CN108270499A - 一种水声通信性能测试设备及方法 - Google Patents

Abstract

针对目前没有针对水声Modem通信性能测试的测试设备，且现有的基于待测设备自身对自身性能的测试和评价存在客观性不足的问题，本发明设计了一种基于模拟水声信道的水声Modem通信性能的测试设备及方法，通过构建逼近真实海洋水声信道模拟器的方式测试水声Modem在不同海况、水深、通信距离、移动性条件下的通信性能，该设备可从第三方的角度在水池对被测水声Modem性能进行全面客观的测定。

Description

一种水声通信性能测试设备及方法

技术领域

本发明属于水声通信技术领域，具体涉及一种测试水声通信机(即，水声Modem)通信性能的测试设备及方法，适用于对各种类型和各种接口的水声通信设备进行性能测试。

背景技术

海洋约占地球表面积的71％，人类活动的空间逐渐从陆地向海洋扩展，21世纪也被称为海洋的世纪。海洋蕴藏着丰富的矿产和鱼类资源，同时也是我国连接世界的蓝色桥梁和重要门户，因此开发海洋具有重要的政治意义、民用价值和军事价值。不管是海底资源勘探，还是潜艇或水下航行器航行，它们都需要有一个可靠的水声通信网络进行通信控制。水声Modem是水声通信网络的通信节点，分布在网络的空间各处，各节点间协同工作，用于完成数据的收发。

水声Modem的性能对水声通信网络的通信质量影响很大。一个方面是海洋环境十分复杂，并时刻变化着，这种复杂性主要表现在多径传播和多普勒效应上；另一方面是水声Modem本身设计的问题，水声Modem所采用的设计方案和具体的通信技术都会影响其通信性能。

衡量一个水声Modem的性能指标主要有通信误码率、数据传输速率、通信距离等。目前，鲜有用于水声通信性能测试的专用设备的报道，通常的做法是发送端发送一段特定的数据，接收端在其解码的基础上计算误码率等性能指标，以此来完成对水声Modem通信性能的测试。然而，这种测试方法通过被测试Modem来实现并给出测试结果，基于被测试设备自身对自身性能的测试和评价存在客观性不足的问题。而另一方面，国内外水声Modem目前都是定制的，其内部电路、编码与制式都是不同的。因此通过一个第三方设备对被测水声Modem性能进行客观准确的测定就显得尤为重要。

水声Modem的主要功能是在水下用声信号完成对数据的收发。虽然，在外场湖试或海试时，某些测试设备能实地实时、准确、客观地测试水声Modem的性能。然而，特定的外场试验得到的试验数据仅能反映通信机在特定试验环境下的性能，水声通信机在其他水域中的性能则需要再次开展试验。更重要的是，在每次的外场试验中需要投入大量的人力和物力，而且存在某些特定水域无法开展试验测试的情形。因此，通过模拟水声信道的方式在实验室搭建测试系统来测试水声Modem的性能就显得十分必要。

发明内容

要解决的技术问题

针对目前没有针对水声Modem通信性能测试的测试设备，且现有的基于待测设备自身对自身性能的测试和评价存在客观性不足的问题，本发明设计了一种基于模拟水声信道的水声Modem通信性能的测试设备及方法，通过构建逼近真实海洋水声信道模拟器的方式测试水声Modem在不同海况、水深、通信距离、移动性条件下的通信性能，该设备可从第三方的角度在水池对被测水声Modem性能进行全面客观的测定。

技术方案

一种水声通信性能测试设备，其特征在于包括人机显控模块、控制中心、测试序列生成器、性能评估与计算单元、水声信道模拟模块、宽频换能器模块、接口电路和存储模块；

人机显控模块：测试人员可以通过显控屏选择测试设备要模拟的逼近真实的海洋条件，并选择测试序列，启动测试过程，察看测试数据；测试序列可以选择设备存储模块中的预设测试序列，或由测试人员通过显控屏直接输入测试序列；

控制中心：响应人机显控模块，控制测试序列生成器、性能评估与计算单元、水声信道模拟模块、宽频换能器模块、接口电路、存储模块；

测试序列生成器：根据控制中心的命令生成特定的电信号形式的测试序列；

存储模块：存储用于测试的测试序列、测试结果、设备工作日志内容；

接口电路：提供了多种类型接口，接口单元需要完成各类输入/输出接口的选择、转换处理，确保测试设备提供的信号源适配各种被测水声Modem设备接口的特性；

宽频换能器模块：包括宽频换能器R和宽频换能器T，其中宽频换能器R用于接收待测水声Modem发送到水中的声信号，宽频换能器T用于将收到的经过水声信号模拟模块处理后的电信号转换为水声信号发送出去；

水声信道模拟模块：根据控制中心的命令，通过BELLHOP模型方法模拟不同海况、水深、通信距离、移动性条件下的真实海洋水声信道；

性能评估与计算单元：将接口电路发送过来的数字序列与测试序列进行对比分析，计算给出被测水声Modem的通信误码率，并结合水声信道模拟模块设置的参数信息，给出数据传输速率、传输时延、通信距离，同时结合宽频换能器模块给出占用频带。

一种水声通信性能的测试方法，将两个待测收发水声Modem分别布放到水下预先设置好的深度和距离，其中Modem T是发送端，Modem R是接收端；测试设备用电缆与两个待测水声Modem相连，其中测试设备的宽频换能器模块布放在水下，其他模块封装在一起布放在水面以上；其特征在于步骤如下：

步骤1：通过人机显控模块的显控屏选择包括海况、水深、通信距离、移动性的海洋条件参数，并选择测试序列；若要输入其他测试序列，可先通过显控屏输入测试序列的具体信息，保存在存储模块中，再选择测试序列；

步骤2：控制中心根据选择的测试序列，从存储模块中读取对应的测试序列，输出给测试序列生成器；

步骤3：测试序列生成器生成电信号形式的测试序列，通过接口电路发送给水声Modem T；

步骤4：水声Modem T将电信号形式的测试序列转换成水声信号发送到水声信道中；宽频换能器R接收到水声信号并将其转换为电信号，然后将其发送给水声信道模拟模块；

步骤5：水声信道模拟模块根据控制中心发送过来的海况、水深、通信距离、移动性海洋条件参数，通过BELLHOP模型方法模拟水声信号通过真实的海洋水声信道；

步骤6：电信号经过水声信道模拟模块后，通过宽频换能器T将电信号转化为水声信号，发送到水声信道中，水声Modem R从水中接收到水声信号；

步骤7：水声Modem R将接收到的水声信号解码成电信号形式的数字序列，后经过接口电路送给性能评估与计算单元；宽频换能器模块完成待测水声Modem的频带分析，将频带信息发送给性能评估与计算单元；

步骤8：性能评估与计算单元根据接收到的数据，通过比对分析和计算得到被测水声Modem的测试结果，具体包括通信误码率、数据传输速率、传输时延、通信距离、占用频带；

步骤9：控制中心从性能评估与计算单元得到计算后的性能指标，通过人机显控模块反馈测试结果。

有益效果

本发明提出的一种用于模拟水声信道测试的水声Modem通信性能的测试设备及方法，通过该设备可从第三方的角度在水池环境下对被测水声Modem性能进行客观准确的测定，避免了常用的基于被测设备自身对自身性能进行测试的方式中存在的测试结果客观性不足的问题，也解决了外场试验的不便捷性，填补了技术空白。该设备提供多种接口供各种水声Modem连接，该测试设备在实验室水池试验过程中能够完成对不同类型水声Modem的通信误码率、数据传输速率、传输时延、通信距离、占用频带指标的测试，完成对水声Modem的可靠性和有效性的全面测试，能够在实验室水池试验过程中实时、客观地测试与评估水声通信机的性能。

附图说明

图1水声通信性能测试设备组成框图

图2模拟水声信道试验法硬件连接示意图

图3模拟水声信道方法测试方案流程图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明设计了一个用于实验室测试的水声Modem通信性能的测试设备(下文简称为测试设备)及方法。测试设备可在水池中完成对待测水声Modem的通信误码率、数据传输速率、传输时延、通信距离、占用频带性能指标的测试，能够完成对水声Modem的可靠性和有效性的全面测试与客观评估。测试设备由人机显控模块、控制中心、测试序列生成器、性能评估与计算单元、水声信道模拟模块、宽频换能器模块、接口电路、存储模块组成，设备组成如图1所示。

各模块的具体功能如下：

人机显控模块：测试人员可以通过显控屏选择测试设备要模拟的逼近真实的海洋条件(包括海况、水深、通信距离、移动性)，并选择测试序列，启动测试过程，察看测试数据。测试序列可以选择设备存储模块中的预设测试序列，或由测试人员通过显控屏直接输入测试序列。

控制中心：响应人机显控模块，控制测试序列生成器、性能评估与计算单元、水声信道模拟模块、宽频换能器模块、接口电路、存储模块。

测试序列生成器：根据控制中心的命令生成特定的电信号形式的测试序列。

存储模块：存储用于测试的测试序列、测试结果、设备工作日志内容。

接口电路：提供了多种类型接口，接口单元需要完成各类输入/输出接口的选择、转换处理，确保测试设备提供的信号源适配各种被测水声Modem设备接口的特性。

宽频换能器模块：包括宽频换能器R和宽频换能器T，其中宽频换能器R用于接收待测水声Modem发送到水中的声信号，宽频换能器T用于将收到的经过水声信号模拟模块处理后的电信号转换为水声信号发送出去。

水声信道模拟模块：根据控制中心的命令，通过BELLHOP模型方法模拟不同海况、水深、通信距离、移动性条件下的真实海洋水声信道，主要有海洋参数设置、多径传播设置、多普勒效应设置。

性能评估与计算单元：将接口电路发送过来的数字序列与测试序列进行对比分析，计算给出被测水声Modem的通信误码率，并结合水声信道模拟模块设置的参数信息，给出数据传输速率、传输时延、通信距离，同时结合宽频换能器模块给出占用频带。

在水池中，执行如下测试步骤：

(1)将两个待测收发水声Modem分别布放到预先设置好的深度和距离，测试设备用电缆与两个待测水声Modem相连，如图2所示。待测水声Modem T和Modem R布置在水下，其中Modem T是发送端，Modem R是接收端。测试设备的宽频换能器模块布放在水下，其他模块封装在一起布放在水面以上。

(2)测试人员通过人机显控模块设置海况、水深、通信距离、移动性的海洋条件参数；选择并且确定测试序列，启动测试过程，测试设备通过电缆将该序列传送给Modem T。

(3)待测Modem T将测试序列发送到水声信道中。

(4)测试设备通过其内部的宽频换能器模块和水声信道模拟模块完成水声信号通过真实水声信道的过程的模拟。

(5)待测水声Modem R接收通过信道模拟后的声信号，并将解码后数据通过接口电路发送给测试设备。

(6)测试设备记录待测Modem R解码得到的数据及接收时刻信息，完成对一对待测水声Modem的通信性能的测试和评估，测试结果包括通信误码率、传输速率、时延、通信距离、占用频带。

(7)测试人员通过人机显控模块看到测试结果。

(8)测试结束。

测试设备的测试过程分为经过水声信道模拟模块之前的过程、模拟海洋水声信道过程、经过水声信道模拟模块之后的过程，图3给出了测试过程中的设备工作流程。

经过水声信道模拟模块之前的过程：

(1)测试人员通过人机显控模块的显控屏选择海况、水深、通信距离、移动性的海洋条件参数，并选择测试序列。若要输入其他测试序列，可先通过显控屏输入测试序列的具体信息，保存在存储模块中，再选择测试序列。

(2)控制中心根据选择的测试序列，从存储模块中读取对应的测试序列，输出给测试序列生成器。

(3)测试序列生成器生成电信号形式的测试序列，通过接口电路发送给水声ModemT。

(4)水声Modem T将电信号形式测试序列转换成水声信号发送到水声信道中；测试设备的宽频换能器R接收到水声信号并将其转换为电信号，然后将其发送给水声信道模拟模块。

模拟海洋水声信道过程：水声信道模拟模块根据控制中心发送过来的海况、水深、通信距离、移动性海洋条件参数，通过BELLHOP模型方法模拟水声信号通过真实的海洋水声信道，主要有海洋参数设置、多径传播设置、多普勒效应设置。电信号经过模拟水声信道后，会有所变化。

经过水声信道模拟模块之后的过程：

(1)电信号经过水声信道模拟模块处理后，通过宽频换能器T将电信号转化为水声信号，发送到水声信道中，水声Modem R从水中接收到水声信号。

(2)水声Modem R将接收到的水声信号解码成电信号形式的数字序列，后经过接口电路送给性能评估与计算单元；宽频换能器模块完成待测水声Modem的频带分析，将频带信息发送给性能评估与计算单元。

(3)性能评估与计算单元根据接收到的数据，通过比对分析和计算得到被测水声Modem的测试结果，具体包括通信误码率、数据传输速率、传输时延、通信距离、占用频带。

(4)控制中心从性能评估与计算单元得到计算后的性能指标，通过人机显控模块向测试人员反馈测试结果。

测试设备在实验室水池条件下，对水声Modem的性能进行测试，在测试过程中，测试操作便捷，通过模拟逼近真实的海洋水声信道，经过上述三个过程，测试设备能够实时、客观、准确地得到被测水声Modem通信性能，完成对水声Modem的可靠性和有效性的全面测试与客观评估。

Claims (2)

1.一种水声通信性能测试设备，其特征在于包括人机显控模块、控制中心、测试序列生成器、性能评估与计算单元、水声信道模拟模块、宽频换能器模块、接口电路和存储模块；

人机显控模块：测试人员可以通过显控屏选择测试设备要模拟的逼近真实的海洋条件，并选择测试序列，启动测试过程，察看测试数据；测试序列可以选择设备存储模块中的预设测试序列，或由测试人员通过显控屏直接输入测试序列；

控制中心：响应人机显控模块，控制测试序列生成器、性能评估与计算单元、水声信道模拟模块、宽频换能器模块、接口电路、存储模块；

测试序列生成器：根据控制中心的命令生成特定的电信号形式的测试序列；

存储模块：存储用于测试的测试序列、测试结果、设备工作日志内容；

接口电路：提供了多种类型接口，接口单元需要完成各类输入/输出接口的选择、转换处理，确保测试设备提供的信号源适配各种被测水声Modem设备接口的特性；宽频换能器模块：包括宽频换能器R和宽频换能器T，其中宽频换能器R用于接收待测水声Modem发送到水中的声信号，宽频换能器T用于将收到的经过水声信号模拟模块处理后的电信号转换为水声信号发送出去；

水声信道模拟模块：根据控制中心的命令，通过BELLHOP模型方法模拟不同海况、水深、通信距离、移动性条件下的真实海洋水声信道；

性能评估与计算单元：将接口电路发送过来的数字序列与测试序列进行对比分析，计算给出被测水声Modem的通信误码率，并结合水声信道模拟模块设置的参数信息，给出数据传输速率、传输时延、通信距离，同时结合宽频换能器模块给出占用频带。

2.一种采用权利要求1所述的测试设备对水声通信性能进行的测试方法，将两个待测收发水声Modem分别布放到水下预先设置好的深度和距离，其中Modem T是发送端，Modem R是接收端；测试设备用电缆与两个待测水声Modem相连，其中测试设备的宽频换能器模块布放在水下，其他模块封装在一起布放在水面以上；

其特征在于步骤如下：

步骤1：通过人机显控模块的显控屏选择包括海况、水深、通信距离、移动性的海洋条件参数，并选择测试序列；若要输入其他测试序列，可先通过显控屏输入测试序列的具体信息，保存在存储模块中，再选择测试序列；

步骤2：控制中心根据选择的测试序列，从存储模块中读取对应的测试序列，输出给测试序列生成器；

步骤3：测试序列生成器生成电信号形式的测试序列，通过接口电路发送给水声ModemT；

步骤4：水声Modem T将电信号形式的测试序列转换成水声信号发送到水声信道中；宽频换能器R接收到水声信号并将其转换为电信号，然后将其发送给水声信道模拟模块；

步骤5：水声信道模拟模块根据控制中心发送过来的海况、水深、通信距离、移动性海洋条件参数，通过BELLHOP模型方法模拟水声信号通过真实的海洋水声信道；

步骤6：电信号经过水声信道模拟模块后，通过宽频换能器T将电信号转化为水声信号，发送到水声信道中，水声Modem R从水中接收到水声信号；

步骤7：水声Modem R将接收到的水声信号解码成电信号形式的数字序列，后经过接口电路送给性能评估与计算单元；宽频换能器模块完成待测水声Modem的频带分析，将频带信息发送给性能评估与计算单元；

步骤8：性能评估与计算单元根据接收到的数据，通过比对分析和计算得到被测水声Modem的测试结果，具体包括通信误码率、数据传输速率、传输时延、通信距离、占用频带；

步骤9：控制中心从性能评估与计算单元得到计算后的性能指标，通过人机显控模块反馈测试结果。