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摘要：
本文所闡述的水下無線技術即基于跳頻技術和同步捕獲技術的水聲通信，由于聲波在海水中的傳播特性顯著優越于電磁波和可見光，使得水聲技術成為海洋高技術的主要研究領域之一，在國防領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和同步捕獲技術的原理、具體算法的實現方案以及部分硬件設施的使用簡述，并通過展示實驗結果驗證算法的可行性。
關鍵詞：
水聲通信；FHSS；同步捕獲；STM32F407
引言
當今世界，通信是發展非常迅速的行業之一。Inter－net網和移動通信網日臻完善，而海中通信的發展剛剛嶄露頭角。有纜方式的信息傳輸由于目標活動范圍受限制、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境中的應用。另外由于在海水中，光波、電磁波的傳播衰減都非常大，導致其在海水中的傳播距離十分有限，遠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中、遠距離無線通信的唯一手段。而隨著海洋通信逐漸占據重要地位，網絡化的水聲通信也將在海洋軍事或民用領域發揮極大作用，所以對高可靠性的高速率的水聲通信的研究極為重要。目前水聲通信技術發展已經相對成熟，國外很多機構都已研制出水聲通信Modem，通信方式目前主要有正交頻分復用技術、擴頻以及其他的一些調制方式。目前在水聲通信領域，廈門大學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，已經成功實現了在10公里之內水下信號相互清晰地傳遞，達到實用要求。目前國際上水聲通信技術正處于網絡化發展階段，但該方面的研究及應用并沒有得到快速的發展，只有少數國家試驗成功。本研究方案即通過水聲通信實現水下無線通信，為網絡化的水聲通信打下堅實基礎。
1實現方案
整個水聲通信過程主要分為發送方和接收方兩部分。發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字信號進行跳頻處理，經過數模轉換后再經過水聲換能器將其轉換為聲信號，在水下傳遞給接收端，其主要技術核心為跳頻技術的實現。接收方的換能器首先將收到的信號轉換為數字信號，微控制器控制帶通濾波器完成同步捕獲過程，獲得當前所需頻率的信號后，將相應信號轉變為所需溫度信息顯示在顯示器上，接收端的主要技術核心為同步捕獲技術的實現。具體流程如圖1所示。本次研究中使用的主要硬件為DYSTM32F4高頻開發板和80K水聲換能器。DYSTM32F4高頻超聲波開發板基于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、超聲波發射電路、超聲波接收電路、UART異步串行口＋MAX232電平轉換芯片、溫度傳感器MF58接口等。STM32F407VGT6微控制器基于ARMCortex－M4內核，32位MCU，帶有FPU單元，有210DMIPS，多達1MBFLASH／192＋4KBRAM，17個定時器，3個ADC，15個通信接口和一個攝像接口。
2跳頻技術實現方案
2．1跳頻技術概述
跳頻是常用的擴頻方式之一，其工作原理是指收發雙方傳輸信號的載波頻率按照預定規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。在發送端主要使用了跳頻技術來保證傳送信息的安全性和隱蔽性。
2．2實現原理
根據潛水換能器帶寬和水聲通信的工作環境將信道資源劃為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250Hz，每個頻率會根據單片機外部晶振所提供的固定頻率計算出一個初值，規定跳頻圖案F0～F7的順序循環（見圖2）。當信號到達單片機時，將信號兩位為一組，根據跳頻圖案找到這兩位所在的跳頻組，并根據這兩位信息確定是該組的某一個分頻數。根據所得初值利用STM32內部計數器將相應的信號經過數模轉換器處理得出對應頻率信號，經過潛水換能器發送聲信號。圖2和表1分別給出了發送端的跳頻圖案和頻率分組情況.
3同步捕獲技術實現方案
3．1同步捕獲技術概述
擴頻通信接收系統為了恢復發送信息，必須對經過下變頻后的基帶信號進行同步捕獲，同步技術是任何一種通信技術都需要解決的實際問題，其性能關系到整個通信系統的性能。
3．2實現原理
接收端水下換能器在將聲信號轉換為模擬信號后，應經過前置放大和幅度均衡過程，以便后續電路處理，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。當加載側寬脈沖信號到來時，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，當INT0變為低電平時，定時器停止計數，觸發外部中斷在中斷服務程序中讀取定時器的計數值X，此時X為脈沖信號半個周期所用的時鐘數，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，則可算出對應的發送信號的頻率F’＝1／（1／F）×2X。根據跳頻與分頻數的關系可找出對應的分頻數（可求出分頻數N＝2X），由此得出所傳輸的兩位信息。單片機根據測頻的結果進行同步捕獲，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跳頻圖案控制匹配濾波器工作（上文已經規定跳頻圖案以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下去；如果判定值大于門限值，認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。接收端同步技術程序流程圖如圖4所示.
4實驗結果
配合80K水下聲能轉換器的工作性能，本次研究的實驗環境為直徑不小于100cm，高約為25cm的水池。發送端傳感器獲取水溫將數字信號通過單片機處理后，經水下換能器發送給接收端，接收端經過同步捕獲可以獲得發送端所采集的水溫信息。經過15次在不同時間的測試，接收端所得溫度與從實驗環境中直接測量所得溫度誤差基本在±1℃內。表2為測量數據。
5結語
本次研究實現了基于跳頻通信技術和同步捕獲技術的水聲通信系統，保證了信息通信的安全性，運用在軍事領域可以有效保障通信的隱蔽性。在實際的系統實踐中，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據處理的效率。合理利用STM32綜合開發板使整個開發過程更加順利，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分頻，傳輸效率較低，還未達到未來網絡化的水聲通信技術中對高速率傳輸的要求；②通信的可靠性還可以進一步加強，實踐中發現此方案的誤碼率偏高，且跳頻過程中出現的邏輯錯誤也會導致獲取信息有偏差，可以嘗試差錯控制技術；③經過水聲通信獲得的溫度數據都只保留了整數部分，應該進一步排查是溫度傳感器本身精度問題還是系統算法仍需優化導致的問題。
參考文獻
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作者:朱耘佳 施慧彬 單位:南京航空航天大學 江蘇省軟件新技術與產業化協同創新中心
