基于虚拟仪器海上通信系统设计

邓伟，邢庆龙

（中国人民解放军91388部队93分队，广东湛江524022）

基于虚拟仪器海上通信系统设计

邓伟，邢庆龙

（中国人民解放军91388部队93分队，广东湛江524022）

为了满足海上通信系统特点的要求，系统采用虚拟仪器技术，通过数据交换统一集中管理有效地解决了大容量数据无线传输难题。基于匹配滤波复合信号检测技术有效地抑制了水声信号多途、混响对海上通信系统的影响，降低了水声信号瞬变引起的信号分裂导致系统漏报、漏发概率。基于虚拟仪器技术开发的海上通信系统不仅开发周期短，而且便于系统进行二次技术升级和功能扩展等优点。

海上通信系统；匹配滤波器；复合检测技术；同步采样；通信传输协议

0 引言

水声通信距离由于受到媒介的衰减传输距离十分有限，在海上为了实现远距离通信将水声信号进行编码通过无线技术进行通信，这样通信距离就会得到大大提升。为了实现远程控制水下设备，在水下传输距离不能满足要求的情况下就会采用这种方案来解决远距离传输问题。为了保证通信的实时性，将水下数据进行预处理后把需要的结果传输到终端，在无线通信时需要同步采样、建立以太网进行数据交换，设计中提出基于各种接口管理等方法进行综合处理。对上述问题进行针对性优化设计，保证了实时性、可靠性要求。

1 海上通信系统组成及工作原理

如图1所示，海上通信系统由浮体部分和控制母船两部分组成。浮体部分主要由保证通信用的无线数传机、同步GPS接收机、PC104接口管理、水下部分和电源部分组成。控制平台由显控计算机和无线数传机组成。控制计算机根据来自无线输出机、GPS接收机、水下的各种信息，输出控制信号由无线数传机发送控制水下部分的工作状态。

图1 海上通信系统组成框图

2 基于NI-Compact RIO平台开发技术

NI-Compact RIO可编程自动化控制器（PAC）为海上通信系统提供了所需的高性能与高可靠性，Compact RIO提供了一个开放的嵌入式架构，包括内置的嵌入式控制器、实时操作系统、可编程FPGA以及小型、坚固且可重配置的I/O模块，因此开发的系统可以快速地生成同步的模拟和数字信号并进行处理。由于采用嵌入式设计，整个系统具备低功耗的优点，保证了浮体在采用锂电池供电的情况下连续长时间工作，提高了系统可靠性。FPGA可重复配置I/O（RIO）硬件设备特性[1]，提高了系统的灵活性，便于系统进行二次技术开发和功能扩展。由于NI-Compact RIO系统和LabVIEW开发环境之间的无缝连接，可以轻松地通过图形化开发环境访问底层硬件，快速建立嵌入式系统控制和数据采集应用，可大大缩短项目设计开发周期，提高开发人员的工作效率。

3 基于无线通信同步采样和以太网数据交换技术

本系统硬件由信号实时处理模块、以太网交换机、PC104接口管理模块、GPS系统、无线数传机系统[2]、显控计算机六个部分组成。信号实时处理模块由FPGA和4块不同的板卡（型号分别为NI-9215，NI-9215，NI-9263，NI-9401）组成，硬件所有配置信息都在NI-Compact RIO的RT系统上显示。cRIO-9401，cRIO-9215，cRIO-9263等模块的数据采集处理在FPGA上完成，采集到的数据通过DMA传送到RT上的数据采集引擎进行降采样、滤波等预处理，图2为系统底层硬件结构框图。

图2 系统底层硬件结构框图

不同数据采集终端的具体硬件配置都不一样，但是硬件模块类型一致。除了嵌入式控制器cRIO-9022，还有两组数据采集卡NI-9215，每个采集终端都配有cRIO-9401和cRIO-9215。数据采集部分又可分为数据采集模块、数据采集引擎、数据存储引擎、GPS时间引擎。通信部分则由数据接口、控制接口和调试接口组成。在NI-Compact RIO中实现时，这些不同的引擎和接口都是独立运行的VI，通过上层的动态调用来执行，这样可利用NI-Compact RIO多线程的特性，避免各个模块之间的相互阻塞干扰，这些所有的引擎和接口都在cRIO-9022的RT上实现。ENET-485/4模块对串口信号采集，并将数据通过以太网传送到RT上的数据采集引擎进行预处理。

为了满足海上通信系统实时转发的要求，数据采集终端需要对水下信号进行精确的时间同步，系统要求GPS同步采集，对于海上通信系统而言，数据采集终端距离船载显控计算机在几千米甚至几十千米以上，利用基于cRIO-9022的GPS同步采集方案可以很好地解决远距离终端同步的难题，具体而言，为数据采集终端配置一个GPS接收机，它可以获取已与卫星同步的PPS秒脉冲信号和GPS绝对时间信号，并送至对应采集终端的cRIO-9401的串口进行同步、计数和采集。

4 基于PC104 接口管理技术

在技术开发时为了便于统一管理，水下信号处理结果存盘、上传及与上位机通信等事件都在PC104上实现。PC104集中管理上位机和下位机之间信号传输、GPS信号同步采集、无线数传机通信，并在默认情况下负责将接收到的实时原始数据保存，事后可通过网口导出，以便对其进行事后处理分析。

为了满足海上通信系统需求，建立了适合本系统的通信传输协议技术[3]。TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是基于连接的协议，在正式收发数据前，必须和对方建立可靠的连接。TCP协议能为应用程序提供可靠的通信连接，使一台计算机发出的字节流无差错地发往网络上的其他计算机，对可靠性要求高的数据通信系统往往使用TCP协议传输数据。

UDP协议（User Datagram Protocol，用户数据报协议）是与TCP相对应的协议。它是面向非连接的协议，它不与对方建立连接，而是直接把数据包发送过去。TCP和UDP之间的区别如表1所示。

表1 TCP和UDP之间的区别

根据实际工作通信需要建立了表1的通信传输协议来满足下位机信号处理模块NI-Compact RIO、接口管理模块PC104及母船上显控台PC机之间的通信需求，通过优化它们的优先级和权限来保证它们之间数据通信的可靠性和实时性。图3为通信传输协议数据流向图。

图3 通信传输协议数据流向图

5 复合检测技术

海上通信系统主要是解决水下通信距离受限问题，水声信号具有自身特点，它瞬态性强、持续时间短、具有突发性和不稳定等特点，在实际的测量中存在多种噪声源的干扰，信噪比较低，单一的检测方法往往不能满足检测要求。工程中综合实际情况[2]运用了匹配滤波技术、软门限处理技术和抗信号分裂处理技术等先进的信号处理技术[4-7]，解决了海上通信系统实际工作过程中信号多途、混响、分裂、漏报、漏发等问题，起到了很好的效果。图4是工程中基于NI-Compact RIO设计的匹配滤波器框图。

6 结语

基于NI-Compact RIO平台开发海上通信系统是一种全新的设计方法，因为NI-Compact RIO平台开发的灵活性，大大缩短了项目开发周期，FPGA可重复配置I/O（RIO）硬件设备，便于系统进行二次技术开发和功能扩展。本系统中应用的几项关键性设计技术很好地解决了海上通信系统对传统的水下通信提出的需求，也可以为后续海上通信系统设计提供借鉴。

图4 匹配滤波器框图

[1]张桐，陈国顺，王正林.精通LabVIEW程序设计[M].北京：电子工业出版社，2008.

[2]杨日杰，高学强，韩建辉.现代水声对抗技术与应用[M].北京：国防工业出版社，2008.

[3]刘莹，卜雄洙.基于LabVIEW的数据采集和无线通信系统的开发[J].测控技术，2006，25（2）：22-23.

[4]邝永明.基于LabVIEW多功能虚拟仪器的应用开发[J].广西大学学报，2006，31（4）：340-343.

[5]汪伟利，张程源.一种基于LabVIEW的无线数据采集系统设计[J].中国科技博览，2012（34）：350-351.

[6]危淑平，摆玉龙，许国威.基于LabVIEW的自适应滤波器设计与研究[J].微计算机应用，2011，32（3）：12-17.

[7]罗伟栋，肖光华，方勇.基于LabVIEW的LMS自适应滤波器的设计及其应用[J].上海大学学报：自然科学版，2007，13（4）：457-460.

Design of maritime communication system based on virtual instrument

DENG Wei，XING Qinglong
（The 93 Detachment，Unit 91388 of PLA，Zhanjiang 524022，China）

To satisfy the characteristics requirement of the maritime communication system，the virtual instrument technology is adopted in the system.The problem of large capacity data wireless transmission was solved effectively by uniform centralized management of data exchange.The composite signal detection technology based on matched filtering can effectively restrain the influence of multi-path and reverberation of the underwater sound signal on the maritime communication system，and reduce the system′s false alarm rate and missing alarm rate due to signal splitting causing by the underwater acoustic signal transient.The developed maritime communication system based on virtual instrument technology has short development period，and is easy to proceed secondary technology upgrade and function extension.

maritime communication system；matched filter；composite detection technology；synchronous sampling；communication transport protocol

TN926-34

A

1004-373X（2015）23-0010-03

10.16652/j.issn.1004-373x.2015.23.003

邓伟（1980—），男，海南人，工程师，硕士。研究方向为水下目标声特性研究和水声信号数字处理技术。

2015-05-28