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现代水声通信技术发展

来源:职称阁分类:电子论文 时间:2019-10-22 09:55热度:

  近年来,我国海洋开发与信息产业发展迅速,对水声通信技术也提出了更要要求。受海洋水声信道恶劣的传输特性影响,传统技术模式下,海洋中高可靠性、高速率的信息传输难以实现。本文带着这一问题,结合水声信道特点,对现代水声通信技术展开探究,旨在促进现代水声通信技术在水下高可靠性、高数据率通信功能的实现。

现代水声通信技术发展

  【关键词】水声通信;物理特性;非相干通信

  水声信道是一个十分复杂的多径传输信道,特性参数随着时-空-频的变化而随机变化,且在水声环境中,水声信道又表现出带宽窄、环境噪声高、传输时延大、载波频率低等缺点,使得传输数据率低、传输误码率高[1]。因此,如何有效消除水声通信技术在运用过程中的诸多限制性因素,提高数据传输率,成为当下研究的一大热门课题。为实现水声载体下的水声通信,下面结合相关专业理论知识,首先就水声信道的相关物理特性进行分析。

  1水声信道相关物理特性探究

  声波是当前已知的在水中传输衰减最小的波动形式,稳定性与可靠性较高,因而在水下信息传输、水下探测等领域得到了广泛应用[2]。在研究水声信道相关物理特性时,需要全面掌握声波在海洋中传播的复杂情况,而要想搞清楚这一状况,就需建立起多种复杂模型,在这多种复杂模型中,有一种模型立足于“信号系统”视角,将声传播的海洋环境看作是一个线性、随机时变的滤波器系统,该模型被称为水声信道。

  1.1水声信道基本物理特性

  据探测,声波在海面附近的典型传播速率为150m/s,比电磁波的速率低5个数量级,因此,较之电磁波与光波,声波在海水中的衰减要小的多[3]。实际上,水声信道是近似地满足广义平稳非相关散射条件的,且在该条件下,可实现“短时间内”的信道响应函数基本稳定。且实践表明,复杂的水声信道会给水声通信系统的性能带来较大影响,且作为一个由海洋及其边界构成的十分复杂的介质空间,水声信道具有独特的上下表面与内部结构,可对声波产生诸多不同的影响。总结以上分析可知,水声信道具有以下特性:①严重的多径效应。在实际传输过程中,若实际水深小于传输距离,且同一波束内从不同路径传输的声波,会因为路径长度的差异,产生时间的延迟与能量的差异,导致信号展宽,波形码间干扰出现。②环境噪声影响大。水声通信中,影响通信质量的噪声因素来自多个方面,如水面作业产生噪音、水生生物活动产生噪音、沿岸工业活动产生噪音等,这些来源于不同路径的噪音无一例外会对信号的信噪比产生影响。③通信速率低。水下声信道具有随机变化的特性,这一特性使得水下通信宽带有限,无多径效应且短距离下的声带难以超过50kHz,若工作环境相对复杂,实际通信速率可能会更低[4]。

  1.2水声信道时变特性

  水声信道的时变特性早已在无线电通信等领域得到使用,且已经获得相对成熟的研究成果。在分析了解水声信道时变性时,可以结合电波信道进行。这是因为水声信道与电波信道存在诸多之处,也存在许多不同之处,如与电波信道相比,水声信道要更加复杂,其有着更大的背景噪声与声传播衰减程度,且声传播介质容易受风浪、温度等因素影响,存在较大的不均匀性;在信号数据传输过程中,空化现象会给发射声功率带来影响,且可使用的频率资源更为有限。具体而言,水声信道的复杂性主要表现在多径接受现象[5]。

  2现代水声通信技术及其应用

  2.1OFDM基本原理

  OFDM指的是一种无线环境下的高速传输技术,OFDM技术的基本应用原理是将高速串行数据转换成多路相对低速的并行数据并对不同的载波进行调制。OFDM技术以并行传输的方式使得符号脉冲宽度得到拓展,技术抗多径衰落性能得到提升。在传统技术模式下,整个宽带经分割后被送到子信道中,且频带不重叠。但该种模式也存在缺点,即频谱利用率不高,造成频谱浪费。为解决上述问题,多载波系统被提出并得到应用,与传统技术模式相比,多载波系统的特点是,频谱可实现相互重叠,不仅有效减少了子载波间的相互干扰,也极大地提高了频谱利用率,解决了频谱浪费现象。鉴于此,我们对于OFDM性能的分析必须基于多载波调制和并行传输角度。由于在传输过程中速率降低,信息码元周期增大,当多径时延小于码元速率时,多径的影响将较少的带到下一个码元,如此便有效减少了多径时延扩散在接收到的信息码元中所占相对的百分比值,以削弱多径干扰对传输系统性能的影响。总之,通过OFDM技术的研究有效地对抗由信道多径时延引起的时间弥散(由于水声信道中多径结构较为复杂,由此带来的时间弥散尤为突出),OFDM技术的各个子信道在频域上相互重叠,借助各子载波之间的正交性避免载波间干扰(ICI)的出现,因此能大大地提高频谱利用率。

  2.2多载波调试

  在无线信道中,存在多径传播效应。多径传播效应会给信息数据的传播带来负面影响,如对传播过程造成干扰,最终导致接收端判断错误,对信号传输质量造成影响。为此需进行多载波调试,利用相关技术手段消除多径效应对数据传播造成的干扰,提高信号传输质量。

  2.3时间反转技术

  水声信道中时间反转技术指的是充分利用声场的线性和互易性,把海洋信道本身当作匹配滤波器,来对阵接收信号(采用多个阵元组成接收阵列,对接收信号进行处理,以获取空间增益,提高通信性能)进行合并处理,用来减少多径引起的信道失真影响,有效地克服浅海多径信道对信号产生的多径扩展,实现不同途径声信号的聚焦,提高接收信号的信噪比,为降低误码率和提高通信距离提供有力的支持。

  2.4多输入多输出技术

  多输入多输出技术在带宽资源有限的浅海水声通信系统中,除了可以满足多用户同时通信,还可以扩充信道容量,同时提高通信速率和系统可靠性。多输入多输出技术为多用户同时通信提供了一种技术手段。

  3水声通信方式的选择

  在选择信号传输所用的调制解调方式时,应当结合水声信道条件,根据水声通信系统需求合理选择,以保证通信质量。具体而言,在水声通信方式的选择方面,应对以下影响因素做重点考虑:首先,分析水声通信系统性能,若抗噪声性能是重点影响因素,可选择PSK信号;若宽带是主要影响因素,建议选择多进制PSK而非FSK。其次,若以通信系统设备复杂程度作为选择水声通信方式的基础依据,那么,在发射端,使用FSK、PSK调制方式的发射设备复杂程度不存在显著差异;而在接收端,则需掌握相干调解时的接收设备比非相干解调的接收设备要更为复杂这一原则。最后,若从激水声信道的限制性角度出发,则可将水声信道分为带宽受限以及功率受限两种基本形式。若基于能量检测而非相位检测,那么系统在声学信道的频率、时间上具有更加优越的拓展性能。在实际传输过程中,为提升数据、信号传输的稳定性、可靠性,经常采用信道编码方法与调制方法相结合的方式有效应对多途径传播引起的信号衰减问题。在这之中,编码的功能作用是通过冗余方式传输信息,即利用不同的子频带发送信息或重复发送信息。当信道编码方法与调制方法有机结合后,所有的子频带在同一时间或全部到达时间并产生破坏相干性的情况能有效避免。这是因为,频率分集使得带宽减少,而时间分集导致传输时间增加,因此,无论处于何种情况,编码的结果均为数据传输率降低。

  参考文献

  [1]李鹏.现代水声通信技术发展探讨[J].科技创新与应用,2018(22):144-145+147.

  [2]闫冰程.基于OFDM编码的水声通信技术研究[D].电子科技大学,2018.

  [3]董赛.面向中继的水声通信系统资源分配方案研究[D].东南大学,2017.

  [4]胡凯.浅谈水声通信及相关技术应用[J].数字技术与应用,2017(04):39+41.

  [5]王勇,孟军.现代水声通信技术发展探讨[J].信息通信,2014(08):168-169.

  作者:宋琳娜 单位:和田师范专科学校

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文章名称:现代水声通信技术发展

文章地址:http://www.zhichengg.com/dzlw/14000.html

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