低成本水声Modem的设计与实现

摘要

随着科学技术与现代工业的迅猛发展，陆地资源日趋减少，人们对海洋资源的开发与需求日益增长，同时，领海安全是我国国防领域的重中之重，因此，利用科技手段来保障领海安全、加强对海洋资源的开发利用具有重要意义。 水下无线传感器网络可以实现对监控水域内信息的感知、采集、传输等工作，是一种实现海域监测、数据获取等功能的有效技术手段，在军事、民用领域都具有良好的应用前景。 水下无线传感器网络功能的实现依靠的众多水下无线传感节点间的网络化连接，而水声Modem是水下无线传感节点实现信号调制与解调的必需核心部件、是实现节点间互联通信的基础，水声Modem的性能优劣直接影响到水下无线传感器网络的部署策略、运行效率、节点功耗。 目前，商用水声 Modem价格高达数千美元，昂贵的价格导致此类水声 Modem只能应用于较小规模的水声通信系统中，并且在通信距离等方面必需具有良好的性能。而在大规模的水下无线传感器网络中，节点数量多、节点间的通信距离较短，因此对水声Modem的通信性能要求相对较低，但对其制造成本提出了严格限制。可见，在满足性能要求的情况下尽可能降低设计复杂度和成本，从而设计出能够应用大规模水下无线传感器网络低成本的水下无线传感节点具有重要意义。 鉴于以上各方面的考虑，本文以“以软代硬，硬件集成化”为原则，在低成本水声Modem的设计及实现方面完成了以下工作： 1、调制与解调技术实现 发送端利用超低功耗单片机与直接数字频率合成技术（DDS）对发送数据进行FSK调制，不需要修改硬件结构，而是借助于软件实现相应控制；接收端在完成对信号的接收之后便对其进行AD采样，随后通过对采样数据进行抽样判决最终实现对数据的解调。调制上不需改变调制硬件结构，只需相应的软件控制，就可实现多种调制；解调上采用简洁的外围电路实现数据的解调。 2、低成本水声Modem设计及实现 完成了对水声Modem中匹配网络，电压放大器、水声功率放大器、滤波器的设计，通过选取参数较为合适的水声换能器实现低成本水声Modem的硬件设计。 3、实验测试与数据分析 对本文中所设计的水声Modem进行了多项性能测试，并对测试数据进行了分析，结果表明，该设计在数据传输速率、可靠性等方面都具有良好的表现。 本文完成了对低成本水声Modem的设计及实现，并对其进行了性能测试，这一系列工作不仅能够促进对水声Modem的研究，同时对水声通信领域内其他方面的研究工作也具有一定的指导意义。

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第一章 绪论

§1.1 研究背景及意义

§1.2 水声Modem国内外研究现状

§1.3 本文研究内容与章节安排

第二章 水声通信及调制解调技术

§2.1 水下无线传感器网络概述

§2.2 水声信道特性

§2.3 水声通信系统调制解调技术

第三章 低成本水声Modem的设计与实现

§3.1 发射板设计

§3.2 接收板设计

§3.3 水声换能器

§3.4 数字信号处理模块

第四章 实验测试与数据分析

§4.1 实验环境与硬件参数

§4.2 实验数据及分析

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间的主要研究成果