專利名稱：一種低成本低功耗的水聲調(diào)制解調(diào)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于水聲通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種低成本低功耗的水聲調(diào)制解調(diào)器。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的水聲調(diào)制解調(diào)器體積較大、造價昂貴、功耗較高，通信距離可達數(shù)公里甚至幾十公里，但是近年來，人們提出了水聲傳感網(wǎng)的概念，傳統(tǒng)的水聲調(diào)制解調(diào)器不適和水聲傳感網(wǎng)的使用要求，水聲傳感網(wǎng)由許多傳感節(jié)點組建而成，具有節(jié)點密集、規(guī)模大的特點， 為了降低水聲傳感網(wǎng)的整體成本、保證傳感網(wǎng)長時間可靠地進行水下信息收集和傳遞，非常有必要研制一種具有體積小、低成本、低功耗的高效水聲調(diào)制解調(diào)器。最近幾年，已經(jīng)有研究機構(gòu)開發(fā)出了低功耗、低成本的水聲調(diào)制解調(diào)器，但是這些調(diào)制解調(diào)器的數(shù)據(jù)傳輸速度非常慢，在水下通信時不能夠支持介質(zhì)訪問控制層(Medium Access Control MAC)和路由層的協(xié)議來進行數(shù)據(jù)傳輸，所以不能作為水下傳感網(wǎng)的節(jié)點。在盡量低的功耗下實現(xiàn)盡量遠的信息傳送距離，就要求水聲調(diào)制解調(diào)器具有很高的效率。海洋環(huán)境的水聲信道是一個極其復(fù)雜的時、空、頻變隨機多徑傳輸信道，同時高環(huán)境噪聲、窄帶寬、低載頻、傳輸延時大等因素制約了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?。要實現(xiàn)水聲傳輸?shù)膽?yīng)用，需要解決以下幾個問題。首先，聲波在傳送過程中會逐漸減弱(幅度衰落)，即接收信號忽大忽小，這是由于沿各途徑的信號到達接收器時相位不同相干形成的。根據(jù)水聲傳輸在一定的頻率間隔，其衰落的相關(guān)性呈顯著減低的特性，可以采取降低傳輸頻率和采用頻率分集處理的方法，但它的代價是損失了頻帶資源。其次是碼間干擾問題。由于海水的聲速只有1500m/s,同一符號的接收信號以梳狀結(jié)構(gòu)分布在較寬的時間軸上,各徑間相對延時差較大。如果傳播的是沒有間隙的脈沖序列，多徑將造成接收信號發(fā)生不同碼元重疊，給判決帶來困難。解決的方法是在脈沖序列中，加進時間同步脈沖，在其引導(dǎo)下，同時刻發(fā)射的脈沖用不同的頻率來表示，使得不同時刻的接收信號頻率確定。這樣，即便有若干多徑形成的干擾碼與之混迭，也有以頻率為準則來提取信號的方法，即跳頻抗多徑干擾。水聲通信中采取擴頻中的跳頻方式，根據(jù)同步脈沖，按位據(jù)已知頻率來檢測信號，可以有效地解決多徑干擾引起的碼間干擾。另一個問題是水聲數(shù)據(jù)傳輸速率較低，要提高傳輸速率，主要通過研究聲學(xué)調(diào)制解調(diào)器來解決，通常的做法是采用16進制頻移鍵控(MFSK)、二重頻率分集和擴展頻譜等方式，國內(nèi)在這方面的研究已取得了較大的進展。從低功耗的設(shè)計原則上來看，2ASK 的調(diào)制解調(diào)方式相比其他方式有更低的功耗。從誤碼率的角度比較相干2ASK解調(diào)與非相干2ASK解調(diào)的性能。每一個位的平均能量為 Eb=Ar(I)式中A表示信號的振幅，Tb表示每一個位持續(xù)的時間。因此，對于相干2ASK解調(diào)方式,每一位出錯的概率Pe-。。為
權(quán)利要求
1.一種低成本低功耗的水聲調(diào)制解調(diào)器，其特征在于包括一個用于發(fā)射超聲波的發(fā)射換能器，一個用于接收超聲波的接收換能器，用于將已調(diào)制信號的電壓放大并連接發(fā)射換能器的第一信號放大電器，與接收換能器相連并將接收到的信號進行電壓放大的第二信號放大電器，用于穩(wěn)定第二信號放大電器接收信號的相位并進行相干解調(diào)的鎖相環(huán)電路，與鎖相環(huán)電路和第一信號放大電器相連接的微處理器，用于連接微處理器與外部計算機的串行通信接口。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種低成本低功耗的水聲調(diào)制解調(diào)器，其特征在于所述發(fā)射換能器的中心頻率為40kHz，所述接收換能器的中心頻率為40kHz。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種低成本低功耗的水聲調(diào)制解調(diào)器，其特征在于所述第一信號放大電器采用MAX3232芯片將已調(diào)制的電信號進行電壓放大，以驅(qū)動發(fā)射換能器發(fā)射超聲波。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種低成本低功耗的水聲調(diào)制解調(diào)器，其特征在于所述第一信號放大電器采用0P07芯片，與接收換能器相連，將接收到的信號進行電壓放大。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的一種低成本低功耗的水聲調(diào)制解調(diào)器，其特征在于所述鎖相環(huán)電路采用LMC568芯片，用于穩(wěn)定接收信號并進行相干解調(diào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種低成本低功耗的水聲調(diào)制解調(diào)器，其特征在于所述微處理器采用MSP430F149單片機，對數(shù)據(jù)進行編碼、解碼，以及進行數(shù)據(jù)幀的打包、解包。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種低成本低功耗的水聲調(diào)制解調(diào)器，其特征在于所述 MSP430F149單片機采用2ASK調(diào)制解調(diào)方式。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種低成本低功耗的水聲調(diào)制解調(diào)器，其特征在于所述串行通信接口采用RS-232標準的串行接口，用于MSP430F149單片機與計算機通信，進行數(shù)據(jù)交換。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低成本低功耗的水聲調(diào)制解調(diào)器，在一定距離范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)有效的水下通信。以超低功耗單片機MSP430F149作為處理核心，使用RS-232接口與計算機進行通信。整機采用3.3V電池供電，使用市場上量產(chǎn)的低價的水下測距用收發(fā)一體式換能器作為超聲波發(fā)射與接收裝置，全部硬件采用低功耗設(shè)計方案，2ASK調(diào)制解調(diào)方式。整機最大功耗為90mW，數(shù)據(jù)傳輸速率為2kbps，最長有效通信距離為22m；此水聲調(diào)制解調(diào)器可以連接各種數(shù)字傳感器，由于其具備成本低、功耗低的特點，適合作為水聲傳感網(wǎng)的傳感節(jié)點使用。此水聲調(diào)制解調(diào)器可在水下連續(xù)工作半年以上，長期進行可靠的水下通信作業(yè)。
文檔編號H04L27/227GK102611662SQ201210032088
公開日2012年7月25日 申請日期2012年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月14日
發(fā)明者單鳴雷, 張秀平, 朱昌平, 殷澄, 湯一彬, 王斌, 謝希, 陳秉巖, 韓慶邦, 韓秋鋮, 馬濟通, 高遠 申請人:河海大學(xué)常州校區(qū)