多用户水声通信仿真平台设计

多用户水声通信仿真平台设计作者：赵极远杨威导师：王逸林(哈尔滨工程大学水声工程学院,黑龙江省哈尔滨市 150001)摘要：多用户水声通信仿真平台由服务器和客户端两部分组成，在PC机上实现服务器功能，在以Cyclone III FPGA为核心的SOPC系统上实现客户端功能。

信号通过客户端的数据采集及处理后，传输至服务器，并与模拟水声信道的冲击响应进行卷积等运算，最后将运算结果转发给其他客户端，实现多用户水声通信仿真功能。

关键词：水声通信；仿真平台；服务器；客户端；SOPCDesign of Multi-user Simulation Platform for Underwater Acoustic CommunicationAuthor: ZHAO Jiyuan YANG WeiTutor: WANG Yilin（College of Underwater Acoustic Engineering , Harbin Engineering University ,Heilongjiang Harbin 150001）Abstract:Multi-user simulation platform for underwater acoustic communication consists of two parts, the server and the client. The server runs on a PC, and the client runs on a SOPC system based on Altera's Cyclone III FPGA. After the signal is collected and processed by the client, it will be transmitted to the server and convoluted with impulse response of underwater acoustic channel, and then the result will be transmitted to other clients, so that the system achieves the function of multi-user simulation platform for underwater acoustic communication.Keywords: underwater acoustic communication; simulation platform; server; client; SOPC随着科学技术的进步，海洋资源的探测与开发日益受到注目。

开发海洋资源需要母船、水下机器人和深海固定开发基站协同作业，因此对一个信息化、现代化的海洋通信网络有着极为迫切的需求。

由于声波信号是目前已知的唯一能在海洋中远距离传播的信号，水声通信网络应运而生。

然而为构建水声通信网络而进行的海洋试验，却由于海上试验高昂的费用和冗长的试验周期让人望而却步，因此设计一套可以在实验室进行模拟海洋环境的水声通信网络仿真平台有着它独到的意义。

国际上，以美国为代表，早在二十世纪七十年代就有较完善的仿真系统问世，我国直到二十世纪九十年代中期才开始有一些对于海洋声信道模型、现代先进声纳信号处理模型等仿真系统的研究。

对于水声通信网络仿真系统的研究也仅仅是PC机软件模拟，由软、硬件相结合方法构建的水声通信网络仿真平台恰当的弥补了这一方面的空白，对水声通信网络的研究有着很好的辅助和补充作用。

1仿真平台构建为达到模拟海洋水声信道、仿真多个用户之间水声通信的目的，该仿真平台采用标准接口，可以连接多个实际的水声设备（例如用主被动声纳、通信设备、导航和定位设备等作为平台的用户，以下简称为用户），仿真它们之间的水声传播情况。

该平台可以仿真各种海洋环境，帮助测试水声设备的功能，完成水声通信、水声定位和导航、水声对抗等试验。

同时可以存储大量实际测量的水声信道数据或真实的水声波形数据，可以“重现”已进行的湖海试验，帮助问题分析并改进。

由于该仿真平台需要仿真多个水声通信节点之间水声通信状况，故系统采用服务器-客户端模式。

服务器端负责水声信道模型建立、人机交互界面显示、TCP/IP多线程设计以及Ad Hoc自组网实现等功能；客户端负责水声信号采集、数字信号处理以及信号数据转发等功能。

如图1所示，以两节点通信为例，在实际的水声通信中，通信节点发射的声波信号是通过水声换能器发送到海洋中，声波信号在经过水下声信道后被接收方水听器接收，传送给接收方通信节点。

在仿真系统中，我们通过客户端（通信接口）、以太网传输以及服务器水声信道建模来模拟声波信号离开通信节点后的传输过程。

这样，软、硬件结合的仿真系统便可以更真实的仿真水声通信网络试验状况。

图1 水声通信实际情况与仿真情况对比如图1所示，在实际水声试验中，换能器完成电信号和声信号之间的转换，声信号在海洋环境中传播。

水声仿真试验则通过以太网直接将电信号（水声波形数据）传送至信道服务器，通过水声信道仿真软件对信道建模，在服务器中用水声传播仿真软件模拟在水声信道中的传播，再将结果回传给用户。

系统中服务器配有大容量存储器，可以对原始信号进行记录和回放，达到回放实际试验过程的目的。

2服务器端设计简介2.1水声信道理论建模水声信道实际中是时变、空变的信道，在仿真系统中，我们认为其变化缓慢，近似为时不变的系统。

本仿真平台要求能够实时显示接收信号的畸变波形，一方面要求计算的精度高，另一方面要求计算的速度快。

射线声学以其计算的高精度、高速度、物理含义的显著性成为本系统的首选建模基础理论。

射线声学理论体系由如下两个方程构建：022=∇⋅∇+∇L A A L (1) 2202)(n c c L ==∇ (2) 式(1)为声程方程，决定声线轨迹的走向；式(2)为强度方程，确定声线的强弱。

声程方程决定了声线的传播轨迹；强度方程决定了沿声线束管能量的传输情况。

射线理论优势在于计算快速，含义清晰；同波动理论相比，其对脉冲信号传播的描述更为直观。

射线声学方法的缺陷在于其为严格波动理论的近似解，在传播声信号频率较低时（波导宽度H 与波长λ可比拟），射线声学求解结果存在较大偏差；但在高频情况（波导宽度H ≫波长λ），偏差极为微小，可忽略不计。

在深海声传播中，海底界面影响较小，声线结构更为规律，射线方法计算精度会更高。

即射线声学理论更适合分析在深海波导中传播的高频声信号。

多途相干水声信道的系统函数如下：∑=−⋅=Ni i i t A t h 1)()(τδ (3)式(3)中：N 为声波传播途径的总数；A i 为声波沿第i 条传播途径到达接收点的信号幅度值；τi 为声波沿第i 条传播途径到达接收点的信号传播时延。

此系统函数通过A i 反映了声信号在传播过程中幅度的衰减特性；通过N 与τi 反映了不同声线的传播特性，进而体现了信道的多途效应。

因而只要能求解出A i 、τi 的值，就可以近似构建所需的信道系统函数，并逼真的反映出水下声信道的传输特性。

根据信号系统理论，若令通信节点所发射的声信号为s (t )，则其经过水声信道作用后的输出信号y (t )应为s (t )与信道系统函数的卷积：)()()(*)()(1t n t s A t h t s t y Ni i i +−⋅==∑=τ (4)式(4)中s (t )为信道内的加性噪声，n (t )体现了水下噪声的特性。

接收信号的幅度畸变、接收时延及受噪声干扰等信息均可以通过观察y (t )波形得出。

实际运算中对于较长的信号序列使用卷积计算较为缓慢。

考虑到运算的实时性，此时则可以利用FFT 快速算法求解s (t )、ℎ(t )的频谱S (f )、H (f )，将两者频谱相乘后IFFT 即得到输出信号y (t )。

此流程由公式表示如下：fSIFFTHfFFTIFFTft s⋅==y⋅IFFTt=Y(()))(()))(()()(thFFT((())至此，完成了水下声信道模型的建立及接收波形的生成的理论分析。

据此可以进一步设计实际使用的信道建模与波形处理软件模块。

2.2 人机交互界面设计根据水声仿真平台的设计需要，显控界面的主要任务如下：1)设定节点功能与坐标分布；2)显示节点分布态势；3)调用信道计算软件；4)利用网络通信模块功能，接收/发射节点数据；5)实现数据与信道系统函数的卷积等算法。

根据实际海洋试验需要，人机交互界面功能为设定通信节点的工作方式与三维坐标值，将节图2 人机交互界面功能点分布水平态势在模拟海面显示，模拟海域长50公里，宽50公里，深500米。

图3 多用户水声通信仿真平台PC端界面如图3所示，红色数字1部分显示的是水声节点在模拟海洋中的水平分布位置；红色数字2部分包括三个显示卡，分别是信道建模显示、收发信号的波形显示以及通信参数显示；数字3部分是节点收发状态以及节点处于海洋空间位置的设定；数字4部分是节点分布的相对坐标；数字5部分用于控制该服务器显控软件的工作方式。

3 客户端设计3.1 功能需求在水声信道中进行通信的信号主要为音频信号，所以客户端需要有采集音频信号的能力，同时为了可以对矢量水声信号进行采集，因此该客户端应具有采集至少四路模拟信号的能力；为了减轻PC机服务器端计算的负担，要求客户端应该有实时信号处理的能力；同时客户端与服务器间的通信是通过以太网来完成，因此要求客户端需要有以太网数据传输能力。

3.2 硬件系统设计3.2.1硬件系统总体结构硬件系统主要完成信号采集、处理及转发等功能。

根据平台需求设计硬件电路，客户端系统采用SOPC 方案。

如图4所示，FPGA芯片为系统控制及数据传输核心。

对于水声信号的采集由音频CODEC完成，以太网数据传输硬件电路通过FPGA内置的三速以太网控制器结合外部PHY芯片方式完成，Nor Flash用于操作系统代码存储，SDRAM用于程序运行，Nand Flash用于数据存储，JTAG用于系统调试，RS232用于与GPS相连完成时间同步，同时为提高系统灵活性预留出了与ARM/DSP等处理器相连的通用I/O接口。

图4 硬件系统总体结构通过前期Quartus II软件对FPGA资源消耗的估算，基本功能实现需使用约12k LE（逻辑单元）的FPGA 资源，同时估算得出需使用约200个FPGA用户I/O，故采用Cyclone III系列EP3C25F324芯片。

为高保真采集水声设备发出的音频信号，系统采用TI公司最高192ksps采样率并带有minidsp功能的音频编解码芯片TLV320AIC3254。

对于以太网PHY芯片的选择，为便于硬件实现，选用Altera公司Nios II处理器HAL所支持的四种PHY芯片之一的DP83848芯片。