基于QPSK扩频技术的水下Modem设计

刘军锋， 王玉巧

(1.中船重工昆船设计研究院，云南 昆明 650236； 2.黄河科技学院，河南 郑州 450006)

0 引 言

随着水声通信技术的发展，实现海洋信息观察、海洋资源勘探与开发是当今热点课题[1]，水下Modem是一种以海水为介质，以应答或自动的方式，实现水下Modem之间或水下Modem和水上设备之间的较远距离无线数据传输[2-3]。目前，国外的水下Modem技术相当成熟，价格也偏高，国内自主研发的产品较少，市场上大部分是进口产品[4]。

正交相移键控(QPSK)扩频技术[5]是一种有效的抗多途干扰、频谱利用率高、传输距离远、隐蔽可靠、被截获概率低等优点，再结合低功耗数字处理技术，可实现远距离长期可靠通信，采用此原理，研制了一款低功耗、低成本、高性能的水下Modem产品[6-7]。

1 主要技术指标

本产品主要技术指标如下：① 最大工作水深：300 m，② 工作距离：8.5 km@150 b/s，③ RS232传输速率：9 600 b/s，④ 声传输速率：150 b/s@SNR≥-3 dB，⑤ 误码率：<10-5，⑥ 发射声源级SL：173 dB≤SL≤176 dB@12 kHz，⑦ 工作带宽：9～14 kHz，⑧ 供电：37V10Ah可充电锂电池组，⑨ 功耗：发射功耗≤15 W，接受功耗≤200 mW。

2 正交相移键控扩频调制原理

QPSK调制是利用载波的四种不同的相位来表征输入的数字信息，是四进制移相键控[8-9]。把相继的两个码元的四种组合(00,01,10,11)对应于正弦波的四个相位:0°、90°、180°、270°，图1和图2为QPSK扩频调制和解调的框图[10-11]。

图1 QPSK扩频调制原理图

图2 QPSK扩频解调原理图

3 水下Modem的电路组成及工作原理

水下Modem的硬件原理框图如图3所示，主要由DC-DC电源板、发射功放板、接收板、DSP信号处理板和换能器等几部分组成。

图3 水下Modem硬件原理框图

水下Modem入水后，入水开关接通，DSP板上电初始化，控制信号关断发射板电源，继电器把信号切到接收板，DSP板进入微功耗待机状态，当接收板接收到声信号或通讯串口RS232串口信号时唤醒DSP板进入工作状态。

当唤醒信号来自接收通道时，DSP对接收到的声信号进行识别解码，从QPSK调制信号中解调出数据信息，然后将数据通过串口转发给所连接的终端设备；当唤醒信号来自通讯串口RS232时，DSP首先发出接通发射高压控制信号，发射板通电进入工作状态，同时DSP对接收到的数据按QPSK算法解调，经过D/A送发射板，发射板推动换能器将声信号辐射到水中，以声的形式传播给远端的水下Modem，远端的水下Modem以相逆的方式工作，实现水下设备间的无线通讯连接。

3.1 DC-DC电源板

考虑到电源变换效率和功耗，采用开关电源芯片把电池组输出高压降压滤波后，分三路进行线性稳压滤波输出相互隔离的+5 V，其中一路设计成可控输出给功放发射板使用，另外两路设计成不可控，分别送DSP信号处理板和接收板[5]。

3.2 功放发射板

为了提高发射板的效率和缩小体积,减小功耗和波形的线性度等因素，发射板采用D类音频功率放大器，发射板原理框图如图4所示。

图4 功放发射板原理框图

当需要功放发射板发射信号时，DSP的控制信号接通开关电源芯片，输出直流高压送功放板芯片和接受转换继电器。发射完成后，DSP板撤销控制信号完全切断发射机的高、低压电源，收发转换继电器自动回到接收状态，实现发射板零功耗待机。

3.3 接收板

考虑输入阻抗匹配、低噪音、增益带宽乘积和低功耗等因素，前置放大、阻抗匹配级采用低噪音、低功耗的仪表放大器转差分信号为单端输出信号，并采用低阻设计。为了保证接收通道宽的动态范围，后置放大增益 多级可调增益电路，接收板原理框图如图5所示。

图5 接收板原理框图

3.4 DSP信号处理板

DSP信号处理板主要由电源变换、A/D采集、D/A信号调理、串口RS232接口、JTAG接口、复位电路和抗干扰电路等几部分组成。

DSP信号处理板的核心处理芯片为ADSP-BF533芯片，该芯片具有低功耗、低噪声和高速处理能力等特点[12-13]，A/D和D/A芯片也采用高速、低功耗、低噪声的16位串行芯片，DSP原理框图如图6所示[14]。

图6 DSP板原理框图

4 软件设计

上位PC机采用VC语言编制接收数据界面，这里不做论述。水下Modem的软件是用C语言编制，其中QPSK扩频程序主要包含数据输入、抗多途算法、PN序列码产生和调制与解调四部分，这里只列出调制和解调程序流程图。

扩频调制子程序流程图如图7所示，DSP初始化后，需要发射的数据送入DSP堆栈中，先进行软件滤波处理，处理后的数据在进行调制，与PN序列码进行模二加法运算，经扩频编码后，由D/A变为模拟信号，送发射板发射[15-16]。

图7 扩频调制子程序流程图

扩频解调子程序流程图如图8所示，接收板送来的扩频信号与本地同步的PN序列码进行模二加法运算后，解调出QPSK已调信号，再经载波恢复、低通滤波、抽样判决和并/串转换后就可以得到原始信息[17]。

图8 扩频解调子程序流程图

5 结 语

2010年1月份，在中国南海进行了海上试验，试验结果为：在海深18 m、声源级175 dB@12 kHz，达到通信传输率150 bps、距离8 500 m，无误码，试验过程中接受功耗145 mW，发射功耗10 W。并且利用三台水下Modem组成定点网络，实现水下无线组网通讯，从海上试验结果来看，该产品抗浅海多途干扰能力强，实现了可靠通信。

[1] Stojanovic M. Underwater acoustic communication[J]. IEEE Oceans,San Diego，1995: 435-440.

[2] Sozer E M, Stojanovic M,Proakis J G. Underwater acoustic networks[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2000,25(1):72-83.

[3] Kilfoyle D B, Baggeroer A B. The state of the art in Underwater acoustic telemetry[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2000,25(1):4-27.

[4] 许肖梅. 水声通信与水声网络的发展与应用[M]. 北京：科学出版社，2002,12(3):1-13.

[5] 查光明，熊贤祚.扩频通信[M]. 西安：西安电子科技大学出版社,1990: 28-36.

[6] 曾兴霞，刘乃安，孙献璞. 扩展频谱通信及其多址技术[M]. 西安：电子科技大学出版社,2004:13-16.

[7] 景志宏,赵俊渭,林钧清,等.高性能水下目标识别系统及其实验研究[J]. 1999,4(1):11-15.

JING Zhi-hong,ZHAO Jun-wei, LIN Jun-qing,etal. High-performance underwater target recognition system and its experimental research[J]. 1999,4(1):11-15.

[8] 张 欣. 扩频通信数字基带信号处理算法及VLSL实现[M]. 北京：科学出版社，2004: 81-102.

[9] 李 翔，卢益民. 基于TMS320C54xDSP的QPSK调制与解调算法研究[J].计算机与数字工程，2007,35(3):11-15.

LI Xiang，LU Yi-ming. QPSK modulation and demodulation algorithm based on TMS320C54xDSP research[J]. Computer and Digital Engineering，2007,35(3):11-15.

[10] 高 博，杨 燕，胡建军，等.基于Matlab的QPSK系统设计仿真[J]. 计算机与数字工程，2010,10(5):1124-1127.

GAO Bo，YANG Yan，HU Jian-jun,etal. QPSK system design based on Matlab simulation[J]. Computer and Digital Engineering，2010,10(5):1124-1127.

[11] 侯周国，钱盛友.基于Matlab编程的QPSK的仿真[J]. 工业控制计算机, 2005,23(1): 21-24.

HOU Zhou-guo，QIAN Sheng-you. The simulation based on Matlab QPSK[J]. Industrial Control Computer, 2005,23(1): 21-24.

[12] 申 敏,邓矣兵,郑建宏. DSP原理及其在移动通信中的应用[M]. 北京： 人民邮电出版社,2001:113-116.

[13] 汪春梅,孙洪波,任治刚. TMS320C500系列DSP系统设计与开发实例[M]. 北京： 电子工业出版社,2004:91-119.

[14] TMS320VC5509A Fixed-Point Digital Signal Processor data manual sprs205.pdf[Z].Texas Instrument.

[15] 奥本海姆AV,谢弗著RW. 数字信号处理[M]. 董士嘉等译.北京： 科学出版社,1981: 27-61.

[16] 樊昌信. 通信原理[M]. 北京： 国防工业出版社,2001:11-79.

[17] 陈 岩，曾 娟，杜立君，等.基于ADSP-BF533的水声调制解调器[J]. 声学技术，2008,8(4):46-48.

CHEN Yan，ZENG Juan,DU Li-jun,etal. Based on the adsp-bf533 underwater acoustic modem[J]. Acoustic Technology，2008,8(4):46-48.