基于QPSK扩频技术的水下Modem设计

基于QPSK扩频技术的水下Modem设计刘军锋1王玉巧2邹文胜1（1中船重工昆船设计研究院，云南昆明650236；2中船重工海声科技有限公司，湖北宜昌443003）摘要：介绍一种基于正交相移键控(QPSK)扩频通信技术的水下调制解调器(Modem)的设计。该水下Modem系统以低功耗的ADSP-BF533芯片为核心，采用扩频QPSK调制与解调算法，实现水下组网和数据远距离长期可靠通信；该水下Modem可通过标准的RS-232接口连接PC终端，实现水下设备和水上PC终端的数据传输。对该水下Modem具有低功耗、集成度高、软件可移植、抗干扰能力强的特点，符合未来通信技术发展的方向。经海上试验，达到设计目标要求。关键词：水下Modem；QPSK；低通滤波；低功耗;中图分类号:文献标识码:A文章编号：BasedonQuaternaryPhaseShiftKeyingTechnologyUnderWaterModemsSystemdesignLiuJun-feng1，ZouWen-sheng2，(1.CSICKunmingShipDesignAndResearchInstitute,Kunming650236China;2.CSICHAISHENGTechnologyLimitedCompany，Yichang443003China)Abstract：ThispaperdiscussedunderwaterModemsystemdesign,whichbasedonQuaternaryPhaseShiftKeyingmodulationanddemodulationalgorithmofspectrumcommunicationtechnology.TheModemsystemusedlowpowerconsumptionadsp-bf533chipsasthecore,adoptedQPSkmodulationanddemodulationalgorithmofspreadfrequencycommunication;Thisproductcanrealizelongdistanceandlongtermreliableunderwaterdatacommunication.UnderwaterModemconnectsPCterminalsthroughstandardRS-232communicationinterfacefordatatransmissionbetweenunderwaterdevicesandterminals.Thisproducthaslowpowerconsumption,high-integrated,softwaretransplantedandstrongofanti-interferenceadvantage,etc.Meetthefuturedesigndirectionofunderwatercommunication.TheModemsystemconformedtocriterionofdesigndemandthoughtestingonthesea.Keywords：UnderwaterModem；QPSK；LowerPassFilter；LowPowerConsumption1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问题，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和水上设备之间的距离无线数据传输[1]。目前，国外的水下Modem技术相当成熟，价格也相对偏高，国内自主研发的产品较少，市场上大部分是进口产品。正交相移键控(QPSK)扩频技术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。2主要技术指标本产品主要技术指标如下：★最大工作水深：300m★工作距离：8.5km@150bps★RS232传输速率：9600bps★声传输速率：150bps@SNR≥-3dB★误码率：10-5★发射声源级SL：173dB≤SL≤176dB@12kHz★工作带宽：9kHz～14kHz★供电：37V10Ah可充电锂电池组★功耗：发射功耗≤15W接受功耗≤200mW3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。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:00、900、1800、2700，图1和图2为QPSK扩频调制和解调的框图[2][4]。图1QPSK扩频调制原理图图2QPSK扩频解调原理图4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。4.1DC-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+5V，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。4.2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。4.3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4.4DSP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。图6DSP板原理框图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，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。5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借条四部分，这里只列出调制和解调程序流程图[4][5]。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。图7扩频调制子程序流程图图8扩频解调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。6实验结果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18m、声源级175dB@12kHz，达到通信传输率150bps、距离8500m，无误码，试验过程中接受功耗145mW，发射功耗10W。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。参考文献[1]张欣著.扩频通信数字基带信号处理算法及VLSL实现.北京：科学出版社，2004:81-102[2]李翔，卢益民著.基于TMS320C54xDSP的QPSK调制与解调算法研究.计算机与数字工程，2007,35(3):11-15[3]高博，杨燕，胡建军，等.基于Matlab的QPSK系统设计仿真.2010,10（5）:1124-1127.[4]查光明，熊贤祚著.扩频通信.西安：西安电子科技大学出版社,1990:28-36[5]侯周国，钱盛友著.基于Matlab编程的QPSK的仿真.工业控制计算机,2005,23(1):21-24作者简介：姓名：刘军锋(1979-），男（汉族），河南洛阳，硕士研究生，工程师，主要从事机电控制系统、计算机控制系统研究。联系方式：[e-mail]手机：[phone]