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摘要水下声通信系统是专门在水下接收和发送信息的技术，声波和光波、电磁波相比，它在水下衰减的比较慢，因此可以在水下进行长距离的信号传送。水下声通信最经常使用的方法是利用水声换能器，但在通信过程中会遇到很多问题，遇到的问题主要是通道的多径效应、时变效应、可用频宽窄、信号衰减严重，尤其在远距离传送中。还有就是关于传输速率问题，因为水下通信利用的是声波而不是无线电波，所以水下通信比有线通信的传输速率低很多。现阶段开发和利用海洋资源成为一种发展趋势，而水声通信作为水下唯一的通信手段，将会成为各个国家研究的重点，也必将得到高速的发展，从而在人类认识海洋、探索海洋到最终全面了解海洋的过程中起到重要的作用。27341
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毕业论文关键词 水声通信 声波 水声换能器 海洋Title Underwater ultrasonic communication systemdesign based on MSP430AbstractUnderwater acoustic communication is an underwater receiving and sending technicalinformation,and electromagnetic waves,light waves compared to acoustic underwaterdecay more quickly,so the sound waves can be used for signal transmission for longdistances underwater.Underwater Communication has many ways,but the most oftenused is the use of underwater acoustic transducers.There are many problems ofUnderwater Communication to overcome,and these problems are mainly about multipathchannel,time-varying effect,narrow the available long-distance.Becauseunderwater communication uses sound waves instead of radio waves, so the underwatercommunication transmittal rate is lower than wired communication.For our beautiful life,making use more of sea is a trend.The underwater acousticcommunication as the only means of communication will be developed quickly.Andit will play an important role in in understanding the ocean, exploring theocean .Keywords Underwater Communication,Sonic,Underwater acoustic transducers,Ocean
目 次
1 引言（或绪论） 1
1.1 课题研究背景. 1
1.2 国内外研究现状. 1
1.3 论文主要内容. 4
2 超声波通信技术 6
2.1 换能器模型分析. 6
2.2 超声波特性. 9
2.3 超声波通信信道问题. 10
3 超声波通信系统模型 12
3.1 系统模型. 12
3.2 调制解调方法. 12
3.3 放大电路分析. 16
4 系统软硬件实现方法 17
4.1 软件设计. 17
4.2 硬件设计. 22
5 系统性能测试 31
5.1 超声波测距系统. 31
5.2 超声波通信系统. 32
结 论 35
致 谢 37
参考文献 38
附录 A 超声波测距程序. 40
附录 B 产生 PWM 波程序. 42
附录 C 数据采集程序. 46
1 引言（或绪论）1.1 课题研究背景目前能源缺乏问题日益严重，因此必须找寻新的能源来源。海洋资源丰富，不管是在质量还是数量上，均引起了很多国家的强烈关注，因此海洋世界的探索成为了现如今一大热门课题。那么在探索海洋的过程中，水声通信就起到了关键性作用，它目前已经覆盖了多个领域，主要包含了以下几个方面[1]：(1)水面舰艇、潜艇相互间通信通常利用水声通信。尤其是潜艇处在潜航状态时，无线电或者其它的一些通信方式都将失去作用，唯一可能的通信就是水声通信[2]。而且如果在我国大陆架附近和远一些的海域，组建大范围可靠的水声通信网络，那么我国领海防御和海军远航作战能力将得到质的提升。(2)水声反潜网络的建立。在未来反潜战中网络化是一种发展趋势，其中水声通信和水声数据链传输将起到重要的作用，建立反潜网络需要将水下分布式监测器、水下无人航行器、潜艇和水面舰艇联系起来，建立系统信息网络用来传递语音、数据乃至图像等信息。网络化通信对水下目标的检测、定位和攻击能力有了很大的提高。(3)水下潜器数据以及命令的传输。 这些命令和数据包括对水下潜器的状态控制和其状态应答，以及水下潜器采集系统的数据传回甚至是水下目标图像的获取等。在这些场景下不适合使用电缆，那么最好的办法就是是利用水声通信。(4)海洋环境的监测和灾难提前预警。 如果能够建立一个庞大的监测全球海洋海流、 潮汐、温度等数据的网络，而且能够实现监测数据可靠及时传输，那么将对人类认识海洋、了解海洋、预警灾难性气候、环境保护等方面起到不可忽视的作用。1.2 国内外研究现状人类的听觉上限是 20KHz，超声波是指频率大于 20KHz 的声波，超声波因频率下限大约等于人的听觉上限而得名,其中超声波的典型应用[3]如下表 1-1：应用领域 主要效应萃取、沉淀与雾化、乳化与破乳、过滤、超声清洗、灭菌、药物提纯、超声手术机械作用、空化作用超声焊接、固体粉碎、除尘、无损检测、测厚、超声定位、雷达等机械作用A 型超声诊断仪、B 型超声诊断仪、超声心动仪、超声理疗等热效应非均相化学反应、有机降解反应、高分子化学反应、自由基反应等化学效应水声通信技术第一次出现是在 1914 年，这一年水生电报系统研制成功,1945 年美国海军水声实验室成功研制了第一个具有实际意义的水下电话并用于潜艇的通信， 它采用了单边调制技术，载波频率为 8.33KHz[4]。自发展以来，人们研制了各种各样的超声波通信系统，并且申请了专利，如下表所示：专利号及公开年份 名称 描述U.S.Patent No.3,943,49[5]1976年超声波数字接收器 拥有一个受控门电路， 接收具有已知脉宽和间隙的超声波信号。 当收到的第一个脉冲时， 门打开，直到后续序列被收到并且没有脉冲出现， 关闭门电路，这样可以抑制多径信号的干扰。U.S.Patent No.4,045,767[6]1977年超声波数据通信的方法及实现该方法的设备在该超声波通信系统中， 每个要传输的数据由不同频率的排列组合来表示，这样可以避免混响。缩短传输数据的时间。U.S.Patent No.5,410,587[7]1995年一种小汽车上的超声波无线电话一种装载在汽车上的超声波手持设备， 语音和控制信号通过超声波在超声波手持设备和基站之间进行传输。U.S.Patent No.5,539,705[8]1996年基于超声波的语音转换器和通信系统该系统实现了在发射端将语音信号调制到超声波频段，利用超声波来穿过气体、液体或固体媒介，接收端将语音信号从超声波频段解调出来，这样可以绕开无线电磁波的检测，保密性强。U.S.Patent No.5,982,297[9]1999年超声波数据通信系统 系统中两个超声波换能器通过固体媒介耦合在一起， 外面的控制器将要发送的数据通过换能器转换成超声波， 穿过固体媒介， 进入密封容器内部，容器内部的换能器将收到的超声波转换为电信号，控制里面的传感器。 同样里面的传感器的数据也可以通过这个系统向外发送，实现双向通信。U.S.Patent No,2009/0279389[10]2009年超声波信号器件，通信器件，潜水器件，通信系统和通信方法一种超声波通信器件， 其中超声波振荡单元产生两个频率的超声波信号（400KHz和 1.3MHz），系统将以这两个频率进行通信。早期发展的水声通信多采用模拟频率调制技术，例如在 20 世纪 50 年代末开发的调频水声通信系统，使用的载波频率为 20KHz 和带宽为 500Hz，在水底能够和水面船只成功通信，因为模拟频率调制技术也有一些缺点，例如不能减轻由于水声信道的衰落引起的变形，就对系统性能的提高有了很大的限制，所以它被以后的技术超越成是必然[11]。20 世纪 70 年代以来，伴随着信息科学和电子技术的高速发展，水声通信技术也得到了快速发展，新一代水声通信系统开始尝试使用数字调制技术，采用数字调制技术有两个优点：首先，数字调制技术可以通过纠错编码技术来增强数据传输的可靠性;其次，数字调制技术能够对在频域(多普勒扩展)和时域(多途)上的信道变形进行一些补偿， 包括频率和时间上的补偿[12]。伴随着处理器技术的高速发展，各种快速调制解调的算法也应运而生，数字调制技术的主流是频移键控(FSK)、幅移键控(ASK)和相移键控调制(PSK)，而其中作为一种能量检测(非相干)而不是相位检测(相干)算法，FSK 系统对信道的时间和频率扩展拥有特殊的稳健特性[13]。此外，目前水声通信技术已经发展到网络化的阶段[14]，该网络由大量的传感器节点组成，它的目标是在沿海岸线提供有效收集包括收集舰艇、 潜艇和海洋的数据，将所有数据通过传感器网络中的传感器收集在一个点（数据融合）进行处理后作出决策。水下传感器网络拥有有效的控制、监控和决定能力，它在战争时期期间以及在和平时期将是打击恐怖主义的有效措施。但这种技术目前正在发展中，只有小部分国家试验成功。海洋水声信道是一个非常复杂的时间-空间-频率变化、多径干扰严重、高噪声和频带有限的信道，它是目前仍存在较大难度的无线通信信道[15]。研究水声通信需要利用很多知识，比方说电子技术、声学、信号处理和海洋学等，目前这种技术是各国科学工作人员研究的热点。另外，水声通信技术是世界上一些发达国家对我国实行科技封锁的领域之一，因此自主研制水声通信技术具有更远大的意义。1.3 论文主要内容本文的目的在于设计一个基于单片机MSP430水下超声波通信系统，研究在水下进行超声波通信的可行性，并对通信系统的模型进行分析。本文首先设计实现了超声波测距系统，并对超声波通信系统中的超声波换能器性能指标、信道问题、调制解调方法以及放大电路进行了理论性分析，为做好超声波通信系统打下了良好的基础。本文结构安排如下：第一章介绍了课题研究背景，以及国内外发展现状，并指出了研究水下超声波通信技术的现实意义。第二章介绍了超声波换能器的性能指标、动态特性和等效电路，并讨论了超声波通信信道的基本问题。第三章介绍超声波通信系统的模型，并对系统的各个组成部分进行分析和验证。第四章系统的软硬件设计，通过上章的理论分析，设计出可行的软硬件，重点讨论了超声波测距系统的设计思路和超声波通信系统中所应用到的调制解调及放大电路，并详细介绍了设计方法。第五章对设计的系统模块进行测试，本文做成的实物是超声波测距，并对得出的数据进行分析讨论。结论总结本文的研究工作，并对论文中的不足之处进行了论述，对接下来的工作做了规划和展望。