水下通讯技术

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水下通讯技术范文第1篇

Abstract: This paper describes the ultrasonic wireless launch and receiver module's working principle and designning ideas, given the overall program for the project of ultrasound wireless point to point communication from a systems perspective. The acoustic communication system can achieve the communication from the serial port to ultrasonic wireless and then back to another serial port. The experimental result shows that the design can achieve stable wireless acoustic communication within a certain distance.

关键词： 即现场可编程门阵列（FPGA）；无线通讯；超声波；声通讯

Key words: field-programmable gate array (FPGA)；wireless communication；ultrasonic wave；acoustic wireless communication

中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）24-0215-02

0 引言

随着电子技术的飞速度发展，无线通讯正悄然的改变着这个社会，成为人们生活中不可或缺的一部分，传统意义上的无线通讯大多建立在电磁通讯上，虽发展早技术相对成熟，但并不适合于所有领域，如海洋环境。由于水是电的良导体，这使得电磁波在水下衰减十分迅速，想进一步实现无线通讯非常困难。如今世界各国对海洋资源开发的日益重视，人们越发感觉到找寻一种新型的无线通讯方式并制定与之相应的通讯体制的重要性。与此同时因声波在水下传播方向性好，穿透力强，传播距离远等特性，使得水声成为水下通讯的首选媒介，无线声通讯的研究正在成为一个新的研究热点。

现场可编程门阵列（FPGA）作为新一代的可编程逻辑器件以其成本低、可靠性高、开发周期短等优势，广泛应用于通讯、工控、接口总线、航空及车载控制等的设计上，成为最具灵活性及广泛性的开发设计平台之一。FPGA可轻易地被修改与变更，且允许开发人员根据需求变化进行资源的重新配置，这允许我们对已经成型的PCB在不改动硬件连接的情况下进行二次开发，这一优点在无线通讯设计方面尤为明显，突出表现在系统的升级更新，协议的调整，接口的扩展等方面。FPGA在为无线通讯系统提供丰富资源的同时，也使无线通讯系统烦琐的开发过程变的简单。

1 总体设计和系统架构

本系统分为超声波收发部分，调制解调部分以及与外界MCU、PC进行数据传输的UART接口模块、系统接口缓存FIFO四个部分组成。系统将待发送的数据通过脉冲进行编码调制，把数据加载到声波上以超声波的能量形式发送出去，由超声波接收模块接收，并进行信号的解调与校验。系统中将要发送与新接收到的数据都暂存在FIFO中，并通过UART接口与外界进行数据的交互，如图1所示。

2 设计原理

2.1 无线部分的设计

2.1.1 超声波无线通讯协议选择与数据帧结构 为了能够正确地对超声波进行编码，首先必须对通讯协议进行选择与设计。设计的关键在于帧的同步问题，本设计参考了串口通讯协议，数据帧包含一个起始位，8个数据位，一个偶校验位和1个停止位。未接收到信号时，定时器不计时，当电平由高变低即收到起始位0时，记时器开始计时，既以起始位作为帧同步的信号。通过比较计数器的计数来判断每一位是0或者是1，接收完8位数据、校验位及停止位后。定时器复位，准备接收下一个数据。本设计以200个40KHZ周期脉冲时间作为最小的电平转换单元，即最小的电平持续时间为5ms，为保证采样数据的可靠性，对每位的电平数据进行中心点附近的5次采样。

2.1.2 载波频率的选择 超声波在介质中传输对频率十分敏感，在传播过程中介质对声波的吸收与频率的平方成正比，频率越高，衰减越快，而频率低收到的背景噪声大，对传输质量有影响。选择合适的频率来作为系统无线的载波频率不但可以有效避开大量背景噪声同时也减少了传播过程的信号衰减。试验中选用常用的40khz换能器作为实验对象。