中长波水下无线通信机的设计与研究

赵蓉 蔡果佑

【摘要】 本研究设计了一款基于中频数字化无线传输技术的中长波水下无线通信机。该设备通过使用中长波500KHz电磁波为传输媒介来实现水下无线通信，主要由发射机系统和接收机系统两部分组成。

【关键词】 中长波 水下 无线通信机 发射机 接收机

一、前言

水下无线通信（underwater wireless communication），是指在水下对文字、数据、图像等信息进行无线传递的通信技术[1]，在军事和民用中都起着至关重要的作用。目前，水下无线通信主要分成三类，即水下电磁波通信、水声通信和水下量子通信[2]。其中，水下电磁波通信研究较早，不易受水文条件影响，通信较为稳定，但由于水介质对电磁波具有较强的衰减作用而使其功效受到限制。中长波通信[3]则通过使用中长波波段电磁波为传输媒介，利用中长波受地形地物影响小、衰减慢、通信距离远的特点，从而对电磁波通信受水介质衰减作用而不稳定的情况实现了改善。本研究设计了一款基于中频数字化无线传输技术的中长波水下无线通信机。该设备通过使用中长波500 KHz电磁波为传输媒介来实现水下无线通信，系统方案设计如下。

二、系统方案设计

2.1 调制方式选择

通过对2PSK、2DPSK、2ASK以及2FSK系统几种常用的数字调制方式不同方面进行比较。2PSK系统宽带占用较小，抗加性白噪声性能较好，误码率较低，因而数字调制方式选择2PSK系统。考虑到同一种数字调制方式，采用相干解调方式的误码率要比采用非相干解调方式的误码率更低，因而解调方式选择相干解调。

2.2 水下天线选择

发射机产生的电信号经由发射天线向空间介质传播，而接收天线则能接收空间传播的电磁波继而转化为电信号传入接收机，可见天线性能的好坏对整个通信系统信息的收发和质量至关重要。本研究使用了适于水下传输的AN-100德生收音机天线系列中波环形天线。发射端天线两端与307 pF电容釆用并联谐振模式[4]。

三、系统设计

3.1发射机系统设计

发射机结构设计，发射机上位机将数据信息经由串口传出，数字信号由Xilinx公司的Spartan3AN系列芯片FPGA进行处理，FPGA的串口模块接收后，在FPGA内部完成数字扩频信道编码和串行扩频数据的BPSK数字调制，通过串转换模块，转换并行数据为串行数据，继而通过扩频调制以产生较高速率的基带信号，再与DDS IP CORE产生的正弦载波进行BPSK调制，键控方式产生频带信号。使用8 bit的TLC5602CDW型号DA转换芯片对调制信息进行DA转换，再通过RC无源低通滤波器对杂波进行滤除，然后将模拟信号送到LTC1992芯片进行单端转差分变换，最后经由PA85芯片对信号进行放大，通过德生AN-100环形天线发射到水中。

3.2接收机系统设计

接收机结构设计，水下环形天线采用并联谐振模式接收水下中长波电磁信号，并联谐振回路在选频的同时起初级带通滤波作用。数据信号传入接收机电路板，并通过76dB一级的调谐中频电路加以放大，输出端调谐至500 KHz后，通过AD转换芯片传输模拟信号至FPGA引脚，在FPGA内完成中频至基带信号的解调以及解扩。使用本地IP核产生的500KHZ正线载波与接收数据进行BPSK差分相干解调，解调后的基带信号传输至解扩模块，在解扩模块对m序列进行跟踪、捕获，再与本地产生的同步m序列进行扩频解扩，解扩后的基带信号在位同步时钟的控制下进行数字信息“0”、“1”判决，最后数字信息通过接收机的串口转换上传至上位机，完成信息接收工作。

四、结论

中长波水下无线通信对近距离水下通信技术的发展具有巨大潜力。相比其他水下无线通信技术，中长波无线电通信技术抗干扰能力强、通信频率高、功耗低、安全系数高[5]。实际检测中，中长波水下无线通信机可能会面临数据灵敏度不高、传输速率受限等不足，还有待进一步改善。此外，增加发射天线等效带宽、提高发射天线的辐射效率[6]，有利于在增加辐射场强和提高传输速率；微弱信号放大技术和检测技术的应用有利于对内部和外部的噪声干扰进行更好的处理；优化编译码技术和调制解调技术则有利于提高接收机的可靠性和灵敏度。这些方面都是中长波水下无线通信机值得注意和改善的关键。

参 考 文 献

[1]石海平， 邓小涛. 中长波通信抗干扰新技术探讨[J]. 通信对抗， 2007（4）：52-55.

[2]王毅凡， 周密， 宋志慧. 水下无线通信技术发展研究[J]. 通信技术， 2014， 47（6）： 589-594.

[3]夏维华， 王一璐. 潜艇通信系统综述[J]. 计算机与网络， 2002（17）：55-57.

[4]王树本. 高频电子线路原理[M]. 大连：大连理工大学出版社，2004.

[5]毕毅， 王波， 李和平. 水下自航模型无线长波遥控系统[J]. 船舶工程， 2002 （6）： 72-74.

[6]李卉云. 中波广播发射天线的原理[J]. 硅谷， 2010， 15： 048.