一种基于FSK调制解调的水下中远距离电场通信系统

一种基于fsk调制解调的水下中远距离电场通信系统
技术领域
1.本发明属于水下电场通信技术领域，具体涉及一种基于fsk调制解调的水下中远距离电场通信系统。


背景技术：

2.近年来，海洋机器人集群成为新型海洋装备的发展趋势和新型作战模式，推动水下机器人集群协同作业的关键技术在于解决水下机器人集群节点间快速稳定通信技术难题。
3.对比于传统的陆地上的集群通信方式，水下通信条件更加严苛，陆地上的无线电磁波等无线通信方式在水下衰减较为严重，故无线电磁波水下基本不可能实现。目前，水下无线通信方式主要分为，水下声场通信，水下光通信以及水下电场通信。其中，水下声通信是利用声波在水里传播实现通信。但还存在着传输速率低、带竞有限；容易受水质、水温、水压和水下噪声的影响形成多路径干扰信号和盲区等缺陷；水下光通信包括水下可见光通信、水下不可见光通信，研究表示这种技术受水下环境干扰严重，使得水下光通信技术在一定程度上受到制约。
4.由于电场本身所具有的高效的通信能力，所以一些学者开始将水下仿生电场探测系统应用于水下通信中。但水下电场通信大多数水下电流场通信设备尺寸较为庞大、功耗较大、大都为超低频通信并且不能动态适应通信距离，实时调整系统的通信距离。而水下机器人集群通信系统，由于群集要求，对通信设备尺寸以及功耗有所要求，并且需要根据距离不同实时调整通信系统的放大倍数自适应调整通信距离，所以需要一种适合远距离通信的、可自适应位置变化的水下通信系统。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于fsk调制解调的水下中远距离电场通信系统，解决现有水下电场通信系统通信距离短的问题。
6.本发明采用以下技术方案：
7.一种基于fsk调制解调的水下中远距离电场通信系统，包括mcu，mcu设置在发射端，采用2fsk信号调制解调方式进行通信，能够发射串口信号至fpga逻辑控制器进行信号调制，调制后的信号经数模转换和信号放大后经发射电极发射至水下信道中；通过接收电极接收发射电极发射的信号，依次经放大、滤波和再放大后进行模数转换处理，然后输入fpga逻辑控制器中进行解调，解调得到的信号再传输接收端的mcu中完成通信，发射端和接收端分别连接电源管理模块。
8.具体的，发射端的mcu经第一fpga逻辑控制器、数模转换电路和功率放大电路与水下信道处的发射电极连接。
9.进一步的，数模转换电路通过fpga控制cs_n片选、sclk同步时钟、din数据输入和clr_n清零引脚完成模数转换，并搭配lt1678芯片进行单极性到双极性调制波转换；通过
din进行二进制数字信号输入至ltc2642数模转换芯片中进行模拟信号输出。
10.进一步的，功率放大电路的放大电压为0～35v，输出电流为0～10a，增益带宽积0～2mhz。
11.具体的，接收电极将感应到的信号发送至接收端的前级放大电路，前级放大电路依次经带通滤波器电路、自适应增益放大电路和模数转换电路后经第二fpga逻辑控制器与第二树莓派控制器连接。
12.进一步的，第二fpga逻辑控制器的dac驱动与模数转换电路连接，第二fpga逻辑控制器的自适应放大控制连接自适应增益放大电路。
13.进一步的，第二fpga逻辑控制器分别连接有sdram存储电路、fpga外围掉电存储器和jtag。
14.进一步的，带通滤波器电路由四阶butterworth低通滤波器和四阶butterworth高通滤波器串联得到八阶带通滤波器。
15.进一步的，模数转换电路的电压信号输入为
±
10v输入，输出方式采用spi串行输出。
16.具体的，发射端的mcu、接收端的mcu与fpga逻辑控制器之间分别通过uart串口通信电路连接。
17.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
18.本发明一种基于fsk调制解调的水下中远距离电场通信系统，采用发射电路、接收电路和mcu进行信号的收发，通过mcu输出uart串口信号至发射电路中进行fsk调制，调制后的信号经过数模转换、功率放大后利用电极发射至水下信道中；接收电路用于接收水下信道中的信号并将信号放大后滤波，再经过自适应放大、模数转换后传输至fpga进行解调，解调出的信号传输至mcu完成通信。此水下电场通信系统特点是低功耗、轻量型、零时延、通信效率高，适用于体积较小，功耗低的水下通信设备之间的通信。
19.进一步的，通过正弦波调制串口信号得到fsk调制信号，转换成模拟信号后经过功率放大输入发射电极，在水下形成电场。通过正弦波fsk调制方式，抗干扰性能和抗衰减性能更好，有利于提高通信距离。
20.进一步的，经过调制的信号是数字信号，需要转换为模拟信号才能在水下信道中进行传输。通过fpga控制驱动数模转换芯片将数字信号转换成模拟信号，再进行单极性到双极性调制波的转换。该数模转换电路快速稳定、干扰小，减小了谐波失真，且消耗功率低，精确度高。
21.进一步的，功率放大电路采用功率运算放大器搭建同相输入放大电路，将电极板之间的压差放大至10
‑
35v，同时增大水下电场发射电流，且放大倍数可以根据需求调节，这样就可以控制电场强度，从而提高了通信距离。
22.进一步的，接收电极接收到的微弱信号经过前级放大，经过滤波电路去除噪声后，自适应放大电路根据收发设备距离将信号放大至同一大小范围，然后经过fpga解调后输入mcu完成通信，接收端电路简单，体积小，易于控制，解调电路效率高、准确度高。
23.进一步的，接收端fpga逻辑控制器通过程序驱动控制模数转换模块，控制自适应放大器的放大倍数，以及解调信号得到传输的信号。这三个程序在fpga中并行执行，工作效率高，也提高了通信效率，体现了软件无线电的设计思想，符合sca的设计标准。
24.进一步的，带通滤波器电路采用有源butterworth带通滤波器对信号进行滤波处理，通带内相对平坦，且无衰减，能很好地将信号中的噪声过滤掉。
25.进一步的，模数转换电路通过fpga程序控制驱动将输入的模拟信号转换成数字信号，以便后续进行信号解调。其电路简单，无需外部电阻，低功耗，适用于水下小型通信设备。
26.综上所述，本发明适用于体积较小，功耗低的水下通信设备之间的通信；水下电场通信系统在整个空间内都能形成电场，电场信号在水下传播是瞬间完成的，可以达到零时延通信；采用正弦波调制方式，抗干扰性能和抗衰减性能更好，适用于水下电场通信，采用可调放大倍数的功率放大电路，有利于提高通信距离；自适应增益放大电路利用fpga编程控制电路放大倍数，使得信号放大后其电压都在同一范围内，以适应接收端在不同距离、不同位置的动态变化。
27.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
28.图1为本发明的系统框图；
29.图2为本发明的数模转换电路图；
30.图3为本发明的功率放大电路图；
31.图4为本发明的带通滤波器电路图；
32.图5为本发明的模数转换电路图；
33.图6为本发明的ads8517模数转换数字驱动时序图。
34.其中：1.第一树莓派控制器；2.第一fpga逻辑控制器；3.数模转换电路；4.功率放大电路；5.发射电极；6.接收电极；7.前级放大电路；8.带通滤波器电路；9.自适应增益放大电路；10.模数转换电路；11.第二fpga逻辑控制器；12.第二树莓派控制器；14.uart串口通信电路；16.sdram存储电路；17.fpga外围掉电存储器；18.jtag。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
37.还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
38.还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
39.在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
40.本发明提供了一种基于fsk调制解调的水下中远距离电场通信系统，采用2fsk信号调制解调方式进行通信，利用mcu、发射电路、接收电路、fpga逻辑控制器进行水下信号的收发，通过mcu发射串口信号至fpga逻辑控制器进行信号调制，调制信号经过数模转换，信号放大后通过发射电极发射至水下信道中；接收电路通过接收电极接收信号，经过放大、滤波、再放大后进行模数转换处理，然后输入fpga逻辑控制器中进行解调，解调得到的信号再传输至mcu中，完成通信。
41.请参阅图1，本发明一种基于fsk调制解调的水下中远距离电场通信系统，包括发射电路：第一树莓派控制器1、第一fpga逻辑控制器2、数模转换电路3、功率放大电路4、发射电极5。接收电路：接收电极6、前级放大电路7、带通滤波器电路8、自适应增益放大电路9、模数转换电路10、第二fpga逻辑控制器11、第二树莓派控制器12。以及电源管理模块13、uart串口通信电路14、时钟电路15、sdram存储电路16、fpga外围掉电存储器17以及jtag18；
42.其中：位于发射端的第一树莓派控制器1依次经第一fpga逻辑控制器2、数模转换电路3和功率放大电路4与水下信道处的发射电极5连接，在水中形成电场；接收电极6将电场中感应到的信号发送至接收端的前级放大电路7，前级放大电路7依次经带通滤波器电路8、自适应增益放大电路9和模数转换电路10后经第二fpga逻辑控制器11与第二树莓派控制器12连接，第二fpga逻辑控制器11的dac驱动与模数转换电路10连接，第二fpga逻辑控制器11的自适应放大控制连接自适应增益放大电路9用于控制放大倍数，使放大后的信号电压在同一范围内。
43.第一树莓派控制器1与第一fpga逻辑控制器2之间，以及第二fpga逻辑控制器11与第二树莓派控制器12之间分别通过uart串口通信电路14连接，uart串口通信电路14用于将解调得到的信号通过串口分别传输至第一树莓派控制器1或第二树莓派控制器12。
44.第一树莓派控制器1输出一路urat串口信号至第一fpga逻辑控制器2进行调制；第一fpga逻辑控制器2用fpga对urat串口信号进行2fsk调制，然后将调制信号输送至数模转换电路3以及通过程序对数模转换模块3进行驱动控制；数模转换电路3将调制好的2fsk数字信号转换成模拟信号输入至功率放大电路4；功率放大电路4将输入的模拟信号的功率即电压和电流同时放大一定倍数后发送给发射电极5；发射电极5在水中形成一对电偶极子，功率放大电路4输入的电信号通过发射电极5形成水下电场；接收电极6在发射电极5形成的水下电场中感应到电势差并将感应到的信号传送至前级放大电路7；前级放大电路7将接收电极感应到的信号放大一定倍数后达到30～50微伏，再输入带通滤波器电路8中进行滤波处理；带通滤波器电路8采用8阶butterworth有源带通滤波器滤波将经过前级放大电路7前级放大后的信号中包含的噪声滤掉，然后输入自适应放大电路9；自适应放大电路9将经过带通滤波器电路8滤波后的信号进一步放大，自适应放大电路9通过第二fpga逻辑控制器11控制调节放大倍数，使得信号放大后电压在同一范围内；通过模数转换电路10将自适应放大电路9自适应放大后的模拟信号转换成数字信号，再输入至第二fpga逻辑控制器11中进
行数字解调；第二fpga逻辑控制器11通过程序驱动模数转换模块10和控制自适应增益放大电路9的放大倍数，以及实现fsk信号的包络解调，并通过uart串口通信电路输入至第二树莓派控制器12；第二树莓派控制器12通过uart串口接收第二fpga逻辑控制器11传输的信号数据，然后进行相应的运动控制。
45.电源管理模块13分别与mcu、fpga逻辑控制器、数模转换模块、功率放大电路、前级放大电路、滤波器电路、模数转换模块、自适应放大电路模块连接，通过电压调节提供不同的电压。
46.第二fpga逻辑控制器11分别连接有sdram存储电路16、fpga外围掉电存储器17和jtag18；sdram存储电路16用于存储模数转换电路10转换后的数字信号，并进行相应的线性累加逻辑运算；
47.请参阅图2，数模转换电路3包括：ltc2642芯片，lt1678芯片，电容c1、c3、c4、c5、c6、c9。
48.具体的，ltc2642芯片的第1引脚分三路，一路接+2.5，第二路经电容c4接gnd，第二路经电容c3接gnd；ltc2642芯片的第6引脚接lt1678芯片的第3引脚，ltc2642芯片的第7引脚接lt1678芯片的第2引脚，ltc2642芯片的第8引脚接lt1678芯片的第1引脚，ltc2642芯片的第7引脚和第8引脚之间并联有电容c5，ltc2642芯片的第9引脚接+5v，第10引脚接gnd，第9引脚和第10引脚之间并联有电容c1；lt1678芯片的第1引脚与发射极板p1的第1引脚连接，发射极板p1的第2引脚接gnd；lt1678芯片的第4引脚分两路，一路经电容c9接gnd，另一路接
‑
5v；t1678芯片的第8引脚分两路，一路经电容c6接gnd，另一路接+5v。
49.进行数模转换，通过fpga控制cs_n片选、sclk同步时钟、din数据输入和clr_n清零引脚完成模数转换，并搭配lt1678进行单极性到双极性调制波转换。通过din进行二进制数字信号输入至ltc2642数模转换芯片中进行模拟信号输出。
50.请参阅图3，功率放大电路4包括：opa541ap功率运算放大芯片，电阻r2，电阻r4,电阻r3，可调电阻rw2，电容c26，电容c29，电容c33。
51.具体的，opa541ap功率运算放大芯片的第1引脚经电阻r2接signal
‑
in，opa541ap功率运算放大芯片的第2引脚分三路，一路经电阻r4接gnd，第二路经可调电阻rw2分别与发射极板p5的第1引脚，电容c29的一端，电阻r3的一端以及opa541ap功率运算放大芯片的第8引脚连接，第三路与电容c29的另一端连接；发射极板p5的第2引脚接gnd；电阻r3的另一端分别与opa541ap功率运算放大芯片的第5引脚和第7引脚连接；opa541ap功率运算放大芯片的第10引脚和第11引脚分两路，一路接vdd，另一路经电容c26接gnd；opa541ap功率运算放大芯片的第3引脚和第4引脚分两路，一路接vee，另一路经电容c33接gnd。
52.功率运算放大器opa541ap能将电压最大放大至
±
35v，最大输出电流可达到10a，增益带宽积2mhz，完全满足水下通信的电压要求和放大要求；电阻r2为同相端输入电阻，作用是为了平衡输入端阻抗；所述功率放大电路放大倍数可调，放大倍数为g＝rw2/r4+1,通过调节可调电阻rw2的阻值来改变放大倍数，已达到通信需求的电压，其中c29为反馈电容，作用是有效防止电路自激和抑制高频噪声；r3为外部电流限制电阻，输出最大电流i＝0.813/(r3
‑
0.02)。
53.请参阅图4，带通滤波器电路8包括ne5532ai运算放大器，电阻r5
‑
r12，电容c35
‑
c50。该滤波器是由四阶butterworth低通滤波器和四阶butterworth高通滤波器串联得到
八阶带通滤波器，能较好地滤掉与信号无关的噪声。
54.butterworth低通滤波器中，ne5532ai运算放大器u1a的第1引脚分三路，第一路与电阻r7的一端连接，第二路与第2引脚连接，第三路经电容c35分两路，一路经电阻r5接in，另一路经电阻r6分两路，一路接u1a的第3引脚，另一路经电容c36接gnd；u1a的第4引脚分两路，一路接vee，另一路经电容c44接gnd；u1a的第8引脚分两路，一路接vdd，另一路经电容c43接gnd；电阻r7的另一端分两路，一路经电容c37分别与ne5532ai运算放大器u1b的第2引脚和第1引脚连接，另一路经电阻r8分两路，一路与ne5532ai运算放大器u1b的第3引脚连接，另一路经电容c38接gnd；u1b的第4引脚分两路，一路接vee，另一路经电容c46接gnd；u1a的第8引脚分两路，一路接vdd，另一路经电容c45接gnd。
55.butterworth高通滤波器中，ne5532ai运算放大器u2a的第1引脚分三路，一路与电容c41和c42与ne5532ai运算放大器u2b的第3引脚连接，第二路与u2a的第2引脚连接，第三路经电阻r9分两路，一路经电容c39与ne5532ai运算放大器u1b的第1引脚连接，另一路经电容c40后分两路，一路连接u2a的第3引脚，另一路经电阻r10接gnd；ne5532ai运算放大器u2a的第4引脚分两路，一路接vee，另一路经电容c48接gnd；u2a的第8引脚分两路，一路接vdd，另一路经电容c47接gnd；u2b的第1引脚分三路，一路接out，第二路接u2b的第2引脚，第三路经电阻r11分两路，一路接电容c41，另一路接电容c42；u2b的第3引脚经电阻r12接gnd；ne5532ai运算放大器u2b的第4引脚分两路，一路接vee，另一路经电容c50接gnd；u2b的第8引脚分两路，一路接vdd，另一路经电容c49接gnd。
56.请参阅图5，模数转换电路10包括：模数转换器，电容c12、c13、c14、c15、c16、c17，适应放大电路输出端，模数转换器输出端口；模数转换器选用ads8517，一种完整的低功耗单路5v电源，spi兼容串行输出，具有提供16位釆样模数(a)花链(tag)，spi主/从功能转换器。它包含完整的16位基于全并行接口电容器的逐次逼近寄存器(sar)a转换器，具有采样保持，时钟，二进制补码或直二进制参考和数据接口。采用的电压信号输入范围方式是：
±
10v输入，输出方式采用spi串行输出。
57.请参阅图6，通过fpga程序控制驱动ads8517，其数字驱动电路的驱动时序包括cs_n片选信号、busy_n转换标志信号、byte高低八位数据选择信号、databus数据总线以及r/c_n读转换输出信号；数字逻辑电路基于有限状态机进行设计实现。
58.初始化开始转换状态：r/c_n首先拉低，20ns后cs_n片选拉低，经过t1时间后相继拉高，此时ads8517开始模数转换；
59.等待转换结束信号：ads8517开始模数转换后，busy_n拉低，经过t4时间后ads8517会将busy_n拉高，表示转换完成，此时状态机进入下一个状态；
60.读取高八位数据：首先拉低byte，20ns后拉低cs_n，并在cs_n拉低中间时刻提去此时databus总线上的高八位数据，最后将cs_n拉高；
61.读取低八位数据：延时一段时间后，将cs_n拉低，同样的在cs_n拉低中间时刻提去此时databus总线上的低八位数据，最后将cs_n拉高。
62.综上所述，本发明一种基于fsk调制解调的水下中远距离电场通信系统，发射设备通过将传输信号调制放大后发射至水下信道中形成电场，接受设备通过放大、滤波、解调得到传输的信息，应用于水下通信设备之间无线电高速通信。
63.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按
照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。