AUV水声跳频通信调制解调器的设计和实现.pdfVIP

第３５卷第 １２期 哈　 尔　 滨　 工　 程　 大　 学　 学　 报 Ｖｏｌ．３５ №．１２ ２０１４年１２月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈａｒｂｉｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｄｅｃ． ２０１４ ＡＵＶ水声跳频通信调制解调器的设计与实现 范巍巍，张殿伦，董继刚，张友文 （哈尔滨工程大学水声工程学院，黑龙江哈尔滨 １５０００１） 摘　 要：在复杂时变水声通信环境中非相干ＦＨ⁃ＦＳＫ调制解调技术是一种较为稳健、可靠的通信方式，适合于低速、高可 靠的水声设备遥控等应用场合，如水面船遥控高速运动的水下智能机器人（ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｖｅｈｉｃｌｅ，ＡＵＶ）。 但也 面临着以下困难：１）高速运动带来的多普勒会严重恶化通信系统性能；２）为节省能耗，ＡＵＶ依据通信需求可对通信单元 进行经常性的上电与断电操作，导致异步单工工作模式下水面与水下通信节点之间很难协调工作。 针对以上问题，提出 了采用脉冲对技术进行可靠多普勒估计，并采用线性插值技术进行高效多普勒补偿；结合通信节点板载高精度时钟以及 设计的声链路同步机制有效地解决了ＡＵＶ和水面控制船之间的双向链路建立与数据传输工作。 基于ＯＭＡＰ⁃Ｌ１３８双核 处理器平台设计与实现了ＦＨ⁃ＦＳＫ的水声调制解调器的样机，湖上实验结果表明提出的传输控制协议可保证通信节点 之间的通信链路随机建立和断开，结果证明所设计的样机稳定、可靠。 关键词：非相干调制；脉冲对；多普勒估计；线性插值；双向链路；声链路同步；ＦＨ⁃ＦＳＫ；水声通信；跳频 ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１００６⁃７０４３．２０１３０９０５５ 网络出版地址：ｈｔｔｐ：／ ／ ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ ｋｃｍｓ／ ｄｅｔａｉｌ／ ２３．１３９０．Ｕ１５２３．００３．ｈｔｍｌ 中图分类号：ＴＮ９２９．３　 文献标志码：Ａ　 文章编号：１００６⁃７０４３（２０１４）１２⁃１４７３⁃０７ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ＡＵＶ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｈｏｐｐｉｎｇ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｍ ＦＡＮ Ｗｅｉｗｅｉ，ＺＨＡＮＧ Ｄｉａｎｌｕｎ，ＤＯＮＧＪｉｇａｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｙｏｕｗｅｎ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈａｒｂｉｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５０００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘ ｔｉｍｅ⁃ｖａｒｙｉｎｇ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｃｈａｎｎｅｌ，ｎｏｎ⁃ｃｏｈｅｒｅｎｔ ＦＨ⁃ＦＳＫ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｉｓ ａ ｒｏｂｕｓｔ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ，ａｎｄ ｉｔ ｉｓ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｒｅｍｏｔｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｌｏｗ⁃ｓｐｅｅｄ，ｈｉｇｈｌｙ ｒｅｌｉａｂｌｅ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ｓｕｃｈ ａｓ，ｉｎ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄ ＡＵＶ （ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｖｅｈｉｃｌｅ） ｒｅｍｏｔｅｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｂｙ ａｓｈｉｐ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｒｅａｒｅｓｏｍｅｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓｗｉｔｈｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄｍｏｖｅｍｅｎｔｂｒｉｎｇｉｎｇｓｅｒｉｏｕｓｄｅｔｅ⁃ ｒｉｏｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｏ ｓａｖｅｔｈｅｌｉｍｉｔｅｄｅｎｅｒｇｙ，ＡＵＶｗｉｌｌ ｃａｒｒｙ ｏｕｔｐｏｗｅｒ⁃ｏｎ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ⁃ｏｆｆ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ｌｅａｄｉｎｇｔｏ ａ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｗｏｒｋｆｏｒ ａｎ ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｓｉｍ⁃ ｐｌｅｘ