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水声通信
阅读:17122时间:2011-05-30 13:06:01

   水声通信是一项在水下收发信息的技术。 水下通信有多种方法,但是最常用的是使用水声换能器。水下通信非常困难,主要是由于通道的多径效应、时变效应、可用频宽窄、信号衰减严重,特别是在长距离传输中。

现状

  水声通信的现状从上个世纪90年代至今,水声通信领域的研究重点转向对高速相干通信技术的研究,各种基于PSK调制的通信系统相继出现,下面是近年来PSK水声通信系统的一些研究成果。90年代早期,出现了大量用于水平海洋信道的相位相干系统的应用报告。采用正交相移键控(QPSK)调制,在90km的距离上得到了1000bps的数据传输速率。这种开创性工作的成功得益于采用一种强有力的接收机算法,它将一个判决反馈均衡器与一个二阶锁相环结合起来。研究者正在试图在更具挑战性的信道(如沿海地区和海浪区)中实现通信。90年代中后期以来,又展开了对水声通信新技术的研究,主要包括水下多载波调制技术、码分多址(CDMA)扩谱技术、空间分集技术、水下通信网络等。取得了一些令人鼓舞的初步成果。据报道,相位相干系统可以在没有多径传播或几乎没有多径传播的宽带、短距离环境下提供20kbps的数据传输率,而在长距离、复杂的环境下提供不到Ikbps的数据传输率。

方框图

    水声通信是利用声波在海水里传播实现的。水声通信系统的工作原理是首先将文字、语音、图像等信息转换成电信号,并由编码器将信息数字化处理后,换能器又将电信号转换为声信号。声信号通过水这一介质,将信息传递到接收换能器,这时声信号又转换为电信号,图1水声通信系统方框图解码器将数字信息破译后,电接收机才将信息变成声音、文字及图片。声音是由于震动而产生的。在海里面,我们要把我们讲话的信息传到远处也一样,仅仅是把空气换成是海水,这一传输就要另外一个嘴巴和耳朵,即水声换能器,通过它,声能和电能相互转换,在空气中、水中、固体中任意发射和接收不同频率、不同强度的声信号。图1给出了一个完整的水声通信系统的方框图,水声信道是一个典型的时变多途衰落信道,由该信道传输后的接收信号,可视为经由不同路径到达的、具有不同时延和幅度的多个分量的叠加。

水声通信的方框图


发展

  水声通信的发展水声通信技术诞生于上世纪中叶,和其他信号处理技术的发展趋势相同,也经历了从最初的模拟通信阶段到现如今的数字通信阶段的过程。总的来说,水声通信,特别是高速水声通信,近十几年的发展趋势是由非相干通信向相干通信发展,并且随着硬件水平、信号处理芯片计算能力的不断提高,水声通信的调制方式、信号处理算法等都在逐渐使用各种新的、复杂的技术,比如空间调制技术、自适应均衡技术、盲均衡技术、分集接收技术等。水声通信的发展远远滞后,这是由水声信道的特殊性决定的。迄今为止,声波仍是水下可以进行远程信息传输的媒体。水介质与空气介质的特性具有明显的不同,水声信道与空气中的无线电信道具有许多明显的差异。水下声信道是时间散布快速衰落信道,具有多普勒不稳定性。水声通信的衰耗因素较多,特别是在海水中传播。声传播损失不仅与频率有关,而且还受海水的含盐度、温度、密度、器度、距离等的影响,造成中远程水声信道带宽极其有限。海水中不均匀分布的声速剖面造成声线的弯曲,而声波的界面反射和随机散射又引起声波接收信号的多途效应。在实现高速通信时,有限的信道带宽和信号的多途传输会引起非常严重的码间干扰,造成接收数据的严重误码。同一声源发出的声波,在不同的海区或不同的季节,传播情况可能都不同。所以从信道中的各种限制因素到时变、空变性,水声信道都远比无线电信道复杂。从水声通信研究的横向比较来看,世界水声通信的研究主要集中在美、英、日,法等发达国家的大学和科研机构,一些国外公司也开发了许多应用产品,而我国对这方面的研究起步相对较晚。自上世纪80年代中期以来,尤其是进入90年代后,国内一些科研单位都对水声通信进行了大量的研究工作,在水下图像传输、语音通信、自适应均衡技术纠错编码,扩频通信、水雷远程遥控、通信网络等许多方面各自取得了一定的成果。从总体上讲,我国在水声通信领域的研究水平还远落后于国际先进水平。

应用

  (1)水声通信是水面舰艇、潜艇间相互通信的重要手段。特别是潜艇处在潜航状态时,无线电和其它通信方式都将失效,可能的通信方式就是水声通信。而在我国大陆架附近海域和远海域,组建可靠的、大范围的水声通信网,对于我国领海防御和未来海军远航作战必将起到重要的保障作用。

  (2)水声反潜网络。在未来“以网络为中心的反潜战”中,水声通信和水声数据链传输将发挥重要作用,这需要在水下分布式监测器、水下无人航行体、潜艇和水面舰艇等之间建立声纳系统信息网络,传递语音、数据乃至图像等多种信息。网络通信将大大提高对水下目标的联合检测、定位和攻击的能力。

  (3)水下潜器的命令和数据传送。这包括对水下机器人的状态控制和水下机器人的状态应答,对水下机器人的状态控制,水下采集系统的数据回送或深海目标图像的获取等。在这些场合下不宜用电缆,的办法是利用水声通信,需要解决的关键问题有水下潜器通信系统的低功耗设计、高性能电池的设计及使用、采用低复杂度的通信算法。

  (4)海洋环境监测和灾难预警。建立一个庞大的全球海洋温度、海流、潮汐数据和资源监测网络,并能实现数据的可靠实时传输,将对人类认识海洋、预警灾难性气候、环境保护等方面发挥非常重要的作用。

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