最多接入四個(gè)BUF634。BUF634位于AD811反饋回路中，目的是提高AD811的輸出電流，實(shí)現(xiàn)功率放大的效果，整個(gè)模塊的放大倍數(shù)如式（2）所示，A是放大倍數(shù)。

（2）

模塊R7和R6的值分別為1.8 kΩ和120 Ω，因此模塊放大倍數(shù)的理論值為16倍。經(jīng)過BUF634模塊的2FSK信號(hào)，電壓較小，不能用來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)射換能器，因此還需要經(jīng)過變壓器的放大，系統(tǒng)選用的變壓器線圈匝數(shù)比為16：210。

3.2 ?接收端硬件模塊

接收端對(duì)信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)檢波解調(diào)，包括帶通濾波、二極管整流和比較器判決輸出三個(gè)部分。由于2FSK信號(hào)的解調(diào)需要兩路帶通濾波、整流電路以及比較判決，因此在接收端設(shè)計(jì)了對(duì)2FSK信號(hào)包絡(luò)檢波解調(diào)電路，如圖10所示。

帶通濾波由AD8052芯片和電容電阻器件組成。接收到的信號(hào)首先經(jīng)過S9018的放大，再通過AD8052組成的放大濾波電路，根據(jù)式（3）選擇濾波電路的電容和電阻，其中fc是帶通濾波器的中心頻率。電路原理圖中上路對(duì)應(yīng)100 kHz的帶通濾波電路，下路對(duì)應(yīng)200 kHz的帶通濾波電路。

上路中電容c=100 pF，對(duì)應(yīng)C17、C20、C18、C15，Req對(duì)應(yīng)R18和R23的并聯(lián)電阻值、R19和R25的并聯(lián)電阻值，R18、R19、R23、R25電阻是7.5 kΩ，R對(duì)應(yīng)R20和R22，電阻值是62 kΩ，中心頻率大約是101 kHz，帶寬大約是48 kHz。下路中電容C2、C3、C4、C6是100 pF，Req對(duì)應(yīng)R2和R7的并聯(lián)電阻值、R3和R8的并聯(lián)電阻值，R2、R7、R3、R8電阻是3.6 kΩ，R對(duì)應(yīng)R4和R5，電阻值是33 kΩ，中心頻率大約是206 kHz，帶寬大約是96 kHz。

（3）

整流部分上下兩路皆采用兩個(gè)1N4148二極管，我們需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行全波整流，因此每一路需要兩個(gè)二極管來(lái)保證信號(hào)的上半部分和下半部分都可以通過，這樣才能得到完整的包絡(luò)。電壓比較器采用的芯片TLV3501是一種高速比較器，通過對(duì)兩路信號(hào)的包絡(luò)進(jìn)行比較，上路信號(hào)大于下路信號(hào)時(shí)輸出低電平，上路信號(hào)小于下路信號(hào)時(shí)輸出高電平，得到對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制信號(hào)。

4 ?短距離水下通信

實(shí)驗(yàn)水池如圖11所示，水池對(duì)角線放置的是超聲波換能器，左下角是發(fā)射換能器，右上角是接收換能器，傳輸距離為2.5 m左右。實(shí)驗(yàn)中的換能器采用福州恒豐泰自動(dòng)化公司生產(chǎn)的指向性壓電換能器，型號(hào)為DW-200-NA-LJZ，頻率為200 kHz±5%，傳輸距離介于0.6 m～120 m之間，水池尺寸為2 m×3 m。

圖12（a）上方是DDS模塊輸出的2FSK信號(hào)，下方是STM32輸出的二進(jìn)制信號(hào)。發(fā)送數(shù)字“1”時(shí)，對(duì)應(yīng)頻率200 kHz的載波信號(hào)，發(fā)送數(shù)字“0”時(shí)，對(duì)應(yīng)頻率100 kHz的載波信號(hào)。

圖12（b）上方是接收端2FSK信號(hào)經(jīng)過帶通濾波器后的波形，12（b）下方是發(fā)送的二進(jìn)制信號(hào)。圖12（c）上方是解調(diào)的二進(jìn)制信號(hào)，下方是發(fā)送端的二進(jìn)制信號(hào)。

由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，解調(diào)得到的二進(jìn)制信號(hào)與發(fā)送端二進(jìn)制信號(hào)相比延遲了約1.8 ms，發(fā)送換能器與接收換能器的距離是2.5 m，超聲波在水下傳輸?shù)乃俣仁?500 m/s，理論上的延遲是1.6 ms。接收端信號(hào)與發(fā)送端信號(hào)相比除了有些許延遲以外，二者的碼元都是一致的，表明該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)用于水下短距離數(shù)據(jù)傳輸是可行的。

5 ?結(jié) ?論

本文利用STM32設(shè)計(jì)搭建出基于2FSK的水下實(shí)驗(yàn)通信系統(tǒng)的平臺(tái)，在2.5 m左右的水池中完成對(duì)二進(jìn)制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，接收端信號(hào)與發(fā)送端信號(hào)相比除了有些許延遲以外，二者的碼元都是一致的，實(shí)驗(yàn)結(jié)果較好，可以實(shí)現(xiàn)水下正常通信。因此本文設(shè)計(jì)的基于STM32的水聲通信系統(tǒng)可行，并且可以應(yīng)用于低速率的水下通信。

參考文獻(xiàn)：

[1] 汪嘉寧，王凡，張林.西太平洋深海科學(xué)觀測(cè)網(wǎng)的建設(shè)和運(yùn)行 [J].海洋與湖沼，2017，48（6）：1471-1479.

[2] 呂玄兵，陳智杰，宋子建，等.異步串行通信的研究與實(shí)現(xiàn) [J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2015，24（6）：231-234.

[3] 王新宇，曲洪良，安子民，等.可見光通信中的2ASK調(diào)制解調(diào)技術(shù)與FPGA實(shí)現(xiàn) [J].電子設(shè)計(jì)工程，2021，29（7）：166-170.

[4] 程欽，潘玲佼，任艷玲.一種偽隨機(jī)控制的2ASK調(diào)制解調(diào)電路實(shí)現(xiàn) [J].江蘇理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，20（6）：51-55.

[5] 卜文強(qiáng)，洪俊峰，張榕鑫，等.基于FPGA的水聲信號(hào)通信系統(tǒng) [J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，37（3）：301-305.

[6] 陳麗婭.2FSK信號(hào)的MATLAB仿真設(shè)計(jì) [J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化，2019，9（1）：14-16.

[7] 李桂枝，黃鴻捷，謝文娣.基于FPGA的2FSK調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)與仿真 [J].電子制作，2020（16）：11-12.

[8] 王曉玲.基于MATLAB/Simulink的2FSK傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 [J].信息化研究，2017，43（5）：24-27.

[9] 馬啟成.步進(jìn)頻率隨機(jī)變化的2FSK-步進(jìn)頻雷達(dá)通信一體化波形設(shè)計(jì) [J].通信技術(shù)，2021，54（3）：534-544.

[10] 張學(xué)敏，鐘菲，呂曉麗.2FSK數(shù)字頻帶傳輸?shù)腟imulink仿真實(shí)現(xiàn) [J].長(zhǎng)春工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，17（4）：21-24.

[11] 馮成旭，羅亞松，劉忠.OFDM水聲通信改進(jìn)頻域均衡算法 [J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，40（5）：181-187.

[12] 余浩.井下聲波通信系統(tǒng)研究 [D].荊州：長(zhǎng)江大學(xué)，2017.

作者簡(jiǎn)介：楊鈺瑩（1995—），女，漢族，山西臨汾人，碩士研究生在讀，研究方向：水下信號(hào)的處理以及硬件系統(tǒng)平臺(tái)的搭建;厲夫兵（1982—），男，漢族，山東日照人，副教授，博士后，研究方向：信號(hào)與信息處理;孫鄭平（1997—），女，漢族，北京人，碩士研究生在讀，研究方向：水下圖像處理。