码分多址在水下定位中的应用

吴黎慧，蒲南江，高磊，胡洋

（中北大学 信息与通信工程学院 山西 太原 030051）

0 引言

水下通信中的传感器网络自主定位系统中，为了更加精确获得待测目标的位置信息就需要获得大量的节点位置信息，我们可以通过采用码分多址的方式对节点的定位信息进行编码来扩充节点的数量。如何将有限的通信资源在多个节点之间进行有效的切割与分配，并且在保证多节点之间通信质量的同时尽可能地降低系统的复杂度并获得较高系统的容量是对信号进行编码方式研究的实质。本文使用的就是基于码分多址的信号编码方式，该编码方式是指不同节点传输信息所用的信号，用各自不同的编码序列来区分，即靠信号的不同波形来区分。在接收端通过将信息信号进行有效提取，得出使用预定码型的信号。因为在该模式下的信号编码方式的时间和频率利用率都很高，且编码序列丰富，所以系统容量很大。从而使得节点数量得到扩充，定位精度得到提高。

1 编码方式——码分多址

水下传感器网络节点工作于水下，功耗要低，否则不能完成整个实验，为了保证节点位置信息的实时性和降低定位信息电路工作模块的功耗，我们对于定位信息的发射要实行间歇式发射，即每隔一定的时间发送一组定位信息。声音在水底下的传播速度一般认为是1500m/s，考虑到工作水域范围（200m×200m），设置为每隔100ms发送一组定位信息。

定位信号实现主要依靠FPGA芯片和D/A转换芯片来实现（见图1）。FPGA主要是为了实现信号的数字部分，D/A芯片通过数模转换实现定位信号波形。利用VHDL实现的程序主要有分频电路模块，M序列发生模块（见图2），正弦波产生模块，ASK调制模块。

图1 设计原理图

图2 M序列产生框图

1.1 分频电路

整个程序电路模块的时钟控制是利用8M晶振的分频电路实现M序列和正弦波发生电路的时钟输入。对M序列时钟电路输送的时钟是产生定位信息传送的数据率。对于正弦波发生电路来说，时钟输入就是其采样频率。采样频率决定了载波的频率，时钟输入是整个电路设计的同步输入，整个电路的输出只要利用一个控制输入就可以控制，因此可以大大降低电路设计的复杂度。

1.2 M序列发生电路

为了使任意两个信号不容易混淆，相互之间不易发生干扰和误判，在对节点位置信息进行编码的过程中要求各种信号之间的差别性越大越好。传输信息的理想形式应是类似于白噪声的随机信号，因为取任何时间段上不同的两段噪声来比较都不会完全相似，若能用它们来代表两种信号，其差别性就最大。选址通信要求各个信号间必须正交或准正交，这种理想的情况在工程中是不能实现的。伪随机噪声PN(Pseudo-Noise)具有类似于随机噪声的某些统计特性，同时又能够重复产生。而且它具有随机噪声的优点，又避免了随机噪声的缺点。

本硬件程序设计的核心部分是M序列发生模块，对于定位信号而言，不同节点的位置信息需要不同的M序列代表，节点位置信息的数据传送率由时钟决定。在整个水下自主定位系统中，需要利用30个水下传感器，由数学计算，必须选用五级移位寄存器来寄存本设计中产生的是32个31位的M序列编码，不同的M序列代表不同的基站位置。

1.3 正弦波发生电路

定位信号要通过载波调制发射出去，载波工作频率的选择是根据介质的传播条件、环境、目标特性及指向性要求等因素来综合确定的。通常来说，主要是根据定位系统的工作范围来确定工作频率，如何最大限度的增大定位系统的作用距离就成为工作频率的主要标准。围绕这一标准，根据被动声纳方程SL-TL=NL-DI2+DT(式中，SL：声源级；TL：传播损失；NL：噪声级；DI2 :接收指向性系数；DT:检测阀值)，工作频率f0同声源级SL，噪声级NL，接收指向性系数DIR及检测阈值DT有关。取衰减系数 = 0.01f2dB/km或 = 0.036f3/2dB/km，则分别有:

作用距离随着工作频率的降低逐渐增大。自主定位系统工作范围200m水域范围，选用10kHz的工作频率，从图3中可以看出作用距离大约在5km左右，满足本系统的工作范围(200m)。

图3 工作频率与作用距离的关系

正弦波发生电路模块产生M序列的载波信号，本设计中采用的是500kHz的采样率，也就是本电路模块的时钟输入。所用传感器的工作频率在10kHz附近。为了获得最好的信号波形，选用10kHz正弦波进行调制。这就需要产生正弦波。在本电路模块的设计中，利用正弦波查找表实现：总共有以下几个步骤来实现：1)确定每周期的采样点数。本系统中，每周期分为50个相位点，即有50个采样点。所以设置正弦波的频率是10kHz.2）计算各个采样点的数值，这些数值已经计算出来。3）归一化处理。就是将计算得到的数值值域转化为[0,1]，以方便转化为DAC对应的数值。4）将归一化的数值转化为DAC所对应的数值。8为DAC的输出值最高为255，所以只需将3）中得到的数值乘以255即可。通过用采样电路进行控制，可以调节正弦波的周期，实现不同频率的正弦波；通过调节幅度，实现不同幅度的正弦波产生。

Vhdl程序设计流程图如图4所示。

图4 vhdl程序设计流程图

2 实验结果与分析

由定位信号模块输出定位信号宽度为24.5M，M序列码元宽度为0.8M，共31个码元组成一组M序列。每个码元周期内以8个载波为10kHz正弦波调制。

试验所用发射换能器的(水声器)的中心频率为11.5kHz，频带宽度为8.5kHz，输出功率≥10W；接收换能器(水听器)频率响为2-20kHz，所用数据采集卡采集频率为50kHz，用MATLAB软件将数据恢复，所得一个节点的定位信息如图5所示。通过时域与频域分析可以看出，由于水下通信多径干扰造成信号衰落和码间串扰，时域表现为在一个码元周期内多于8个正弦波，频域里除了10kHz信号之外还存在着9k～11k区域之间的谐波信号；如果存在多个节点，它们之间还有还存在码间干扰的问题，如何进行不同节点之间的信号分离，对信息进行解码，有效获取定位信息就成为确定节点位置的关键。

图5 定位信息傅里叶变换

3 结论

水下定位的成败取决与水声定位信号的优劣，取决与其信号的稳定性和获取技术。文章介绍了一种基于码分多址的水下定位信号技术。该设计简单,较大的降低了功耗,较容易的实现了定位信息的发射，可靠性高,能够很方便的应用到多个基站。经过试验检测，该信号设计方法简单可靠，能够很好的满足水下定位信号的发射要求。

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