This paper examines in detail the d

This paper examines in detail the design of a new underwater acoustic modem targeted for high frequency communications. Our FPGA modem is designed to modulate and demodulate a BPSK signal, which has been shown to be suitable for underwater communications. The remainder of this paper is organized as follows. Section II discusses the existing approaches towards underwater modem design, Section III explains our FPGA modem, Section IV contains implementation and verification of the design and finally Section V concludes the paper.
II. RELATED WORKS

Underwater acoustic communication has been investigated by many researchers and the major focus in this area is transmission range, bandwidth utilization and reliability in handling multipath propagation and other channel effects. The diversity in the potential application space for underwater sensor networks has led to different projects with a wide range of design requirements. The high frequency channel is poorly documented, because most existing work applies to longer paths at lower frequencies. Commercially available acoustic modems produce data rates from 100 bps to about 40 Kbps and have an operating range of up to a few km and an operating depth in the range of thousands of meters. Researchers in California Institute for Telecommunications and Information Technology have designed a FSK software modem [7] which can operate only at frequencies below 3 kHz. Researchers at the Woods Hole Oceanographic Institution have described a completely self-contained, autonomous acoustic modem capable of moderate communication rates with low power consumption [8]. This modem uses a single specialized DSP board with on board memory and batteries. Our work is targeted to operate at high frequency with the proper utilization of available underwater bandwidth.
Researchers at UC, Santa Barbara are also developing a hardware acoustic underwater telemetry modem (133 bps data rate) using a DSP board with custom amplifiers, matching networks, and transducers for ecological research applications [9]. Most recent works in underwater development have relied on using the WHOI micro-modem [10], which operates only at low frequencies (

Kết quả (Việt) 1:

Bài báo này kiểm tra chi tiết thiết kế của một modem mới âm thanh dưới nước nhắm mục tiêu cho tần số cao truyền thông. Modem FPGA của chúng tôi được thiết kế để điều chỉnh và demodulate một tín hiệu BPSK, đã được chứng minh là phù hợp với thông tin liên lạc dưới nước. Phần còn lại của bài báo này được tổ chức như sau. Phần II thảo luận về các phương pháp tiếp cận hiện có đối với thiết kế dưới nước modem, phần III giải thích của chúng tôi modem FPGA, phần IV chứa thực hiện và xác minh của thiết kế và cuối cùng phần V kết luận giấy.II. LIÊN QUAN ĐẾN TÁC PHẨMDưới nước giao tiếp âm thanh đã được nghiên cứu bởi nhiều nhà nghiên cứu và tập trung chủ yếu trong lĩnh vực này là phạm vi truyền, sử dụng băng thông và độ tin cậy trong việc xử lý ion tuyên truyền và các hiệu ứng kênh. Sự đa dạng trong không gian ứng dụng tiềm năng cho dưới nước cảm biến mạng đã dẫn đến các dự án khác nhau với một loạt các yêu cầu thiết kế. Kênh tần số cao là kém tài liệu, vì hầu hết các công việc sẵn có áp dụng cho các đường dẫn dài ở tần số thấp hơn. Thương mại có sẵn âm thanh modem sản xuất tốc độ dữ liệu từ 100 bps đến khoảng 40 Kbps và có một phạm vi hoạt động của lên đến một vài km và một chiều sâu hoạt động trong phạm vi của hàng ngàn mét. Các nhà nghiên cứu ở California viện viễn thông và công nghệ thông tin đã thiết kế một FSK phần mềm modem [7] mà có thể hoạt động ở các tần số dưới đây 3 kHz. Nhà nghiên cứu tại viện Hải dương học lỗ Woods đã mô tả một hoàn toàn khép kín, tự trị âm thanh modem có khả năng lượng vừa phải giao tiếp với mức tiêu thụ điện năng thấp [8]. Modem này sử dụng một đơn chuyên ngành DSP bảng với trên bộ nhớ và pin. Công việc của chúng tôi là mục tiêu để hoạt động ở tần số cao với việc sử dụng thích hợp của băng thông có sẵn dưới nước.Nhà nghiên cứu tại UC, Santa Barbara cũng đang phát triển một phần cứng âm thanh từ xa dưới nước modem (133 bps tốc độ dữ liệu) bằng cách sử dụng một ban DSP với tùy chỉnh khuếch đại, phù hợp với mạng lưới, và cảm biến cho các nghiên cứu sinh thái ứng dụng [9]. Các tác phẩm gần đây đặt ở dưới nước phát triển đã dựa vào bằng cách sử dụng WHOI vi-modem [10], mà hoạt động chỉ tại tần số thấp (< 30 kHz). Những người khác sử dụng thương mại âm thanh modem hoặc xây dựng tùy chỉnh thu cho mỗi ứng dụng - cả hai đều thiếu tính linh hoạt và có thể yêu cầu prohibitive tiền tệ hoặc thời gian đầu tư cho nhiều ứng dụng. Chi phí của một đơn thương mại dưới nước âm thanh modem là ít vài ngàn đô la Mỹ. Hầu hết các modem nào sẵn có cho thông tin liên lạc dưới nước được thực hiện như là một sự kết hợp của FPGA và DSP xử lý và hỗ trợ ứng dụng cụ thể. Cả hai tác phẩm báo cáo trong [8] và [9] tập trung vào phát triển modem âm thanh dưới nước với chi phí thấp và giá cả phải chăng phần cứng, chúng tôi làm việc nhằm mục đích giảm chi phí hơn nữa và làm cho một phần mềm hoàn toàn dựa trên âm thanh modem với hỗ trợ phần cứng tối thiểu có thể hoạt động trong một môi trường dưới nước Tần số cao (100 kHz đến 1MHz) đặc biệt. Kỹ thuật điều chế BPSK được mô tả trong [11] sử dụng một đa chọn chiếc tàu sân bay trong giai đoạn hoặc 180o ra khỏi giai đoạn tùy thuộc vào các điều kiện của dữ liệu đầu vào nhị phân. Các tác giả trong [12] đã mô tả FPGA dựa trên kỹ thuật số Defined thông tin hệ thống dữ liệu Radio phát sóng truyền đi dọc theo phát sóng FM nhưng việc thực hiện lọc, Sin thế hệ và tàu sân bay thu hồi kỹ thuật không được thảo luận chi tiết. Các tác giả trong [13] đã thảo luận một thiết kế demodulator chế biến truyền dữ liệu vệ tinh. Nếu không có là các công việc ít được công bố trên FPGA modem. Demodulators yêu cầu các bộ lọc để loại bỏ tiếng ồn không mong muốn từ tín hiệu nhận được. Các tác giả trong [14] trình bày một phương pháp hiệu quả cho việc thực hiện bộ lọc kỹ thuật số trong FPGAs, mà tránh cách tiếp cận chung của nhân đấu mà không kinh tế ở FPGA kiến trúc. Trong công việc của họ, Hệ số được thay thế bởi nhìn lên bảng và adder-subtractors, sử dụng Bit-Serial số học. Phương pháp này làm giảm việc sử dụng tế bào logic trong một FPGA nhưng làm giảm hiệu suất lọc. Các phương pháp tiếp cận đối với hệ số miễn phí FPGA lọc thiết kế có thể được nhìn thấy trong [15, 16], đó là đắt tiền, kể từ khi họ được thực hiện trong phần cứng.III. FPGA ÂM THANH MODEMPhần này trình bày một khái niệm tiểu thuyết thiết kế để xây dựng một modem phần mềm được định nghĩa trong FPGA, cung cấp một nền tảng linh hoạt mà trên đó để phát triển kỹ thuật thích hợp để giao tiếp tỷ lệ thấp, tần số cao.A. điều chế BPSKNhị phân giai đoạn Shift Keying (BPSK) là một trong các kỹ thuật điều chế dữ liệu nhị phân hiệu quả nhất trong điều khoản của tiếng ồn miễn dịch cho một đơn vị băng thông. Đơn giản BPSK điều chế là một quá trình chuyển đổi một giai đoạn tàu sân bay cho một dữ liệu biểu tượng trong khi không thay đổi nó cho khác. Hình 1 cho thấy sơ đồ khối đơn giản của chúng tôi bộ điều biến BPSK mà hoạt động bằng cách dịch chuyển giai đoạn một tàu sân bay của 180o cho dữ liệu "một" trong khi không chuyển nó cho dữ liệu "zero". Chúng tôi đã thực hiện nó như một máy phát điện nhìn lên bảng (LUT) dựa trên sinusoid, theo XORing những mẫu với đầu vào dữ liệu nhị phân. Bởi vì mã (dữ liệu) và nhà cung cấp tín hiệu có nguồn gốc từ dao động tham khảo tương tự chúng được bảo đảm để được đồng bộ. Điều này có thể trình bày các cơ hội cho dao động độc đáo và thời gian phục hồi kỹ thuật trong demodulator.Trong một M-ary hoặc nhiều giai đoạn-shift keying (MPSK), không có nhiều hơn hai giai đoạn, thường bốn hoặc tám. Bộ điều biến chúng tôi có thể sản xuất MPSK bằng cách sử dụng nhiều nhìn lên bảng hoặc bằng cách dịch chuyển mục vào bảng nhìn lên bởi một đối tượng dời hình thích hợp cho mỗi biểu tượng M.

Kết quả (Việt) 2:

Bài viết này đánh giá chi tiết thiết kế của một modem âm dưới nước mới nhắm mục tiêu cho truyền thông tần số cao. Modem FPGA của chúng tôi được thiết kế để điều chỉnh và giải điều chế tín hiệu BPSK, mà đã được chứng minh là phù hợp với thông tin liên lạc dưới nước. Phần còn lại của bài viết này được tổ chức như sau. Phần II thảo luận về các phương pháp hiện có theo hướng thiết kế modem dưới nước, Mục III giải thích modem FPGA của chúng tôi, phần IV chứa thực hiện và xác minh của thiết kế và cuối cùng là phần kết luận V giấy.
II. LIÊN QUAN CÔNG TRÌNH Underwater truyền thông âm thanh đã được nghiên cứu bởi nhiều nhà nghiên cứu và tập trung chủ yếu ở khu vực này là phạm vi truyền dẫn, sử dụng băng thông và độ tin cậy trong việc xử lý tuyên truyền đa đường và hiệu ứng kênh khác. Sự đa dạng trong không gian ứng dụng tiềm năng cho mạng cảm biến dưới nước đã dẫn đến các dự án khác nhau với một loạt các yêu cầu thiết kế. Kém là các kênh tần số cao được ghi nhận, bởi vì hầu hết các công việc hiện tại áp dụng cho các đường dẫn dài hơn ở tần số thấp hơn. Thương mại modem acoustic sẵn sản xuất dữ liệu mức giá từ 100 bps đến khoảng 40 Kbps và có một phạm vi hoạt động lên đến vài km và độ sâu hoạt động trong phạm vi ngàn mét. Các nhà nghiên cứu tại Viện California cho Viễn thông và Công nghệ thông tin đã thiết kế một phần mềm modem FSK [7] mà chỉ có thể hoạt động ở tần số dưới 3 kHz. Các nhà nghiên cứu tại Viện Hải dương học Woods Hole đã mô tả một cách hoàn toàn khép kín, tự trị modem acoustic có khả năng giao tiếp giá vừa phải với mức tiêu thụ điện năng thấp [8]. Modem này sử dụng một ban DSP chuyên ngành duy nhất với bộ nhớ ban ngày và pin. Công việc của chúng tôi là mục tiêu hoạt động ở tần số cao với việc sử dụng thích hợp của băng thông dưới nước có sẵn. Các nhà nghiên cứu tại Đại học California, Santa Barbara cũng đang phát triển một âm thanh phần cứng từ xa dưới nước modem (133 bps tốc độ dữ liệu) bằng cách sử dụng một ban DSP với bộ khuếch đại tùy chỉnh, phù hợp với các mạng, và bộ biến cho các ứng dụng nghiên cứu sinh thái [9]. Hầu hết các tác phẩm gần đây trong phát triển dưới nước đã dựa vào việc sử dụng các WHOI vi modem [10], mà chỉ hoạt động ở tần số thấp (<30 kHz). Những người khác sử dụng modem acoustic thương mại hoặc xây dựng thu phát tùy chỉnh cho mỗi ứng dụng - cả hai đều thiếu tính linh hoạt và có thể yêu cầu cấm tiền hoặc thời gian đầu tư cho nhiều ứng dụng. Chi phí của một modem âm dưới nước thương mại duy nhất là ít nhất là vài nghìn đô la Mỹ. Hầu hết các modem hiện có cho thông tin liên lạc dưới nước được thực hiện như là một sự kết hợp của FPGA và DSP xử lý và hỗ trợ các ứng dụng cụ thể. Cả hai công trình được báo cáo trong [8] và [9] tập trung vào việc phát triển modem âm dưới nước với chi phí thấp và phần cứng chuyên dụng giá cả phải chăng, công việc của chúng tôi nhằm mục đích giảm chi phí hơn nữa và làm cho một modem acoustic hoàn toàn dựa trên phần mềm với sự hỗ trợ phần cứng tối thiểu mà có thể hoạt động ở một tần số cao (100 kHz đến 1MHz) môi trường dưới nước. Các kỹ thuật điều chế BPSK được mô tả trong [11] sử dụng một bộ đa mà chọn tàu sân bay hoặc trong giai đoạn hoặc 180o ra khỏi giai đoạn tùy thuộc vào điều kiện của dữ liệu đầu vào nhị phân. Các tác giả trong [12] đã mô tả các giải điều chế kỹ thuật số dựa trên FPGA của thông tin vô tuyến Hệ thống dữ liệu phát sóng truyền dọc FM phát sóng nhưng việc thực hiện bộ lọc, tạo hình sin và kỹ thuật phục hồi tàu sân bay không được thảo luận chi tiết. Các tác giả trong [13] đã thảo luận một thiết kế bộ giải điều chế để truyền dữ liệu vệ tinh, chế biến. Nếu không có rất ít công bố công trình trên FPGA modem. Bộ Điều đòi hỏi các bộ lọc để loại bỏ tiếng ồn không mong muốn từ các tín hiệu nhận được. Các tác giả trong [14] trình bày một phương pháp hiệu quả để thực hiện các bộ lọc kỹ thuật số trong FPGA, mà tránh cách tiếp cận chung của nhân mà không phải là kinh tế trong kiến trúc FPGA. Trong công việc của họ, hệ số nhân được thay thế bởi các bảng nhìn lên và subtractors adder-, mà sử dụng Bit-Serial Arithmetic. Cách tiếp cận này làm giảm việc sử dụng tế bào logic trong một FPGA nhưng làm giảm hiệu suất lọc. Phương pháp tiếp cận khác đối với thiết kế bộ lọc FPGA nhân miễn phí có thể được nhìn thấy trong [15, 16], mà là tốn kém vì chúng được thực hiện trong phần cứng. III. FPGA ACOUSTIC MODEM Phần này trình bày một khái niệm thiết kế mới lạ để xây dựng một phần mềm được xác định modem trong FPGA, cung cấp một nền tảng linh hoạt mà trên đó để phát triển các kỹ thuật thích hợp đến cao tốc, thông tin liên lạc tần số cao. A. BPSK Modulation Phase Binary phím Shift Keying (BPSK) là một trong những kỹ thuật điều chế dữ liệu nhị phân hiệu quả nhất về khả năng chống ồn trên một đơn vị băng thông. Đơn giản điều chế BPSK là quá trình chuyển một giai đoạn vận chuyển đối với một biểu tượng dữ liệu trong khi không chuyển nó cho người khác. Hình 1 cho thấy sơ đồ khối đơn giản của BPSK modulator của chúng tôi mà hoạt động bằng cách chuyển giai đoạn một của hãng bằng 180o cho dữ liệu "một" trong khi không chuyển nó cho dữ liệu "zero". Chúng tôi đã thực hiện nó như một cái nhìn lên bảng (LUT) dựa trên máy phát điện hình sin, tiếp theo XORing các mẫu với các dữ liệu đầu vào nhị phân. Bởi vì mã (dữ liệu) và tín hiệu sóng mang được bắt nguồn từ cùng một dao động chuẩn họ được đảm bảo được đồng bộ. Điều này có thể trình bày những cơ hội cho Dao động và phục hồi thời gian kỹ thuật độc đáo trong bộ giải điều chế. Trong một pha ca M-ary hoặc nhiều keying (MPSK), có hơn hai giai đoạn, thường là bốn hoặc tám. Điều biến của chúng tôi có thể sản xuất MPSK bằng cách sử dụng nhiều bảng nhìn lên hoặc bằng cách thay đổi các chỉ số vào nhìn lên bảng bằng một thích hợp bù đắp cho nhau trong những biểu tượng M.