中長波水下無線通信機的設計與研究

趙蓉 蔡果佑

【摘要】 本研究設計了一款基于中頻數字化無線傳輸技術的中長波水下無線通信機。該設備通過使用中長波500KHz電磁波為傳輸媒介來實現水下無線通信，主要由發射機系統和接收機系統兩部分組成。

【關鍵詞】 中長波 水下 無線通信機 發射機 接收機

一、前言

水下無線通信（underwater wireless communication），是指在水下對文字、數據、圖像等信息進行無線傳遞的通信技術[1]，在軍事和民用中都起著至關重要的作用。目前，水下無線通信主要分成三類，即水下電磁波通信、水聲通信和水下量子通信[2]。其中，水下電磁波通信研究較早，不易受水文條件影響，通信較為穩定，但由于水介質對電磁波具有較強的衰減作用而使其功效受到限制。中長波通信[3]則通過使用中長波波段電磁波為傳輸媒介，利用中長波受地形地物影響小、衰減慢、通信距離遠的特點，從而對電磁波通信受水介質衰減作用而不穩定的情況實現了改善。本研究設計了一款基于中頻數字化無線傳輸技術的中長波水下無線通信機。該設備通過使用中長波500 KHz電磁波為傳輸媒介來實現水下無線通信，系統方案設計如下。

二、系統方案設計

2.1 調制方式選擇

通過對2PSK、2DPSK、2ASK以及2FSK系統幾種常用的數字調制方式不同方面進行比較。2PSK系統寬帶占用較小，抗加性白噪聲性能較好，誤碼率較低，因而數字調制方式選擇2PSK系統。考慮到同一種數字調制方式，采用相干解調方式的誤碼率要比采用非相干解調方式的誤碼率更低，因而解調方式選擇相干解調。

2.2 水下天線選擇

發射機產生的電信號經由發射天線向空間介質傳播，而接收天線則能接收空間傳播的電磁波繼而轉化為電信號傳入接收機，可見天線性能的好壞對整個通信系統信息的收發和質量至關重要。本研究使用了適于水下傳輸的AN-100德生收音機天線系列中波環形天線。發射端天線兩端與307 pF電容釆用并聯諧振模式[4]。

三、系統設計

3.1發射機系統設計

發射機結構設計，發射機上位機將數據信息經由串口傳出，數字信號由Xilinx公司的Spartan3AN系列芯片FPGA進行處理，FPGA的串口模塊接收后，在FPGA內部完成數字擴頻信道編碼和串行擴頻數據的BPSK數字調制，通過串轉換模塊，轉換并行數據為串行數據，繼而通過擴頻調制以產生較高速率的基帶信號，再與DDS IP CORE產生的正弦載波進行BPSK調制，鍵控方式產生頻帶信號。使用8 bit的TLC5602CDW型號DA轉換芯片對調制信息進行DA轉換，再通過RC無源低通濾波器對雜波進行濾除，然后將模擬信號送到LTC1992芯片進行單端轉差分變換，最后經由PA85芯片對信號進行放大，通過德生AN-100環形天線發射到水中。

3.2接收機系統設計

接收機結構設計，水下環形天線采用并聯諧振模式接收水下中長波電磁信號，并聯諧振回路在選頻的同時起初級帶通濾波作用。數據信號傳入接收機電路板，并通過76dB一級的調諧中頻電路加以放大，輸出端調諧至500 KHz后，通過AD轉換芯片傳輸模擬信號至FPGA引腳，在FPGA內完成中頻至基帶信號的解調以及解擴。使用本地IP核產生的500KHZ正線載波與接收數據進行BPSK差分相干解調，解調后的基帶信號傳輸至解擴模塊，在解擴模塊對m序列進行跟蹤、捕獲，再與本地產生的同步m序列進行擴頻解擴，解擴后的基帶信號在位同步時鐘的控制下進行數字信息“0”、“1”判決，最后數字信息通過接收機的串口轉換上傳至上位機，完成信息接收工作。

四、結論

中長波水下無線通信對近距離水下通信技術的發展具有巨大潛力。相比其他水下無線通信技術，中長波無線電通信技術抗干擾能力強、通信頻率高、功耗低、安全系數高[5]。實際檢測中，中長波水下無線通信機可能會面臨數據靈敏度不高、傳輸速率受限等不足，還有待進一步改善。此外，增加發射天線等效帶寬、提高發射天線的輻射效率[6]，有利于在增加輻射場強和提高傳輸速率；微弱信號放大技術和檢測技術的應用有利于對內部和外部的噪聲干擾進行更好的處理；優化編譯碼技術和調制解調技術則有利于提高接收機的可靠性和靈敏度。這些方面都是中長波水下無線通信機值得注意和改善的關鍵。

參 考 文 獻

[1]石海平， 鄧小濤. 中長波通信抗干擾新技術探討[J]. 通信對抗， 2007（4）：52-55.

[2]王毅凡， 周密， 宋志慧. 水下無線通信技術發展研究[J]. 通信技術， 2014， 47（6）： 589-594.

[3]夏維華， 王一璐. 潛艇通信系統綜述[J]. 計算機與網絡， 2002（17）：55-57.

[4]王樹本. 高頻電子線路原理[M]. 大連：大連理工大學出版社，2004.

[5]畢毅， 王波， 李和平. 水下自航模型無線長波遙控系統[J]. 船舶工程， 2002 （6）： 72-74.

[6]李卉云. 中波廣播發射天線的原理[J]. 硅谷， 2010， 15： 048.