地球表面70%的面积被海洋覆盖，水下无线传感器网络对监测和利用丰富的海洋资源具有重大研究意义。物理层中带有声波调制解调器的传感器节点，直接决定了网络通信的质量和效率。目前主流商用产品的成本高达一万美元，严重限制了大规模水下传感器网络的发展。
　　本篇博士论文的课题，正是在这一背景下，研究、设计与实现适合中短距离、高密度、浅水环境下应用的低功耗、低成本声波调制解调器（UWModem）的数字系统。该系统作为 UWModem 设计的重要组成部分，完成所有数字域信号处理与控制，包括下变频、调制、解调、同步以及系统控制等，并协助完成系统集成与测试。最终在FPGA上实现的数字系统采用2FSK作为调制解调方案，预估功耗约为200mW, 当传输比特率为200bps时，实验室水下数据实测误码率达到数量级。
　　节点发送功耗可在1-30W内选择，接收功耗约为750mW，传输距离可达米。包括电池，封装，换能器，模拟电路，数字系统的 UWModem 总成本低于美元，仅为商用产品的1/20，而功耗可达到主流低功耗产品的指标。首次提出一种针对高密度、短距离、浅水环境下的水下无线传感器网络声波调制解调器（UWModem）数字系统的完整设计方法与FPGA硬件实现结构。针对低功耗和低成本的设计要求，文中对每个功能模块都进行了算法和结构的优化设计，为相关领域的研究提供参考。鉴于数字系统中滤波器通常在设计中占用很大的资源，本文提出一种使用移位加结构实现FIR滤波器，对相同的移位算子采用最大共享的调度方案以进行资源优化的算法，并提出算法的一般规则。相比于优化前的移位加算法以及生成的同等规模的分布式算法滤波器，优化后的FIR滤波器在资源上分别节省11.7%和29.3%。
　　设计了全新的符号/帧同步算法和结构：提出一种通过引入正交训练序列相关分支来估算动态实时阈值的同步算法，减少虚警概率的发生，在信噪比为 0dB 下仍能准确同步；在同步电路中加入数据预整形模块、分段移位和流水线操作和直接通过符号位选择进行相关运算等优化方法节约运算资源。单个相关模块仅使用4个比较器，7个加法器，与优化前相比节约了120个乘法器，且加法器仅为1/17；提出非归零的新型复位方式产生判别时钟的方法，保证 解调结果的实时性。
　　地球表面70%以上的区域都被海洋覆盖，海底蕴涵丰富的能源，生物资源以及潜在的巨大能量，这些海底资源都极有可能成为新一轮科学研究和商业投资的热点。但由于客观条件的限制，95%以上的海洋还处于未开发的状态或最初的基础研究阶段。建立有效的海洋资源监测系统、多种海洋信息采集系统和网络化信息传输系统，是实时准确的掌握海洋的情况、了解海洋动态最有效的做法，也是当今海洋科学研究的重点。传感器技术的出现，对于科学、工业和政府的许多领域都有着革命性的意义，因为由此可以感知和量化计算物理世界的各种事物及其状态。同样在海洋中部署传感器，能收集周围的各种海洋信息：包括水体生物信息、洋流情况、水温特性、水质情况等。在应用方面，了解和掌握这些信息能够直接受益的是对海洋水体生物和化学污染的监测，海洋相关的气候灾害和地质灾害的预警等等。当然，离岸的军事监测对于国家海洋安全等方面也有很广泛的应用。
　　水下设备之间能否建立良好的实时通信关系是支持这些研究的基本条件。实现实时无线通信的优势在于能够动态的掌握各种水环境的生物化学物理状态，这对于建立科学可靠的各种监测模型有着决定性的意义。另外，智能化的实时无线通信网络能够在第一时间对紧急事件进行快速反应、分析和处理，为灾害的救援，污染的处理，以及国家安全的维护，赢得了宝贵的时间。在智能化的实时无线通信网络建设中，水下传感设备是以网络节点联结的方式合作完成通信功能的。这些节点间通过交换配置、定位和移动信息而自成网络，并向中心监测站传输采集到的各类传感数据。
　　上世纪90年代，学术界提出了水下无线传感器网络的概念：以水下声学网络作为信息传输的手段，以水下传感器作为信息获取的窗口，并最终以某种方式把水声网络纳入常规网络，把水下数据送往观察者。组成无线传感器网络的基础是随机分布的传感器节点设备，根据通信要求，这些设备必须具备自动组成通信网络的功能，并能够采取一定的路由方案将感应信息发送到汇聚节点或基站。

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