基于OMAPL138 DSP+ARM的OFDM水声通信系统研究与设计_水声通信帧结构设计

海洋是地球的重要组成部分,而且蕴藏着丰富的资源,然而人类对海洋的探索还停留在初级阶段。随着陆地资源的过渡开发,人类更加认识到研究和利用海洋资源的重要性。在研究和利用海洋资源时,海洋环境下的信息传递至关重要。因此,海洋环境中高速和高可靠性的信息传递成为研究的主要目标。在多种通信方式中,声波被认为是海洋环境中可能实现中远距离无线通信的唯一方式。因此,水声通信得到世界各国科研机构的高度重视。水声信道具有强多途、大衰减、高噪声和严带限等特点,因此,需要一种抗多途和频带利用率高的调制解调器。OFDM调制子频带相互正交且有一半是重叠的,频谱利用率非常高;同时在符号块之间可以插入保护间隔,能够很好的抵抗多径衰落;此外相对于单载波传输方式,多载波传输方式能够提高系统容量和提高通信速率。这对于水声通信来说是非常适合的。本文就是在这样的背景下,主要研究与设计了基于OFDM水声通信系统。下面是研究的主要内容:1.本文首先通过分析水声信道特性和噪声来源,得出水声信道是一个非常复杂的时间变化、空间变化和频率变化的信道,具有强多途、快起伏、大衰减、高噪声和严带限的特点,并给出相应的解决方法以及信道理论模型。接着结合通信声纳方程,分析出换能器的最佳工作频率以及发射功率和接收电路增益区间的估算方法。信道测试方案采用LFM脉冲信号,以获取实时信道特性。2.针对上述的水声通信信道,本文采用OFDM调制技术。详细论证了OFDM调制技术的实现方式和技术特点,包括采用共轭对称序列调制法,采用LFM脉冲信号解决同步问题,采用循环前缀和循环后缀对抗码间干扰,采用PN序列加扰、子载波随机相位加扰和限幅法降低系统高的峰均比。3.首先利用BELLHOP模型模拟水声通信信道,通过分析模拟的水声信道,设计了具体的水声通信系统,包括OFDM参数、帧结构、整体结构和软件流程;接着结合实现的通信距离和声呐方程,估算出水声通信系统具体的发射功率和接收电路增益区间;最后利用估算的发射功率、接收电路增益区间以及系统结构和功能设计具体的硬件平台和硬件。最后通过仿真和实验验证了通信系统的可靠性和有效性。主要做了三方面的工作:首先在高斯信道和多径信道下进行了系统仿真,验证了系统的可靠性和有效性;接着通过消音水池实验,验证了系统的正确性、可靠性和有效性,能够进行下一步的湖测实验;最后在千岛湖进行湖测,验证了系统的可靠性和有效性。

1 评估板简介 : 信迈XM138F-IDK-V3
基于TI OMAP-L138（定点/浮点 DSP C674x+ARM9）+ Xilinx Spartan-6 FPGA处理器；
OMAP-L138 FPGA 通过uPP、EMIFA、I2C总线连接，通信速度可高达 228MByte/s；OMAP-L138主频456MHz，高达3648MIPS和2746MFLOPS的运算能力；
FPGA 兼容 Xilinx Spartan-6 XC6SLX9/16/25/45，平台升级能力强；
开发板引出丰富的外设，包含千兆网口、SATA、EMIFA、uPP、USB 2.0 等高速数据传输接口，同时也引出 GPIO、I2C、RS232、PWM、McBSP 等常见接口；
通过高低温测试认证，适合各种恶劣的工作环境；
DSP+ARM+FPGA三核核心板，尺寸为 66mm*38.6mm，采用工业级B2B连接器，保证信号完整性； Ø
支持裸机、SYS/BIOS 操作系统、Linux 操作系统。

图1 开发板正面和侧视图

XM138F-IDK-V3.0 是一款基于深圳信迈XM138-SP6-SOM核心板设计的开发板，采用沉金无铅工艺的4层板设计，它为用户提供了 XM138-SP6-SOM核心板的测试平台，用于快速评估XM138-SP6-SOM核心板的整体性能。

XM138-SP6-SOM引出CPU全部资源信号引脚，二次开发极其容易，客户只需要专注上层应用，大大降低了开发难度和时间成本，让产品快速上市，及时抢占市场先机。不仅提供丰富的 Demo 程序，还提供详细的开发教程，全面的技术支持，协助客户进行底板设计、调试以及软件开发。