作者：吴 双，王晓聪，胡振宇，管 容（中国船舶集团有限公司第七一五研究所，浙江 杭州 310023）
摘要：为实现水下、水面平台之间的信息交互，设计了一种具备远距离水声通信功能的系统，可广泛应用于海洋环境监测、深海无人作业等场景，具有宽频带、高声源等特点。经实验室联调和湖试验证，本设计在实际项目中的应用效果较好，可靠性较高。
关键词：远距离；水声通信；海洋环境监测
随着海洋科学研究和国防事业发展的需要，对海洋环境监测的需求日益增加，潜标、浮标系统等在海洋环境监测仪器中的应用日益广泛 [1]。水声通信系统是海洋潜标、浮标系统的重要组成部分。对于水下传感器采集的数据，可以使用水声调制解调器通过水声信道传输至远端的调制解调器，无须通信电缆连接。为满足通信距离、水下深度、持久续航等工作条件，设计深海远距离水声通信机，包含实时通信和自容式采集模块，采用伪随机编码调制，具有宽频域、高指向性以及隐蔽通信等特点 [2-3]。
1.1 系统组成
水声通信机由通信换能器、电子系统以及耐压壳体 3 大部分组成。其中，耐压壳体包含外部金属壳体、保护罩及内部骨架，换能器通过转接结构与壳体相连。总体结构如图 1 所示。
电子系统由高压电源、功放电路、匹配电路、接收及电源管理电路以及数字信号处理模块组成。数字信号处理模块接收处理控制指令或数据，生成通信编码信号，经功放电路和匹配电路送至换能器，发射通信信号。接收电路接收远端通信信号，经数字信号处理模块进行解码处理，生成回送指令或数据。电源管理电路对各个功能模块进行上电控制。系统结构组成如图 2 所示。
通信机的发射功能指令可通过 2 种途径实现，即通过 RS232 接口接收上位机发射指令和通过接收水声通信信号唤醒发射指令。控制通信机发射功能模块顺序上电，由数字信号处理模块产生或调用规定信号形式，经由功率放大、滤波匹配输出至换能器。
通信机的接收功能指令可通过 2 种途径实现，即通过 RS422 接口接收上位机接收指令和通过接收水声通信信号唤醒接收指令。控制通信机接收电路上电，信号通过前方预处理电路调理后送至数字信号处理模块进行解码处理，并判断下一步动作。
待机时，由电源管理电路将各个功能模块的电源关闭，同时自身处于低功耗运行模式。数字信号处理模块处于休眠模式，当接收到水声唤醒指令后，根据指令进行后续操作。
基于通信机的 2 种工作模式要求，数字信号处理模块需要实现通信编码、通信解码、唤醒检测、信 号 存 储、信 号 控 制、脉 宽 调 制（Pulse Width Modulation，PWM）输出以及信号采集功能。基于数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）芯片、现场可编程逻辑门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）芯片以及单片机 MSP432[4] 构建系统架构，其中 DSP 芯片与 FPGA 芯片之间通过通用并行端口外设接口（universal Parallel Port，uPP）和 外 部 存 储 器 接 口（External Memory Interface，EMIF）进 行 数 据 交 互。uPP 接 口 包含2路16 bit并行总线，可以实现灵活高速的双向通信。EMIF接口包含 3 个片选信号，可实现最大访问 6 MB存储空间，同时互连通用输入输出端口（General Purpose Input Output，GPIO）、串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）以及多通道缓冲串行接口（Multichannel Buffered Serial Port，McBSP）， 提高 FPGA 芯片与 DSP 芯片协同工作的灵活性。
单片机MSP432与DSP芯之间通过异步串行通信接口（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）进行数据交互，同时互连 GPIO接口，提高信息交互的可靠性和灵活性。
单片机 MSP432 与 FPGA 芯片之间通过 SPI 接口和 GPIO 接口进行数据交互，保证 FPGA 芯片数据采集的及时性和可靠性。
2.2 预处理通道电路设计
接收预处理通道电路由电源管理电路及接收通道电路组成，其中电源管理电路分别控制数字信号处理模块、功放模块、高压电源模块的供电开关。通过对各个功能模块的供电时序的控制，有效防止设备故障，同时降低设备待机功耗。接收通道电路由值班唤醒电路、前置放大电路、增益控制电路、带通滤波电路以及补偿放大电路组成 [5]。通信机具备待机功能，电路接收远程水声信号，触发唤醒功能。针对不同距离的环境，接收电路可实现多档增益选择。预处理通道电路的组成框架如图 3 所示。
2.3 功放及匹配电路设计
功放电路主要完成水声通信信号的功率放大。从功放效率和使用的成熟度上考虑，选用 D 类 PWM开关功放电路。功放电路的设计主要包括 3 个部分，即信号转换驱动电路、功率放大电路以及电源控制电路。从体积、电压转换效率考虑，功率放大电路采用全桥电路。信号转换驱动电路主要对传输信号进行隔离转换，对驱动电流进行设定。电源控制电路主要对驱动器输出电源、驱动器输入 /光耦输出电源、光耦输入电源分 3 级进行设计。匹配电路主要是对换能器阻抗匹配和功放电路输出电压进行转换，提高功放输出效率，对输出信号滤波，提升输出信号质量。考虑宽带输出，选用低通滤波器，采用并联匹配方式。根据相关公式，代入换能器测量参数，可计算得到匹配电路关键元件的参数值。变压器及电感器预留了多种抽头参数，可根据实际测试情况进行调整。功放及匹配电路的组成框架如图 4 所示。
2.4 高压电源电路设计
高压电源电路主要是为功放电路提供持续、稳定、高效的电压源，从功耗角度来看，需要对高压电源模块进行管理控制。为了保证整机的待机功耗，将在 URF2448QB-100WR3 电源输入端加上由 MOS管搭建的负载开关。在不使用该电源模块时，切断URF2448QB-100WR3 电源模块的输入电压，从而降低电源模块对整机待机功耗的影响。高压电源电路的组成框架如图 5 所示。
在联调实验室、湖上正常大气条件下进行测试，验证所设计的深海远距离水声通信机的性能。在实验室条件下，将通信机电子舱分离，使用假负载代替换能器，加电后通过 PC 机 RS232 接口对电子舱进行潜标配置，发射测试用的通信信号，使用示波器进行观察。在湖上试验条件下，通过 PC 机分别将两套通信机设置成浮标、潜标模式，入水深度为 10 ～ 15 m，使两套通信机进行点对点通信，并对接收数据进行分析。经过测试，通信频率为 9 ～15 kHz，通信距离≥ 300 m，发射功率≤ 30 W，接收功耗≤ 5 W，发射功耗≤ 30 W，休眠功耗≤ 200 mW。通过测试结果可以看出，本设计的通信距离较远、功耗较低，各项性能指标均达到预期值。
将模块化思想贯穿到整个水声通信机系统设计中，从功能和结构上将其设计成各个独立的模块，每块电路板都是由多个独立的功能电路模块组成，整体设备便于装配、测试以及维修，具有很好的可靠性。环境变化引起的声场条件变化会导致水声通信质量不稳定，因此在设计上预留了多种功率档位、接收增益档位供用户选择，以适应不同的水声通信环境。
[1] 王婷 . 国外海洋潜标系统的发展 [C]// 中国声学学会水声学分会 2011 年全国水声学学术会议论文集，2011.
[2] 郭璇，郭英歌，王润田 . 深海声探测中伪随机编码信号的仿真研究 [J]. 声学技术，2019，38（1）：46-50.
[3] 刘卓，王黎明，韩星程，等 . 基于 SCMA 的水声隐蔽通信方案研究 [J]. 电子测量技术，2022，45（13）：77-81.
[4] 边宇舰，姜科，王忠康，等 . 基于 MSP432 的多串口传感器数据采集软件设计 [J]. 电子设计工程，2023，31（7）：169-174.
[5] 康真威，杨策 . 水声通信模拟信号处理电路设计 [J]. 声学与电子工程，2017（3）：22-24.
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