打开文本图片集

【摘要】传统的水声modem具有功耗高、传输速率低等问题，为了提升水下通信传输的效率，本文设计了一种基于STC15W408AS单片机的水声modem。该项设计采用较为先进的STC15W408AS单片机，在设计中利用其高兼容性与低功耗设计，解决了目前水声modem只能依赖特有的硬件来实现调制调解的难题。并且该水声modem将复杂的外部电路网进行简化，操作简便易于实现。经过多项性能测试，结果表明，改设计在数据传输速率、可靠性等方面有着良好的表现，适合水下无线传感器网络。

【关键词】水声modem;传输速率;可靠性

1.引言

海洋占据了地球70% 的地表面积，人类对于海洋的探索从未停止，水下设备的研发也一直处在科技前沿。因此，海洋不仅仅是一项资源，更是国际竞争的重要标榜，而水下的通信技术，正是竞争的焦点之一。

水下无线通信是进行海洋水下勘探的关键性技术，良好的水下无线通信，可以帮助人类高效的传输分析所采集的各项数据，如：海洋水体污染、地震异常监测、水下生物监控预警、实时图像传输等。

水下无线通信主要可以分成三大类：水下电磁波通信、水声通信和水下量子通信，本文重点研究水声信道中的调制解调。水声信道在众多信道当中尤为复杂，多变的水下环境对其造成的干扰因素难以估量，并会导致数据传播的时延高甚至造成数据丢失，复杂的水下环境也使得通信环境优劣不一，通信数据的传输也就变的具有较高的不稳定性，进一步影响了数据通信的传输。为了克服这些不利因素，并尽可能地提高带宽利用效率，已经出现多种水声通信技术。

2.水声调制解调系统

1.1 系统结构

本文在调制解调器的通信协议选择上采用了高效可靠的PC-CSMA/CA协议，不仅可以优化网络节点的拓扑连接，还增加了数据包的功率控制，从而减少能耗。

水声调制解调器的电路板。电路板的发射端包括了微控制单元、DAC、运算放大器模块、功放模块、匹配网络、水声换能器等;接收部分包括放大器、子滤波器、解调、微控制单元。

1.2 信号调制

ASK在众多调制方式中表现的相对简单，本文通过将频率、相位作为常量，而将振幅作为变量，通过载波的幅度来传递信息比特。众所周知，调制信号只有0或1两个电平。在信号转换的时候，当调制的数字信号为“1”时，传输载波;当调制的数字信号为“0”时，不传输载波。

其中s（t）为基带矩形脉冲。一般载波信号用余弦信号，而调制信号是把数字序列转换成单极性的基带矩形脉冲序列，而这个通断键控的作用就是把这个输出与载波相乘，就可以把频谱搬移到载波频率附近。

相干解调称为同步检波，适用于所有线性调制信号.而相干解调的关键是恢复与调制载波严格同步的相关载波频率。那么相干解调是指利用乘法器插入与负载频率（相同频率和相位）相对应的原始信号，并将其乘以负载频率。

非均匀解调：当通信接收机从调制得到的高频信号中恢复数字基带中的原始信号时，与相干解调方法相比使用的非均匀解调方式是指不用获取高频信息的解调方法。

本文的水声modem收听的模块采取非相干解调的功能CX20106集成芯片，CX20106芯片的内部结构如图所示，总开关引脚在外部接入的引脚所决定，当芯片检测到信号后，在其内部的元件会将信号原信号还原，在通过其他元件进行进一步的处理，从而实现通信。

1.3 S-MAC协议

由于水声通信网络在水下的不稳定性导致信号传输受阻，水下信号得不稳定性，造成传播延迟，消耗能量较高，信号的载波不能有效的被传感器接收从而造成吞吐量下降，传播时间过长，为了提高节点的网络有效覆盖率，从而引用S-MAC协议，S-MAC协议会降低能量的消耗，在MAC层递增睡眠循环机制的效率，如果没有使用则会进入休眠状态，缩小能量的消耗，从而节约能量，做到高效率，S-MAC协议应用自动退让机制来实现接与收的信号争夺。S-MAC协议的休眠机制会造成效率不高，延迟的网络处理，而在大多数的应用中，要有比较好的宽带，更加底的延迟系统，并且在吞吐量，延迟信号通信等方面都有较大的提升。在以设计减少能量的损失，在低延迟高宽带的前提下进行节点的性能提升，在不改变网络数据，周期节点提升吞吐量的条件下，增加了PC—CSMA/CA协议。而S-MAC协议使得我们的水声modem通信拥有更加稳定的节点，减少信号得碰撞率，加大了网络信号的吞吐量，降低延迟，增加信道等方面，从而我们水声modem选用S-MAC协议作为通信协议。

3.实验结论

本次设计针对传统的水声modem功耗高、传输速率缓慢的问题，通过STC15W408AS单片机的低功耗特性，将其用作控制芯片，并与CX20106芯片结合，保证可靠性的同时，降低了复杂程度与功耗。

参考文献：

[1]廖建宇，申晓红，吕小鹏，王海燕.一种新型水声Modem模拟电路设计与实现[J].水下无人系统学报，2018，26（05）：487-491.

[2]万元芳. 基于深度学习的在线多机器鱼位姿识别系统开发[D].北京化工大学，2018.

[3]赵龙，张华成，董露露，赵峰.基于MSP430单片机的低成本水声modem设计[J].桂林电子科技大学学报，2017，37（01）：44-48.DOI：10.16725/j.cnki.cn45-1351/tn.2017.01.009.

[4]熊省军，陈洪，高少波，汪雪莲，朱小辉.水声MODEM低功耗技术研究[J].声学与电子工程，2014（01）：26-27.

[5]熊省军.水声高速扩频通信MODEM研制及实验研究[J].声学与电子工程，2012（02）：6-10.

[6]刘希民. 机器鱼群体协调运动规划研究及单体系统设计[D].中国海洋大学，2004.