基于PXI平台的水声通信节点研究*

赵德胜 梁文磊 陈励军

(1.92932部队 湛江 524016)(2.东南大学信息科学与工程学院 南京 210096)

基于PXI平台的水声通信节点研究*

赵德胜1梁文磊2陈励军2

(1.92932部队 湛江 524016)(2.东南大学信息科学与工程学院 南京 210096)

论文利用韦弗法实现单边带调制,并且使用幅频分传技术改善通信质量。对所设计的系统进行了仿真建模和数值计算,在此基础上搭建了基于NI PXI FPGA平台和LabVIEW软件开发平台的水下通信节点系统。通过水池实验对系统的性能进行了分析。结果表明基于PXI平台的水声通信节点设计灵活,性能稳定,具有较好的应用价值。

PXI平台; 模拟水声通信; 韦弗法; 幅频分传

Class Number TN929.3

1 引言

水下语音通信在海洋科考和国防军事等诸多方面有着广泛用途[1],尤其随着我国经济科技发展,经营海洋已经成为一个重要的着力点。水声通信的性能主要受复杂时变空变信道的传播损失、多途干扰和随机起伏等方面的影响[2],因此水声通信也就成为一种与电磁通信技术有极大差异的特殊通信技术。作为水声通信领域最早应用的通信方式之一,单边带(SSB)通信已经发展成为一种成熟的水声通信方式,并且被广泛应用。传统的模拟单边带系统对模拟器件的性能要求较高,灵活性差,不易调试[3]。随着现在数字信号处理技术的发展,通过软件无线电技术实现的单边带通信系统将更能适应水声信道的复杂多变。

本文介绍一种基于软件无线电思想[4],在NI PXI信号处理平台上实现的数字单边带水声通信节点。其中单边带调制用韦弗法实现,并且通过幅频分传技术来改善通信质量。关键的信号处理和调制解调等环节均通过LabVIEW软件平台实现,充分发挥了软件无线电的灵活性、开放性和快速可配置性。

2 单边带通信节点模型及分析

2.1 通信节点系统模型

数字单边带水声通信就是将语音信息从信源通过信道传递给信宿的过程。首先是将自然语音输入转换为电信号,经过处理后将该电信号转换为声信号发送到水中,以声波为载体通过水声信道传播到信宿接收端,接收端将声信号转换成电信号后经过相关的处理,还原成自然语音信息提供给接收者。这一过程如图1的水声通信系统模型所示。

图1 数字单边带水声通信系统模型

图1中各部分功能简述如下:

1) 发射部分

首先通过麦克风等将语音消息转换为数字电信号。然后通过发射信号处理部分对信源传递过来的数字信号进行通带滤波,保留传递有效信息所需的语音信号,滤除带外冗余和噪声。通过数字单边带调制技术将数字语音信号搬移到适于在水声信道中传播的频带上。最后通过发射换能器将经过调制的信号转换成声信号发射到水中,进行传播。

2) 水声信道

水声信道是指能够传播声音信号的水下物理媒质,从而使发射端的信号到达接收端。同时,水声信道的时变、空变、频变以及多径特性也将对接收信号引入干扰和噪声[5]。

3) 接收部分

接收端首先通过接收水听器,将接收到的声音信号转换为电信号并经过放大、A/D变换和数字滤波处理后,再通过数字单边带解调技术将接收信号搬移到原始语音信号频带上。最后通过扬声器等输出。

2.2 数字单边带调制解调

基带信号对载波进行幅度调制后,输出信号频谱包括载频、上边带、下边带三部分,而实际上传输一个边带的信号即可保留全部信息。因此仅仅传输一个边带的单边带通信(SSB)就能节省发射功率和信道带宽,而后者在水声通信中极具现实意义。

本文选择利用相位关系的韦弗法来实现单边带调制解调。以下将就韦弗法调制过程进行介绍,解调为调制的逆过程,不再赘述[6]。

首先利用一对频率在基带信号边带正中间的正交预载波与基带信号相乘,折叠下边带,再通过低通滤波器将上边带滤除。然后通过一对二级正交载波将频谱搬移到所需的频带上,两路信号相加即可得在载波频带上的单边带调制信号。调制过程如图2所示。

图2 韦弗法单边带调制

如图2所示,假设输入语音基带信号是一个单频信号:f(t)=V0cosω0t,并且假设ωm为语音信号的最高频率。

输入信号与正交预载波调制得:

(1)

(2)

经过低通滤波保留下边带:

(3)

(4)

经过二级正交载波调制后:

(5)

(6)

两者相加后,即得保留上边带的单边带信号:

(7)

韦弗法单边带调制解调的关键是在低通滤波后需要进行数字内插-抽取处理[6]。这是由于通常基带信号比载波信号的频带低得多,两者的采样率也会相差很大。因此在预载波调制并且低通滤波后需要通过内插来提升信号采样率,从而实现将信号调制到较高频带上的目的。同样的,接收解调时,需要相应的抽取来降低采样率到适合基带信号的范围内。

2.3 幅频分传技术

虽然单边带通信已经能够节约发射功率和带宽了,但是由于水声通信受信道环境影响非常大,实际通信质量往往不理想,而且受客观条件的制约也不能简单地通过增大发射功率来解决,因此可以通过对发射信号进一步加工来改善通信质量。

通常在讲话的过程中,声音强度的起伏较大,这样低强度信号就容易被噪声淹没,并且功率利用效率也很低。同时,人耳的听觉是非线性的,主观上听到的声音并不会随着声音强度的增大而线性增大。因此可以通过振幅压扩技术[7]来降低信号的起伏。对调制产生的单边带信号进行深度限幅后发射,可以提高发射功率利用率。同时,限幅产生的谐波已经不在使用频带内,因此可以通过带通滤波来抑制谐波。

图3 振幅压缩信号示意图

如图3所示对调制载波信号进行振幅压缩,直接限幅后将引入谐波,如图3(c)示,经过通带滤波后,可以将谐波抑制掉。同时注意到,由于损失了幅度信息,功率谱上的起伏也相应的降低了,功率谱在通带范围内也较为平滑,如右下角图示。

限幅导致单边带信号中的幅度信息损失,可以通过专门的载波单频信号承载幅度信息,与单边带信号一起发射出去,然后在接收端将幅度和频率信息进行还原。

图4 幅频分传信号示意图

图4所示首先用一个单频信号承载调制载波的幅度信息,然后将该信号包络在0～1之间翻转,叠加到限幅的载波信号上,可以大大减少信号强度的起伏,同时可以保留频率信息。

上述即为幅频分传的过程,采用这种方式发射信号可以提高功率利用率,同时保证语音的可懂度。

3 基于PXI平台的通信节点实现

本通信节点系统采用NI公司PXI总线实时控制平台[8]来实现,包括基于PXI总线的可扩展机箱PXIe-1802、PXIe-8133高性能嵌入式控制器模块、NI FlexRio 5781 I/O适配器和FlexRio 7965R FPGA模块,以及显示器、键鼠等外接设备。

5781 I/O模块具有两个采样率可达100MS/s的I/O通道,完全能够满足水声通信的需求。7965R FPGA模块包括高性能的Xilinx Virtex-5 FPGA模块和高达512MB的板载内存,满足高性能数据处理需要。5781适配器与7965R FPGA模块相结合完全能够满足本文所述水声通信节点的性能需求。

图5 通信节点系统架构图示

软件系统采用NI公司的LabVIEW软件开发平台[9],LabVIEW作为虚拟仪器(Visual Instrument,VI)图形化开发平台,能够简洁方便地开发NI FPGA模块程序和系统前端控制程序,编程灵活方便,实时性强,系统稳定可靠。

本系统包括对FPGA进行映射编程的FPGA VI和上位机前端控制的Host VI两部分。7965R FPGA主要完成具有实时性要求的信号采样和相关的数据处理;上位机控制VI主要完成人机交互以及需要大量矩阵运算的调制解调和相关的滤波任务。

系统设计接收和发射模块相互独立,因此可以方便地实现收发双工模式,两者并行独立工作。

FPGA VI通过7965R FPGA模块控制5781适配器实现数据的输入/输出功能。在发射数据时,将上位机传输进来的单边带调制数据通过5781直接经过功放传送到发射换能器发射到水声信道中。接收数据时,通过5781采集经过放大的接收换能器收到的数据,在经过RMS预触发模块进行粗同步后开始接收数据传入FPGA中,然后经过带通滤波处理后将数据传入上位机进行接收解调处理。

图6 FPGA VI关键模块

图6所示为FPGA模块的关键程序,主要包括将数据从上位机导入后传入I/O口进行发射的发射信号模块和从I/O口接收数据的接收模块。其中接收模块在接收数据后将首先进行RMS预触发判断,在确认有用信号到达后才将数据传入上位机。

上位机VI负责主要的数据处理工作。发射信息时,首先通过控制麦克风来接收语音信息的输入,然后在LabVIEW中直接通过MatlabScript脚本[10]完成韦弗法调制,并对信号进行幅频分传调整。然后将数据通过DMA通道传入FPGA中。接收信息时,接收到FPGA模块传来的数据后,通过MatlabScript脚本来完成幅频分传调整,然后进行韦弗法解调和相关的滤波操作,最后控制扬声器或耳机将解调得到的接收基带信号播放出来。

上位机VI主要包括人机交互的前面板和后台的数据处理程序。前面板可以输入各种控制参数,并且能够实时监视接收到的和发射出去的数据。后台数据处理程序承担信号调制解调的主要工作,通过Matlab Script脚本模块调用Matlab程序来完成数据处理工作。

4 水池实验结果分析

本文所述通信节点系统在实验室长8m,宽5m,深5m的消声水池进行了相关的实验。T54水声换能器一对,间距4m,发射换能器深度3m,接收换能器深度2m,沿水池短边中线布放,并且对称于长边中线;JYH-100功放一台;PF-1u-16FA信号调理器一台;通信信号为一段长11s左右的语音文件;PXI实时控制处理平台及LabVIEW软件系统。

通过实验分析发现,韦弗法调制解调的效果要比同等条件下的通带滤波法效果好,能够在更低信噪比的条件下实现相同的通信效果。通过幅频分传技术对发射信号进行调整后,可以在相同发射功率下获得更好的通信效果。

以下对水池实验中的数据片段进行举例分析。

图7 发射信号片段及其功率谱

图7所示为信源语音信号的一个片段,考虑自然语言交流所需语音频带范围,对源信号进行了带通滤波,从而节省带宽。经过韦弗法两级正交调制,得到的调制信号功率谱如图7(c)示,可以看到该调制信号功率谱为原始信号功率谱在载波频段的镜像翻转。

图8 接收信号片段及其功率谱

如图8所示的接收信号片段,具有较高的信噪比。虽然从接收信号时域波形包络上看,有一定的失真,但是从解调后恢复的语音信号的功率谱上看,已经能够恢复较理想的频域信息了。主要在低频段有一定的带外干扰,可以通过更加严格的数字带通滤波来改善。

5 结语

本文介绍了一种基于PXI实时控制平台的单边带水声通信节点系统。该系统结合FPGA模块,可以实现高速数据采集和处理。实现了韦弗法单边带调制解调,并且通过幅频分传技术改善通信效果。通过水池实验验证了系统的可行性,通过比较分析,本系统信息传输性能稳定,可靠性强,具有较好的实用前景。

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[2] 许天增,许鹭芬.水声数字通信[M].北京:海洋出版社,2010:29-31.

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[8] 高性能测试测量与控制平台——PXI[EB/OL]. http://www.ni.com/pxi/zhs/.

[9] 雷震山,赵晨光,魏丽,等.LabVIEW8.2基础教程[M].北京:中国铁道出版社,2008:1-2.

[10] 曲丽荣,胡容,范寿康.LabVIEW、Matlab及其混合编程技术[M].北京:机械工业出版社,2011:144-146.

Underwater Acoustic Communication Node Based on the PXI Platform

ZHAO Desheng1LIANG Wenlei2CHEN Lijun2

(1. No. 92932 Troops of PLA, Zhanjiang 524016) (2. Information Science and Engineering Department, Southeast University, Nanjing 210096)

Using Weaver method to achieve single sideband modulation, use the amplitude and frequency separate transmitting technology to improve the quality of communication. The simulation modeling and numerical computation have been done for the designed system, on this basis, build the system based on NI PXI FPGA and LabVIEW. The system performance is analyzed by waterpool experiments. The results showed that the underwater acoustic communication node based on the PXI platform have flexibility design, stable performance, and application value.

PXI, simulate underwater acoustic communication, Weaver method, amplitude and frequency separate transmitting

2014年4月7日,

2014年5月26日

赵德胜,男,工程师,研究方向:通信工程。梁文磊,男,硕士研究生,研究方向:信号处理。陈励军,男,硕士研究生,教授,研究方向:信号处理。

TN929.3

10.3969/j.issn1672-9730.2014.10.017