电流场水下无线通信系统接收机的设计与实现.doc

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1、电流场水下无线通信系统接收机的设计与实现电流场水下无线通信系统接收机的设计与实现摘 要随着人类对海洋的探索越来越深入，水下无线通信技术的重要性越来越高。本课题以电流场理论为基础，设计并实现了两套水下无线通信系统接收机，并对接收机系统进行了测试。本课题主要完成了以下五项任务：（1）介绍了电流场水下无线通信的发展历程，将电流场通信与其他水下无线通信方式进行了对比，分析了近距离水下无线通信中电流场通信相对于其他通信方式的优势，并简述了国内外电流场水下无线通信的研究过程与发展现状。（2）分析了电流场水下无线通信的相关原理并介绍了提高通信距离的方法，对OQPSK解调理论进行了分析。介绍了使用COSTAS

2、环进行载波同步的方法；阐述了位同步、帧同步的相关理论，并给出了对应的实现方法；针对相干解调可能产生的相位模糊，介绍了去除相位模糊的方法。（3）设计了并实现了硬件系统，给出了两套系统各模块的设计方法，因两套接收机载波频率不同对相关器件进行了调整；给出了详细的原理图并对相应参数的设置进行了说明；使用Tina等电路仿真软件对各模块进行了仿真。（4）完成了软件程序的设计与仿真，分别设计了载波同步、位同步、帧同步和串口上传等模块，使用MODELSIM进行了软件仿真。（5）进行了系统测试，首先对硬件电路各模块进行了测试，然后使用STGNALTAP测试了软件各模块，最后和发射机一起进行了系统测试。本课题设计

3、的两套电流场水下无线通信系统接收机具有天线尺寸小、稳定性高等优点，具有很强的实用性，可以作为未来近距离水下无线通信技术的重要组成部分。关键词：电流场通信；电偶极子天线；偏移四相相移键控；科斯塔斯环ABSTRACTWith the more deeply exploration of oceans, underwater wireless communication plays an increasingly important role in it. Current filed communication technology gradually appears in peoples visi

4、on in recent years. Compared with other underwater communication technology, the current field communication has many advantages in short-range communication. Two receivers for underwater wireless communication system are designed and implemented in this paper. Detailed design of the circuit and ass

5、ociated code are given in this paper. It tests these two receivers at last.This paper can be divided into five parts:The first part is the background and development process of underwater current field communication. Current field communication is compared with other underwater communication technol

6、ogy in this part. It discusses the research status of underwater current field communication at home and abroad.The theory of underwater current field communication and method to improve the communication distance are introduced in the second part. OQPSK demodulation theory is described at the same

7、time. It analyzes OQPSK modulation characteristics and describes the use of COSTAS loop in carrier synchronization. The theory of bit synchronization and frame synchronization are given with corresponding implementation method. It introduces the frame head method used to solve phase ambiguity caused

8、 by COSTAS loop at last.The third part is design of hardware circuit board. It gives the design of every modular in these two receiver. And related parameters are adjusted because of the different carrier frequency of two receivers. Detailed schematics and response parameter setting are given with d

9、etailed description. Tina and other circuit simulation software are used for the simulation of each module.It introduces the design of FPGA code and simulation with MODELSIM in the fourth part. This part analyzes the implementation method of carrier synchronization, bit synchronization, frame synchr

10、onization and serial upload modules with VHDL. It gives the simulation result with MODELSIM at last.The last part is system test. Every part of the hardware circuit board is tested with instrument. SIGNALTAP is used to test each part of software. These two receiver are tested with transmitter at las

11、t.These two current field underwater wireless communication receivers designed in this paper have three advantages: small antenna size, high stability and highly practical. It can serve as an important part of short-range underwater wireless communications in the future.Keywords: Current Field Commu

12、nication; Electric Dipole Antenna; Offset Quadrature Phase Shift Keying; Costas Loop电流场水下无线通信系统接收机的设计与实现目 录第1章 绪论11.1 研究背景及意义11.2 国内外发展概况21.3 主要内容与目的31.4 本文主要章节安排4第2章 电流场水下无线通信接收机设计原理62.1 电流场水下无线通信原理62.2 数字调制解调技术72.3 OQPSK解调原理82.3.1 载波同步原理82.3.2 位同步原理112.3.3 帧同步原理112.4 本章小结13第3章 硬件电路的设计与仿真143.1 系统整体

13、框图143.2 系统电源部分143.3 无源滤波网络153.3.1 超低频接收机无源低通网络153.3.2 中频接收机无源带通网络163.4 前置低噪声放大器183.5 有源滤波器203.5.1 超低频通信系统有源低通滤波器203.5.2 中频通信系统有源带通滤波器223.6 中间级放大器233.7 自动增益控制模块243.8本章小结26第4章 软件模块的设计与仿真274.1 使用工具介绍274.2 接收机程序设计与仿真284.2.1 ADC信号转换模块设计与仿真294.2.2 载波同步模块设计与仿真294.2.3 位同步模块设计与仿真334.2.4 帧同步模块设计与仿真354.2.5 串口上

14、传模块设计与仿真384.3 本章小结39第5章 系统测试405.1 模拟电路测试405.2 软件程序测试435.2.1 测试工具简介435.2.2 ADC信号转换模块测试435.2.3 载波同步模块测试445.2.4 位同步模块测试455.2.5 帧同步模块测试465.2.6 串口上传模块测试485.3 系统测试485.4 本章小结50结 论51参考文献52第1章 绪论第1章 绪论1.1 研究背景及意义海洋面积约占地球表面积的70% 以上，其中蕴藏着丰富的对人类发展有用的资源。随着科学技术的快速发展，陆地资源由于过度开发已经不能满足人类日益增长的需求，海洋已经成为未来人类获取资源的重要方式，对

15、海洋资源的探索越发重要起来，水下通信技术是人类探索海洋的“眼睛”和“耳朵”。水下有线通信技术和陆地有线通信技术类似，主要由传输电信号的电缆和传输光信号的光缆组成，传输信号速度较快且稳定性高，通信比较稳定，技术发展已经比较成熟。但是对于水下的移动物体，有线通信技术由于线缆的存在限制了物体的移动速度和方向，会影响水下移动物体的工作范围和灵活性，不适合移动的水下物体。无线通信技术没有了线缆的限制，其携带方便、易于安装等优点则可以较好的适用于水下移动物体之间的相互通信1。水下环境的恶劣性导致传统的无线通信方法在水下难以展开有效工作，电流场水下无线通信技术、水声通信技术、水下无线光通信技术和水下无线电磁

16、波通信技术等新型无线通信技术是当前水下无线数据传输的主流技术。水声通信是指利用声波作为载体在水下进行信息传送的一种水下无线通信技术，在发射端水声换能器将电信号转化成声信号，声信号通过海水这一介质传输，接收换能器在接收端将声信号转换成电信号，水声信道是一个多径、色散和时变的信道，声波在其中的传输行为十分复杂；同时声波传输速度比较慢，只有大约1500m/s，传输延时较大；小范围水域中，水声通信受多径效应影响严重，通信系统误码率很高2。水下无线光通信是利用蓝绿波长的光作为信号载体进行水下信号传输的一种技术，其具有传输速率快、抗干扰抗截获抗摧毁能力强、天线尺寸小、对海水穿透能力强等优点，但其缺点是只能

17、直线传输，而且需要有制空权3；水下无线电磁波通信技术是利用电磁波作为载体传送信息的一种方式，由于高频电磁波在海水中损耗特别严重，这种通信方式一般工作在极低频和甚低频，而且天线尺寸非常大，安装与携带都不方便4。电流场水下通信是以电场为载体进行通信的一种通信方式，由于电磁波很难传入海水，电流场水下无线的噪声很小，对信号传输很有利。与水声通信相比，电信号传输速度较快，而且电流场通信传输信号稳定性高，不会因为海水分层而突然中断，没有多径效应和盲区等问题；与水下无线光通信相比，电流场通信可以在非直线情况下传输，对制空权亦没有要求；与电磁波通信相比，电流场通信衰减较小、天线尺寸小、易于安装和携带。电流场通

18、信方式不仅可以实现无线通信，而且使用小尺寸的天线就可实现低频信号的传输，易于实现且灵活性高。在近距离水下无线通信中，电流场通信较其他通信方式有较为明显的优点5。电流场水下无线通信可以用在水下移动物体之间的通信以及水面舰艇与水下移动物体的通信，具有十分广阔的应用前景。1.2 国内外发展概况电流场水下无线通信的理论是由国外提出的，对于电流场水下无线通信的研究大概开始于20 世纪70 年代初期，主要是用在近距离无线通信。下面依时间为脉络对其进行介绍：（1）美国康涅狄格大学的Schultz CW在1971年发表了一篇会议论文。该文章简单阐述了电流场水下无线通信工作的基本原理，同时介绍了一个基于此原理的

19、水下潜水员无线语音通信装置，该装置发射功率约为10W，潜水员可以在水深30 m处将模拟语音信号传输大约100 m。（2）日本海洋科学与技术研究中心在1976年发表了一篇文章从理论上给出了的电流场水下无线通信原理。该文章的设计初衷是将电流场水下无线通信技术用在潜艇通信当中，包括水面舰艇与水下潜艇、潜艇与潜水员、潜水员与潜水员之间的通信。虽然文章最后没有对研究结果做阐述，但是给出了一些有意义的验证性实验。验证了以下几点影响电流场水下无线通信距离的相关因素：发射电极板的间距和接收电极板的间距、发射电流以及接收装置的检测微弱信号的能力，该文章最后提出电流场水下无线通信的主要难点在于如何降低功率损耗和提

20、高传输距离。20世纪70年代到21世纪初，由于水声通信技术的快速发展，电流场水下无线通信在通信距离和功耗方面与水声通信相比竞争力较弱，关于电流场水下无线的文献报道很少。（3）2007 年新加坡通信研究院发表了一篇文章，提出了利用电流场通信原理在水下实现近距离数字通信一种方法，该文章以如何提高通信距离为研究重点，通过一系列的实验，分析并验证了一种能够提高某一方向通信距离的最优电极板安装方法。（4）新加坡通信研究院在2010年对电流场水下无线通信信道特征问题进行了重点研究，实验得出了很多对于设计电流场水下无线通信具有重要参考意义的参数。国内对电流场水下无线通信的起步较晚，多以国外研究的理论为基础对

21、电流场水下无线通信系统进行设计与实现，近几年电流场通信的应用研究发展较为迅速，其中比较有代表性的研究成果阐述如下：（1）西北工业大学于2010年发表了一篇文章，设计了一套以DSP为核心的电流场水下无线通信系统，设计目的重在实现水文传感器数据快速的回收。文章还对电流场通信的未来研究方向进行了分析，探索了电流场通信在中远距离通信的可行性，认为进一步降低功耗和提高通信速率是该通信技术发展的关键6。（2）海军工程大学也在2010年发表了一篇关于电流场水下无线通信的文章，该文章以国内外研究为基础对电流场水下无线通信从原理上进行了介绍，将恒流场模型作为电流场水下无线通信的模型进行了研究，探讨了电流场水下无

22、线通信系统设计中需要注意的几个问题，得出了如下结论：信号传输频段最好是甚低频；窄带、能量利用率高的调制解调方式可以达到抗干扰的目的。（3）2012年海军工程大学发表了一篇名为水下通信中单边带调制电路的设计与实现的文章，介绍了使用单边带调制方式进行电流场水下无线通信的方法，对发射机单边带调制的实现进行了详细的介绍，但是没有给出接收机的实现方法和整个系统的功能测试，对电流场水下无线通信理论未提及7。（4）2014年海军工程大学的题目为采用超低频电流场实现深水UUV遥控的一篇文章，比较全面的介绍了电流场水下无线通信技术，分析了电流场通信的特点，对提高电流场通信距离的方法进行了分析8。（5）基于AMB

23、E-2000和单片机的潜水员水下通信系统的设计是海军航空兵大学2015年在舰船电子工程上发表的一篇文章，文章重点介绍了使用AMBE-2000芯片进行语音编码和解码的方法以及整体软件的设计，未对硬件电路和电流场理论进行阐述9。从上述电流场水下无线通信技术发展情况来看，电流场通信的未来的主要发展方向是降低功耗和提高传输距离，电流场的研究现在已经进入以应用研究为主、理论研究为辅助的时代10。1.3 主要内容与目的本课题主要内容是设计两套可靠的电流场水下无线通信系统接收机，负责将发射机经过水下信道传播之后的微弱信号还原成发射端的信息。每套系统具体可以分为两个部分，一个是模拟信号处理部分，输入端是几十微

24、伏带有噪声和干扰的微弱信号，经过一系列的放大滤波等模拟信号处理，输出稳定幅度的数字系统可以解调的信号；另一个是数字信号处理部分，负责将已调信号进行解调处理并将基带信息上传至上位机。课题的工作量主要为设计稳定可靠的模拟信号处理系统，完成基于FPGA的OQPSK解调软件代码的设计与仿真。本课题包含以下三个主要目的，一是熟练掌握OQPSK解调的基本原理，二是掌握模拟电路的设计方法和微弱模拟信号处理的能力，三是掌握以FPGA为核心的数字通信系统的设计方法并使用FPGA完成OQPSK的解调。两套接收机设计参数如下：31Hz超低频接收机参数：（1） 载波频率：31Hz；（2） 信息传输速率：3.1bps；

25、（3） 调制解调方式：OQPSK；（4） 接收机灵敏度：小于10/-70dBm；（5） 接收机动态范围：60dB；（6） 上位机通信方式：RS232串口通信。300kHz中频接收机参数：（1） 载波频率：300kHz；（2） 信息传输速率：30kbps；（3） 调制解调方式：OQPSK；（4） 接收机灵敏度：小于10/-75dBm；（5） 接收机动态范围：60dB；（6） 上位机通信方式：RS232串口通信。1.4 本文主要章节安排第1章为绪论，简要的介绍本课题的背景和意义，水下无线通信技术和传导电流场理论的发展现状，以及本课题的主要内容与目的；第2章为电流场水下无线通信系统接收机的设计原理，

26、简单介绍了电流场水下无线通信的原理和数字调制解调技术的基本概念，然后对OQPSK解调进行了理论分析，着重介绍了使用科斯塔斯环进行载波同步的相关理论，分析了位同步和帧同步的相关理论，并对解决相位模糊的方法进行了理论分析；第3章为硬件电路的设计与实现，详细介绍了各模块的功能与设计思路，包括无源滤波网络、前置低噪声放大、有源滤波器、中间级放大器和自动增益控制电路的设计方法，使用Tina等电路仿真软件对各模块进行了仿真，给出了相关的实验数据并对实验数据进行了分析；第4章为软件模块的设计与仿真，详细介绍了软件设计中各模块的原理与实现方法，主要是科斯塔斯环载波同步模块、位同步模块、帧同步模块以及串口上传模

27、块，并对各模块进行了MODELSIM仿真；第5章为系统测试，首先对模拟电路板各级分别进行了测试，然后对接收机整个模拟电路的参数进行了测试；使用SIGNALTAP工具对软件各模块实验结果进行测试，最后和发射机一起进行了系统测试，给出了外场试验的结果。最后对本课题的研究内容进行了总结，分析了现阶段取得的成果以及不足之处，对以后的研究方向提出了几点建议。5第2章 电流场水下无线通信接收机设计原理第2章 电流场水下无线通信接收机设计原理2.1 电流场水下无线通信原理电流场水下无线通信是指以电场为载体进行通信的一种通信方式，本课题中传输介质是海水。由于海水的高介电系数和高电导率，频率越高的电磁波在水中衰

28、减越严重。海水中含有大量的正负离子，这些离子在电场的作用下运动产生电流。宏观电流可以分为传导电流和位移电流两部分，由于海水属于导电媒质，当信号频率小于280MHz时，可以忽略位移电流，电流场在水中传播主要以传导电流为主，此时的电流场为传导电流场。水下电流场与导体内部的恒流场和电介质中的静电场十分相似，运用恒流场和静电场的对偶原理可以分析电流场传播规律及特性。图2.1 电流场水下无线通信原理示意图图2.1是电流场水下无线通信原理示意图，在海水中发射端两电偶极子间距为d，传导电流强度是I0，接收端P点的方位角为，与电偶极子中心相距r，导电媒质中电导率为，传播常数为，介电常数为，磁导率为，则P点所产

29、生的电场强度为： (2-1)当信号在无限大均匀介质中传播时，此时： (2-2) (2-3) (2-4)当接收端在发射端两个电偶机子中心线时，此时，电场强度的表达式为： (2-5)本课题接收端使用与发射端相同的电偶极子天线，发射端电偶极子与接收端电偶极子平行摆放，利用接收端电偶极子两端感应的电压差来获取信号信息。假设接收端电偶极子天线间距为，与发射端电偶极子的距离为，则接收到的电压公式为： (2-6)由于导电媒质中的恒流场与静电场具有相似性，所以在研究导电媒质中传导电流场的传播特性时，可以在某一时刻将其看作一种准静电场。因此在对海水中电流场的场特性和传播规律进行研究时，可以利用静电场的相关知识来

30、进行分析。当电偶极子的电流为恒定电流，也即时，可得到，此时接收到的电压： (2-7)从上式可以看出接收端信号的强度与发射端电偶极子间距和接收端电偶极子间距成正比，与发射端电流强度也成正比，与信号传输距离的三次方和信号的频率成反比。为了能在更远的距离接收到信号，可以使用以下三种方式：一是增大发射端的发射电流；二是增大发射端天线间距和接收端天线间距；三是降低系统的工作频率。2.2 数字调制解调技术为了使数字信号在带通信道中传输，必须改变数字信号的特征，以使传输信号与传输信道的特性相匹配11。数字调制就是用二进制或者多进制的数字信号作为调制信号，来改变载波的某些参数，把基带数字信号的变化转换为载波信

31、号参数变化的过程；反之，把载波信号参数变换转换成基带信号变化的过程称为数字解调。通过带通调制过程，可以将携带信息的信号转换为正弦波形12。载波的一般表达式为 (2-8)其中是随时间变化的幅度，是随时间变化的角度，也可以表示成 (2-9)因此， (2-10)其中，是载波的角频率，是相位。数字调制解调系统的基本结构如图2.2所示，基带信号经过调制器之后，会变成含有基带信息的载波信号，经过发滤波器之后会消除一定的频率分量；调制信号经过信道之后会引入一些噪声和干扰；接收端滤波器会滤除频带范围外的噪声与干扰，然后送入解调器进行解调，解调器输出就是原始的信号 13。图2.2 数字调制解调系统结构图2.3O

32、QPSK解调原理由于OQPSK信号可以看作是两个正交的2PSK信号的叠加，使用两路相干的载波去解调，就可以将这两路正交的信号分离14。如图2.3所示，相干解调之后得到两路并行码元，由于发射端Q路基带信号被延迟了一个比特（半个码元），接收端I路也需要延迟一个比特（半个码元），经过并/串转换之后变成串行数据输出。图2.3 OQPSK解调框图2.3.1 载波同步原理载波同步，即在接收机产生一个与接收到的信号频率和相位都是一致的本地振荡信号供解调器做相干解调用15。如果接收信号中含有离散的载波分量，那么接收端可以使用滤波器或者其他方法直接把载波从信号中分离出来作为本地载波，但是如果接收进来的信号不含有

33、离散载波信号分量，接收端则需要使用其他方法进行载波同步16。OQPSK调制信号是抑制载波的信号，其载波频谱分量在发送端已被抑制，使用常规的锁相环或者窄带滤波器无法直接提取参考载波。为了产生与原载波相位相关的载波分量，可以对信号进行非线性处理，将信号中的调制信息消除，然后就可以将被抑制的载波信号恢复，这样就完成了信号的载波同步17。本课题使用科斯塔斯环法进行载波同步，下面重点介绍使用科斯塔斯环获取同步载波的方法。科斯塔斯环又称同相正交环，其典型结构如图2.4所示，上面一路信号与载波相位相同，下面一路是与载波相位相差/2的信号，对相乘得到的结果滤波之后再次相乘，就可得到相位误差电压。科斯塔斯环由数

34、字鉴相器（PD）、数字环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）三部分组成，其中鉴相器的作用是将输入输出信号之间的相位误差提取出来，环路滤波器则对相位误差信号进行平滑滤波，环路滤波器的输出就是压控振荡器的输入，压控振荡器根据环路滤波器的结果进行调整。图2.4 BPSK科斯塔斯环原理图如图2.4所示，首先分析有加性噪声的BPSK，设 (2-11)式中，=1， (2-12)VCO输出信号的表达式为 (2-13)正交支路输出 (2-14)同相支路输出 (2-15)误差电压 (2-16)其中 (2-17)是误差电压的振幅(2-18)为等效噪声电压。当环路锁定后，稳态相位误差，同相支路输出就是解调信号的输

35、出，该锁相环线性工作范围窄，还有相位模糊问题。对于OQPSK，则需要使用四相科斯塔斯环，它是由同相-正交支路扩展为四个支路。输入信号与VCO信号相移的各支路信号相乘（m=1、2、3、4），经过低通滤波之后，再将其各支路输出信号相乘，获得鉴相电压。图2.5 OQPSK科斯塔斯环原理框图图2.5是QPSK使用的四相科斯塔斯环提取载波，设输入信号 (2-19)式中为输入信号功率，基带信号，。VCO输出信号 (2-20)令各乘法器系数为1，则各支路LPF输出信号分别为 (2-21) (2-22) (2-23) (2-24)误差电压 (2-25) 由图2.6可见，鉴相曲线以/2为周期，鉴相特性线性工作范

36、围很窄，且工作在0、/2、3/2处特性一样，输出载波具有4重相位模糊度，当环路锁定且稳态相位误差约等于0时，和分别为其解调I路和Q路输出。图2.6 四相科斯塔斯环的鉴相特性图2.3.2 位同步原理接收机在载波同步结束之后得到的是两路基带信号，为了得到本地的基带时钟以便在最精确的时间做出判决，需要对基带信号进行位同步。在数字通信系统中，由于信号经过信道会发生传输延时而且收发两端时钟很难做到精确一致，接收端基带信号的判决无法在最佳时刻进行，这样恢复出的数据与发送的数据之间就会产生误差。位同步的目的就是得到一个与发射端频率相同、相位一致的本地基带时钟。本课题中使用滤波法提取位同步，虽然无法直接从信号

37、中滤出位同步信号，但是如果对信号经过某种变换，该序列中就会有位同步信号分量，再将其经过窄带滤波器滤波后，就可以得到该时钟分量了。由于信号变换或者滤波处理会带来延时，因此滤出来的信号还需要移相器进行相位调整，最后形成与发射端一致的位同步信号。图2.7就是位同步的原理图，其特点是先形成含有位同步时钟的信号，然后用窄带滤波器将其滤除。图2.7 位同步原理图本课题中波形变换使用的是微分整流电路，对信号进行微分处理，微分之后再进行滤波即可得到基带时钟。对于FPGA来讲，微分电路只需要采用高速的时钟信号对输入的基带信号进行跳变沿检测即可，每检测到一个数据码元的跳变就输入一个时钟周期的高电平脉冲，从而完成基

38、带信号的波形变换。由于本课题中科斯塔斯环输出的第一路基带信号和第三路基带信号不是单比特流，而是多比特流，这种情况下，直接取该基带信号的符号位作为过零点基带信号数据即可。2.3.3 帧同步原理位同步模块输出的信号是连续的比特流，为了便于接收端从连续的比特流中分辨出每一帧的开始位置，发射端在每一帧的开始位置加入了帧同步码。本课题数据帧格式如图2.8所示，每帧包括一组数据，帧的首部加一个帧同步码，长度为M，帧内数据比特数为U。接收端对接收的基带信号进行移位检索，当检测到帧同步码时，进行去帧同步码处理，将数据读出。由于帧同步码组是插入到数据流一起传输的，接收端检测同步码组作为帧的起始位置，因此对这个码

39、组有较高的要求。首先，帧同步码必须尽量与所要传输的帧的易于区分，以免将数据误认为是帧同步码，造成假同步；另一个要求帧同步码必须有明显特征，是便于收方进行正确检测；第三个要求是帧同步码长度尽量短，以免占用过多的通信资源。本课题使用巴克码作为系统的帧同步码，利用巴克码的自相关特性进行帧同步码的检测。图2.8 帧同步码结构由于使用科斯塔斯环进行载波同步得到的本地振荡信号具有4重相位模糊度，从鉴相曲线可以看到其输出结果，载波同步偏差结果共有四种可能，分别是0、/2、和3/2。当相位偏差为0时，=1，=0，科斯塔斯环第四路输出 (2-26)第二路输出 (2-27)当相位偏差为/2时，=0，=1，科斯塔斯

40、环第四路输出 (2-28)第二路输出 (2-29)当相位偏差为是，=-1，=0，科斯塔斯环第四路输出 (2-30)第二路输出 (2-31)当相位偏差为3/2时，=0，=-1，科斯塔斯环第四路输出 (2-32)第四路输出 (2-33)从式2-25到式2-32可以看出，当相位偏差为0时，I路信号输出为I，Q路信号输出为Q；当相位偏差为/2，I路信号输出为Q，Q路信号输出为-I；当相位偏差为时，I路信号输出为-I，Q路信号输出为-Q；当相位偏差为3/2，I路信号输出为-Q，Q路信号输出为I，四种载波同步的相位偏差会导致两路基带信号发生四种不同的变化。为了解决载波同步产生的相位模糊问题，本课题对I路信

41、号和Q路信号的具体处理如下，第一种情况对应相位偏差为0时对I路信号和Q路信号不作处理；第二种情况对应相位偏差为/2，此时首先将Q路信号进行极性反转，然后将I路信号和Q路信号进行调换；第三种情况对应相位偏差为，将I路信号和Q路信号都作极性反转处理；第四种情况对应相位偏差为3/2，首先将I路信号进行极性反转，然后将I路信号与Q路信号的值进行调换。对I路信号和Q路信号做出上述四种处理之后，对四种情况下的信号同时进行并串转换处理，将I路信号和Q路信号合并成一路信号，然后同时进行帧同步码检索。当检测到某一路出现发射端插入的帧同步码时，便可以得出当前的本地载波与OQPSK信号的相位偏差，对该路信号进行去帧

42、同步码处理便可还原出发射端发送的数据。2.4 本章小结本章首先介绍了电流场水下无线通信的基本原理和数字调制的基本概念，然后重点介绍了OQPSK载波同步的方法即科斯塔斯环法，分析了BPSK和OQPSK的科斯塔斯环模型，接下来分别说明了位同步和帧同步的必要性和具体实施方案，最后对消除相位模糊的方法进行了理论分析。39第3章 硬件电路的设计与仿真第3章 硬件电路的设计与仿真本章主要介绍两套接收机模拟电路的设计方案与实现方法，分析了相关理论，使用Tina等仿真软件对设计方案进行了仿真，使用Altium Dsigner设计了原理图和PCB文件。在本套系统中模拟电路部分的作用是将天线接收进来的微弱信号进行

43、放大滤波等处理，滤除信道中的带外干扰，并放大至数字电路板可以采集的合适幅度。3.1 系统整体框图接收机模拟电路系统框图如图3.1所示，天线接收的信号是一对幅度相同、相位相反的差分信号IN+和IN-，无源滤波网络对带外较大的干扰进行滤波处理，防止前置低噪声放大器因干扰太大造成阻塞，丢失有效信息；然后前置低噪声放大器将差分信号放大为单端信号，经过有源滤波器进行滤波，滤除带外干扰，经过中间级放大器放大至自动增益控制（AGC）电路可以起控的幅度，AGC电路将信号稳定至一个固定的幅度，最后由数字电路板上的模拟数字转换器（ADC）完成模拟信号的采集功能。接收机模拟电路整体参数如下：(1) 中心频率：31H

44、z/300kHz；(2) 系统带宽：6.2Hz/60kHz；(3) 增益：40dB100dB；(4) 稳定输出幅度: 1V；(5) 动态范围：60dB；(6) 接收机灵敏度：小于-70dBm/-80dBm。图3.1 接收机模拟电路系统框图3.2 系统电源部分整个接收机是由两块12V的锂电池通过串联组成12V电源，电源系统由3片线性电源芯片组成，分别是TPS7A4700、TPS7A3001和LT1764。TPS7A4700和TPS7A3001是模拟系统电源，TPS7A4700负责将+12V转换成+5V，TPS7A3001则将-12V转换成-5V， LT1764负责给数字板提供5V/3A的电源。首

45、先介绍模拟系统电源，其电路图如图3.2所示，图中左侧是+12V转+5V的TPS7A4700，它具有非常低的噪声和较宽的电压输入范围，能够为负载提供1A的电流，具有宽电压输入范围，输出电压噪声在10Hz和100Hz可低至4VRMS；右侧是-12V转-5V的TPS7A3301，它是具有较宽的输入电压范围，最大输出电流为1A的超低噪声线性负电压稳压器，改变图中R15和R18的比值可获得不同的输出电压。图3.2 模拟电路板电源模块数字板稳压芯片选用LT1764，它是凌力尔特公司生产的一款低压差稳压器，输出电流可以达到3A，可以满足数字板满功率工作。其输出电压范围为1.21至20V，芯片自带电流限制、热

46、限制和反向电流保护等自保护电路，其电路图如图3.3所示。本课题使用可调版本的LT1764，通过改变R1和R2的值来改变输出的电压值；令R2=9.3K、R1=3K，可以在输出端得到+5V的输出电压。图3.3 LT1764电路原理图3.3 无源滤波网络由于接收机天线不具有滤波能力，接收到的信号中既有带内有用信号，也有带外干扰信号。由于到达接收端的信号十分微弱，当带外干扰比较严重时，前置低噪声放大器饱和，会发生阻塞现象，所以有必要加一级抑制带外干扰的滤波器。滤波器可分为有源和无源之分。有源滤波器由电阻、电容和运算放大器组成，并需要外部电源。所以有源滤波器的输出受运算放大器的噪声性能和电源纹波影响较大，往往会引入较大的噪声，不适合应用在微弱信号级。无源滤波器只由电阻、电容或电感这些无源器件组成，不会引入额外的噪声，适合应用在微弱信号级。3.3.1 超低频接收机无源低通网络对于31Hz超低频通信系统，50Hz工频干扰是主要干扰，使用两级RC低通网络可对其有一定抑制作用。其设计参数如下：对于31Hz的插入损耗小于6dB，50Hz工频干扰损耗大于9dB。图3.