CN108206704A - 一种动态可重构的水下声通信接收系统 - Google Patents

Abstract

一种动态可重构的水下声通信接收系统，该系统主要包括：水声换能器、通用软件无线电平台(USRP)、软件配置模块(GNU Radio)，基于通用软件无线电平台(USRP)和完全开放的GNU Radio搭建，在不增加硬件资源的前提下，可以实现不同信道特性和调制解调方式下的水下通信；该水下通信接收系统灵活性高、适用性强、可以提高水下频带资源的利用率；完全开放的GNU Radio方便开发者和使用者进行算法和设计方案的验证。

Description

一种动态可重构的水下声通信接收系统

技术领域

本发明涉及水下通信领域，具体涉及一种动态可重构的水下声通信接收系统。

背景技术

海洋覆盖着71%的地球表面，但相对陆地而言，人们对其知之甚少，开发有限。当今全球粮食、资源、能源供应紧张，开发利用海洋中丰富的资源已是必然趋势。从总体上提高海洋环境监测、预测和预报能力，维护海洋权益、发展海洋经济、保护海洋环境、预警海洋灾害，促进海洋和沿海经济和社会的可持续发展在国家发展中已占据十分重要的战略地位。

水下声通信网络作为一种全新的网络形式和监测手段，在环境监测与保护、资源勘探、辅助导航、防灾救援、军事安全等领域具有广阔的应用前景，对海洋经济发展和国防保障均具有极其深远的意义。然而水下声通讯面临着比较严峻的挑战，例如：水声信道是时变-空变-频变、强多径干扰、长传输时延、强环境噪声、可用带宽非常有限的信道；与陆地上无线信道相比，水声信号的传播速度比无线信号低5个数量级而且信号衰减大、存在高误码率和临时失效连接；水下声通信网络设备制造成本高而且对低能耗的要求十分严格。另外，由于每个水下声通信网络节点的位置和深度不同，再加上海洋地形环境复杂多变，使得不同发射-接收通信链路的信道差异较大。甚至由于两个网络节点之间的相对运动，即使同一个发射-接收通信链路水下声学信道也是变化的。如果基于最差信道情况设计水下声通信发射-接收系统，不仅会浪费稀缺的水下频带资源，而且较低的数据传输率意味着更长的符号持续时间，从而导致传输相同数据信息时的能耗加大。尽管市面上已经存在部分商用水下声通信设备，但是种类不多、使用成本较高、可配置性不高。而且这些设备的通用性、二次开发性较差，无法满足使用者或开发者在不同的参数（如载波频率、比特率、数据包大小）、调制解调方式下进行开发、设计等工作。

若采用传统方法解决上述问题，势必要增加硬件资源，这样会大大地增加使用成本；而软件无线电技术可以提供一种全新的解决方法。软件无线电技术可以在一个开放的、可扩展的、结构最简的通用硬件平台上通过调用相关软件程序来实现不同的通信功能，无须改变硬件电路的结构。借助通用软件无线电平台（USRP）和软件代码、硬件设计完全公开的GNU Radio，用户可以灵活的构建各种无线应用。将软件无线电技术应用于水下声通信发射-接收系统，可以方便用户针对不同的水下声学信道特性、参数、调制解调方式进行方案设计、验证和推广。

水下声学信道的时变特性容易导致通信误码率升高、能耗增大；在有限的硬件资源下，现有绝大多数水下声通信发射-接收系统无法同时满足不同信道特性、通信参数、调制解调方式的要求。

发明内容

为解决所述问题，本发明提供了一种动态可重构的水下声通信接收系统，利用通用软件无线电平台（USRP）和GNU Radio，在不改变硬件电路的前提下，实现不同信道特性、通信参数、调制方式信号的接收与处理。

本发明所述水下声通信接收系统主要包括：水声换能器、通用软件无线电平台(USRP)、软件配置模块(GNU Radio)；通用软件无线电平台进一步包括可编程增益放大器（PGA）、模数转换模块(ADC)、可编程门阵列FPGA器件、USB接口等；软件配置模块进一步包括调制解调模块、信道检测模块、发射/接收系统配置模块等。各模块之间的连接关系如下：水声换能器与通用软件无线电平台连接；通用软件无线电平台通过USB接口与软件配置模块连接；通用软件无线电平台内部可编程增益放大器、模数转换模块、FPGA、USB接口依次相连。

所述水声换能器类似于射频前端，可将接收到的声能信号转换为模拟信号，然后传送至通用软件无线电平台。

所述通用软件无线电平台，主要由可编程增益放大器、模数转换模块、FPGA、USB接口组成。其中可编程增益放大器可对水声换能器传送来的模拟信号进行放大、转换、初级滤波处理，可通过程序调节其放大倍数，使A/D转换器满量程信号均一化，提高A/D转换精度；模数转换模块可将PGA处理过的模拟信号转换为数字信号；FPGA作为数字接收前端和基带处理模块使用，将数/模转换输出信号中的有用部分进行分离、提取，同时将此信号的信道搬移至基带，并用数字滤波器滤除带外干扰，主要实现数字下变频、基带信号处理等功能，其相关功能可通过编程实现，具有可配置性；USB接口主要负责通用软件无线电平台和软件配置模块之间的通信。

所述软件配置模块，基于完全开放的GNU Radio设计，主要包括处理单元、调制解调模块、信道检测模块、接收系统配置模块和接收系统配置模块。其中，调制解调模块对信号进行调制解调处理，且支持多种调制解调方式；信道检测模块，根据信道检测信号确定信道特性；处理单元，根据信道特性确定最合适的数据传输率和调制解调方式；接收系统配置模块可用于接收系统可控参数的设置；发射系统配置模块可用于发射系统可控参数的设置。

水下声通信接收系统的具体工作过程如下：

(1)水声换能器接收部分信号并将其视作信道检测信号；

(2)该信道检测信号传送至通用软件无线电平台，进行放大、模数转换、数字下变频、频率转换等处理后，经USB接口传送至GNU Radio中的信道检测模块；信道检测模块进行信道检测得到相关信道参数，如：多普勒频移、多径传输延时、信噪比等；

(3)处理单元根据信道特性，确定当前适用的数据传输速率和调制解调方式，并分别设置调制解调模块、接收系统配置模块、发射系统配置模块；

(4)接收系统配置模块，根据数据传输速率配置通用软件无线电平台内的可编程增益放大器和FPGA；

(5)接收、处理后续信号。

本发明具有以下有益效果:

本发明提供的动态可重构水下通信接收系统，基于通用软件无线电平台(USRP)和完全开放的GNU Radio搭建，在不增加硬件资源的前提下，可以实现不同信道特性和调制解调方式下的水下通信；该水下通信接收系统灵活性高、适用性强、可以提高水下频带资源的利用率；完全开放的GNU Radio方便开发者和使用者进行算法和设计方案的验证。

附图说明

图1为本发明所述一种动态可重构水下通信接收系统结构示意图；

图2为本发明所述一种动态可重构水下通信接收系统实施流程。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明所要保护的范围并不限于此。

一种动态可重构的水下声通信接收系统，包括水声换能器；可编程增益放大器、模数转换模块、FPGA、USB接口；处理单元、信道检测模块、发射系统配置模块、调制解调模块、接收系统配置模块。其中，可编程增益放大器、模数转换模块、FPGA、USB接口集成于一个通用软件无线电平台内；而处理单元、信道检测模块、发射系统配置模块、调制解调模块、接收系统配置模块集成于软件配置模块且基于GNU Radio设计。

水声换能器位于水下通信接收系统的最前端，可将接收到的声能信号转换为模拟信号。

通用软件无线电平台中的可编程增益放大器（PGA）对接收到的模拟信号进行放大，而且其增益可调；模数转换模块将模拟信号转换为数字信号，便于FPGA处理；FPGA模块对接收到的信号进行数字下变频、基带信号处理等，其可通过GNU Radio进行编程控制，便于通过USB与PC机进行数据传输。

软件配置模块，基于完全开放的GNU Radio进行设计，开发者和使用者可以根据需求设计不同的方案。以调制解调模块为例，其集成了多种调制解调方式，如FSK、PSK、OFDM、DSSS等，而且还可以扩展；信道检测模块用于确定信道特性；处理单元根据信道特性确定水下通信用参数，如通信速率、调制解调方式等；接收系统配置模块根据信道特性和处理单元指令配置通用软件无线电平台，如PGA增益以及FPGA的数字下变频、抽取和频率转换等。

水声换能器、可编程增益放大器、模数转换模块、FPGA、USB接口依次相连；模数转换模块选用AD9862；FPGA选用EP1C12；USB接口基于Cypress FX2设计。水声换能器接收水下声能信号并将其转换为模拟信号；将该模拟信号传送至模数转换模块，经AD9862处理后，模拟信号被转换成数字信号；该数字信号进入FPGA进行数字下变频、抽取、频率转换后通过USB接口传送至PC机中的GNU Radio软件配置模块进行后续的检测、处理、配置操作。

水声换能器位于水下通信接收系统具体实现步骤如下：水声换能器接收部分信号并将其视作信道检测信号；该信道检测信号传送至通用软件无线电平台，进行放大、模数转换、数字下变频、频率转换等处理后，经USB接口传送至GNU Radio中的信道检测模块；信道检测模块进行信道特性检测得到相关信道参数；处理单元根据信道特性，确定当前适用的数据传输速率和调制解调方式，并分别设置调制解调模块、接收系统配置模块、发射系统配置模块；接收系统配置模块，根据数据传输速率配置通用软件无线电平台内的可编程增益放大器和FPGA；接收、处理后续信号。

Claims (4)

1.一种动态可重构的水下声通信接收系统，其特征在于：包括：水声换能器、通用软件无线电平台(USRP)、软件配置模块(GNU Radio)；水声换能器与通用软件无线电平台连接；通用软件无线电平台通过USB接口与软件配置模块连接。

2.根据权利要求1所述一种动态可重构的水下声通信接收系统，其特征在于：所述水声换能器类似于射频前端，可将接收到的声能信号转换为模拟信号，然后传送至通用软件无线电平台。

3.根据权利要求1所述一种动态可重构的水下声通信接收系统，其特征在于：所述通用软件无线电平台，主要由可编程增益放大器、模数转换模块、FPGA、USB接口组成；可编程增益放大器可对水声换能器传送来的模拟信号进行放大、转换、初级滤波处理，可通过程序调节其放大倍数，使A/D转换器满量程信号均一化，提高A/D转换精度；模数转换模块可将PGA处理过的模拟信号转换为数字信号；FPGA作为数字接收前端和基带处理模块使用，将数/模转换输出信号中的有用部分进行分离、提取，同时将此信号的信道搬移至基带，并用数字滤波器滤除带外干扰，主要实现数字下变频、基带信号处理等功能，其相关功能可通过编程实现，具有可配置性；USB接口主要负责通用软件无线电平台和软件配置模块之间的通信。

4. 根据权利要求1所述一种动态可重构的水下声通信接收系统，其特征在于：所述软件配置模块，基于完全开放的GNU Radio设计，主要包括处理单元、调制解调模块、信道检测模块、接收系统配置模块和接收系统配置模块；其中，调制解调模块对信号进行调制解调处理，且支持多种调制解调方式；信道检测模块，根据信道检测信号确定信道特性；处理单元，根据信道特性确定最合适的数据传输率和调制解调方式；接收系统配置模块可用于接收系统可控参数的设置；发射系统配置模块可用于发射系统可控参数的设置。