面向水下射频通信的调制解调器研究

摘要

为了满足军事和工业等领域对于水下通信产品的强劲需求，水下通信技术已经得到了研究人员前所未有的关注与发展，其面向应用的对象也是包括了水文环境污染监测传感网络、海洋资源勘探以及水下潜航器的可靠通信等科技领域。但由于水下通信信道条件十分的复杂且恶劣，现有的用于空气介质中的射频通信系统都无法满足水下射频无线通信的技术要求。目前，专门针对水下射频通信而开发的通信系统很少，大部分核心技术还是被欧美等国家所控制，而其相关产品也是对中国禁售的，因此，对这一领域的相关技术研究是很有必要。
　　调制解调器是射频通信系统中不可缺少的组成部分，但是目前现有的调制解调器产品都是针对空气介质中的通信而设计的，所用的载波频率都是在433MHz-2.4GHz的ISM波段，直接在水下环境中使用会导致信号非常剧烈的衰减，无法正常通信。因此，需要专门研究面向水下射频通信环境中的调制解调系统。
　　与当前其他的水下通信技术（水声通信和水下光通信）相比较，几MHz频段的射频通信技术在水下具有更好地抗环境噪声影响的能力、较高的信息传输速率以及系统结构相对简单等突出优势，已引起相关机构广泛的关注。根据目前国外对水下射频通信系统中调制解调器的设计经验，为满足信息在近距离范围内能够以较高的传输速率进行通信，同时也可以避免高频（几百MHz或者几GHz）射频信号在水中剧烈的衰减的缺点。基于以上因素的综合考虑，本文研究的调制解调器将采用1 MHz的载波频率，并引入扩频通信调制技术，目的是为了增强通信系统抗水下复杂的背景环境噪声串扰影响的能力，设计了有源滤波电路对无用的杂散噪声信号进行滤除，保证有用信号频谱的纯净度，提高通信质量。
　　本文设计的调制解调器的数字信号处理部分是由Altera公司生产的CycloneⅣE系列FPGA芯片完成的，并采用Verilog HDL逻辑编码方式进行系统功能模块的建模设计。其中的主要工作是在该公司的QuartusⅡ开发平台上，并结合本文所设计的调制解调电路，利用集成的SignalTapⅡ嵌入式逻辑分析仪和ModelSim仿真工具，实现了调制系统中的直接序列扩频调制和DPSK调制相关技术，并对信号解调过程中同步算法和信号相干解调恢复等技术进行了逻辑建模设计和仿真分析的研究工作。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 水下射频通信研究进展

1．3 本文的主要内容

2 调制解调基本原理

2．1 扩频通信理论基础

2．1．1 直序扩频工作原理

2．1．2 伪码序列基本原理

2．2 直接频率合成技术

2．3 DPSK调制技术

2．4 数字解调同步技术

2．4．1 载波同步技术

2．4．2 伪码同步技术

2．4．3 位同步技术

3 调制解调系统结构

3．1 系统开发平台简介

3．1．1 电路设计平台简介

3．1．2 软件设计平台简介

3．1．3 仿真调试工具简介

3．2 调制解调器电路设计

3．2．1 FPGA核心电路设计

3．2．2 串口通信电路设计

3．2．3 数模转换电路设计

3．2．4 差分放大电路设计

3．2．5 模数转换电路设计

3．3 有源滤波电路设计

3．3．1 有源低通滤波器设计

3．3．2 有源带通滤波器设计

4 系统功能实现与仿真分析

4．1 串口通信设计实现

4．2 调制系统设计实现

4．2．1 M序列发生器设计实现

4．2．2 扩频调制设计实现

4．2．3 DDS设计实现

4．2．4 DPSK调制设计实现

4．3 调制系统建模资源分析

4．4 解调系统设计仿真

4．4．1 载波同步设计仿真

4．4．2 伪码同步设计仿真

4．4．3 位同步设计仿真

4．4．4 数据恢复设计仿真

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢