基于水声传感的频移键控图像传输方法

陶 帅， 何 宁， 庞维庆， 邓德迎

(1.桂林电子科技大学 信息与通信学院, 广西 桂林 541004；2.桂林航天工业学院 广西高校无人机遥测重点实验室, 广西 桂林 541004)

随着人类海洋活动的日益频繁，水声通信系统在科考、军事、民用领域越来越受到重视。海洋中高速通信的新技术，特别是图像传输的实现，将使下一代海底探测成为可能[1]。然而，水下信道高误码率、高损耗和低容量的特性使得水下高质量数据传输比地面无线电链路的传输更具挑战性[2]。因此，选择一种合适的调制方式和传输方式去适应复杂多变的信道至关重要。

水下通信包括信道编码、调制、均衡、时间反转和MIMO等关键技术。Esmaiel等[2]搭建了一套基于SPIHT算法的图像传输系统，将RS编码与HQAM调制结合起来作为不等差错保护技术，对传输中易受信道干扰影响的编码比特位起到了很好的保护效果，降低了系统误码率。王永恒[3]从理论和实验探讨了时频域联合处理技术、时变环境下宽带多普勒估计与补偿技术，设计的OFDM-MFSK水声通信系统能够适应复杂多变的工作环境。Santoso等[4]介绍的水下图像传输系统采用OFDM-BPSK调制和基于最小二乘、最小均方误差准则的均衡技术，很好的改善了系统性能。

从实际工程和可行性角度出发，提出了一种基于阵列式水声传感的频移键控图像传输方法。在传统的频移键控(FSK)调制技术上加入码元载波间隔保护机制，具有更强的抗干扰能力；采用易于实现的非相干检测进行解调，能够适应相位变化快的浅水信道和长距离传输[5]。通过对图像分割编码、分帧传输，提高了数据传输的可靠性。方向性增强的阵列式接收，有效降低水下多径干扰，使图像接收性能得到进一步改善。

1 水声传感原理与特性

1.1 水声传感器原理

水声传感器是进行能量互换的器件，目前应用于水声领域的以压电式传感器为主，它通过各种具有压电效应的材料，如石英(压电单晶体)、压电陶瓷、压电高聚物、压电复合材料等，进行电/声和声/电的转换，按照工作性质不同可分为如图1(a)所示的正压电效应和如图1(b)所示的逆压电效应[6]。正压电效应是指电介质在施加机械应力的情况下，两表面会出现极化电荷的积累，形成电势差[7]；利用此原理工作的水声传感器又称为水听器，常用作接收机。逆压电效应是指电介质在极化方向上施加电场时，会发生形变；利用此原理工作的水声传感器又称为水声换能器，常用作发射机。

图1 正压电效应与逆压电效应原理图

由若干个水声传感器按一定规律排列组成的水声传感器基阵具有以下优势：1)提高空间增益和空间分辨率；2)提高接收端信噪比；3)增大发射声功率、频带或改善瞬态特性；4)增强指向性[8]。

1.2 传播损耗

声波在海水中传输会产生信号衰落，其传播损耗主要包括几何扩散、衰减和传播异常3个方面。后者几乎不可能建模，因此在载波频率f，传输距离l上发生的信号衰减A(l,f)可表示为[9]：

10lgA(l,f)=k·10lgl+l·10lgα。

(1)

其中：k为几何扩散因子，数值为1～2，实际应用中常取k=1.5；α为海水中的声吸收系数，可由W.H.Thorp的经验公式得到[10]：

0.003。

(2)

1.3 多径效应

水声通信中，由于信道中传输媒质的不均匀，海面及海底的边界不规整和海水中内部结构(如内波、紊波、潮汐等)的影响，使得信号在传播过程中出现散射、折射、反射等现象，进而导致接收端接收到的信号为经不同路径衰减和时延后的各个子信号的叠加，形成多径效应[11]。通常，浅海的多径效应比深海严重的多。其特征由平均幅度增益Gp和时延tp表示[12]：

(3)

(4)

2 图像编码与传输

对自然界中图像进行采集、数字化与编码处理可实现传输，在计算机系统中有一种常用的图形、图像编码方式，即位图编码方式；它是一种典型的数字图像格式，使用像素阵列来表示一幅图像，每个像素的颜色信息由一个(组)量化的灰度值或RGB组合表示。根据颜色信息所需的数据位分为1、4、8、16、24及32位等，位数越高颜色越丰富，相应的数据量越大。对于一幅位深度为8 bit的灰度图像来说，灰阶为28，可以包含黑白色在内的256种灰色；其矩阵元素的取值范围为0～255，矩阵中的元素对应图像的像素，元素的值即该像素的灰度值，数值越大，像素的颜色越浅，数值越小，像素的颜色越深。图2以分辨率3×3的图片为例说明灰度图像与像素矩阵对应关系。

获得图片的像素矩阵后，以行优先的顺序进行读取，转换成一维十六进制整型字符串，每个矩阵元素与两位十六进制字符串一一对应，传输时则是将字符串转换为比特数据串行输出。以字符“3”为例，其ASCII值十六进制表示为“33”，对应二进制是“00110011”，图3所示为图2矩阵传输时对应的串口帧格式：1个起始位、8个数据位、2个停止位。根据图中编码字符串与串口帧格式之间的关系，可得到系统信息传输速率Rb与串口波特率Rbit之间的计算关系：

(5)

图2 灰度图像与像素矩阵

图3 字符串与串口帧格式

解码过程为编码的逆过程。串口接收到比特数据后，以字符串的形式存下来，然后将字符串转换成像素矩阵，再生成相对应的灰度图像。还原图片的质量，可以用图像相似度进行测度。

3 改进型FSK设计

由于FSK具有一定的抗衰落能力，因而在一些衰落信道的传输中得到了广泛的应用[13]。图4为2FSK信号波形，它是通过2个不同频率载波的无缝切换来传输数字信号1和0，假设2个载波分别为Acos(2πf1t+φ1)和Acos(2πf2t+φ2)，则2FSK信号可以看成这2个波形的合成。

S(t)=m1(t)Acos(2πf1t+φ1)+

m2(t)Acos(2πf2t+φ2)。

(6)

图4 2FSK信号波形

根据水声信道信号传输特性，传统的FSK系统设计应综合考虑各方面因素选择频率相对较低、频率间隔适当的两个载波进行调制。但是实际应用中调制信号经过超声换能器的发射和水声信道的传播，会出现严重的信号畸变。究其原因，主要是换能器余震引起的频率混叠和多径效应造成的时延扩展。因此，系统设计提出了一种改进型FSK调制方式，即在调制的相邻载波间加入保护间隔，且保护间隔越长越有利于降低码间串扰。由于MFSK调制，通过延长每个频率的持续时间可以消除干扰回声[14]，所以，设计中应根据数据传输速率保证码元持续时间内有更多的载波脉冲个数。设系统传输速率为Rb，载波持续时间为Δt1，保护间隔时间为Δt2，则有1/Rb=Δt1+Δt2。经过多次实验总结：当取Δt1=τ时(在τ时间内低频载波的脉冲个数至少保持3～4个)，且满足Δt2≥2τ，系统能稳定工作。

4 系统设计与实现

4.1 系统组成

水声传感的频移键控图像传输系统框图如图5所示，系统工作流程为上位机控制相机采集图像，对图像数据编码后传给FPGA进行FSK调制，调制信号经功率驱动送水声换能器以超声波的形式发射；接收端采用4个换能器构成阵列形式接收声波信号，经放大整形后由FPGA解调送上位机进行图像解码、显示处理。

图5 水声图像传输系统框图

4.2 系统收发端FPGA实现

通信传输系统的关键在于稳定、可靠、准确的同步[15]。由于图像传输数据量大，为了消除数据传输过程中的累计误差，系统利用串口通信的帧同步对数据分帧传输：当数据到来时标志信号置0，变为空闲状态，对每帧串口的数据位进行调制；数据调制完成后标志信号置1，变为繁忙状态，等待新数据的到来。同时为了降低数据变化前后不稳定带来的采样出错率，在发送端的串口通信模块和接收端的串并转换模块中对数据进行过采样：将比特数据平均分成16小段，只对中间相对稳定的6～11小段进行采样，从得到的6个采集数据中取出现次数多的电平作为采样结果。例如，采样6次的数据分别为0/0/0/0/1/0，则取电平结果为0；若为1/1/0/1/1/1，则取电平结果为1；如果6次采样数据中0和1各占一半，则表明数据极其不稳定，不具备可靠的通信条件，图6所示为数据过采样示意图。解调时上升沿计数器统计出每个数据周期内的上升沿个数，与设定好的上升沿阈值进行比较，若大于阈值，则给解调信号赋0，反之则赋1，依次恢复出数字信号。

图6 数据过采样示意图

根据载波配置要求和保护间隔设计原则，改进的FSK系统选择50 kHz、200 kHz为频率载波，持续时间选择80 μs(脉冲载波周期分别能保持4个和16个)，则保护间隔应不小于160 μs。以FPGA的系统时钟周期20 ns，串口通信波特率2400 bit/s为例进行讨论。图7为系统FPGA仿真波形。

图7 FSK调制解调仿真波形

图7中，data_s为基带信号，信号1、0分别控制50 kHz(fout_1)、200 kHz(fout_2)的载波；fp为调制后的频带信号，载波持续时间为79.98 μs，相邻脉冲波之间已经加入了保护间隔，时间为492.96 μs，均与设计要求相符；data为解调信号，解调信号相对于基带信号有一定的延迟，但是波形一致。

5 实验测试与分析

实验测试在2 m×0.85 m×0.85 m的水箱中进行，数据收发端相距1.5 m，发射端加载到水声换能器的载波驱动信号幅度为218 V。实验发送一个字节的数据0x55，接收端的测试波形如图8所示。图中上半部分为换能器接收到的模拟信号，尖峰端比较密集且幅值较大的为频率200 kHz的波形，尖峰端相对稀疏且幅值较小的为频率50 kHz的波形。可以看出，超声波信号经水下一定距离传输后，由于受到环境干扰和回波叠加，信号出现一定起伏和畸变。特别是50 kHz的信号由于低频时换能器的发散角较大，在实验水箱中传输出现多路信号相互叠加，导致信号抖动、幅值下降和脉冲展宽，此时相邻脉冲波间的间隔起到了很好的保护效果；同时利用四元阵列接收，一定程度上抑制了多途效应。图8中下半部分为混合信号经整形电路后的整形波形，通过选择合适的比较电压，能从混合信号中恢复出2种频率，获得一个满足FPGA处理的标准逻辑电平信号，经FPGA处理能正确实现解调。

图8 换能器接收与整形信号

图9 收发端图像

图10 收发端图像灰度直方图

图像传输监控由上位机人机交互实现，通过设置系统收发端传输参数，传输图像分辨率大小为320×240。实验测得收发端的图像如图9所示，对保存下来的图像进行32位转8位的位深预处理后，利用Matlab获得图像的灰度直方图如图10所示，利用余弦相似性算法对统计到的灰度分布进行相似度的比较，结果显示余弦值为0.983，余弦夹角为10.647°。说明图像数据经编码调制、水下信道传输、解调解码后，在接收端得到了很好的还原。

6 结束语

研究了水声信道下数据传输的技术实现，通过理论分析、FPGA仿真和实验测试手段，设计了基于水声传感的改进型FSK调制图像传输系统。对传输速率、载波持续时间和间隔保护时间进行对比选择。经实验测试证明，当选定传输速率Rb和频率载波持续时间τ时，可取相邻载波间的保护间隔不小于2τ。采用载波间隔保护机制和四元阵列接收方式可有效降低多径效应对脉冲信号切换带来的拖尾交叠影响；经编码分帧处理的图像数据传输稳定性得到一定改善；图像恢复相似度达98.3%，基本实现零误码率传输。