数字化水听器以太网数据传输方案设计
本文针对数字化水听器数据传输的原理性设计和验证，设计了一套以太网数据传输的水声数据采集与处理系统。该系统采用STM32单片机作为处理器，利用其内部12位AD模块以可调节的采样频率进行数据采集并在单片机内部进行数字化的算法处理。数据采集和数字化完成之后，利用串口模块在水下将数据发送到水面上的以太网模块，由以太网模块打包数据，通过扩展WIFI模块并传输到上位机。最终上位机能实现声波信号的恢复，同时上位机软件可通过下发的命令调节水下处理器采样频率。实验证明声波信号能很好地恢复。该方案对于理解水下信号处理的流程及以后广泛的工用及民用有着重要意义。
目录
摘要 I
ABSTRACT II
目录 III
第1章 绪论 1
1.1 课题提出的背景 1
1.2 课题研究的历史及现状 1
1.3 本课题的研究内容及意义 4
第2章 系统设计 5
2.1 总体实现方法 5
2.2 单片机选择 5
2.3 信号的采样恢复 7
2.4 以太网及WIFI通信方式的选择 9
2.4.1 以太网模块 10
2.4.2 WIFI模块 10
2.5 sd卡模块的有益效果 11
2.6 TCP协议 11
2.7 本章小结 12
第3章 系统硬件实现 13
3.1 STM32处理器硬件实现 13
3.2 数据传输模块 15
5.3 调试模块 16
3.3.1 8位电压采集模块 16
3.3.2 TCP调试助手 17
3.4 本章小结 17
第4章 系统软件实现 18
4.1 开发工具介绍 18
4.2 下位机软件设计 18
4.3 上位机实现 20
4.4 本章小结 22
第5章 系统测试 23
5.1 功能测试 23
5.2 性能测试 24
5.3 相关测试用例设计 24
5.4 测试数据展示 25
5.5
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本章总结 28
第6章 总结和展望 29
6.1 总结 29
6.2 展望 29
参考文献 30
致谢 32
绪论
课题提出的背景
进入信息化时代之后，一个领域上科技的发展常常能带动周边领域的发展。当今时代是一个飞速发展的信息爆炸的信息时代，通信是进入当今时代进程中发展最迅速、进歩最快的行业[1]。因特网和移动通信网被认为[2]是陆地和空中通信领域中最积极、最活跃和发展最快的分支，其技术不断发展，但是水下信号处理领域的发展还有很大的发展空间。尤其是，计算机的计算能力和数据存储空间的大幅提高在很大程度上对水声信号处理领域提供了越来越便利的手段，带来了很多研究优势，同时连同国家安全以及国民经济对海洋领域的需求，水下信号处理设定的标准越来越高，需求也越来越高。综合这些现状，水声信号处理成为海洋领域和信息领域最有前途的学科之一 。
浑浊、含盐的海水中，光波、电磁波[34]在水中传播时，衰减都比较大，以衰减最小的蓝绿光[5]为例，他们在海水中的传播距离十分有限，很大的一部分原因就是其衰减也达到了40dB/km，并不能满足人类海洋活动的需要。当声波在频率特别低的情况下，一般低于200Hz时，在海洋中的传播距离[6]能达到几百公里。例如，声波频率20 Hz时在水中的衰减只有23dB/km。因此声波成为水下通信一般使用的通信媒介。但是在20Hz到2KHz的频率内，经研究表明声波在水中的衰减状态正好与频率的平方成正比[7]，该特性导致了水下声信道是带宽必须限定在一定范围之内。由上文叙述可知，电磁波不能简单应用于水下通信；就目前科技发展而言，海洋中通信、定位、检测和导航主要利用声波；声波是目前水中信息传输的主要载体[8]。
水听器[9]是水下声学传感器，是通过接收声波对水下目标进行探测、定位和识别的传感器。将水听器、前置放大器和模数变换器组合在一起就构成了数字化水听器。
课题研究的历史及现状
从1914年开始，水下信号处理领域开始有所发展，在这一年中，水声电报系统[10]得以研制成功，这开启了水下通信的新天地。这一切都要归功于战争的需求。紧接着，水下信号便发展起来，美 国 海 军 实 验 室在1945年研制出水 下 电 话，是世界上第一个具有实际意义[11]的水 声 通 信 系 统。这个水下电话的水声通信系统在调制技术上使用单边带调制技术，并且在当时以用于潜艇之间的通信为主要目标。
模拟频率调制技术时水声通信在早期更为优先选择的调制技术。比如在50年代末研制出来了载波频率为20KHz以及带宽是200Hz的调频水声通信系统[12]。实现了水下到水上，即潜艇到水面船只之间的通信。但是使用模拟调制的系统有着很大的缺点，不能从根本上去除水声信道的衰落给信号带来的畸变影响，不能有效提高系统整体性能。
70年代以来，电子技术、信息科学等技术成指数形式的发展很大程度上拉动了水声信号处理通信领域技术在这段时间内迅猛发展。相较于50年代的水声通信系统，这段时期内的水声通信系统逐渐抛弃了模拟调制技术，而开始尝试数字调制技术。数字调制技术在水声通信领域展现出了很多优势，首先，数字调制技术可以在因为水声信道的衰落导致的时域和频域上的畸变进行补偿；再者，数字调制技术中所采用的纠错编码技术可以使得数据传输在一定程度上更为准确。
随着计算机水平的爆炸性发展，各类处理器如雨后春笋般发展起来，更为快捷方便、可靠性更高的快速解调算法也出现了。在这个阶段，数字调制技术主要采用幅移键控、频移键控和相移键控调制三种调制技术。
就如上文所说，一个领域的快速发展，总能带动其他周边的领域一起发展，水声通信的继续发展，便吸取了空间无线电衰落信道技术的精华。在数字编码方面釆用了频移键控的调制方式。频移键控的调制算法以能量检测为目标，在相位检测上就不能有很大的作用，因此在一定程度上，频移键控系统能够在信道的时间和频率上新型稳健拓展。
在这之后，为了提高调制速度，各种频移键控的算法被开发出来。但是，这些能量检测的频移键控的调制解调器与50至70年代的系统相较，并没有带来本质上的飞跃。但是他们由硬件设计的快速发展而带动，反过来，又促进了硬件设计的进一步发展。比如，水声通信系统对于宽带、调制速度、调制灵敏度的要求，最初在硬件设计上存在各类技术难关，在这一时期过后，这些问题已被基本解决。在上述问题有所解决之后，水声通信系统的研究方向往解决功率有效性倾斜，以便用于远程传输数据。
综上所述，数字调制技术有一定的优势：第一，其采用纠错编码技术可以一定程度上保证了数据传输的可靠性；第二，它能够在一定程度上对抗信道衰落带来的影响，允许对信道畸变在时域和频域上做一定的补偿，因而系统能得到了较好的改善。
从上文可以知道，频移键控的调制有较高的可靠性，但是时代现实发展的需要，频移键控调制的非相干系统的基本特点渐渐不能自如解决，如频移键控调制的非相干系统并不能有效利用频带，在宽带本身就有限的水声信道中，更不能高效调制。因此为了适应高速率应用，如远距离的多媒体数据传输等，数据速率距离乘积[13]更大，在一定程度上顺应相干调制的特点，人们开始探索其它的调制方式。
目录
摘要 I
ABSTRACT II
目录 III
第1章 绪论 1
1.1 课题提出的背景 1
1.2 课题研究的历史及现状 1
1.3 本课题的研究内容及意义 4
第2章 系统设计 5
2.1 总体实现方法 5
2.2 单片机选择 5
2.3 信号的采样恢复 7
2.4 以太网及WIFI通信方式的选择 9
2.4.1 以太网模块 10
2.4.2 WIFI模块 10
2.5 sd卡模块的有益效果 11
2.6 TCP协议 11
2.7 本章小结 12
第3章 系统硬件实现 13
3.1 STM32处理器硬件实现 13
3.2 数据传输模块 15
5.3 调试模块 16
3.3.1 8位电压采集模块 16
3.3.2 TCP调试助手 17
3.4 本章小结 17
第4章 系统软件实现 18
4.1 开发工具介绍 18
4.2 下位机软件设计 18
4.3 上位机实现 20
4.4 本章小结 22
第5章 系统测试 23
5.1 功能测试 23
5.2 性能测试 24
5.3 相关测试用例设计 24
5.4 测试数据展示 25
5.5
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本章总结 28
第6章 总结和展望 29
6.1 总结 29
6.2 展望 29
参考文献 30
致谢 32
绪论
课题提出的背景
进入信息化时代之后，一个领域上科技的发展常常能带动周边领域的发展。当今时代是一个飞速发展的信息爆炸的信息时代，通信是进入当今时代进程中发展最迅速、进歩最快的行业[1]。因特网和移动通信网被认为[2]是陆地和空中通信领域中最积极、最活跃和发展最快的分支，其技术不断发展，但是水下信号处理领域的发展还有很大的发展空间。尤其是，计算机的计算能力和数据存储空间的大幅提高在很大程度上对水声信号处理领域提供了越来越便利的手段，带来了很多研究优势，同时连同国家安全以及国民经济对海洋领域的需求，水下信号处理设定的标准越来越高，需求也越来越高。综合这些现状，水声信号处理成为海洋领域和信息领域最有前途的学科之一 。
浑浊、含盐的海水中，光波、电磁波[34]在水中传播时，衰减都比较大，以衰减最小的蓝绿光[5]为例，他们在海水中的传播距离十分有限，很大的一部分原因就是其衰减也达到了40dB/km，并不能满足人类海洋活动的需要。当声波在频率特别低的情况下，一般低于200Hz时，在海洋中的传播距离[6]能达到几百公里。例如，声波频率20 Hz时在水中的衰减只有23dB/km。因此声波成为水下通信一般使用的通信媒介。但是在20Hz到2KHz的频率内，经研究表明声波在水中的衰减状态正好与频率的平方成正比[7]，该特性导致了水下声信道是带宽必须限定在一定范围之内。由上文叙述可知，电磁波不能简单应用于水下通信；就目前科技发展而言，海洋中通信、定位、检测和导航主要利用声波；声波是目前水中信息传输的主要载体[8]。
水听器[9]是水下声学传感器，是通过接收声波对水下目标进行探测、定位和识别的传感器。将水听器、前置放大器和模数变换器组合在一起就构成了数字化水听器。
课题研究的历史及现状
从1914年开始，水下信号处理领域开始有所发展，在这一年中，水声电报系统[10]得以研制成功，这开启了水下通信的新天地。这一切都要归功于战争的需求。紧接着，水下信号便发展起来，美 国 海 军 实 验 室在1945年研制出水 下 电 话，是世界上第一个具有实际意义[11]的水 声 通 信 系 统。这个水下电话的水声通信系统在调制技术上使用单边带调制技术，并且在当时以用于潜艇之间的通信为主要目标。
模拟频率调制技术时水声通信在早期更为优先选择的调制技术。比如在50年代末研制出来了载波频率为20KHz以及带宽是200Hz的调频水声通信系统[12]。实现了水下到水上，即潜艇到水面船只之间的通信。但是使用模拟调制的系统有着很大的缺点，不能从根本上去除水声信道的衰落给信号带来的畸变影响，不能有效提高系统整体性能。
70年代以来，电子技术、信息科学等技术成指数形式的发展很大程度上拉动了水声信号处理通信领域技术在这段时间内迅猛发展。相较于50年代的水声通信系统，这段时期内的水声通信系统逐渐抛弃了模拟调制技术，而开始尝试数字调制技术。数字调制技术在水声通信领域展现出了很多优势，首先，数字调制技术可以在因为水声信道的衰落导致的时域和频域上的畸变进行补偿；再者，数字调制技术中所采用的纠错编码技术可以使得数据传输在一定程度上更为准确。
随着计算机水平的爆炸性发展，各类处理器如雨后春笋般发展起来，更为快捷方便、可靠性更高的快速解调算法也出现了。在这个阶段，数字调制技术主要采用幅移键控、频移键控和相移键控调制三种调制技术。
就如上文所说，一个领域的快速发展，总能带动其他周边的领域一起发展，水声通信的继续发展，便吸取了空间无线电衰落信道技术的精华。在数字编码方面釆用了频移键控的调制方式。频移键控的调制算法以能量检测为目标，在相位检测上就不能有很大的作用，因此在一定程度上，频移键控系统能够在信道的时间和频率上新型稳健拓展。
在这之后，为了提高调制速度，各种频移键控的算法被开发出来。但是，这些能量检测的频移键控的调制解调器与50至70年代的系统相较，并没有带来本质上的飞跃。但是他们由硬件设计的快速发展而带动，反过来，又促进了硬件设计的进一步发展。比如，水声通信系统对于宽带、调制速度、调制灵敏度的要求，最初在硬件设计上存在各类技术难关，在这一时期过后，这些问题已被基本解决。在上述问题有所解决之后，水声通信系统的研究方向往解决功率有效性倾斜，以便用于远程传输数据。
综上所述，数字调制技术有一定的优势：第一，其采用纠错编码技术可以一定程度上保证了数据传输的可靠性；第二，它能够在一定程度上对抗信道衰落带来的影响，允许对信道畸变在时域和频域上做一定的补偿，因而系统能得到了较好的改善。
从上文可以知道，频移键控的调制有较高的可靠性，但是时代现实发展的需要，频移键控调制的非相干系统的基本特点渐渐不能自如解决，如频移键控调制的非相干系统并不能有效利用频带，在宽带本身就有限的水声信道中，更不能高效调制。因此为了适应高速率应用，如远距离的多媒体数据传输等，数据速率距离乘积[13]更大，在一定程度上顺应相干调制的特点，人们开始探索其它的调制方式。
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