隨著科學技術(shù)的進步，海洋資源的探測與開發(fā)日益受到注目。開發(fā)海洋資源需要母船、水下機器人和深海固定開發(fā)基站協(xié)同作業(yè)，因此對一個信息化、現(xiàn)代化的海洋通信網(wǎng)絡(luò)有著極為迫切的需求。而聲波信號是目前已知的唯一能在海洋中遠距離傳播的信號，由此水聲通信網(wǎng)絡(luò)應運而生。然而為構(gòu)建水聲通信網(wǎng)絡(luò)進行的海洋試驗，卻由于海上試驗高昂的費用和冗長的試驗周期讓人望而卻步，因此設(shè)計一套可以在實驗室進行模擬海洋環(huán)境的水聲通信網(wǎng)絡(luò)仿真平臺有著重要的意義。
    國際上，早在20世紀70年代就有較完善的仿真系統(tǒng)問世，我國直到20世紀90年代中期才開始有一些對于海洋聲信道模型、現(xiàn)代先進聲納信號處理模型等仿真系統(tǒng)的研究。但對于水聲通信網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)的研究也僅限于PC機軟件模擬。由軟、硬件相結(jié)合方法構(gòu)建的水聲通信網(wǎng)絡(luò)仿真平臺彌補了這一方面的空白，并對水聲通信網(wǎng)絡(luò)的研究有著很好的輔助和補充作用。
1 仿真平臺構(gòu)建
    為達到模擬海洋水聲信道、仿真多個用戶之間水聲通信的目的，仿真平臺采用標準接口，可連接多個實際的水聲設(shè)備，仿真其間的水聲傳播情況。該平臺可以仿真各種海洋環(huán)境，幫助測試水聲設(shè)備的功能，完成水聲通信、水聲定位、導航及水聲對抗等試驗。同時平臺可以存儲大量實際測量的水聲數(shù)據(jù)，用以“重現(xiàn)”已進行的湖海試驗。
    由于仿真平臺需模擬多個水聲通信節(jié)點之間的水聲通信狀況，故系統(tǒng)采用服務器端-客戶端模式。服務器端負責水聲信道模型建立、人機交互界面顯示等功能；客戶端負責水聲信號采集、數(shù)字信號處理以及信號數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能。如圖1所示，以兩節(jié)點通信為例，在實際的水聲通信中，通信節(jié)點發(fā)射的聲波信號通過水聲換能器發(fā)送到海洋中，聲波信號在經(jīng)過水聲信道后被接收方水聽器接收，并傳送給接收方通信節(jié)點。在仿真系統(tǒng)中，通過客戶端、以太網(wǎng)傳輸及服務器水聲信道建模來模擬聲波信號離開通信節(jié)點后的傳輸過程。使得軟、硬件結(jié)合的仿真系統(tǒng)可以更真實地仿真水聲通信網(wǎng)絡(luò)試驗狀況。

2 服務器端設(shè)計
2.1 水聲信道理論建模
    水聲信道實際是時變、空變的信道，由于其變化緩慢，在仿真系統(tǒng)中近似為時不變信道。本仿真平臺要求能夠?qū)崟r顯示接收信號的畸變波形。射線聲學以其計算的高精度、高速度及物理含義的顯著性成為本系統(tǒng)的首選建模基礎(chǔ)理論。射線聲學理論體系由如下兩個方程構(gòu)建：

    其中，N為聲波傳播途徑的總數(shù)；Ai為聲波沿第i條傳播途徑到達接收點的信號幅度值；τi為聲波沿第i條傳播途徑到達接收點的信號傳播時延。只要能求解出Ai、τi的值，就可以近似構(gòu)建所需的信道系統(tǒng)函數(shù)，并逼真地反映出水下聲信道的傳輸特性。令通信節(jié)點所發(fā)射的聲信號為s(t)，則其經(jīng)過水聲信道作用后的輸出信號y(t)應為s(t)與信道系統(tǒng)函數(shù)的卷積：
    
其中，n(t)為信道內(nèi)的加性噪聲，體現(xiàn)水下噪聲特性。接收信號的幅度畸變、接收時延及受噪聲干擾等信息均可以通過y(t)得出。由于實際運算中對于較長的信號序列使用卷積計算較為緩慢，考慮到運算的實時性，可利用FFT快速算法求解輸出信號y(t)。此流程表示為：
  
    至此，完成了水聲信道模型的建立及接收波形生成的理論分析，據(jù)此設(shè)計實際使用的信道模型與波形處理軟件模塊。
2.2 服務器軟件設(shè)計
    圖2所示為服務器軟件功能結(jié)構(gòu)圖。以兩個水聲通信節(jié)點為例，服務器軟件基本功能為通過以太網(wǎng)接收客戶端發(fā)送的水聲信號波形數(shù)據(jù)s(t)，并將s(t)與水聲信道建模產(chǎn)生的信道沖擊響應h(t)進行卷積、時延等運算，得到通過模擬水聲信道的信號波形數(shù)據(jù)y(t)，再將y(t)傳輸給其他客戶端，進而完成仿真任務。

3 客戶端設(shè)計
3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計
    客戶端系統(tǒng)采用SoPC方案，主要完成信號采集、信號處理及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能，如圖3所示。FPGA芯片為系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)傳輸核心，對于水聲信號的采集由音頻CODEC完成，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸通過FPGA內(nèi)置MAC結(jié)合外部PHY芯片完成。NOR Flash用于操作系統(tǒng)及程序代碼存儲，SDRAM用于程序運行，Nand Flash用于數(shù)據(jù)存儲，JTAG用于系統(tǒng)調(diào)試，RS232用于與GPS相連完成系統(tǒng)時間同步。

3.2 FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計
    FPGA是系統(tǒng)的核心，整個系統(tǒng)的任務調(diào)度和管理都由FPGA來完成。圖4所示為FPGA內(nèi)部的總體結(jié)構(gòu)圖，其中I²C模塊用于配置CODEC工作模式，I2S模塊用于CODEC與FPGA之間數(shù)據(jù)傳輸。

3.3 Nios II 處理器程序設(shè)計
    圖5所示為FPGA內(nèi)部總體結(jié)構(gòu)圖。在Nios II處理器運行后，首先初始化?滋C/OS-II以及TCP/IP協(xié)議棧，然后開始運行客戶端程序，Nios II處理器接收服務器的命令后通過I2C總線對CODEC進行配置，配置CODEC實現(xiàn)相應的A/D或D/A功能，由此程序進入正常工作的無限循環(huán)狀態(tài)。

4 系統(tǒng)測試
    對于客戶端與服務器的聯(lián)合測試，采用在理想水聲信道模型中收發(fā)單頻信號的測試方法。由一個客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)，經(jīng)服務器接收并相應處理后轉(zhuǎn)發(fā)給其他客戶端。如圖6所示，服務器接收客戶端四（圖中字母B指示處）數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)發(fā)給另外三個客戶端（圖中字母A指示處）。測試現(xiàn)場如圖7所示。

    多用戶水聲通信仿真平臺通過服務器端軟件與客戶端硬件的完美結(jié)合，可以最大程度地在實驗室模擬海洋試驗時所處的海況。在實際湖海試驗前進行仿真試驗對節(jié)約試驗成本及縮短項目周期有著重要意義。
    在多用戶水聲通信仿真平臺中，服務器端很好地完成了信道建模、顯控界面及以太網(wǎng)傳輸?shù)裙δ堋？蛻舳讼到y(tǒng)采用SoPC方案，在單片F(xiàn)PGA中完成系統(tǒng)控制、信號處理及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽鄬τ趥鹘y(tǒng)ARM+DSP方案有著信號處理能力強、系統(tǒng)集成度高、硬件設(shè)計簡單及系統(tǒng)穩(wěn)定性好等優(yōu)勢。經(jīng)實際測試，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，達到預期目標。