任何信息需要借助聲、光、電信 號(hào)進(jìn)行傳遞，由于光信號(hào)和電信號(hào)在海水中的衰減比較嚴(yán)重，而聲波是人類迄今為止已知的惟一能在水中遠(yuǎn)距離傳播的能量形勢(shì)，因此，近些年海洋中的水聲通信系統(tǒng)的研究以及開發(fā)成了熱點(diǎn)。水聲通信是指利用水聲信道進(jìn)行通信雙方數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)，水聲通信系統(tǒng)構(gòu)成與傳統(tǒng)的無線電通信系統(tǒng)構(gòu)成具有極大的相似性，但是水聲通信系統(tǒng)是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)，攜載信息的聲信號(hào)在水中進(jìn)行傳播完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。
1 水聲通信系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
基于CDMA的水聲通信調(diào)制/解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的CDMA調(diào)制/解調(diào)、控制DAC 以及ADC 進(jìn)行數(shù)字采集，模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換由專用的集成芯片來實(shí)現(xiàn)。功率放大 器的功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)制信號(hào)的放大，信號(hào)放大與調(diào)理是功率放大的逆過程;發(fā)射水聲換能器實(shí)現(xiàn)將經(jīng)過放大器產(chǎn)生的電磁能轉(zhuǎn)化為聲能，接收水聲換能器是將接收到的聲信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。
圖1 水聲通信系統(tǒng)基本模型
設(shè)計(jì)的水聲通信系統(tǒng)電路原理框圖如圖2 所示。系統(tǒng)的主控制芯片是Altera 公司的Cyclone Ⅲ系列的EP3C10E144C8N,內(nèi)部主要包括通信模塊、擴(kuò)頻模塊、BPSK調(diào)制模塊及相應(yīng)的解調(diào)模塊;外圍電路包括整個(gè)系統(tǒng)的供電電路、實(shí)現(xiàn)A/D 轉(zhuǎn)換的ADS7800芯片、實(shí)現(xiàn)D/A 轉(zhuǎn)換的TY5639 芯片、為整個(gè)系統(tǒng)提供時(shí)鐘信號(hào)的的晶振電路、實(shí)現(xiàn)TTL電平與CMOS電平兼容的電平轉(zhuǎn)換芯片74HC245A、用于燒寫目標(biāo)程序的JTAG接口，另外還包括數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娐返取?/p>
圖2 水聲通信系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)框圖
該系統(tǒng)的工作過程：首先是上位機(jī)模擬發(fā)射端，將要發(fā)送的數(shù)字信號(hào)經(jīng)串行口發(fā)送給FPGA芯片，通信模塊接收數(shù)字信息后依次傳送給擴(kuò)頻模塊BPSK 調(diào)制模塊，至此將接收到的數(shù)字信息進(jìn)行調(diào)制后產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)，然后該電信號(hào)經(jīng)水聲換能器轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)發(fā)送出去，攜載了發(fā)送方發(fā)送信息的聲信號(hào)在水下環(huán)境進(jìn)行傳播。其次是接收端，接收端同樣有一個(gè)水聲換能器負(fù)責(zé)將接收到的聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換器后，所得數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)同步后進(jìn)行BPSK解調(diào)，最后將解調(diào)出來的數(shù)字信號(hào)經(jīng)通信模塊傳給串行口，從而發(fā)送給接收端，一次水聲通信過程完成。
2 系統(tǒng)的FPGA實(shí)現(xiàn)
CDMA又稱碼分多址，是以擴(kuò)頻通信為基礎(chǔ)的一種調(diào)制和多址方式，擴(kuò)頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，要求信號(hào)所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息所必需的最小帶寬;頻帶的展寬是通過編碼及調(diào)制的方法實(shí)現(xiàn)的，并與所傳信息數(shù)據(jù)無關(guān);在接收端則用相同的擴(kuò)頻碼進(jìn)行相關(guān)解調(diào)來解擴(kuò)及恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)。其理論依據(jù)是信息論中的香農(nóng)公式：
C = B log2 (1 + S/N ) (1)
式中：C 為信道可能傳輸?shù)?最大信息速率，表示信道容量;B 表示信道帶寬;S 表示信號(hào)的平均功率;N 表示噪聲功率。
從式(1)中可以看出：在信噪比很小的情況下，可以使用增加帶寬的辦法來提高系統(tǒng)的抗干擾性能，以保證信道容量不變。換句話說，在信道容量相同的條件下，寬帶系統(tǒng)比窄帶系統(tǒng)的抗干擾性能要好，所以當(dāng)信噪比太小而且不能保證通信質(zhì)量時(shí)，可以采用增加帶寬的方法來改善通信質(zhì)量。
圖3,圖4為直擴(kuò)系統(tǒng)的工作原理圖，由信號(hào)源輸出的信息碼與偽隨機(jī)碼產(chǎn)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼進(jìn)行模2加或相乘，產(chǎn)生以速率與偽隨機(jī)碼速率相同的擴(kuò)頻序列，然后再用載波去調(diào)制擴(kuò)頻序列，就得到已擴(kuò)頻調(diào)制的射頻信號(hào)。接收端解擴(kuò)的過程與擴(kuò)頻過程相同 ,用本地的偽隨機(jī)序列對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)后進(jìn)行解調(diào)。
圖3 發(fā)射單元原理圖
圖4 接收單元原理圖