一种基于FSK调制解调的水下中远距离电场通信系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于FSK调制解调的水下中远距离电场通信系统，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。本发明专利技术适用于体积较小，功耗低的水下通信设备之间的通信。之间的通信。之间的通信。

【技术实现步骤摘要】
一种基于FSK调制解调的水下中远距离电场通信系统


[0001]本专利技术属于水下电场通信
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]本专利技术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。
[0006]本专利技术采用以下技术方案：
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：
[0018]本专利技术一种基于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。
[0019]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。
[0020]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。
[0021]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。
[0022]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。
[0023]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。
[0024]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。
[0025]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。
[0026]综上所述，本专利技术适用于体积较小，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。
[0027]下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于FSK调制解调的水下中远距离电场通信系统，其特征在于，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(5)发射至水下信道中；通过接收电极(6)接收发射电极(5)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(13)。2.根据权利要求1所述的基于FSK调制解调的水下中远距离电场通信系统，其特征在于，发射端的MCU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。3.根据权利要求2所述的基于FSK调制解调的水下中远距离电场通信系统，其特征在于，数模转换电路(3)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。4.根据权利要求2所述的基于FSK调制解调的水下中远距离电场通信系统，其特征在于，功率放大电路(4)的放大电压为0～35V，输出电流为0～10A，增益带宽积0～2MHz。5.根据权利要求1所述的基于FSK调制解调的水下中远距离电场通信系统，...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡桥，陆涛，续丹，余雷，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：