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水下無(wú)線(xiàn)激光語(yǔ)音通信探究論文
1控制模塊
本系統(tǒng)的控制模塊選用Altera公司的CycloneII系列FPGA，該系列FPGA是Altera公司推出的低成本FPGA，其在保證成本優(yōu)勢(shì)的前提下提供了很高的集成度和性能。選用FPGA進(jìn)行控制模塊的設(shè)計(jì)具有硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，功耗低等優(yōu)點(diǎn)，并且由于FPGA具有可編程性，使得系統(tǒng)配置更加靈活，方便以后的系統(tǒng)升級(jí)，降低系統(tǒng)升級(jí)的成本。該控制模塊主要是完成為AMBE—2000提供正常工作所需要的各種時(shí)序信號(hào)以及對(duì)輸入輸出語(yǔ)音數(shù)據(jù)流進(jìn)行數(shù)據(jù)提取、去系統(tǒng)幀頭、加系統(tǒng)幀頭等工作。故可將控制模塊分為三個(gè)主要子模塊：時(shí)序產(chǎn)生子模塊，數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊和數(shù)據(jù)接收子模塊。時(shí)序產(chǎn)生子模塊主要是通過(guò)使用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行編程得到分頻器，將晶振的固有頻率通過(guò)分頻器變換為AMBE—2000所需要的頻率。數(shù)據(jù)接收和發(fā)送子模塊則主要采用FIFO進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存。并通過(guò)編寫(xiě)接收和發(fā)送有限狀態(tài)機(jī)來(lái)對(duì)FIFO進(jìn)行相應(yīng)控制，完成對(duì)語(yǔ)音數(shù)據(jù)流的接收發(fā)送及處理等任務(wù)。控制模塊的時(shí)序仿真圖如下圖3。
2調(diào)制及信號(hào)處理模塊
高效、可靠、抗干擾能力強(qiáng)的調(diào)制技術(shù)是高傳輸率、低誤碼率通信的保證，對(duì)提高系統(tǒng)性能的發(fā)揮有著重要的作用。本系統(tǒng)所采用的激光器為半導(dǎo)體藍(lán)光激光器，選用的調(diào)制模塊為實(shí)驗(yàn)室已有的調(diào)制電路。該電路所采用的調(diào)制方式為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的內(nèi)調(diào)制方式，通過(guò)對(duì)光信號(hào)強(qiáng)度的直接調(diào)制，將語(yǔ)音信號(hào)加載到藍(lán)光激光上。此調(diào)制模塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)所用的信號(hào)處理模塊電路原理圖如下圖4所示。光信號(hào)通過(guò)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為微弱的電信號(hào)。電信號(hào)輸入至第一級(jí)低噪聲放大電路，在設(shè)計(jì)該級(jí)放大電路時(shí)，考慮到所采用光電轉(zhuǎn)換器在50Ω負(fù)載電阻下頻率響應(yīng)最好，故該放大電路采用由低噪聲運(yùn)算放大器構(gòu)成的反相比例放大電路，這樣設(shè)計(jì)既能使光電轉(zhuǎn)換器工作在頻率響應(yīng)最好的狀態(tài)，又能滿(mǎn)足適當(dāng)?shù)那凹?jí)放大。第二級(jí)為一個(gè)二階的低通濾波器，濾除高頻噪聲。第三級(jí)為反向比例放大電路構(gòu)成的主放大電路，該電路使信號(hào)放大到滿(mǎn)足整流電路能夠響應(yīng)的電壓值。最后一級(jí)為一個(gè)電壓比較器構(gòu)成的整流電路，該整流電路是模擬電路與數(shù)字電路的接口。
3實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的性能，在實(shí)驗(yàn)室中通過(guò)裝滿(mǎn)海水的長(zhǎng)約1m的水槽模擬海水信道進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如下圖5所示。圖5實(shí)驗(yàn)裝置示意圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。圖6—1為5個(gè)數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)數(shù)據(jù)幀整體對(duì)比圖。藍(lán)色為原始數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)，黃色為經(jīng)過(guò)信道傳輸以及信號(hào)處理模塊處理后的數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)。圖6—2為單個(gè)數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)數(shù)據(jù)幀對(duì)比圖。圖6—3則為數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)數(shù)據(jù)幀幀頭的對(duì)比圖。由以上三圖可以看出，經(jīng)傳輸和處理后的信號(hào)與原始信號(hào)基本一致。圖6—4為原始模擬語(yǔ)音信號(hào)與經(jīng)過(guò)傳輸以及語(yǔ)音通信系統(tǒng)還原后的模擬語(yǔ)音信號(hào)的對(duì)比圖，由圖中可以看出，兩個(gè)信號(hào)雖然存在一些延時(shí)，信號(hào)幅值也不同但信號(hào)的包絡(luò)基本相似。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過(guò)揚(yáng)聲器，也能聽(tīng)到清晰同步的語(yǔ)音。
4結(jié)論
設(shè)計(jì)了一款基于FPGA的水下無(wú)線(xiàn)激光語(yǔ)音通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，功耗低，借助于FPGA的可編程性以及AMBE—2000的語(yǔ)音速率和前向糾錯(cuò)數(shù)據(jù)速率選擇靈活的特點(diǎn)，使得該系統(tǒng)升級(jí)方便。光學(xué)對(duì)準(zhǔn)模塊是提高系統(tǒng)光功率利用率的重要光學(xué)手段，本文側(cè)重于該系統(tǒng)的電路部分，故不對(duì)光學(xué)對(duì)準(zhǔn)模塊做過(guò)多介紹。系統(tǒng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)是在較為理想的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行的，對(duì)于在真實(shí)海水信道下的實(shí)際效果，還需進(jìn)一步的實(shí)際測(cè)量。
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