任何信息需求凭借声、光、电信 号进行传递，因为光信号和电信号在海水中的衰减比较严重，而声波是人类迄今为止已知的专一能在水中远距离传达的能量局势，因而，近些年海洋中的水声通讯体系的研讨以及开发成了热门。水声通讯是指运用水声信道进行通讯两边数据传输的通讯体系，水声通讯体系构成与传统的无线电通讯体系构成具有极大的相似性，可是水声通讯体系是将电信号转化成声信号，携载信息的声信号在水中进行传达完结体系的数据传输。
1 水声通讯体系的整体结构
根据CDMA的水声通讯调制/解调体系的规划框图如图1所示，整个规划体系首要完结了信号的CDMA调制/解调、操控DAC 以及ADC 进行数字收集，模数转化和数模转化由专用的集成芯片来完结。功率扩大 器的功用是完结对调制信号的扩大，信号扩大与调度是功率扩大的逆进程;发射水声换能器完结将经过扩大器发生的电磁能转化为声能，接纳水声换能器是将接纳到的声信号转化为电信号。
图1 水声通讯体系根本模型
规划的水声通讯体系电路原理框图如图2 所示。体系的主操控芯片是Altera 公司的Cyclone Ⅲ系列的EP3C10E144C8N，内部首要包含通讯模块、扩频模块、BPSK调制模块及相应的解调模块;外围电路包含整个体系的供电电路、完结A/D 转化的ADS7800芯片、完结D/A 转化的TY5639 芯片、为整个体系供给时钟信号的的晶振电路、完结TTL电平与CMOS电平兼容的电平转化芯片74HC245A、用于烧写方针程序的JTAG接口，别的还包含数据传输的电路等。
图2 水声通讯体系的电路规划框图
该体系的作业进程：首先是上位机模仿发射端，即将发送的数字信号经串行口发送给FPGA芯片，通讯模块接纳数字信息后顺次传送给扩频模块BPSK 调制模块，至此将接纳到的数字信息进行调制后发生的信号经D/A转化器转化成模仿电信号，然后该电信号经水声换能器转化成声信号发送出去，携载了发送方发送信息的声信号在水下环境进行传达。其次是接纳端，接纳端相同有一个水声换能器担任将接纳到的声信号转化成电信号，经A/D 转化器后，所得数据信号经同步后进行BPSK解调，最终将解调出来的数字信号经通讯模块传给串行口，然后发送给接纳端，一次水声通讯进程完结。
2 体系的FPGA完结
CDMA又称码分多址，是以扩频通讯为根底的一种调制和多址方法，扩频通讯技能是一种信息传输方法，要求信号所占有的频带宽度远大于所传信息所必需的最小带宽;频带的展宽是经过编码及调制的方法完结的，并与所传信息数据无关;在接纳端则用相同的扩频码进行相关解调来解扩及康复所传信息数据。其理论依据是信息论中的香农公式：
C = B log2 (1 + S/N ) (1)
式中：C 为信道或许传输的 最大信息速率，表明信道容量;B 表明信道带宽;S 表明信号的平均功率;N 表明噪声功率。
从式(1)中能够看出：在信噪比很小的情况下，能够运用添加带宽的方法来进步体系的抗干扰功用，以确保信道容量不变。换句话说，在信道容量相同的条件下，宽带体系比窄带体系的抗干扰功用要好，所以当信噪比太小并且不能确保通讯质量时，能够选用添加带宽的方法来改进通讯质量。
图3，图4为直扩体系的作业原理图，由信号源输出的信息码与伪随机码发生器发生的伪随机码进行模2加或相乘，发生以速率与伪随机码速率相同的扩频序列，然后再用载波去调制扩频序列，就得到已扩频调制的射频信号。接纳端解扩的进程与扩频进程相同 ，用本地的伪随机序列对接纳信号进行相关解扩后进行解调。
图3 发射单元原理图
图4 接纳单元原理图
2.1 发射单元规划
发射单元首要包含伪随机序列码模块(PN 码发生器)，扩频模块，BPSK调制模块。
2.1.1 PN码发生器
PN码发生器选用m序列发生器的原理，m序列式最长线性移位寄存器，是由移位寄存器加反应后构成的。一个线性反应移存器能发生m 序列的充沛必要条件为：期特征多项式为来源多项式。本规划规划了一个7 级周期为127 的发生器，所选用的来源多项式为f (x) = 1 + x + x2 + x6，运用VHDL言语编写。
2.1.2 扩频模块
将PN码发生器生成的m序列与输入的数字信号进行异或，完结扩频功用。扩频模块的RTL图如图5所示。
图5 扩频模块RTL图
2.1.3 BPSK调制模块
调制模块挑选了具有恒包络特性的BPSK调制，它是经过基带信号操控载波的相位，使得载波相位发生跳变的一种调制方法。当码元为‘1’时，调制后相位变为180°，当码元为‘0’，时，调制后相位变为0°，为此规划了BPSK 调制模块，规划例化了两个ROM，经过Matlab 生成.mif文件用来寄存0°和180°的数据，别的还有地址挑选器，数据挑选器。
整个发射端的仿真图如图6所示，clk为体系时钟，clk_bpsk 为进行BPSK 调制的时钟，datain 为输入数据，m_out 为生成的m 序列，spre_out 为扩频后 的波形，bpsk_out为BPSK调制后的输出。从成果能够明显地看出输出信号有两次相位改变，一次是从0°~180°的跳变，另一次是从180°~0°的跳变，能够看到数据被正确的调制。
图6 发射单元仿真图
2.2 接纳单元规划
为了验证规划体系的可行性，体系里规划了BPSK解调宽和扩模块，并将发射端调制好的数据直接作为接纳端的输入数据。BPSK 解调模块里相同例化了一个ROM，存储了相位为0°的数据，将经过载波同步后的数据与ROM的输出数据进行相乘，然后进行抽样判定，判定成果如图7所示，图中spre_out为发射端扩频完的数据，sam_out 为进行抽样判定后并延时了70 个clk_bpsk，意图是为了将数据刚好在数据一直的上升沿，p_out表明开端进行解调输出，从图中能够看出判定延时后的数据刚好与扩频后的数据完全相同，仅仅延时了一段时刻表明解调时刻。
图7 BPSK解调模块成果图
假定解扩模块里已进行PN 码的同步，此处只 是进行了必定时刻的延时，使其刚好与发射端PN 码相同，然后与BPSK 解调后的数据进行异或，得到输出数据，成果如8 所示，sp_end 为解扩完的数据，p_end 为标志位表明开端进行解扩，datain 为输入的原始数据，从图中能够看出解扩的数据域开始的原始输入数据相同，仅仅有一段时刻的延时，可看出体系进行了正确的 解调。
图8 解调仿真图
3 结语
本文规划了一个根据FPGA 的直接序列扩频体系的水声通讯调制/解调体系，意图在于使水声无线通讯中具有更强的抗干扰性和保密性，体系中包含了信号的扩频及BPSK 调制以及相应的解调模块，并且在Modelsim 仿真软件上验证成功。尽管BPSK 调制相对于2FSK，2ASK 具有带宽窄、频率高、抗干扰性强等长处，广泛的使用于中高速通讯中。可是在更高速的通讯体系中，BPSK调制现已不能满意频带运用率和体系的有效性等要求，故根本选用多进制调相体系。此外，肯定调相体系会发生倒相现象，因而应该考虑选用相对相位调相体系，根据该思路的水声无线通讯必定会有更好的使用远景。
