《電子技術(shù)應(yīng)用》
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MAX9814芯片在MFSK水聲通信抗幅度衰落中的應(yīng)用
2021年電子技術(shù)應(yīng)用第2期
李 爽1，2，3，邱逸凡1，2，3，童 峰1，2，3
1.廈門大學(xué) 水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點實驗室，福建 廈門361005； 2.廈門大學(xué) 海洋與地球?qū)W院，福建 廈門361005；3.廈門大學(xué)深圳研究院，廣東 深圳518000
摘要： 在集群海洋觀測、海洋物聯(lián)網(wǎng)(IoT)等應(yīng)用對低成本、小尺寸水聲通信設(shè)備的需求日益廣泛。低復(fù)雜度、高可靠性的多進制移頻鍵控（MFSK）調(diào)制提供了一種有效的技術(shù)方案。針對水聲信道惡劣時-空-頻變特性給MFSK水聲通信帶來的嚴重幅度衰落，采用芯片MAX9814帶有的自動增益控制功能對MFSK水聲通信進行抗衰落處理，具有小尺寸、高集成的特點。淺海信道海試實驗結(jié)果表明，采用MAX9814芯片夠有效地抑制水聲信道所造成的幅度衰落，改善水聲通信性能。
中圖分類號： TN929.3
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.201098
中文引用格式： 李爽，邱逸凡，童峰. MAX9814芯片在MFSK水聲通信抗幅度衰落中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2021，47(2)：41-44.
英文引用格式： Li Shuang，Qiu Yifan，Tong Feng. Application of chip MAX9814 in MFSK underwater acoustic communication anti-amplitude fading processing[J]. Application of Electronic Technique，2021，47(2)：41-44.
Application of chip MAX9814 in MFSK underwater acoustic communication anti-amplitude fading processing
Li Shuang1，2，3，Qiu Yifan1，2，3，Tong Feng1，2，3
1.Key Laboratory of Underwater Acoustic Communication and Marine Information Technique of the Ministry of Education， Xiamen University，Xiamen 361005，China； 2.College of Earth and Ocean Sciences, Xiamen University，Xiamen 361005，China； 3.Shenzhen Research Institute，Xiamen University，Shenzhen 518000，China
Abstract： With the rapidly increasing interests in ocean observation and ocean Internet of Things, low-cost underwater acoustic communication equipment draws more and more attention from the research community. The low complexity and high reliability multi frequency shift keying(MFSK) modulation provides an effective technical solution. However, the typical time-space-frequency characteristic of the underwater acoustic channel will cause severe amplitude fading to the MFSK underwater acoustic communication. Considering that the chip MAX9814 has a large-range automatic gain adjustment capability, it is adopted for anti-fading processing of underwater MFSK communication. The experimental results show that MAX9814 can effectively suppress the amplitude fading caused by the underwater acoustic channel, thus improve the performance of the underwater acoustic MFSK communication.
Key words : frequency selective fading；MAX9814；anti-fading treatment

0 引言

    水聲信道是無線通信領(lǐng)域中最為復(fù)雜的信道之一。水聲信道的復(fù)雜性和不穩(wěn)定性導(dǎo)致信號在傳輸過程的損耗以及多徑效應(yīng)，接收端接收到原始信號幅度衰落[1]，影響通信系統(tǒng)的解調(diào)和誤碼率。因此，在接收端經(jīng)常采用自動增益(Auto Gain Control，AGC)的電路[2]，可以將接收到的原始信號的幅度調(diào)整到限定的輸入范圍內(nèi)，保證信號的完整性和通信的穩(wěn)定性[3]。目前，自動增益電路在水聲通信機中應(yīng)用廣泛，當前對于AGC放大器的設(shè)計研究越來越多，一般分為模擬方式和數(shù)字方式。王永龍等人[4]研究的基于自動增益控制的聲信號處理電路，依靠硬件電路實現(xiàn)放大信號作用，屬于模擬方式，復(fù)雜度低；賴小強等[5]研究的數(shù)字閉環(huán)自動增益控制系統(tǒng)，一般依靠算法實現(xiàn)，性能好，屬于數(shù)字方式。本文依靠電路實現(xiàn)抑制幅度衰落，屬于模擬方式。

    針對集群海洋觀測[6]、海洋物聯(lián)網(wǎng)(IoT)[7]、微小型水下無人航行器[8]等應(yīng)用背景下，對低成本水聲通信設(shè)備有大量的需求，并且要求水聲通信系統(tǒng)低復(fù)雜度、小尺寸、低成本、穩(wěn)健可靠，MFSK提供了一種有效技術(shù)方案。傳輸過程中，MFSK 屬于低速率、低復(fù)雜度、穩(wěn)健可靠的通信體制。

    孫柏昶等[9]對8FSK解調(diào)方式進行深入研究，從抗頻偏性能和解調(diào)誤碼性能的數(shù)據(jù)結(jié)果來看，F(xiàn)SK適合用于極低速通信，適合衰落信道；岳玲等[10]將Turbo編碼與基于MFSK的水聲通信系統(tǒng)相結(jié)合，提出軟判決統(tǒng)計量提取算法，進行湖上實驗，根據(jù)實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)通信穩(wěn)定、有效。

    由于水聲信道的復(fù)雜性和不穩(wěn)定性，信號散射、反射、損耗等現(xiàn)象很常見。在多徑嚴重的信道中，接收信號受到的影響主要表現(xiàn)在幅度上，會出現(xiàn)幅度衰落，時域上表現(xiàn)為碼間干擾，頻域上表現(xiàn)在頻率選擇性衰落。接收端收到的信號幅度出現(xiàn)衰落，信噪比降低，解調(diào)過程受到影響，提高了誤碼率，如果兩端距離拉長，衰落現(xiàn)象更加嚴重，接收信號不夠完整，會出現(xiàn)完全解調(diào)錯誤的狀態(tài)。MFSK占用頻帶較寬，在水聲信道傳輸過程中頻率變化會引起幅度衰落，因此自動增益控制是抑制頻率選擇性衰落的有效手段。

    吳劍明等人[11]設(shè)計了兩級放大反饋自動增益控制電路，幅度均衡性能良好，提高了水聲通信質(zhì)量。但從硬件實現(xiàn)角度，利用運放、濾波器搭建的自動增益控制電路集成度仍有提高的余地。

    MAX9814是一款低成本、高質(zhì)量的放大元器件，具有優(yōu)良的自動增益控制功能和較大的增益調(diào)整范圍，已廣泛應(yīng)用于助聽器[12]、聲頻檢測[13]和發(fā)射機[14]。本文應(yīng)用芯片MAX9814抑制水聲信道對MFSK通信造成的頻率選擇性衰落，并在廈門五緣灣海域進行了實驗驗證。




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作者信息:

李  爽1，2，3，邱逸凡1，2，3，童  峰1，2，3

(1.廈門大學(xué) 水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點實驗室，福建 廈門361005；

2.廈門大學(xué) 海洋與地球?qū)W院，福建 廈門361005；3.廈門大學(xué)深圳研究院，廣東 深圳518000)

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