水声通信半物理仿真平台设计与应用*

周 琳,迟书凯,郭志强

(中国海洋大学工程学院,山东青岛266100)

半物理仿真技术是指将复杂系统或对象的一部分用计算机系统模型模拟而另一部分采用物理效应模型或实际系统实现的仿真技术[1]。半物理仿真技术已广泛应用于航空、航天、水下航行器、大型复杂控制系统等高投入、高风险的研究领域[2-4],半物理仿真技术的应用,一方面解决了纯数字离线仿真中系统模型抽象困难、简化模型无法有效模拟实际系统的问题,另一方面避免了实际系统开发周期长、重复性工作多的问题,有效降低了系统的开发成本和风险。

随着海洋开发进程的飞速发展和海洋实时监测应用需求的日益增加,作为目前水下长距离无线通信唯一可行方案的水声通信技术成为无线通信技术的研究热点之一。与卫星信道和地面射频信道相比,水声信道是1个更复杂、更有挑战性的无线信道,有着卫星信道的大延迟和地面射频信道的低可靠性两方面特点[5]。水声通信技术研究主要受两方面制约:一是水声通信算法研究平台的有限性。目前水声通信算法研究主要采用基于M atlab的纯数字离线仿真,采用的简化数学模型无法有效模拟复杂的水声信道。二是水声通信现场级试验的高投入、低效率、长周期性。水声通信现场级试验对设备的防水、布放等要求高,需要船舶等交通工具的支持,同时现场的调试环境差,导致试验失败的因素较多,因此现场级试验一般用于最终产品的性能验证。

为了克服纯数字离线仿真和现场级试验的缺陷,在水声通信系统研究阶段,水声通信技术研究人员多采用建立实验室水声试验平台的方法[6-7]。建立实验室水声试验平台在一定程度上缓解了水声通信技术研究阶段的调试问题,但仍有局限性,主要表现在:水声试验平台的尺度小,水声反射严重,在一定程度上增加了水声信道的复杂性;水声试验平台的尺度小,不能模拟大尺度水声通信场景;水声试验平台的水多为静态、恒温水,不能模拟风、洋流、水温等环境噪声对水声通信的影响。

针对水声通信技术研究过程面临的研究阶段调试方法有限的问题,本论文提出了1种水声通信半物理仿真平台水声通信半物理仿真平台(A Hardware-in-Loop Simulation Platform for Underwater Acoustic Communication)。水声通信半物理仿真平台以SOPC(System on a Programmable Chip)技术、VC++、M atlab为支撑技术,以基于SOPC技术的可配置水声Modem为核心,集成了现场测试采集、算法仿真评估、算法实现装载、水声波形存储播放4种系统。基于建立的水声通信半物理仿真平台进行的水声直接序列扩频通信系统的半物理仿真研究结果表明水声通信半物理仿真平台可有效提高水声通信技术的研究效率。

1 水声通信半物理仿真平台的系统组成

图1所示为本文提出的水声通信半物理仿真平台水声通信半物理仿真平台的系统组成。水声通信半物理仿真平台包括4个子系统:现场测试采集系统、算法仿真评估系统、算法实现装载系统、水声波形存储播放系统,实现了仿真、实现、测试、采集、播放、再仿真的水声通信半物理仿真过程。现场级测试采集系统主要负责对可配置水声Modem通信性能的测试评估和实际水声通信波形的采集,其测试采集过程通过基于长距离无线数传电台开发的现场级无线监控系统实时控制,通信性能测试结果通过长距离无线通信实时上传,水声通信实际波形通过大容量SD卡存储。基于Matlab搭建的算法仿真评估系统主要负责水声通信算法的仿真研究和算法运行关键节点的实时监测,验证通过的仿真算法交给算法实现装载系统实现。算法实现装载系统主要负责两方面工作:一是通过对算法的软硬件协同设计,在DSP Builder、QuartusⅡ、NiosⅡIDE等EDA(Electronic Design Automation)工具支持下,将水声通信算法快速映射成SOPC系统的软件程序和硬件逻辑;二是利用AL TERA公司支持SOPC系统开发的FPGA(Field Programmable Gate A rray)的软硬件配置技术,在高速无线局域网技术W iFi的支持下,将水声通信算法映射成的软件程序和硬件逻辑远程在线配置到可配置水声Modem中。水声波形存储播放系统基于VC++开发,主要负责实际水声波形的建库管理和为算法仿真评估系统提供基于实际水声波形的仿真数据。

图1 水声通信半物理仿真平台的系统组成Fig.1 Constitution of HLSP/UWAC system

水声通信半物理仿真平台的主要特点体现在:(1)与传统的基于M atlab纯数字离线仿真相比,水声通信半物理仿真平台的仿真信号源是实际水声数据,防止了数据模型对水声信道模拟所造成的偏差;(2)基于M atlab搭建的算法仿真评估系统与基于数字逻辑实现的可配置水声Modem系统在算法逻辑上一一对应,不仅具有仿真验证功能,还能够监测算法运行关键节点,以弥补实际水声通信系统运行过程监测困难的问题;(3)基于SOPC技术的可配置水声Modem为核心的现场测试采集平台,在远程无线IAP(In Application Programming)技术的支持下,可实现系统算法软件和硬件的实时免拆装下载更新,提高了水声通信现场级试验的效率;(4)基于VC++开发的水声波形存储播放系统,数据库内容会随着现场级试验次数的增加而逐渐丰富。通过水声波形播放器的控制管理,可以在实验室重复波形回放、模拟各种情形(多径、多普勒频移)的实际水声波形以支持水声通信算法的研究,从而大大加快研发人员的工作效率。

2 水声通信半物理仿真平台的设计实现

如前所述,水声通信半物理仿真平台包括现场测试采集系统、算法仿真评估系统、算法实现装载系统、水声波形存储播放系统等4个子系统,本节将分别介绍各个子系统及其关键技术的设计实现。

2.1 现场测试采集系统

现场测试采集系统是水声通信半物理仿真平台的物理效应子系统,也是系统核心,负责水声通信算法的现场级性能测试和实际水声波形的采集存储,其系统实现主要包括基于SOPC技术的可配置水声Modem设计和现场级无线监控系统设计。

2.1.1 基于SOPC技术的可配置水声Modem设计

图2所示为基于SOPC技术的可配置水声Modem的结构框图,可配置水声Modem的核心芯片是支持SOPC技术的AL TERA公司的FPGA,SOPC技术支持软件、硬件可编程,可方便支持水声通信半物理仿真平台系统的远程免拆装IAP功能(免拆装对于水密性要求严格的水声Modem是非常重要的,可有效提高现场级试验的效率)。可配置水声Modem的FPGA片内集成了高性能NiosⅡ软核处理器、发射机通信算法逻辑、发射机驱动电路接口逻辑、接收机通信算法逻辑、接收机驱动电路接口逻辑、接收机波形采集存储逻辑等。发射机通信算法逻辑与接收机通信算法逻辑分别与水声通信半物理仿真平台的仿真评估系统的发射机算法和接收机算法一一对应;发射机驱动电路接口逻辑、接收机驱动电路接口逻辑分别控制模拟前端电路的发射电路和接收电路的相关参数,可配置水声Modem的模拟前端电路也是可配置的,其通信带宽、发射功率等参数基本覆盖了水声通信的可用范围,保证了不同应用系统的开发需求,这也是水声通信半物理仿真平台的1个特点,其水声Modem是通用的,算法研究人员只需要关注于算法研究,不需要关心底层电路的具体细节,只是根据需求进行简单的配置;接收机波形采集存储逻辑负责采集接收机A/D采样后的波形数据,该波形数据是携带了接收机电路噪声和待机状态AGC(Automatic Gain Control)放大信息的波形数据,与水声换能器接收到的水声波形相比,是真正的水声通信算法需要处理的数据,利用该数据进行水声通信算法研究更有针对性,这是水声通信半物理仿真平台区别于传统利用水听器采集实际水声波形数据的1个特点。

图2 可配置水声Modem的结构框图Fig.2 SOPC technology based configurable underwater acoustic modem

2.1.2 现场级无线监控系统设计 现场级无线监控系统管理控制水声Modem的通信性能测试和实际波形采集过程。图3所示是现场级无线监控系统的系统组成框图(虚线框内为现场级无线监控系统)。现场级无线监控系统包括系统管理分析中心、系统汇聚节点和浮子节点。系统管理分析中心是1台PC机,负责测试系统的控制、数据管理和分析,通过全双工的RS232串口跟系统汇聚节点进行点对点有线通信。系统汇聚节点和浮子节点具有相同的硬件电路结构,不同的软件功能。系统汇聚节点负责向浮子节点转发系统管理分析中心的命令、向系统管理分析中心转发浮子节点的数据信息和状态信息;浮子节点负责向可配置水声Modem转发系统管理分析中心的命令、向系统管理分析中心转发可配置水声Modem的数据信息和状态信息。系统汇聚节点和浮子节点之间通过射频无线方式通信,具有2种无线通信方式:数传电台和WiFi。数传电台通信距离大,通信速率低,负责测试命令、水声通信数据、网络节点信息的传输;WiFi通信距离小,通信速率高,负责系统软硬件程序的在应用中下载(IAP)、在应用中转存水声通信波形的采集数据,而可配置水声Modem的水声波形采集数据缓存到浮子节点的SD卡中。实际水声波形的采集过程由系统管理分析中心通过由系统汇聚节点和浮子节点构成的射频无线通信网络进行控制,系统管理中心通过广播命令同步各个可配置水声Modem,并为各个发送水声Modem设置不同的发送延迟时间,从而在接收水声Modem中采集到预采样时间不同的水声通信波形。

图3 现场级无线监控系统的系统组成框图Fig.3 Field wirelessmonito ring system

2.2 算法仿真评估系统

图4所示为算法仿真评估系统的结构框图。算法仿真评估系统主要包括发射机模块、接收机模块和实际水声波形播放模块。发射机模块主要用于水声通信发射机算法的仿真验证,同时也用于在水声通信系统初始设计时接收机仿真信号源的产生;接收机模块是水声通信设计的重点,也是算法仿真评估系统的设计重点。接收机模块在系统开发初期选择仿真系统发射机产生的信号数据进行算法功能验证,通过水声通信半物理仿真平台的一轮循环运行后,选择实际水声波形信号源进行算法性能的评估、改进以及算法运行关键节点的实时监测。仿真评估系统中算法改进是离线的。算法仿真评估系统中发射机和接收机的功能模块要与可配置水声Modem中的功能模块一一对应,实现方法也要一一对应。

图4 算法仿真评估系统的结构框图Fig.4 Algorithm simulation evaluation system

2.3 算法实现装载系统

算法实现装载系统以DSP Builder、QuartusⅡ、NiosⅡIDE为支撑工具,负责水声通信算法的软硬件协同设计,将水声通信算法分别映射成DSP(Digital Signal Processing)硬件处理模块、硬件流程处理逻辑和NiosⅡ软件程序。实现算法模块的组态化设计是水声通信半物理仿真平台的算法实现装载系统的设计目标和特点,可以使水声通信算法研究人员方便的将其Matlab仿真算法转化成DSP硬件处理模块和硬件流程处理逻辑。目前利用DSPBuilder可实现水声通信算法向DSP硬件处理模块和硬件处理流程逻辑的转化。

除了上述软硬件协同设计功能,算法实现装载系统的另一重要功能是将算法实现远程下载配置到现场测试采集系统的可配置水声Modem中。水声通信半物理仿真平台的程序远程下载配置功能的实现方案是:以软件、硬件可配置的SOPC技术为载体,以高速无线局域网技术WiFi为通信手段,利用AL TERA公司支持SOPC技术的FPGA运行过程中硬件配置存储器和软件程序存储器空闲的特点,实现基于SOPC技术开发的可配置水声Modem的软件和硬件在应用中的编程配置(IAP)。这是1种系统自举的系统软件和硬件编程配置方式,需要严格的流程控制和差错校验,图5为水声通信半物理仿真平台的IAP实现流程,图6为水声通信半物理仿真平台系统IAP功能的操作界面。

图5 水声通信半物理仿真平台的IAP实现流程Fig.5 IAP implementation process of HLSP/UWAC

图6 水声通信半物理仿真平台的IAP操作界面Fig.6 Operation Interface of IAP Function of HLSP/UWAC

2.4 水声波形存储播放系统

水声波形存储播放系统基于VC++开发,其功能见图7,包括实际水声波形存储管理和水声波形提取播放2个方面。波形存储管理功能首先是建立实际水声采集波形文件与原始发送数据、测试环境参数的关联,然后将数据同步整合后存入数据库;水声波形播放功能首先是通过检索将相应的水声波形从数据库中提取,然后根据需要选择是否需要将多个波形或同一波形的不同延迟备份进行叠加处理,处理完毕播放形成仿真评估系统的仿真信号源文件。

图7 水声波形存储播放系统功能框图Fig.7 Function diagram of underwater acoustic wave data storing and p laying system

3 水声通信半物理仿真平台的应用验证

针对水声直接序列扩频通信系统的开发研究,对水声通信半物理仿真平台的系统设计进行了应用验证,采用的水声直接序列扩频通信系统的算法原理见图8,是1个基于带通信号进行信号同步捕获的直接序列扩频通信。信号同步捕获利用扩频码的相关性采用延迟相关捕获法,信号同步捕获位置的准确与否直接关系到通信系统的性能,而捕获阈值、捕获信号采集长度是同步捕获位置确定的关键因素之一。通过本论文提出的水声通信半物理仿真平台可以方便确定实际水声通信系统的捕获阈值和捕获信号采集长度。

图8 水声直接序列扩频通信系统的算法原理框图Fig.8 Algorithm principle diagram of underwater acoustic direct sequence sp read-spectrum communication system

图9是可配置水声Modem采集到的实际水声波形,图10是利用采集到的实际水声波形进行算法功能仿真时监测得到的信号捕获模块的信号相关值输出结果,该输出结果真实直观的给出了捕获算法的运行细节,从输出结果可以看出,在实际水声通信中,由于水声信号的频率选择性衰落,捕获模块的同步信号强度与理想值有了较大差异,若采用理想值设置捕获阈值,系统的工作性能将大大降低或甚至不工作,利用算法仿真评估系统的直观结果,可以方便地设定捕获模块的捕获阈值和捕获信号采集长度。

图9 可配置水声Modem采集的实际水声波形Fig.9 Real underwater acoustic wave data collected by configurable underwater acoustic modem

图10 算法仿真评估系统输出的信号捕获模块运算结果Fig.10 Operation result of signal catching module output by algorithm simulation evaluation system

4 结论与展望

本文针对水声信道数学模型难以建立及水声通信现场级试验高投入、高风险、调试困难的特点,提出了1种水声通信半物理仿真平台水声通信半物理仿真平台,给出了系统的整体设计和各个子系统的详细设计,并基于1个水声直接序列扩频通信系统的设计实例进行了水声通信半物理仿真平台的初步应用测试。应用结果表明,水声通信半物理仿真平台可有效辅助水声通信算法的研究,可有效提高水声通信的研发效率。

水声通信半物理仿真是水声通信技术快速发展的必然需求,方便、通用的水声通信半物理仿真平台的建立必然会加速水声通信技术研究的分工合作,从而加速水声通信技术的发展。本文以SOPC技术为核心,已经完成了1种水声通信半物理仿真平台水声通信半物理仿真平台的初步设计和验证,下一步的主要工作是完成各个子系统接口的标准化和各个子系统功能模块的组态化。

[1] 吴海彬,朱世强,陈鹰.基于半物理仿真的桶形基础平台沉浮过程研究[J].仪器仪表学报,2002,23(6):635-637.

[2] 杨正贤,孔宪仁,王继河,等.基于xPC的小卫星半物理仿真验证平台[J].系统仿真学报,2009,21(20):6444-6448.

[3] 邱志强,邹海,孙建华.船用蒸汽发生器给水控制系统半物理仿真技术研究[J].舰船科学技术,2009,31(2):141-145.

[4] 聂卫东,程文利,赵昌利,等.水下航行器热动力系统半实物仿真[J].系统仿真学报,2008,20(17):4582-4587.

[5] Preisig J.Acoustic p ropagation considerations for underwater acoustic communications network development[C].United States:Proceedings of the 1st ACM International Workshop on Underwater Networks,WUWNet 2006,2006:1-5.

[6] Chao RuMin,Lin ShiZheng,Huang YuXiang.The imp lementation of PC-based instrumentation for underwater acoustic communication system[C].Japan:Proceedings of the 16th IEEE International Symposium on the Applications of Ferroelectrics,2007:1-5.

[7] Zheng Peng,JunHong Cui,Bing Wang,et al.An Underwater Network Testbed:Design,Implementation and Measurement[C].Canada:Proceedingsof the 2007 International Conference on Mobile Computing and Networking-Second Workshop on Underwater Networks,Montreal,QC,2007:65-72.