基于跳频和同步捕获技术的水下无线通信技术研究

朱耘佳，施慧彬

(1.南京航空航天大学 计算机科学与技术学院，南京 211106；2.江苏省软件新技术与产业化协同创新中心)

基于跳频和同步捕获技术的水下无线通信技术研究

朱耘佳1,2，施慧彬1,2

(1.南京航空航天大学 计算机科学与技术学院，南京 211106；2.江苏省软件新技术与产业化协同创新中心)

本文所阐述的水下无线技术即基于跳频技术和同步捕获技术的水声通信，由于声波在海水中的传播特性显著优越于电磁波和可见光，使得水声技术成为海洋高技术的主要研究领域之一 ，在国防领域也具有十分重要的研究意义。本文主要论述了水声通信中跳频技术和同步捕获技术的原理、具体算法的实现方案以及部分硬件设施的使用简述，并通过展示实验结果验证算法的可行性。

水声通信；FHSS；同步捕获；STM32F407

引 言

当今世界，通信是发展非常迅速的行业之一。Internet网和移动通信网日臻完善，而海中通信的发展刚刚崭露头角。有缆方式的信息传输由于目标活动范围受限制、通信缆道的安装和维护费用高昂以及对其他海洋活动可能存在影响等缺点，极大地限制了它在海洋环境中的应用。另外由于在海水中，光波、电磁波的传播衰减都非常大,导致其在海水中的传播距离十分有限，远不能满足人类海洋活动的需要，因此采用声波作为信息传送的载体是目前海洋中实现中、远距离无线通信的唯一手段。而随着海洋通信逐渐占据重要地位，网络化的水声通信也将在海洋军事或民用领域发挥极大作用，所以对高可靠性的高速率的水声通信的研究极为重要。

目前水声通信技术发展已经相对成熟，国外很多机构都已研制出水声通信Modem，通信方式目前主要有正交频分复用技术、扩频以及其他的一些调制方式。目前在水声通信领域，厦门大学以许克平教授为首的课题组出色地完成了国家交给的863项目，已经成功实现了在10公里之内水下信号相互清晰地传递，达到实用要求。目前国际上水声通信技术正处于网络化发展阶段，但该方面的研究及应用并没有得到快速的发展，只有少数国家试验成功。本研究方案即通过水声通信实现水下无线通信，为网络化的水声通信打下坚实基础。

1 实现方案

整个水声通信过程主要分为发送方和接收方两部分。发送方先通过温度传感器收集所需水域的温度信息，微控制器对接收到的数字信号进行跳频处理，经过数模转换后再经过水声换能器将其转换为声信号，在水下传递给接收端，其主要技术核心为跳频技术的实现。接收方的换能器首先将收到的信号转换为数字信号，微控制器控制带通滤波器完成同步捕获过程，获得当前所需频率的信号后，将相应信号转变为所需温度信息显示在显示器上，接收端的主要技术核心为同步捕获技术的实现。具体流程如图1所示。

图1 水声通信实现流程图

本次研究中使用的主要硬件为DYSTM32F4高频开发板和80K水声换能器。DYSTM32F4 高频超声波开发板基于 STM32F407VGT6微控制器，包括一个板载JLINK接口、2 路LED、3 路独立按键、LCD12864显示接口、超声波发射电路、超声波接收电路、UART 异步串行口+MAX232 电平转换芯片、温度传感器MF58 接口等。STM32F407VGT6微控制器基于ARM Cortex-M4 内核，32位 MCU，带有FPU单元，有210 DMIPS，多达1 MB FLASH/192+4 KB RAM，17 个定时器，3个ADC，15个通信接口和一个摄像接口。

2 跳频技术实现方案

2.1 跳频技术概述

跳频是常用的扩频方式之一，其工作原理是指收发双方传输信号的载波频率按照预定规律进行离散变化的通信方式，也就是说，通信中使用的载波频率受伪随机变化码的控制而随机跳变。在发送端主要使用了跳频技术来保证传送信息的安全性和隐蔽性。

2.2 实现原理

根据潜水换能器带宽和水声通信的工作环境将信道资源划为 8 个跳频组Fij(i=0,1,2,…，7),每组分配 4 个频率(j=0,1,2,3)，相邻频点的间隔为250 Hz，每个频率会根据单片机外部晶振所提供的固定频率计算出一个初值，规定跳频图案F0～F7的顺序循环(见图2)。当信号到达单片机时，将信号两位为一组，根据跳频图案找到这两位所在的跳频组，并根据这两位信息确定是该组的某一个分频数。根据所得初值利用STM32内部计数器将相应的信号经过数模转换器处理得出对应频率信号，经过潜水换能器发送声信号。图2和表1分别给出了发送端的跳频图案和频率分组情况。

图2 跳频图案

表1 发射跳变频率与分频数关系表

发送端单片机程序流程图如图3所示。

图3 跳频程序流程图

3 同步捕获技术实现方案

3.1 同步捕获技术概述

扩频通信接收系统为了恢复发送信息，必须对经过下变频后的基带信号进行同步捕获，同步技术是任何一种通信技术都需要解决的实际问题，其性能关系到整个通信系统的性能。

3.2 实现原理

接收端水下换能器在将声信号转换为模拟信号后，应经过前置放大和幅度均衡过程，以便后续电路处理，但本次研究中所使用的硬件已完成该方面工作，在此就不多做赘述。

当加载侧宽脉冲信号到来时，INT0 为高电平，定时器的门控信号 GATE=1,接收端单片机定时器开始计数，当 INT0 变为低电平时，定时器停止计数，触发外部中断在中断服务程序中读取定时器的计数值 X， 此时X为脉冲信号半个周期所用的时钟数，即可由此判断收到的正弦波的频率。若单片机时钟频率为F， 则可算出对应的发送信号的频率F’=1/(1/F)×2X。根据跳频与分频数的关系可找出对应的分频数(可求出分频数N=2X)，由此得出所传输的两位信息。

单片机根据测频的结果进行同步捕获，将8个捕获不同频率段的带通滤波器输出端接入单片机，接收方单片机根据跳频图案进行搜索控制，先让等待频率 Fs等于跳频组 F0的频率范围，单片机检测对应滤波器 0 送来的信号，如果检测到频率 F01，判断出F01落在F0,这时接收端开始根据跳频图案控制匹配滤波器工作(上文已经规定跳频图案以F0～F7顺序递增)，同时进行同步判定，对接收到的跳频信号进行一个跳频序列周期的判定，判定是否为真同步，如果判定值小于门限值，表明同步捕获成功，本地匹配滤波器组工作就继续下去；如果判定值大于门限值，认为是捕捉到的信号错误，这时就要停止本地匹配滤波器组控制，并将等待频率变更到上一次等待频率的前一个频率值上,即Fs-1，等待频率 Fs是按照跳频图案变化的。接收端同步技术程序流程图如图4所示。

图4 同步技术程序流程

4 实验结果

配合80K水下声能转换器的工作性能，本次研究的实验环境为直径不小于100 cm,高约为25 cm的水池。发送端传感器获取水温将数字信号通过单片机处理后，经水下换能器发送给接收端，接收端经过同步捕获可以获得发送端所采集的水温信息。经过15次在不同时间的测试，接收端所得温度与从实验环境中直接测量所得温度误差基本在±1 ℃内。表2为测量数据。

表2 测量数据

结 语

本次研究实现了基于跳频通信技术和同步捕获技术的水声通信系统，保证了信息通信的安全性，运用在军事领域可以有效保障通信的隐蔽性。在实际的系统实践中，改进并简化了同步捕获算法，降低了单片机的计算量，一定程度上提高了数据处理的效率。合理利用STM32综合开发板使整个开发过程更加顺利，但本方案依旧有以下几点需要改进：①采用单片机进行整数分频，传输效率较低，还未达到未来网络化的水声通信技术中对高速率传输的要求；②通信的可靠性还可以进一步加强，实践中发现此方案的误码率偏高，且跳频过程中出现的逻辑错误也会导致获取信息有偏差，可以尝试差错控制技术;③经过水声通信获得的温度数据都只保留了整数部分，应该进一步排查是温度传感器本身精度问题还是系统算法仍需优化导致的问题。

致 谢

[1] 陈东升.水声信道抗多途跳频通信中同步技术的研究[D].厦门:厦门大学,2002.

[2] 彭新河.基于DSP的高速水下通信技术的研究与实现[D].秦皇岛:燕山大学,2013.

[3] 张丰伟.水下无线中长波通信机的设计与实现[D].大连:大连理工大学,2013.

[4] 许肖梅.水声通信与水声网络的发展与应用[D].厦门:厦门大学,2009.

[5] 朱永建,徐鹏飞.水声通信网的研究进展及其应用[D].苏州:海军驻苏州地区通信军事代表室,2012.

[6] 冯若.超声手册[M].南京:南京大学出版社,1999:37-52.

[7] 安布雷拉公司.RM0008 Reference Manual,2010.

朱耘佳，主要研究方向为物联网工程；施慧彬(副教授)，主要研究方向为计算机体系结构、可重构计算、基于GPU及FPGA的计算加速、生物信息处理、嵌入式系统、SoPC设计等。

Socionext新款嵌入式芯片采用Imagination PowerVR Series8XE GPU

Imagination Technologies 宣布，Socionext公司出的新款 SC1810 系统单芯片 (SoC) 采用 PowerVR Series8XE GPU，以实现创新、高效率的图形功能。Socionext 公司是视频与图像系统的先进 SoC 技术领导者。SC1810 瞄准嵌入式图形工业与汽车应用，包括要求严格、以摄影机为基础的驾驶信息系统、集簇以及先进的信息显示器，例如抬头数字显示器 (HUD)、乘客显示器或后座娱乐系统等。

无论从车载图形的特性还是性能来看，SC1810 都代表了进一步的演进，而 Socionext 在此领域中拥有非常优异的业界成绩。与 Socionext 先前的产品相比，除了高分辨率的 PowerVR 图形功能实现了显著的3D图像处理性能的提升之外，新款的四核 SoC 能够处理六个通道的Full HD视频信息输入、以及三个通道的 Full HD 显示输出。SC1810 还能提供多种 H.264 解码与编码内核，可同步处理不同的摄影机图像，并支持环绕影像、电子镜 (electrical mirror) 或行车记录仪等这些正日益受到欢迎的应用。

Imagination的 Series8XE GPU 能以最小的芯片占位面积与功耗预算提供最佳的单位面积性能，并包含了多项先进特性，可支持最新的 API，包括 OpenGL ES 3.2 和 Vulkan 1.0。PowerVR GPU 的性能可使 Socionext 的 CGI Studio 3.0 更具强大功能，这是一套混合式2D和3D图形界面用的软件开发平台。

Socionext公司 IOT 与图形解决方案事业部资深总监 Markus Mierse 表示：“我们的新款 SC1810 芯片组是我们日益壮大的图形处理器产品中的一员，运用了我们强大的工程专业技术与尖端科技，可满足最严格的嵌入式应用需求，并可为各种工业应用提供所需的强大特性与长使用寿命。PowerVR GPU 在性能、效率与特性等方面表现优异。PowerVR 与我们的 Socionext 2D ‘SEERIS’ 图形架构的结合，将能为家庭、工业以及汽车系统提供一套非常有效的解决方案。”

Imagination公司 PowerVR 产品与技术营销资深总监 Chris Longstaff 表示：“随着汽车行业持续经历重大的变革，并通过采用更多的电子元件来提供更安全的联网与娱乐体验，PowerVR 已逐渐成为汽车应用GPU 技术的首选。Socionext 是 Imagination 创新、且深具价值的合作伙伴，我们很高兴能与他们合作，确保内置于其系统中的 PowerVR GPU 可提供最佳的消费者体验。”

Underwater Wireless Communication Technology Research Based on FHSS Synchronization Acquisition Technique

Zhu Yunjia1，2,Shi Huibin1,2

(1.College of Computer Science and Technology,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 211106,China;2.Collaborative Innovation Center of Novel Software Technology and Industrialization of Jiangsu Province)

The paper has elaborated the implementation of underwater acoustic communication based on Frequency-Hopping Spread Spectrum(FHSS) and synchronization acquisition technique.Due to the significant superiority of acoustic wave propagation in seawater,the underwater acoustic technology has become one of the main research areas of marine high technology.And it has important research significance in the field of national defense too.In the paper,the principle of FHSS and synchronous acquisition technique in underwater acoustic communication,implementation of the specific algorithm and the use of several main hardware facilities are introduced.Finally,the feasibility of the algorithm is verified by the experimental results.

underwater acoustic communication;FHSS;synchronization acquisition technique;STM32F407

TP277

A

士然

2016-12-16)