多用戶水聲通信仿真平臺設計

趙極遠，王逸林，楊 威

(哈爾濱工程大學 水聲工程學院，黑龍江 哈爾濱150001)

隨著科學技術的進步，海洋資源的探測與開發日益受到注目。開發海洋資源需要母船、水下機器人和深海固定開發基站協同作業，因此對一個信息化、現代化的海洋通信網絡有著極為迫切的需求。而聲波信號是目前已知的唯一能在海洋中遠距離傳播的信號，由此水聲通信網絡應運而生。然而為構建水聲通信網絡進行的海洋試驗，卻由于海上試驗高昂的費用和冗長的試驗周期讓人望而卻步，因此設計一套可以在實驗室進行模擬海洋環境的水聲通信網絡仿真平臺有著重要的意義。

國際上，早在20世紀70年代就有較完善的仿真系統問世，我國直到20世紀90年代中期才開始有一些對于海洋聲信道模型、現代先進聲納信號處理模型等仿真系統的研究。但對于水聲通信網絡仿真系統的研究也僅限于PC機軟件模擬。由軟、硬件相結合方法構建的水聲通信網絡仿真平臺彌補了這一方面的空白，并對水聲通信網絡的研究有著很好的輔助和補充作用。

1 仿真平臺構建

為達到模擬海洋水聲信道、仿真多個用戶之間水聲通信的目的，仿真平臺采用標準接口，可連接多個實際的水聲設備，仿真其間的水聲傳播情況。該平臺可以仿真各種海洋環境，幫助測試水聲設備的功能，完成水聲通信、水聲定位、導航及水聲對抗等試驗。同時平臺可以存儲大量實際測量的水聲數據，用以“重現”已進行的湖海試驗。

由于仿真平臺需模擬多個水聲通信節點之間的水聲通信狀況，故系統采用服務器端-客戶端模式。服務器端負責水聲信道模型建立、人機交互界面顯示等功能；客戶端負責水聲信號采集、數字信號處理以及信號數據轉發等功能。如圖1所示，以兩節點通信為例，在實際的水聲通信中，通信節點發射的聲波信號通過水聲換能器發送到海洋中，聲波信號在經過水聲信道后被接收方水聽器接收，并傳送給接收方通信節點。在仿真系統中，通過客戶端、以太網傳輸及服務器水聲信道建模來模擬聲波信號離開通信節點后的傳輸過程。使得軟、硬件結合的仿真系統可以更真實地仿真水聲通信網絡試驗狀況。

圖1 水聲通信實際情況與仿真情況對比

2 服務器端設計

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.1水聲信道理論建模

水聲信道實際是時變、空變的信道，由于其變化緩慢，在仿真系統中近似為時不變信道。本仿真平臺要求能夠實時顯示接收信號的畸變波形。射線聲學以其計算的高精度、高速度及物理含義的顯著性成為本系統的首選建?；A理論。射線聲學理論體系由如下兩個方程構建：

式(1)為聲程方程，決定聲線的傳播軌跡；式(2)為強度方程，決定能量沿聲線束管的傳輸情況。射線理論為嚴格波動理論的近似解，在傳播聲信號頻率較高時，射線聲學求解結果偏差極為微小。在深海水聲通信中，由于海底界面影響較小，聲線結構更為規律，采用射線方法計算精度更高。

多途相干水聲信道的系統函數為：

其中，N為聲波傳播途徑的總數；Ai為聲波沿第i條傳播途徑到達接收點的信號幅度值；τi為聲波沿第i條傳播途徑到達接收點的信號傳播時延。只要能求解出Ai、τi的值，就可以近似構建所需的信道系統函數，并逼真地反映出水下聲信道的傳輸特性。令通信節點所發射的聲信號為s(t)，則其經過水聲信道作用后的輸出信號y(t)應為s(t)與信道系統函數的卷積：

其中，n(t)為信道內的加性噪聲，體現水下噪聲特性。接收信號的幅度畸變、接收時延及受噪聲干擾等信息均可以通過y(t)得出。由于實際運算中對于較長的信號序列使用卷積計算較為緩慢，考慮到運算的實時性，可利用FFT快速算法求解輸出信號y(t)。此流程表示為：

至此，完成了水聲信道模型的建立及接收波形生成的理論分析，據此設計實際使用的信道模型與波形處理軟件模塊。

2.2 服務器軟件設計

圖2所示為服務器軟件功能結構圖。以兩個水聲通信節點為例，服務器軟件基本功能為通過以太網接收客戶端發送的水聲信號波形數據s(t)，并將s(t)與水聲信道建模產生的信道沖擊響應h(t)進行卷積、時延等運算，得到通過模擬水聲信道的信號波形數據y(t)，再將y(t)傳輸給其他客戶端，進而完成仿真任務。

圖2 服務器軟件功能結構圖

3 客戶端設計

3.1 硬件系統設計

客戶端系統采用SoPC方案，主要完成信號采集、信號處理及數據轉發等功能，如圖3所示。FPGA芯片為系統控制及數據傳輸核心，對于水聲信號的采集由音頻CODEC完成，以太網數據傳輸通過FPGA內置MAC結合外部PHY芯片完成。NOR Flash用于操作系統及程序代碼存儲，SDRAM用于程序運行，Nand Flash用于數據存儲，JTAG用于系統調試，RS232用于與GPS相連完成系統時間同步。

圖3 硬件系統總體結構

3.2 FPGA內部結構設計

FPGA是系統的核心，整個系統的任務調度和管理都由FPGA來完成。圖4所示為FPGA內部的總體結構圖，其中I2C模塊用于配置CODEC工作模式，I2S模塊用于CODEC與FPGA之間數據傳輸。

圖4 FPGA內部總體結構

圖5 客戶端軟件程序流程圖

3.3 Nios II處理器程序設計

圖5所示為FPGA內部總體結構圖。在Nios II處理器運行后，首先初始化μC/OS-II以及TCP/IP協議棧，然后開始運行客戶端程序，Nios II處理器接收服務器的命令后通過I2C總線對CODEC進行配置，配置CODEC實現相應的A/D或D/A功能，由此程序進入正常工作的無限循環狀態。

4 系統測試

對于客戶端與服務器的聯合測試，采用在理想水聲信道模型中收發單頻信號的測試方法。由一個客戶端發送數據，經服務器接收并相應處理后轉發給其他客戶端。如圖6所示，服務器接收客戶端四（圖中字母B指示處）數據并將其轉發給另外三個客戶端（圖中字母A指示處）。測試現場如圖7所示。

多用戶水聲通信仿真平臺通過服務器端軟件與客戶端硬件的完美結合，可以最大程度地在實驗室模擬海洋試驗時所處的海況。在實際湖海試驗前進行仿真試驗對節約試驗成本及縮短項目周期有著重要意義。

在多用戶水聲通信仿真平臺中，服務器端很好地完成了信道建模、顯控界面及以太網傳輸等功能?？蛻舳讼到y采用SoPC方案，在單片FPGA中完成系統控制、信號處理及數據傳輸等功能，相對于傳統ARM+DSP方案有著信號處理能力強、系統集成度高、硬件設計簡單及系統穩定性好等優勢。經實際測試，系統工作穩定，達到預期目標。