水下無線通信技術(shù)

水下無線通信技術(shù)水下無線通信技術(shù)水下無線通信技術(shù)海洋覆蓋著地球三分之二的表面積，它是人類探索和研究的最前沿的領(lǐng)域之一。海洋不僅在國際商業(yè)和漁業(yè)中扮演重要的角色，而且還包含了有關(guān)氣候的信息，以及大量急待開發(fā)的資源。水下無線通信是研制海洋觀測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，借助海洋觀測(cè)系統(tǒng)，可以采集有關(guān)海洋學(xué)的數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)環(huán)境污染，氣候變化海底異常地震火山活動(dòng)，探查海底目標(biāo)，以及遠(yuǎn)距離圖像傳輸。水下無線通信在軍事中也起到至關(guān)重要的作用，而且水下無線通信也是水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)。水下無線通信主要可以分成三大類：水下電磁波通信、水聲通信和水下量子通信，它們具有不同的特性及應(yīng)用場(chǎng)合，下面分別進(jìn)行說明。一、水下電磁波通信（一）水下電磁波傳播特點(diǎn)無線電波在海水中衰減嚴(yán)重，頻率越高衰減越大。水下50～120cm6～8m的通信距離。30～300Hz100多米，但需要很長的接收天線，這在體積較小的水下節(jié)點(diǎn)上無法實(shí)現(xiàn)。因此，無線電波只能實(shí)現(xiàn)短距離的高速通信，不能滿足遠(yuǎn)距離水下組網(wǎng)的要求。除了海水本身的特性對(duì)水下電磁波通信的影響外，海水的運(yùn)動(dòng)對(duì)水下電磁波通信同樣有很大的影響。水下接收點(diǎn)相移分量均值和均方差均與選用電磁波的頻率有關(guān)。水下接收點(diǎn)相移分量的均值隨著接收點(diǎn)的平均深度的增加而線性增大，電場(chǎng)相移分量的均方差大小受海浪的波動(dòng)大小影響，海浪運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性導(dǎo)致了電場(chǎng)相移分量的標(biāo)準(zhǔn)差呈對(duì)數(shù)指數(shù)分布。（二）傳統(tǒng)的水下電磁波通信電磁波作為最常用的信息載體和探知手段，廣泛應(yīng)用于陸上通信、電視、雷達(dá)、導(dǎo)航等領(lǐng)域。20世紀(jì)上半葉，人們始終致力于將模擬通信移至水中。水下電磁通信可追溯至第一次世界大戰(zhàn)期間，當(dāng)時(shí)的法國最先使用電磁波進(jìn)行了潛艇通信實(shí)驗(yàn)。第二次世界大戰(zhàn)期間，美國科學(xué)研究發(fā)展局曾對(duì)潛水員間的短距離無線電磁通信進(jìn)行了研究，但由于水中電磁波的嚴(yán)重衰減，實(shí)用的水下電磁通信一度被認(rèn)為無法實(shí)現(xiàn)。直至60年代，甚低頻和超低頻通信才開始被各國海軍大量研究。甚低頻的頻率范圍在3～30kHz，其雖然可覆蓋幾千米的范圍，但僅能為水下10～15 米深度的潛艇提供通信由反偵查及潛航深度要求超低（SLF）通信系統(tǒng)投入研制。SLF系統(tǒng)的頻率范圍為30～300Hz，美76Hz82Hz80米的潛艇進(jìn)行指揮通信，因此超低頻通信承擔(dān)著重要的戰(zhàn)略意義。但是，SLF系統(tǒng)的地基天線達(dá)幾十千米，拖曳天線長度也超過千米，發(fā)射功率為兆瓦級(jí)，通信速率低于1bp（三）水下無線射頻通信射頻（Radiofrequency，RF）是對(duì)頻率高于10kHz，能夠輻射到空間中的交流變化的高頻電磁波的簡稱。射頻系統(tǒng)的通信質(zhì)量有很大程度上取決于調(diào)制方式的選取。前期的電磁通信通常采用模擬調(diào)制技術(shù)，極大地限制了系統(tǒng)的性能。近年來，數(shù)字通信日益發(fā)展。相比于模擬傳輸系統(tǒng)，數(shù)字調(diào)制解調(diào)具有更強(qiáng)的抗噪聲性能、更高的信道損耗容忍度、更直接的處理形式（數(shù)字圖像等、更高的安全性，可以支持信源編碼與數(shù)據(jù)壓縮、加密等技術(shù)，并使用差錯(cuò)控制編碼糾-120dBm以下的弱信號(hào)從存在的嚴(yán)重噪聲的調(diào)制信號(hào)中解調(diào)出來，在衰減允許的情況下，能夠采用更高的工作頻率，因此射頻技術(shù)應(yīng)用于淺水近距離通信成為可能。這對(duì)于滿足快速增長的近距離高速信息交換需求，具有重大的意義。對(duì)比其他近距離水下通信技術(shù)，射頻技術(shù)具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)：①通信速率高?？梢詫?shí)現(xiàn)水下近距離，高速率的無線雙工通信近距離無線射頻通信可采用遠(yuǎn)高于水聲通（50kHz以下）和甚低頻通信（30kHz 以下）的載波頻率。若利用500kHz 以上的工作頻率，配合正交幅度調(diào)制（QAM）或多100kbps以上的數(shù)據(jù)的高速傳輸成為可能。②抗噪聲能力強(qiáng)。不受近水水域海浪噪聲、工業(yè)噪聲以③水下電磁波的傳播速度快，傳輸延遲低。頻率高于10kHz100倍以上，且隨著頻率的增加，水下電磁波的傳播速度迅速增加。由此可知，電磁通信將具有較低的延遲，受多徑效應(yīng)和多普勒展寬的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水聲通信。④低的界面及障礙物影響?？奢p易穿透水與空氣分界面，甚至油層與浮冰層，實(shí)現(xiàn)水下與岸上通信。對(duì)于隨機(jī)的自然與人為遮擋，采用電磁技術(shù)都可與陰影區(qū)內(nèi)單元順利建立通信連接。⑤無須精確對(duì)準(zhǔn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。與激光通信相比，電磁通信的對(duì)準(zhǔn)要求明顯降低，無須精確的對(duì)準(zhǔn)與跟蹤環(huán)節(jié)，省去復(fù)雜的機(jī)械調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)動(dòng)單元，因此電磁系統(tǒng)體積小，利于安裝與維護(hù)。⑥功耗低，供電方便。電磁通信的高傳輸比特率使得單位數(shù)據(jù)量的傳輸時(shí)間減少，功耗降低。同時(shí)，若采用磁禍合天線，可實(shí)現(xiàn)無硬連接的高效電磁能量傳輸，大大增加了水下封閉單元的工作時(shí)間，有利于分布式傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。⑦安全性高，對(duì)于軍事上已廣泛采用的水聲對(duì)抗干擾免疫。除此之外，電磁波較高的水下衰減，能夠提高水下通信的安全性。⑧對(duì)水生生物無影響，更加有利于生態(tài)保護(hù)。二、水聲通信水聲通信是其中最成熟的技術(shù)。聲波是水中信息的主要載體，己廣泛應(yīng)用于水下通信、傳感、探測(cè)、導(dǎo)航、定位等領(lǐng)域。聲波屬于機(jī)械波（縱波（其衰減率為電磁波的千分之一（一）水聲信道的特性與影響因子1520m/s，比電磁波5個(gè)數(shù)量級(jí)，與電磁波和光波相比較，聲波在海水中的衰減小得多。水聲通信系統(tǒng)的性能受復(fù)雜的水聲信道的影響較大。水聲信道是由海洋及其邊界構(gòu)成的一個(gè)非常復(fù)雜的介質(zhì)空間，它具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的上下表面，能對(duì)聲波產(chǎn)生許多不同的影響。①多路徑效應(yīng)嚴(yán)重。當(dāng)傳輸距離大于水深時(shí)，同一波束內(nèi)從不同路徑傳輸?shù)穆暡?，?huì)由于路徑長度的差異，產(chǎn)生能量的差異和時(shí)間的延遲使信號(hào)展寬，導(dǎo)致波形的碼間干擾。當(dāng)帶寬為4kHz時(shí)，巧米的路徑差即會(huì)造成10毫秒的時(shí)延，使每個(gè)信號(hào)并發(fā)40 個(gè)干擾信號(hào)。這是限制數(shù)據(jù)傳輸速度并增加誤碼率的主要因素。②環(huán)境噪聲影響大。干擾水聲通信的噪聲包括沿岸工業(yè)、水面作業(yè)、水下動(dòng)力、水生生物產(chǎn)生的活動(dòng)噪聲，以及海面波浪、波濤拍岸、暴風(fēng)雨、氣泡帶來的自然噪聲。這些噪聲會(huì)嚴(yán)重影響信號(hào)的信噪比。③通信速率低。水下聲信道的隨機(jī)變化特性，導(dǎo)致水下通信帶寬十分有限。短距離、無多徑效應(yīng)下的帶寬很難超過50kHz16-QAM等多載波調(diào)制技術(shù)，通信速率只Ikbps～20kbpsIkbps。④多普勒效應(yīng)、起伏效應(yīng)等。由發(fā)送與接收節(jié)點(diǎn)間的相對(duì)位移產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致載波偏移及信號(hào)幅度的降低，與多徑效應(yīng)并發(fā)的多普勒頻展將影響信息解碼。水媒質(zhì)內(nèi)部的隨機(jī)性不平整，會(huì)使聲信號(hào)產(chǎn)生隨機(jī)的起伏，嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能。⑤其他。聲波幾乎無法跨越水與空氣的界面?zhèn)鞑?；聲波受溫度、鹽度等參數(shù)影響較大；隱蔽性差；聲波影響水下生物，導(dǎo)致生態(tài)破壞。（二）水聲通信技術(shù)水聲信道一個(gè)十分復(fù)雜的多徑傳輸?shù)男诺溃噎h(huán)境噪聲高帶寬窄可適用的載波頻率低以及傳輸?shù)臅r(shí)延大。為了克服這些不利因素，并盡可能地提高帶寬利用效率，已經(jīng)出現(xiàn)多種水聲通信技術(shù)。①單邊帶調(diào)制技術(shù)。世界上第一個(gè)水聲通信系統(tǒng)是美國1945年研制的水下電話，主要用于潛艇之間的通信。該模擬通信系統(tǒng)使用單邊帶調(diào)制技術(shù)，載波頻8～15kHz，工作距離可達(dá)幾公里。②頻移鍵控（K。頻移鍵控的通信系統(tǒng)從上世紀(jì)70年代后期開始出現(xiàn)到目前，在技術(shù)上逐漸提高頻移鍵控需要較寬的頻帶寬度，單位帶寬的通信速率低，并要求有較高的信噪比。③相移鍵控（。上世紀(jì)80年代初，水下聲通信中開始使用相移鍵控調(diào)制方式。相移鍵控系統(tǒng)大多使用差分相移鍵控方式進(jìn)行調(diào)制，接收端可以用差分相干方式解調(diào)。采用差分相干的差分調(diào)相不需要相干載波，而且在抗頻漂、抗多徑效應(yīng)及抗相位慢抖動(dòng)方面，都優(yōu)于采用非相干解調(diào)的絕對(duì)調(diào)相。但由于參考相位中噪聲的影響，抗噪聲能力有所下降。近年來，水聲通信在以下兩個(gè)方面取得了很大的進(jìn)步：④多載波調(diào)制技術(shù)。⑤多輸入多輸出技術(shù)。三、水下量子通信（一）水下激光通信水下激光通信技術(shù)利用激光載波傳輸信息。由于波長450nm～530nm 的藍(lán)綠激光在水下的衰減較其他光波段小得多，因此藍(lán)綠激光作為窗口波段應(yīng)用于水下通信。藍(lán)綠激光通信的優(yōu)勢(shì)是擁有幾種方式中最高傳輸速率。在超近距離下，100Mbps70年代初，水下激光技術(shù)的軍事研究開始受到重視。90年代初，美軍完成了初級(jí)階段的藍(lán)綠激光通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。但激光通信目前主要應(yīng)用于衛(wèi)星對(duì)潛通信，水下收發(fā)系統(tǒng)的研究滯后。藍(lán)綠激光應(yīng)用于淺水近距離通信存在固有難點(diǎn)：①散射影響。水中懸浮顆粒及浮游生物會(huì)對(duì)光產(chǎn)生明顯的散射作用，對(duì)于渾濁的淺水近距離傳輸，水下粒子造成的散射比空氣中要強(qiáng)三個(gè)數(shù)量級(jí)，透過率明顯降低。②光信號(hào)在水中的吸收效應(yīng)嚴(yán)重。包括水媒質(zhì)的吸收、溶解物的吸收及懸浮物的吸收等。③背景輻射的干擾。在接收信號(hào)的同時(shí)，來自水面外的強(qiáng)烈自然光，以及水下生物的輻射光也會(huì)對(duì)接收信噪比形成干擾。④高精度瞄準(zhǔn)與實(shí)時(shí)跟蹤困難。淺水區(qū)域活動(dòng)繁多，移動(dòng)的收發(fā)通信單元，在水下保持實(shí)時(shí)對(duì)準(zhǔn)十分困難。并且由于激光只能進(jìn)行視距通信，兩個(gè)通信點(diǎn)間隨機(jī)的遮擋都會(huì)影響通信性能。由以上分析可知，由于固有的傳輸特性，水聲通信和激光通信應(yīng)用于淺水領(lǐng)域近距離高速通信時(shí)受到局限。（二）水下中微子通信中微子是一種穿透能力很強(qiáng)的粒子，靜止質(zhì)量幾乎為零，且不帶電荷，它大量存在于陽光、宇宙射線、地球大氣層的50年代中期，人們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中也發(fā)現(xiàn)了它。通過實(shí)驗(yàn)證明，中微子聚集運(yùn)動(dòng)的粒子束具有兩個(gè)特點(diǎn)：①它只參與原子核衰變時(shí)的弱相互作用力，卻不參與重力、電磁力以及質(zhì)子和中子結(jié)合的強(qiáng)相互作用力，因此，它可以直線高速運(yùn)動(dòng)，方向性極強(qiáng)；②中微子束在水中穿越時(shí)，會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)，發(fā)出微弱的藍(lán)色閃光，且衰減極小。采用中微子束通信，可以確保點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，它方向性好，保密性極強(qiáng)，不受電磁波的干擾，衰減極小。據(jù)測(cè)定，用高能加速器產(chǎn)生高能中微子束，穿透整個(gè)地球后，衰減不足千分之一，也就是說，從南美洲發(fā)出的中微子束，可以直接穿透地球到達(dá)北京，而中間不需衛(wèi)星和中繼站。另外，中微子束通信也可以應(yīng)用到例如對(duì)潛等水下通信，發(fā)展前景極其廣闊，但由于技術(shù)比較復(fù)雜，目前還停留在實(shí)驗(yàn)室階段。四、水下無線通信的應(yīng)用海洋、湖泊等水下區(qū)域不但蘊(yùn)含著豐富的資源，也與人類社會(huì)的發(fā)展構(gòu)成直接的關(guān)聯(lián)。在傳統(tǒng)的陸空通信網(wǎng)絡(luò)日趨完善的今天，水下通信的應(yīng)用正在逐漸增多。有纜通信方式使目標(biāo)的活動(dòng)區(qū)域大大受到限制，且安裝、使用、維護(hù)繁瑣昂貴，因此不適于水下節(jié)點(diǎn)間的動(dòng)態(tài)通信。水下無線通信是以水為媒質(zhì)，利用不同形式的載波傳輸①潛水員、無人潛航器（AUV、水下機(jī)器人等水下運(yùn)動(dòng)單元平臺(tái)間的信息交換。②海岸檢測(cè)、水下節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集、導(dǎo)航與控制、水下生態(tài)保護(hù)監(jiān)測(cè)等三維分布式傳感網(wǎng)應(yīng)用。③水下傳感網(wǎng)、水下潛航單元與水面及陸上控制或中轉(zhuǎn)平臺(tái)間的通信。由此可見，水下無線通信技術(shù)在民用、科研及軍事領(lǐng)域中前景廣闊。由于水下復(fù)雜的時(shí)空環(huán)境，通信系統(tǒng)的有效信息傳輸率往往成為瓶頸，這與不斷增長的水下通信需求形成100bps8kps，而傳輸聲音、圖像信息則需要更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。由于傳播媒質(zhì)的不同采用陸地、空氣中常用的微波、超短波通信方式，將帶來極大的衰減。因此，尋找更速的無線通信技術(shù)，成為水下通信研究領(lǐng)域的核心目標(biāo)之一，對(duì)于國民經(jīng)濟(jì)函具意義。五、總結(jié)水下無線通信有三大類：水下電磁波通信、水聲通信和水下量子通信，它們具有不同的特性及應(yīng)用場(chǎng)合。雖然電磁波在水中的衰減較大，但受水文條件影響甚微，使得水下電磁波通信相當(dāng)穩(wěn)定。水下電磁波通信的發(fā)展趨勢(shì)為：既要提高發(fā)射天線輻射效率，又要增加發(fā)射天線的等效帶寬，使之在增加輻射場(chǎng)強(qiáng)的同時(shí)提高傳輸速率；應(yīng)用微弱信號(hào)放大和檢測(cè)技術(shù)抑制和處理內(nèi)部和外部的噪聲干擾，優(yōu)選調(diào)制解調(diào)技術(shù)和編譯碼技術(shù)來提高接收機(jī)的靈敏度和可靠性。此外，已有些學(xué)者在研究超窄帶理論與技術(shù)，力爭獲得更高的頻帶利用率；也有學(xué)者正尋求能否突破香農(nóng)極限的科學(xué)依據(jù)。由于聲波在水中的衰減最小，水聲通信適用于中長距離的水下無線通信。在目前及將來的一段時(shí)間內(nèi)，水聲通信是水下傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中主要的水下無線通信方式，但是水聲通信技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸率較低，因此通過克服多徑效應(yīng)等不利因素的手段，達(dá)到提高帶寬利用效率的目的將是未來水聲通信技術(shù)的發(fā)展方向。水下光通信具有數(shù)據(jù)傳輸率高的優(yōu)點(diǎn)，但是水下光通信受環(huán)境的影響較大，克服環(huán)境的影響是將來水下光通信技術(shù)的發(fā)展方向。水下光通信實(shí)驗(yàn)報(bào)告目錄一、實(shí)驗(yàn)要求 1二、實(shí)驗(yàn)原理 1光通信系統(tǒng)的分類 1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 1光調(diào)制器 1光接收機(jī) 3無碼間干擾的傳輸系統(tǒng) 3均衡器 4視頻傳輸部分 4三、實(shí)驗(yàn)過程 4硬件連接部分 4軟件處理部分 4四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果 5參考事項(xiàng) 6一、實(shí)驗(yàn)要求1m1（HD720p）1二、實(shí)驗(yàn)原理光通信系統(tǒng)的分類光通信系統(tǒng)和發(fā)光二極管光通信系統(tǒng)。激光通信系統(tǒng)是使用半導(dǎo)體激光器作為光源；除了半LD光源雖然使用白光，但是會(huì)把信號(hào)調(diào)制在藍(lán)綠光波長的部分。LED光通信系LED種類非常RGB白光發(fā)光二極管。藍(lán)白光PN結(jié)發(fā)出藍(lán)色的光，藍(lán)光激發(fā)表面的熒光涂層產(chǎn)生黃光，兩種光復(fù)合成白光；RGB白光發(fā)光二極管是有三中不同頻率的發(fā)光二極管同時(shí)發(fā)光，復(fù)合成白光。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)主要組成部分，點(diǎn)發(fā)射部分、光調(diào)制發(fā)射部分、光信道、光接收部分、點(diǎn)接受部分等。光調(diào)制器

2-1光通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)根據(jù)調(diào)制與光源的關(guān)系，光調(diào)制可以分為直接調(diào)制與間接調(diào)制兩大類[1]。直（此處的光源可以LDLED，從而產(chǎn)生相應(yīng)的光信號(hào)，也有人稱直接調(diào)制為電源調(diào)制。直接調(diào)制后的光波電場(chǎng)振幅的平方比例與調(diào)制信號(hào)[1]，是一種光強(qiáng)度調(diào)制的方法。直接調(diào)制具有技術(shù)簡單、經(jīng)濟(jì)、容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛使用在通信系統(tǒng)中。圖2-2LEDLD2-3LD2-2直接數(shù)字調(diào)制圖2-3LD直接調(diào)制受溫度的影響間接調(diào)制是使用晶體電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、磁光效應(yīng)等性質(zhì)，對(duì)已有激光進(jìn)行調(diào)制。間接調(diào)制是激光產(chǎn)生之后，在激光上加載信息，也稱為外調(diào)制。間接調(diào)制的種類很多，調(diào)制方法也多種多樣。在表2-1中列出一些常用的調(diào)制表2-1常見的光調(diào)制方法調(diào)制方式調(diào)制方式間接調(diào)制直接調(diào)制調(diào)制法電光調(diào)制磁光調(diào)制聲光調(diào)制其它電源調(diào)制利用的物理效應(yīng)電光效應(yīng)磁光效應(yīng)聲光效應(yīng)電吸收效應(yīng)等在圖2-4,2-5,2-6中，分別展示了電光幅度調(diào)制、電光相位調(diào)制和磁光調(diào)制的系統(tǒng)框圖。圖2-4LD電光振幅調(diào)制圖2-5LD電光相位調(diào)制圖2-6LD磁光調(diào)制光接收機(jī)光電二極管PN結(jié)二極管，外加電場(chǎng)的方PN-雪崩光電二極管（APD）在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上已經(jīng)考慮到使它能承受高反向偏壓，PN結(jié)內(nèi)形成的是一個(gè)高電場(chǎng)區(qū)。接受光子形成的電子-空-空穴對(duì)。反向電流迅速加大，形成雪崩效應(yīng)。雪