认知水声通信中信号发生器的设计❋

龚润航，朱昌平，2，王 斌

（1.河海大学常州市传感网与环境感知重点实验室江苏省输配电装备技术重点实验室，常州213022；2.江苏省“世界水谷”与水生态文明协同创新中心，南京211100）

·微机应用·

认知水声通信中信号发生器的设计❋

龚润航1，朱昌平1，2，王 斌1

（1.河海大学常州市传感网与环境感知重点实验室江苏省输配电装备技术重点实验室，常州213022；2.江苏省“世界水谷”与水生态文明协同创新中心，南京211100）

水声信号发生器是认知水声通信中的关键设备之一，其宽频带输出功能是实现动态频谱接入的基础，但目前市面上的水声设备普遍存在价格昂贵，产生信号带宽窄的问题。为此，设计了一种用于认知水声通信的信号发生器，介绍了各个功能模块的具体实现。使用低成本的MSP430单片机、压控振荡器、电流及温度传感器等组成闭环控制系统，并设计了适用于宽频水声换能器的信号匹配电路。实际测试结果表明，系统能够有效实现宽频带内水声换能器的调谐匹配，稳定输出1KHz-200KHz频段内的2ASK信号。

水声通信；认知无线电；压控振荡器；匹配电路；MSP430单片机；2ASK信号

1 引 言

近年来，世界各国对海洋权益日益重视，开发利用海洋的热潮已悄然兴起，人们越来越重视水下通信系统的研究与开发［1-2］。水声通信在水环境监测、海底探测、水下设备控制、灾害预测等方面应用广泛［3］。然而，水声通信的工作频段通常为一千到几百千赫兹，且与海洋生物的叫声频段重叠，相较于陆上无线电通信，其频谱资源极其有限［4］。认知无线电技术是近年来陆上无线通信研究中提出的一种智能通信新技术。其基本思想是，让无线终端通过感知周围无线环境状况来调整自己的传输参数，以动态频谱接入的方式，使次用户和主用户共享频谱资源，来完成无线传输，以提高频谱利用率［5］。结合认知无线电技术的认知水声通信技术，近期已有学者开展研究［4］。其能够合理利用水下的频谱资源，从而有效缓解频谱紧缺，其应用场景如图1所示。

图1 认知水声通信技术应用场景图

在认知水声通信中，次用户选择特定频段对其周围的主用户通信和海洋生物通信状态进行感知。只要检测到二者之一有水声信号发出，就保持静默，并切换其他频段继续检测。当检测到某一频段主用户和海洋生物均静默时，次用户便在当前时隙动态接入该频段进行通信，直到时隙结束，重新感知。

水声信号发生器是认知水声通信系统中的关键设备之一。作为实现动态频谱接入的基础，需要在一千至几百千赫兹的宽频带内输出水声信号。但是目前市面上的水声设备普遍存在价格昂贵，产生信号频段窄的缺点。为此，设计了一种用于认知水声通信的信号发生器，使用MSP430单片机、压控振荡芯片、电流及温度传感器等组成闭环控制系统，并设计了适用于宽频水声换能器的信号匹配电路。同时，给出了该系统的整体设计方案，对各个主要功能模块的实现做了详细说明，并对系统功能进行了测试验证。

2 系统原理与设计

水声信号发生器的总体功能如图2所示。

系统采用TI公司的16位低功耗MSP430F169型单片机，其内嵌的12位DAC，配合压控振荡芯片，能以较低的成本实现宽频带振荡电路［6］。

信号发生器工作时，MSP430处理器从DAC端口产生直流电压，控制水声信号产生电路生成特定频率的方波驱动信号。该信号驱动半桥功率放大电路将直流电源逆变为同频同相的功率电信号，经匹配电路完成阻抗和调谐匹配后，驱动宽频水声换能器发出声波。同时，由匹配变压器电压采样抽头、电流互感器和红外温度传感器组成的运行参数采样模块实时采集换能器端的运行参数，反馈至处理器的ADC端口［7］。处理器根据接收到的参数，动态调整宽频信号匹配模块的参数，以实现设定频段内各频点声波的稳定产生。

图2 水声信号发生器总体功能框图

2.1 水声信号产生电路

水声信号产生电路的结构如图3所示。整个电路由三部分组成，分别是压控振荡器电路、非门整形电路和驱动信号产生电路。其中，压控振荡器电路使用锁相环芯片CD4046内的压控振荡功能，由芯片R1、R2端和C1A、C1B端外接的振荡电阻与电容充放电来产生基础方波信号，再由芯片Freq Control端输入的电压值来控制方波信号的频率偏移。压控振荡器电路输出的方波信号在后端的RC微分电路中被整形成正负尖脉冲波信号，经非门整形电路翻转、补偿后变为占空比小于10%正脉冲波形，该信号进入SG3525 PWM控制芯片的SYNC端后被二分频，输出同频反相的两路超声驱动信号［8］。同时，由单片机输出调制信号至该芯片的IN+端，以实现2ASK调制。

2.2 半桥功率放大电路

半桥功率放大电路的结构如图4所示。整个电路由前级全桥放大器、前级隔离变压器、D类半桥桥臂、匹配变压器和匹配电感五部分组成。前级全桥放大器的两个桥臂由Q1、Q3和Q2、Q4两对达林顿功率晶体管组成，其作用是放大超声驱动信号功率，以驱动半桥式功率放大电路。前级隔离变压器为倒相输出结构，主要作用是隔离前后电路，防止因信号直接耦合产生的电路干扰。D类半桥桥臂在其原理结构的基础上进行了优化，于栅极前端增加了由若干电阻电容构成的RC吸收电路，用于改进功放管开通和关断时刻所承受的电压、电流波形，提高半桥桥臂工作的稳定性。

图3 水声信号产生电路结构图

图4 半桥功率放大电路结构图

2.3 宽频信号匹配电路

宽频信号匹配电路的结构如图5所示。其中，多抽头匹配变压器次级按匝数递增顺序抽出多个抽头，由MSP430处理器控制继电器切换开关针对不同频段，选择合适的抽头接入。一定变比的阻抗匹配变压器，可驱动宽频水声换能器稳定产生一定频段内的声波，当次级抽出n个抽头时，调整次级各抽头档位与初级的匝数比，可以使其分别满足n+1个频段的阻抗匹配要求。

图5 宽频信号匹配电路结构图

多抽头级联调谐匹配电感包括一级电感、二级电感、三级电感和继电器切换开关，各级电感上分别按感量递增顺序抽出多个抽头，各级电感上磁芯的气隙按序依次增大。同样，各级电感抽头的接入，由MSP430处理器控制继电器切换开关实现。

2.4 调谐匹配控制程序

在宽频信号匹配电路的基础上，由MSP430处理器负责根据采样模块所反馈的参数，实时控制该电路的阻抗与调谐匹配，其程序流程如图6所示。下面以一具体实例，来说明基于多抽头级联电感的宽频信号调谐匹配过程。为产生162KHz的超声，根据换能器阻抗、寄生电容值等参数计算得其调谐匹配电感值为302μH。绕制一至三级电感，通过调整磁芯气隙并各抽出六个抽头，使其各级电感的各档位感值如表1所示。

表1 多抽头级联电感中各级电感各档位感值

水声信号发生器启动后，MSP430处理器计算出一级、二级、三级电感经级联要达到302μH的感值所需档位，控制一级电感的继电器切换开关切换至294μH档，二级电感切换至7μH档，三级电感切换至1μH档。运行时，处理器根据图6中的程序设定微调参数，使换能器稳定谐振。当需接入其他频段时，处理器可以根据感值计算结果与反馈参数进行调整。

3 系统测试实验

水声信号发生器各模块实物图如图7所示。其中，图7（a）为水声信号产生模块，图7（b）为半桥功率放大模块、宽频信号匹配模块及参数采样模块集成板，图7（c）为基于MSP430F169单片机的控制模块，图7（d）为宽频水声换能器。各模块配置完成后，设置单一信号发生频率进行测试，使用示波器对换能器带载工作时电路各关键节点波形参数进行采集和记录，各模块电路运行测试点的分布如图8所示。各模块电路运行测试点所采集到的信号波形如图9（a）至图9（e）所示，信号发生器产生的2ASK调制信号波形如图9（f）所示。

图6 调谐匹配控制程序流程图

图7 水声信号发生器各模块实物图

图8 电路运行测试点设置框图

结合2.1和2.2节所述的信号传输流程，由图9（a）至图9（d）可以看出，在324KHz脉冲信号的作用下，SG3525芯片输出162KHz同频反相的两路超声驱动信号。该驱动信号经过前级放大隔离与RC吸收电路调整后，控制半桥功放工作，各测试点波形符合设计预期。图9（e）中，从换能器端采集到的电流、电压处于同相，说明换能器处于稳定的谐振状态。图9（f）中是调制信号为159Hz方波的2ASK信号，其载波频率为162KHz。

图9 电路运行测试波形图

经测试，该水声信号发生器能够有效实现宽频带内水声换能器的调谐匹配，稳定输出1KHz～200KHz的2ASK信号。

4 结束语

针对目前市面上的水声设备普遍存在价格昂贵，产生信号频段窄的缺点，提出了一种用于认知水声通信的信号发生器。该装置可以与水声通信接收模块配合使用，为认知水声通信提供了一种稳定、高效的硬件解决方案。并且与市面上的一些水声设备相比该发生器成本较低。

［1］ 李晓东，杨军，李双田，等.通信声学：过去、现在和未来［J］.声学技术，2007，26（5）：967-967. LIXiaodong，YANG Jun，LI Shuangtian，et al.The past，present and future of communication［J］.Technical Acoustics，2007，26（5）：967-967.

［2］ 刘林泉，梁国龙，吴波，等.一种低能耗的水声通信编码方案的研究［J］.声学技术，2007，26（1）：130-133. LIU Linquan，LIANG Guolong，WU Bo，et al.Power Saving coding for underwater acoustic communication［J］. echnical Acoustics，2007，26（1）：130-133.

［3］ 朱昌平，韩庆邦，李建，等.水声通信基本原理与应用［M］.北京：电子工业出版社，2009. ZHU Changping，HAN Qingbang，LI Jian，et al.The basic principle and application of underwater acoustic communication［M］.Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2009.

［4］ Yu Luo，Lina Pu，Michael Zuba，et al.Challenges and Opportunities of Underwater Cognitive Acoustic Networks［J］.IEEE transactions on emerging topics in computing，2014，2（2）：198-211.

［5］ JMitola，G Q Maguire.Cognitive radio：Making software radios more personal［J］.IEEE Personal Communications，1999，6（4）：13-18.

［6］ 王斌，朱昌平，单鸣雷，等.水声传感网中的高效调制解调器的设计［J］.声学技术，2012，31（4）：436-441. WANG Bin，ZHU Changping，SHAN Minglei，et al.A high-efficiency acoustic modem used in the underwater acoustic sensor network［J］.Technical Acoustics，2012，31（4）：436-441.

［7］ 谢友鹏，韩庆邦，鲍娜，等.基于ARM的超声信号采集系统［J］.微处理机，2015，36（3）：89-91. XIE Youpeng，HAN Qingbang，BAO Na，et al.Ultrasonic Signal Acquisition System Based on ARM［J］.Microprocessors，2015，36（3）：89-91.

［8］ 贾玉芬，吕建军.PWM控制器SG3525的变频控制［J］.煤矿机械，2011，32（2）：204-206. JIA Yufen，LV Jianjun.Frequency Control Based on PWM Controller SG3525［J］.Coal Mine Machinery，2011，32（2）：204-206.

Design of Signal Generator for Underwater Cognitive Acoustic Communication

Gong Runhang1，Zhu Changping1，2，Wang Bin1
（1.Changzhou Key Laboratory of Sensor Networks and Environmental Sensing，Jiangsu Key Laboratory of Power Transmission and Distribution Equipment Technology，Hohai University，Changzhou 213022，China；2.Jiangsu Provincial Collaborative Innovation Center ofWorld Water Valley and Water Ecological Civilization，Nanjing 211100，China）

Underwater acoustic signal generator is the key equipmentof underwater cognitive acoustic communication，and itswideband output function is the basis of dynamic spectrum access.However，the current underwater acoustic equipment is expensive，andmost of them just generate the narrow bandwidth signals.This paper presents a design of the signal generator for underwater cognitive acoustic communication.Every module is described in detail.A closed-loop control system using low-cost MSP430 microcontroller，voltage controlled oscillator，current and temperature sensors，as well as a matching circuit is proposed.The final results of the experiments prove that the acoustic signal generator can drive broadband underwater acoustic transducers efficiently with 2ASK signals in bandwidth of 1KHz-200KHz.

Underwater acoustic communication；Cognitive radio；VCO；Matching circuit；MSP430 microcontroller；2ASK signal

10.3969／j.issn.1002-2279.2016.06.011

TN929.3

A

1002-2279（2016）06-0044-04

国家自然科学基金项目（11274092）；江苏省研究生科研创新计划项目（KYLX15_0497）；河海大学中央高校基金项目（BZX／2015B101-47）

龚润航（1991-），男，江苏省南京市人，硕士研究生，主研方向：通信与信息系统。

朱昌平（1956-），男，湖北省荆门市人，教授，博士，博导，主研方向：通信电路与声学技术的研究。

2016-06-13