《電子技術(shù)應(yīng)用》
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多用戶水聲通信仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)
來(lái)源:電子技術(shù)應(yīng)用2011年第8期
趙極遠(yuǎn),王逸林,楊 威
(哈爾濱工程大學(xué) 水聲工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱150001)
摘要: 多用戶水聲通信仿真平臺(tái)由服務(wù)器和客戶端兩部分組成,在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)服務(wù)器功能;在以Cyclone III FPGA為核心的SoPC系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)客戶端功能。信號(hào)通過(guò)客戶端的數(shù)據(jù)采集處理后,傳輸至服務(wù)器并與模擬水聲信道的沖擊響應(yīng)進(jìn)行卷積等運(yùn)算,最后將運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)發(fā)給其他客戶端,實(shí)現(xiàn)多用戶水聲通信仿真功能。
中圖分類號(hào): TN915
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2011)08-0013-03
Design of multi-user simulation platform for underwater acoustic communication
Zhao Jiyuan,Wang Yilin,Yang Wei
College of Underwater Acoustic Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001,China
Abstract: Multi-user simulation platform for underwater acoustic communication consists of two parts: the server and the client. The server runs on a PC,and the client runs on a SoPC system based on Altera′s Cyclone III FPGA. After the signal is collected and processed by the client, it will be transmitted to the server and convoluted with impulse response of underwater acoustic channel, and then the result will be transmitted to other clients, so that the system achieves the function of multi-user simulation platform for underwater acoustic communication.
Key words : underwater acoustic communication;simulation platform;server;client;SoPC


    隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,海洋資源的探測(cè)與開(kāi)發(fā)日益受到注目。開(kāi)發(fā)海洋資源需要母船、水下機(jī)器人和深海固定開(kāi)發(fā)基站協(xié)同作業(yè),因此對(duì)一個(gè)信息化、現(xiàn)代化的海洋通信網(wǎng)絡(luò)有著極為迫切的需求。而聲波信號(hào)是目前已知的唯一能在海洋中遠(yuǎn)距離傳播的信號(hào),由此水聲通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生。然而為構(gòu)建水聲通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的海洋試驗(yàn),卻由于海上試驗(yàn)高昂的費(fèi)用和冗長(zhǎng)的試驗(yàn)周期讓人望而卻步,因此設(shè)計(jì)一套可以在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬海洋環(huán)境的水聲通信網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)有著重要的意義。
    國(guó)際上,早在20世紀(jì)70年代就有較完善的仿真系統(tǒng)問(wèn)世,我國(guó)直到20世紀(jì)90年代中期才開(kāi)始有一些對(duì)于海洋聲信道模型、現(xiàn)代先進(jìn)聲納信號(hào)處理模型等仿真系統(tǒng)的研究。但對(duì)于水聲通信網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)的研究也僅限于PC機(jī)軟件模擬。由軟、硬件相結(jié)合方法構(gòu)建的水聲通信網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)彌補(bǔ)了這一方面的空白,并對(duì)水聲通信網(wǎng)絡(luò)的研究有著很好的輔助和補(bǔ)充作用。
1 仿真平臺(tái)構(gòu)建
    為達(dá)到模擬海洋水聲信道、仿真多個(gè)用戶之間水聲通信的目的,仿真平臺(tái)采用標(biāo)準(zhǔn)接口,可連接多個(gè)實(shí)際的水聲設(shè)備,仿真其間的水聲傳播情況。該平臺(tái)可以仿真各種海洋環(huán)境,幫助測(cè)試水聲設(shè)備的功能,完成水聲通信、水聲定位、導(dǎo)航及水聲對(duì)抗等試驗(yàn)。同時(shí)平臺(tái)可以存儲(chǔ)大量實(shí)際測(cè)量的水聲數(shù)據(jù),用以“重現(xiàn)”已進(jìn)行的湖海試驗(yàn)。
    由于仿真平臺(tái)需模擬多個(gè)水聲通信節(jié)點(diǎn)之間的水聲通信狀況,故系統(tǒng)采用服務(wù)器端-客戶端模式。服務(wù)器端負(fù)責(zé)水聲信道模型建立、人機(jī)交互界面顯示等功能;客戶端負(fù)責(zé)水聲信號(hào)采集、數(shù)字信號(hào)處理以及信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能。如圖1所示,以兩節(jié)點(diǎn)通信為例,在實(shí)際的水聲通信中,通信節(jié)點(diǎn)發(fā)射的聲波信號(hào)通過(guò)水聲換能器發(fā)送到海洋中,聲波信號(hào)在經(jīng)過(guò)水聲信道后被接收方水聽(tīng)器接收,并傳送給接收方通信節(jié)點(diǎn)。在仿真系統(tǒng)中,通過(guò)客戶端、以太網(wǎng)傳輸及服務(wù)器水聲信道建模來(lái)模擬聲波信號(hào)離開(kāi)通信節(jié)點(diǎn)后的傳輸過(guò)程。使得軟、硬件結(jié)合的仿真系統(tǒng)可以更真實(shí)地仿真水聲通信網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)狀況。

2 服務(wù)器端設(shè)計(jì)
2.1 水聲信道理論建模

    水聲信道實(shí)際是時(shí)變、空變的信道,由于其變化緩慢,在仿真系統(tǒng)中近似為時(shí)不變信道。本仿真平臺(tái)要求能夠?qū)崟r(shí)顯示接收信號(hào)的畸變波形。射線聲學(xué)以其計(jì)算的高精度、高速度及物理含義的顯著性成為本系統(tǒng)的首選建?;A(chǔ)理論。射線聲學(xué)理論體系由如下兩個(gè)方程構(gòu)建:

    其中,N為聲波傳播途徑的總數(shù);Ai為聲波沿第i條傳播途徑到達(dá)接收點(diǎn)的信號(hào)幅度值;τi為聲波沿第i條傳播途徑到達(dá)接收點(diǎn)的信號(hào)傳播時(shí)延。只要能求解出Ai、τi的值,就可以近似構(gòu)建所需的信道系統(tǒng)函數(shù),并逼真地反映出水下聲信道的傳輸特性。令通信節(jié)點(diǎn)所發(fā)射的聲信號(hào)為s(t),則其經(jīng)過(guò)水聲信道作用后的輸出信號(hào)y(t)應(yīng)為s(t)與信道系統(tǒng)函數(shù)的卷積:
    
其中,n(t)為信道內(nèi)的加性噪聲,體現(xiàn)水下噪聲特性。接收信號(hào)的幅度畸變、接收時(shí)延及受噪聲干擾等信息均可以通過(guò)y(t)得出。由于實(shí)際運(yùn)算中對(duì)于較長(zhǎng)的信號(hào)序列使用卷積計(jì)算較為緩慢,考慮到運(yùn)算的實(shí)時(shí)性,可利用FFT快速算法求解輸出信號(hào)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(jù)此設(shè)計(jì)實(shí)際使用的信道模型與波形處理軟件模塊。
2.2 服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)
    圖2所示為服務(wù)器軟件功能結(jié)構(gòu)圖。以兩個(gè)水聲通信節(jié)點(diǎn)為例,服務(wù)器軟件基本功能為通過(guò)以太網(wǎng)接收客戶端發(fā)送的水聲信號(hào)波形數(shù)據(jù)s(t),并將s(t)與水聲信道建模產(chǎn)生的信道沖擊響應(yīng)h(t)進(jìn)行卷積、時(shí)延等運(yùn)算,得到通過(guò)模擬水聲信道的信號(hào)波形數(shù)據(jù)y(t),再將y(t)傳輸給其他客戶端,進(jìn)而完成仿真任務(wù)。

3 客戶端設(shè)計(jì)
3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    客戶端系統(tǒng)采用SoPC方案,主要完成信號(hào)采集、信號(hào)處理及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能,如圖3所示。FPGA芯片為系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)傳輸核心,對(duì)于水聲信號(hào)的采集由音頻CODEC完成,以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)FPGA內(nèi)置MAC結(jié)合外部PHY芯片完成。NOR Flash用于操作系統(tǒng)及程序代碼存儲(chǔ),SDRAM用于程序運(yùn)行,Nand Flash用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ),JTAG用于系統(tǒng)調(diào)試,RS232用于與GPS相連完成系統(tǒng)時(shí)間同步。

3.2 FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    FPGA是系統(tǒng)的核心,整個(gè)系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度和管理都由FPGA來(lái)完成。圖4所示為FPGA內(nèi)部的總體結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)傳輸。

3.3 Nios II 處理器程序設(shè)計(jì)
    圖5所示為FPGA內(nèi)部總體結(jié)構(gòu)圖。在Nios II處理器運(yùn)行后,首先初始化?滋C/OS-II以及TCP/IP協(xié)議棧,然后開(kāi)始運(yùn)行客戶端程序,Nios II處理器接收服務(wù)器的命令后通過(guò)I2C總線對(duì)CODEC進(jìn)行配置,配置CODEC實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的A/D或D/A功能,由此程序進(jìn)入正常工作的無(wú)限循環(huán)狀態(tài)。

4 系統(tǒng)測(cè)試
    對(duì)于客戶端與服務(wù)器的聯(lián)合測(cè)試,采用在理想水聲信道模型中收發(fā)單頻信號(hào)的測(cè)試方法。由一個(gè)客戶端發(fā)送數(shù)據(jù),經(jīng)服務(wù)器接收并相應(yīng)處理后轉(zhuǎn)發(fā)給其他客戶端。如圖6所示,服務(wù)器接收客戶端四(圖中字母B指示處)數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)發(fā)給另外三個(gè)客戶端(圖中字母A指示處)。測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示。


    多用戶水聲通信仿真平臺(tái)通過(guò)服務(wù)器端軟件與客戶端硬件的完美結(jié)合,可以最大程度地在實(shí)驗(yàn)室模擬海洋試驗(yàn)時(shí)所處的海況。在實(shí)際湖海試驗(yàn)前進(jìn)行仿真試驗(yàn)對(duì)節(jié)約試驗(yàn)成本及縮短項(xiàng)目周期有著重要意義。
    在多用戶水聲通信仿真平臺(tái)中,服務(wù)器端很好地完成了信道建模、顯控界面及以太網(wǎng)傳輸?shù)裙δ?。客戶端系統(tǒng)采用SoPC方案,在單片F(xiàn)PGA中完成系統(tǒng)控制、信號(hào)處理及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?,相?duì)于傳統(tǒng)ARM+DSP方案有著信號(hào)處理能力強(qiáng)、系統(tǒng)集成度高、硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單及系統(tǒng)穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)。經(jīng)實(shí)際測(cè)試,系統(tǒng)工作穩(wěn)定,達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。
 

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