CN107579782A - 一种具有跨介质通信能力的水声调制解调器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有跨介质通信能力的水声调制解调器，模态感知装置、无线通信模块、接收端与微控制器的信号输入端相连，微控制器的信号输出端与发送端相连，发送端与滤波电路、功放电路、收发合置电路依次相连，收发合置电路与水声换能器互通连接将发送端发出的数据信息通过水声换能器发出，水声换能器与其他水声调制解调器上的水声换能器无线连接；收发合置电路与另一滤波电路、信号放大电路相连后与接收端相连，将水声换能器接收到的数据信息传输至接收端。本发明基于多模态切换策略，可融合水声和无线电通信技术，实现一种既能保证水下信息可靠获取，又能实现水面数据高效回传的模块化、低成本、低功耗的跨介质水声调制解调器。

Description

一种具有跨介质通信能力的水声调制解调器

技术领域

本发明涉及水声智能通信与控制领域，尤其是一种具有跨介质通信能力的水声调制解调器。

背景技术

随着人们对海洋战略地位、海洋科学研究价值认识的深化，世界各国都将海洋的关注度提高到前所未有的战略高度，我国也提出建设“海洋强国”的战略目标。其中，海域安全、海洋搜救资源和海洋生物监测保护等重要任务的完成，都依赖于大范围水域监测和海空信息交互。为保证水下与陆上数据稳定、实时的互传，亟需设计一种具有跨介质通信能力的水声调制解调器。

在现有技术中检索发现，中国专利申请号为201610053447.4，名称为：一种自发电的水声调制解调器，该发明利用海洋能发电模块进行电能的补充，以满足水声调制解调器的功耗要求。但上述发明偏重于供电模块的设计，仅将水声作为通信的唯一载体，并没有考虑不同介质下的调制解调策略。当调制解调器浮出水面后，水声通信误码率高、效率低、实时性差的缺点使得水下搜集到的数据不能实时有效地回传到控制中心。

再有，中国专利申请号为201510010473.4，名称为：一种跨海水-空气界面的电磁波传输系统及方法，该发明给出了一种跨介质传输的方式，但是并没有表述具体的调制解调方法，同时也没有考虑不同介质的切换策略。容易受海洋环境噪声以及浅海沉积物等复杂环境影响，上述不足阻碍了信息在海空介质间的有效传输，进而降低了数据传输的实时性与有效性。

又经检索发现，中国专利申请号为201110224601.7，名称为：一种无线和水声通信浮标，该发明以2片16bit定点DSP Blackfin系列的DSP芯片作为信号处理核心，提供了一种性能可靠、操作简单、维护管理智能化程度高，可用于水声通信/传感网络的网关节点的无线和水声通信浮标，采用积木式结构设计。但该发明设备体积重量大、非模块化设计、整体结构复杂、功耗高，进而降低了水声调制解调器的可移植性与使用寿命，使其容易在工作过程中因电量衰竭而死亡，难以满足大规模组网的需求。

因此，如何在水下弱通信环境中考虑不同通信介质，利用模块化方法设计一种既能保证水下信息可靠获取，又能实现水面数据高效回传的低成本、低功耗的具有跨介质通信能力的水声调制解调器显得尤为重要。

发明内容

本发明目的在于提供一种采用模块化设计，误码率低、效率高、实时性强的具有跨介质通信能力的水声调制解调器。

为实现上述目的，采用了以下技术方案：

一种具有跨介质通信能力的水声调制解调器，包括微控制器、模态感知装置、无线通信模块、发送端、接收端、滤波电路、功放电路、收发合置电路、滤波电路、信号放大电路、水声换能器、供电模块；

模态感知装置、无线通信模块、接收端与微控制器的信号输入端相连，微控制器的信号输出端与发送端相连，发送端与滤波电路、功放电路、收发合置电路依次相连，收发合置电路与水声换能器互通连接将发送端发出的数据信息通过水声换能器发出，水声换能器与其他水声调制解调器上的水声换能器无线连接；收发合置电路和另一滤波电路、信号放大电路相连后与接收端相连，将水声换能器接收到的数据信息传输至接收端；

模态感知装置根据初始设定阈值深度与当前设备所处水下深度进行比较，对模态进行感知，确定设备所处介质层，选择信息传输的方式；无线通信模块与基站互通连接，无线通信模块与其他水声调制解调器上的无线通信模块也互通连接；供电模块为每个水声调制解调器提供电能。

进一步的，所述模态感知装置为液位变送器，即由测量膜片与两侧绝缘片上的电极各组成的电容器实现；当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容量就不相等，通过振荡和解调环节，转换成与压力成正比的信号。

其感知过程简述如下：

模态感知装置利用水压压力与该处水的深度成比例的原理，当设备投入到被测液体中某一深度时，装置迎液面受到的压力为：PA＝PB+ρgH，式中，PA为装置迎液面所受的压力，ρ为被测液体的密度，g为当地重力加速度，PB为液面上大气压力，H为设备所处液体的深度；

同时，通过导气不锈钢将液体的压力引入到装置的正压腔，再将液面上的大气压力PB与装置的负压腔相连，以抵消装置背面的PB，保证了测量精度，使测得压力为ρgH，显然，液位H与压力PA成线性关系，迎液面压力PA作用在压力传感器上的感应膜片上，当压力变化时，使惠更斯电桥桥臂阻值变化引起输出电压发生变化，经过差分归一化放大器放大转换后，很容易将液位压力转换为电压信号，再转换为电流信号经非线性校正环路补偿作为二线制4～20毫安的标准信号输出；

最后经微控制器校正，换算为设备当前所处深度H，与设备初始化时设定的阈值深度H₀进行比较，如果H≥H₀，则判定设备处于水下，否则，设备处于水面附近，从而确定模态，很容易得出，若水声调制解调器处于水下，设定为模态1，则需要以水声通信技术进行数据传送以完成节点与节点间通信；若水声调制解调器处于水面附近，设定为模态2，则需要以无线电通信技术进行数据传送以完成节点与基站间通信。

进一步的，发送数据时，微控制器将水下搜集的信息进行信源编码、信道编码、数字调制，使用内部数字量到模拟量转换器转换为模拟值；接收数据时，水声换能器接收端捕获声信号，使用内部模拟量到数字量转换器转换为数字值，微控制器进行判决解调、信道译码、信源译码和信息显示。

水声通信硬件部分，发射和接收电路采用收发合置形式，发射部分通过二极管和换能器相连，换能器处于发射状态时，调制信号通过滤波和功率放大电路后驱动换能器晶片震荡发射超声波；接收部分使用功率电阻和二极管与换能器相连，换能器处于接收状态时，由于信号较小，二极管处于截止状态，信号直接进入接收电路，进行带通滤波并将小信号前置放大后送入微控制器，因此收发转换模块能够实现发射和接收功能的转换；水声换能器体积小、重量轻，设计水声通信电路时，考虑到各类换能器中心工作频率的差异，因此本发明可修改电路参数在一定范围内适应不同的换能器。

进一步的，所述的微控制器采用高主频ARM内核，内置浮点运算单元支持高速浮点运算，配合DSP指令库更有利于通信过程中信号的快速处理。

进一步的，所述无线通信模块为工作在2.4G～2.5G无线电频段的单片收发芯片，内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器功能模块，输出功率和通信频道通过微控制器的串行外设接口协议进行配置，其通信流程如下：

发送数据时，将模块配置为发射模式：把接收机地址和有效数据按时序由串行外设接口写入缓存区；微控制器把CE位置高电平并保持至少10μs，延迟130μs后发射数据；若自动应答开启，那么模块在发射数据后立即进入接收模式，等待应答信号，若收到应答，则此次通信成功，同时有效数据从发送堆栈中清除，若未收到应答，则自动重新发射数据，直至发射成功；发射成功后，若发送堆栈中有数据且CE位为高，则进入下一次发射，否则进入空闲模式；

接收数据时，将模块配置为接收模式：配置本机地址和接收的数据包大小；微控制器把CE位置高电平并延迟130μs进入接收模式等待数据包到来；当接收方检测到有效的地址和CRC(Cyclic Redundancy Check，循环冗余校验)校验码时，无线通信模块自动把字头、地址和CRC校验位移去后将数据包存储在接收堆栈中，同时中断标志位置高，通知微控制器读取数据；若此时自动应答开启，接收方则同时进入发射状态回传应答信号，最后接收成功时，若CE位置低，则进入空闲模式。

一种具有跨介质通信能力的水声调制解调器的调制方法，包括以下步骤：

步骤1，模态感知装置根据初始设定阈值深度与当前设备所处水下深度比较，对模态进行感知，确定设备所处介质层，从而选择信息传输的方式；

步骤2，当判定传输方式为水声通信时，则搭载水声调制解调器的水下传感器节点进行数据采集，并存储于设备的数据缓冲区中，通过软件调制解调算法，配合水声调制解调器相关硬件电路，完成数据的发送与接收；

步骤3，当判定传输方式为无线电通信时，则将水下监测数据压缩处理后，经搭载的无线模块传输至陆上基站，进行海空通信；

步骤4，如果需要继续进行数据传输，重新执行步骤1进行模态感知；反之，如果不需要则使设备进入休眠状态，等待下一次数据传输唤醒设备，本次数据传输结束。

一种具有跨介质通信能力的水声调制解调器的调制解调算法，使用二进制幅移键控作为调制解调方案，采用包络检波进行如下设计：

对于已调接收信号经过带通滤波后的输出y(t)为：

式中，a为已调信号幅值，ω_c为带通滤波器的固有角频率，t为时间，n_c(t)为窄带噪声的同相分量，n_s(t)为窄带噪声的正交分量。

当接收的传送码为“1”时，带通滤波器输出的信号与噪声的混合波形y(t)为余弦信号加窄带高斯噪声形式；而接收的传送码为“0”时，带通滤波器的输出y(t)只存在窄带高斯噪声；

在一个最小采样周期T_s内，经包络检波器后输出包络信号V(t)为：

传送码为“1”时，包络相当于余弦信号加窄带高斯噪声的包络，低通滤波器输出包络的抽样值V的一维概率密度函数服从莱斯分布；而传送码为“0”时，包络相当于窄带高斯噪声的包络，低通滤波器输出包络的抽样值V的一维概率密度函数服从瑞利分布；

以P(1)和P(0)分别表示包络信号输出为传送码“1”和传送码“0”的概率，P(0/1)和P(1/0)分别表示传送码“1”错判为传送码“0”和传送码“0”错判为传送码“1”的概率，则系统的总误码率P_e表示为：

P_e＝P(1)P(0/1)+P(0)P(1/0)

以S₀和S₁分别表示传送码不同时，包络信号在概率分布曲线上所包围的面积，且由P(1)＝P(0)＝1/2得：

因此，当阴影面积之和最小时，误码率最低，称误码率为最小值的门限为最佳门限，求得最佳门限值V^*＝a/2，则系统总的误码率：

其中，为解调器输入信号噪声功率比，为窄带高斯噪声n_i(t)的方差且n_i(t)＝n_c(t)cosω_ct-n_s(t)sinω_ct。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、融合水声和无线电通信技术，软硬件方面均采用模块化设计，具有拓展性强、移植性好、体积小巧、便于后期维护与开发的特点。

2、本发明设备子板单独定制，可拆卸和更换；母版通配性高、接口丰富，使得系统能够更加方便地对各个应用方向进行改装设计，只需配置少量必需的外部设备，而无需重新设计硬件电路，即可满足不同需求。

3、本发明水声通信方案拥有数据传输实时性高、功耗低的优点，能够降低误码率同时减少水下频移效应与多径效应的影响，提高水声通信的稳定性和高效性；联合成熟的无线电通信方案，能够搭建多模态切换的海空跨介质的信息传输系统，为水下传感器的组网融合与陆上数据交互提供通信支持。

附图说明

图1本发明的结构示意图。

图2本发明的通信工作流程图。

图3本发明的解调原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示，本发明所述水声调制解调器包括微控制器、模态感知装置、无线通信模块、发送端、接收端、滤波电路、功放电路、收发合置电路、滤波电路、信号放大电路、水声换能器、供电模块；

模态感知装置、无线通信模块、接收端与微控制器的信号输入端相连，微控制器的信号输出端与发送端相连，发送端与滤波电路、功放电路、收发合置电路依次相连，收发合置电路与水声换能器互通连接将发送端发出的数据信息通过水声换能器发出，水声换能器与其他水声调制解调器上的水声换能器无线连接；收发合置电路与另一滤波电路、信号放大电路相连后与接收端相连，将水声换能器接收到的数据信息传输至接收端；

模态感知装置根据初始设定阈值深度与当前设备所处水下深度进行比较，对模态进行感知，确定设备所处介质层，选择信息传输的方式；无线通信模块与基站互通连接，无线通信模块与其他水声调制解调器上的无线通信模块也互通连接；供电模块为每个水声调制解调器提供电能。

如图2所示为本发明涉及的水声调制解调器跨介质通信工作流程图，将本发明置于水中，搭载的水声调制解调器用以进行水下声通信，搭载的无线模块用以进行无线电通信，所述设备工作流程包括以下步骤：

(1)模态感知装置主要根据初始设定阈值深度与当前设备所处水下深度比较，对模态进行感知，确定设备所处介质层，从而选择信息传输的方式，利用水压压力与该处水的深度成比例的原理，当设备投入到被测液体中某一深度时，装置迎液面受到的压力为：PA＝PB+ρgH，式中，PA为装置迎液面所受的压力，ρ为被测液体的密度，g为当地重力加速度，PB为液面上大气压力，H为设备所处液体的深度；

同时，通过导气不锈钢将液体的压力引入到装置的正压腔，再将液面上的大气压力PB与装置的负压腔相连，以抵消装置背面的PB，保证了测量精度，使测得压力为ρgH，显然，液位H与压力PA成线性关系，迎液面压力PA作用在压力传感器上的感应膜片上，当压力变化时，使惠更斯电桥桥臂阻值变化引起输出电压发生变化，经过差分归一化放大器放大转换后，很容易将液位压力转换为电压信号，再转换为电流信号经非线性校正环路补偿作为二线制4～20毫安的标准信号输出；

最后经微控制器校正，换算为设备当前所处深度H，与设备初始化时设定的阈值深度H₀进行比较，如果H≥H₀，则判定设备处于水下，否则，设备处于水面附近，从而确定模态，很容易得出，若水声调制解调器处于水下，设定为模态1，则需要以水声通信技术进行数据传送以完成节点与节点间通信；若水声调制解调器处于水面附近，设定为模态2，则需要以无线电通信技术进行数据传送以完成节点与基站间通信。

(2)当判定传输方式为水声通信时，对于水声通信过程概述：通过软件调制解调算法，配合水声调制解调器收发合置硬件电路，完成数据的发送与接收；

发送数据时，搭载水声调制解调器的水下传感器节点进行数据监测、定位跟踪，微控制器将搜集到的信息存储，并配合数据包协议进行信源编码、信道编码、数字调制后，使用内部数模转换器将数字信息转换为模拟信息(由于数模转换器输出的信号具有杂波，要将信号通过滤波电路滤除杂波)，调制信号通过滤波和功率放大电路后驱动发射端换能器晶片震荡产生超声波，发射至真实水下信道，以声波通信方式实时传输数据；

如图3所示为本发明涉及的水声调制解调器解调原理框图，接收数据时，水声调制解调器接收端的水声换能器捕获声信号，在给定频率范围内进行带通滤波，并将滤过的小信号放大后，使用内部模数转换器将模拟信息转换为数字信息，微控制器利用二进制幅移键控解调方式判决得到二进制序列，最终经过信道译码、信源译码后成为数据帧，拆包后得到有效信息。

有关二进制幅移键控解调方式：

对于已调接收信号经过带通滤波后的输出y(t)为：

式中，a为已调信号幅值，ω_c为带通滤波器的固有角频率，t为时间，n_c(t)为窄带噪声的同相分量，n_s(t)为窄带噪声的正交分量；

当接收的传送码为“1”时，带通滤波器输出的信号与噪声的混合波形y(t)为余弦信号加窄带高斯噪声形式；而接收的传送码为“0”时，带通滤波器的输出y(t)只存在窄带高斯噪声；

在一个最小采样周期T_s内，经包络检波器后输出包络信号V(t)为：

传送码为“1”时，包络相当于余弦信号加窄带高斯噪声的包络，低通滤波器输出包络的抽样值V的一维概率密度函数服从莱斯分布；而传送码为“0”时，包络相当于窄带高斯噪声的包络，低通滤波器输出包络的抽样值V的一维概率密度函数服从瑞利分布；

以P(1)和P(0)分别表示包络信号输出为传送码“1”和传送码“0”的概率，P(0/1)和P(1/0)分别表示传送码“1”错判为传送码“0”和传送码“0”错判为传送码“1”的概率，则系统的总误码率P_e表示为：

P_e＝P(1)P(0/1)+P(0)P(1/0)

以S₀和S₁分别表示传送码不同时，包络信号在概率分布曲线上所包围的面积，且由P(1)＝P(0)＝1/2得：

因此，当阴影面积之和最小时，误码率最低，称误码率为最小值的门限为最佳门限，求得最佳门限值V^*＝a/2，则系统总的误码率：

其中，为解调器输入信号噪声功率比，为窄带高斯噪声n_i(t)的方差且n_i(t)＝n_c(t)cosω_ct-n_s(t)sinω_ct。

(3)当判定传输方式为无线电通信时，对于无线电通信过程概述：将水下监测数据压缩处理后，经无线通信模块传输至陆上基站，握手成功后最终由上位机显示，完成海空通信；

利用微控制器串行外设接口配置相关寄存器，无线通信模块即可正常工作，通信流程如下：

发送数据时，将无线通信模块配置为发射模式：把接收机地址和有效数据按时序由串行外设接口写入缓存区；微控制器把CE位置高电平并保持至少10μs，延迟130μs后发射数据；若自动应答开启，那么模块在发射数据后立即进入接收模式，等待应答信号，若收到应答，则此次通信成功，同时有效数据从发送堆栈中清除，若未收到应答，则自动重新发射数据，直至发射成功；发射成功后，若发送堆栈中有数据且CE位为高，则进入下一次发射，否则进入空闲模式；

接收数据时，将无线通信模块配置为接收模式：配置本机地址和接收的数据包大小；微控制器把CE位置高电平并延迟130μs进入接收模式等待数据包到来；当接收方检测到有效的地址和CRC校验码时，无线通信模块自动把字头、地址和CRC校验位移去后将数据包存储在接收堆栈中，同时中断标志位置高，通知微控制器读取数据；若此时自动应答开启，接收方则同时进入发射状态回传应答信号，最后接收成功时，若CE位置低，则进入空闲模式；

(4)如果需要继续进行数据传输，重新进行模态感知；反之，如果不需要则使设备进入休眠状态，等待下一次数据传输唤醒设备，本次数据传输过程结束。

进而，本发明通过模态切换，水声和无线电通信技术的结合，完成海空跨介质通信，能够实现载有水声调制解调器的水下传感器节点大规模布放，搭建海空信息组网传输系统。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种具有跨介质通信能力的水声调制解调器，其特征在于：所述水声调制解调器包括微控制器、模态感知装置、无线通信模块、发送端、接收端、滤波电路、功放电路、收发合置电路、滤波电路、信号放大电路、水声换能器、供电模块；

模态感知装置、无线通信模块、接收端与微控制器的信号输入端相连，微控制器的信号输出端与发送端相连，发送端与滤波电路、功放电路、收发合置电路依次相连，收发合置电路与水声换能器互通连接将发送端发出的数据信息通过水声换能器发出，水声换能器与其他水声调制解调器上的水声换能器无线连接；收发合置电路与另一滤波电路、信号放大电路相连后与接收端相连，将水声换能器接收到的数据信息传输至接收端；

模态感知装置根据初始设定阈值深度与当前设备所处水下深度进行比较，对模态进行感知，确定设备所处介质层，选择信息传输的方式；无线通信模块与基站互通连接，无线通信模块与其他水声调制解调器上的无线通信模块也互通连接；供电模块为每个水声调制解调器提供电能。

2.根据权利要求1所述的一种具有跨介质通信能力的水声调制解调器，其特征在于：所述模态感知装置为液位变送器，即由测量膜片与两侧绝缘片上的电极各组成的电容器实现；当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容量就不相等，通过振荡和解调环节，转换成与压力成正比的信号。

3.根据权利要求1所述的一种具有跨介质通信能力的水声调制解调器，其特征在于：发送数据时，微控制器将水下搜集的信息进行信源编码、信道编码、数字调制，使用内部数字量到模拟量转换器转换为模拟值；接收数据时，水声换能器接收端捕获声信号，使用内部模拟量到数字量转换器转换为数字值，微控制器进行判决解调、信道译码、信源译码和信息显示。

4.一种基于权利要求1所述一种具有跨介质通信能力的水声调制解调器的调制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，模态感知装置根据初始设定阈值深度与当前设备所处水下深度比较，对模态进行感知，确定设备所处介质层，从而选择信息传输的方式；

步骤2，当判定传输方式为水声通信时，则搭载水声调制解调器的水下传感器节点进行数据采集，并存储于设备的数据缓冲区中，通过软件调制解调算法，配合水声调制解调器相关硬件电路，完成数据的发送与接收；

步骤3，当判定传输方式为无线电通信时，则将水下监测数据压缩处理后，经搭载的无线模块传输至陆上基站，进行海空通信；

步骤4，如果需要继续进行数据传输，重新执行步骤1进行模态感知；反之，如果不需要则使设备进入休眠状态，等待下一次数据传输唤醒设备，本次数据传输结束。

5.一种基于权利要求1所述一种具有跨介质通信能力的水声调制解调器的调制解调算法，其特征在于，使用二进制幅移键控作为调制解调方案，采用包络检波进行如下设计：

对于已调接收信号经过带通滤波后的输出y(t)为：

式中，a为已调信号幅值，ω_c为带通滤波器的固有角频率，t为时间，n_c(t)为窄带噪声的同相分量，n_s(t)为窄带噪声的正交分量；

当接收的传送码为“1”时，带通滤波器输出的信号与噪声的混合波形y(t)为余弦信号加窄带高斯噪声形式；而接收的传送码为“0”时，带通滤波器的输出y(t)只存在窄带高斯噪声；

在一个最小采样周期T_s内，经包络检波器后输出包络信号V(t)为：

传送码为“1”时，包络相当于余弦信号加窄带高斯噪声的包络，低通滤波器输出包络的抽样值V的一维概率密度函数服从莱斯分布；而传送码为“0”时，包络相当于窄带高斯噪声的包络，低通滤波器输出包络的抽样值V的一维概率密度函数服从瑞利分布；

以P(1)和P(0)分别表示包络信号输出为传送码“1”和传送码“0”的概率，P(0/1)和P(1/0)分别表示传送码“1”错判为传送码“0”和传送码“0”错判为传送码“1”的概率，则系统的总误码率P_e表示为：

P_e＝P(1)P(0/1)+P(0)P(1/0)；

以S₀和S₁分别表示传送码不同时，包络信号在概率分布曲线上所包围的面积，且由P(1)＝P(0)＝1/2得：

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因此，当阴影面积之和最小时，误码率最低，称误码率为最小值的门限为最佳门限，求得最佳门限值V^*＝a/2，则系统总的误码率：

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其中，为解调器输入信号噪声功率比，为窄带高斯噪声n_i(t)的方差且n_i(t)＝n_c(t)cosω_ct-n_s(t)sinω_ct。