水下無線通信技術(shù)探析

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【摘要】：經(jīng)過多年的實(shí)踐與探索，水下通信技術(shù)相對成熟，但是在具體的應(yīng)用過程中，這類技術(shù)不僅造價(jià)相對較高，而且通信效果也不是特別理想，很難真正滿足當(dāng)前人們對于通信技術(shù)的具體應(yīng)用要求。無線通信作為現(xiàn)代通信技術(shù)發(fā)展過程中較為重要的一種形式，其無論是通信質(zhì)量還是造價(jià)都具有著較大的優(yōu)勢，近年來，行業(yè)對于水下無線通信技術(shù)的研究也日益廣泛?；诖?，本文就基于跳頻和同步捕獲技術(shù)的水下無線通信技術(shù)進(jìn)行了研究。

【關(guān)鍵詞】水下無線通信技術(shù)；跳頻；同步捕獲技術(shù)；應(yīng)用

1水聲通信實(shí)現(xiàn)方案概述

1.1水聲通信可行性分析

水聲信道是一個十分復(fù)雜多徑傳輸信道，特性參數(shù)隨著時一空一頻的變化而隨機(jī)變化，加上它的環(huán)境噪聲高、帶寬窄、可適用的載波頻率低、傳輸時延大等諸多不利因素，使之傳輸誤碼率高、傳輸數(shù)據(jù)率低等瓶頸問題難以解決，由此水下通信技術(shù)也成為當(dāng)今最為復(fù)雜的通信技術(shù)之一，水聲通信技術(shù)是水下通信技術(shù)領(lǐng)域中一個極具挑戰(zhàn)性的研究課題，水聲通信技術(shù)研究已經(jīng)成為近年來通信及信號處理領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。

1.2水聲通信具體實(shí)現(xiàn)方案

就水聲通信而言，在其實(shí)際的作業(yè)過程中，主要是由發(fā)送方和接收方兩部分組成，主要工作原理如下：水聲通信發(fā)送方首先通過對溫度傳感器的應(yīng)用對通信傳播水域的溫度信息進(jìn)行收集，然后應(yīng)用微控制器實(shí)現(xiàn)對于接收到的數(shù)字信號進(jìn)行跳頻處理，待處理完成后應(yīng)用數(shù)模轉(zhuǎn)換以及水聲換能器，經(jīng)過兩次轉(zhuǎn)換后將其轉(zhuǎn)變?yōu)槁曅盘枺瑫r在水下傳遞給接收方。在這一過程中，其主要應(yīng)用到的技術(shù)就是跳頻技術(shù)，具體來講，就是接收方的換能器首先將受到的信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，然后在通過對微控制器帶通濾波器來實(shí)現(xiàn)同步捕獲過程[1]。待獲得所需要的頻率信號后，相關(guān)工作人員就可以將相應(yīng)的信號轉(zhuǎn)變?yōu)樗枰臏囟刃畔⑦M(jìn)行顯示。總體來講，對于水聲通信而言，要想實(shí)現(xiàn)水下無線通信的高效應(yīng)用，其中兩項(xiàng)技術(shù)最為重要，一項(xiàng)為發(fā)送方的跳頻技術(shù)，一項(xiàng)為接收方的同步捕獲技術(shù)。只有將這兩項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到水聲通信過程中，才能更好地實(shí)現(xiàn)水下無線通信技術(shù)的長效發(fā)展。

2跳頻技術(shù)概述

2.1跳頻技術(shù)含義

所謂的跳頻技術(shù)，指的就是根據(jù)幀的改變，對每個載波按照某種跳頻序列對預(yù)先設(shè)定的一組頻點(diǎn)進(jìn)行跳變的一種技術(shù)，是當(dāng)前通信技術(shù)中較為常用的擴(kuò)頻方式之一。對于跳頻技術(shù)而言，其工作原理為：按照預(yù)定的規(guī)律形式，對收發(fā)雙方傳輸信號的載波頻率進(jìn)行離散變化。這種技術(shù)主要有兩種形式，一種為基帶跳頻，一種為射頻跳頻[2]，主要被應(yīng)用于發(fā)送方，在發(fā)送端，通過對這一技術(shù)的應(yīng)用，可以在較大程度上保證信息的安全性和隱蔽性。

2.2跳頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理

基于當(dāng)前水聲通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，將跳頻技術(shù)應(yīng)用其中，可以更好地保證信息的安全性和隱蔽性，要想將跳頻技術(shù)應(yīng)用到水聲通信技術(shù)當(dāng)中，并以此來提升水下無線通信技術(shù)整體水平，首要的就是應(yīng)對跳頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理進(jìn)行準(zhǔn)確的把握。對于跳頻技術(shù)而言，其主要的實(shí)現(xiàn)原理為：首先，相關(guān)工作人員應(yīng)根據(jù)潛水換能器的帶寬以及水聲通信的工作環(huán)境將信道資源劃分為8個跳頻組Fij（i=0，1，2…，7），并在每個調(diào)頻組分配四個頻率，每個相鄰頻點(diǎn)的間隔為250Hz，在具體應(yīng)用過程中，每個頻率會根據(jù)單片機(jī)外部晶振所提供的固定頻率來對跳頻初值進(jìn)行計(jì)算，并規(guī)定跳頻圖案按照F0~F7的順序進(jìn)行循環(huán)；其次，當(dāng)信號傳輸至單片機(jī)時，則需要將信號兩位為一組，根據(jù)具體的跳頻圖案來對兩位所在的調(diào)頻組進(jìn)行確定，同時根據(jù)具體的兩位信息來對某一個分頻數(shù)進(jìn)行確定[3]；最后，根據(jù)所得到的初值，通過對內(nèi)部計(jì)數(shù)器的應(yīng)用，將相應(yīng)的信號結(jié)合數(shù)模轉(zhuǎn)換器處理后轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的頻率信號，然后應(yīng)用潛水換能器將聲信號進(jìn)行發(fā)出。

3同步捕獲技術(shù)概述

3.1同步捕獲技術(shù)含義

同步捕捉技術(shù)指的是應(yīng)用于通信接收方的一項(xiàng)擴(kuò)頻通信技術(shù)。對于通信接收方而言，在其實(shí)際的工作過程中，擴(kuò)頻通信為了更好地對發(fā)送方信息進(jìn)行恢復(fù)，通常會對下變頻后的基帶信號進(jìn)行同步捕獲，以此來保證信息獲取的完整性和有效性。但是在當(dāng)前水下無線通信技術(shù)應(yīng)用過程中，同步捕捉技術(shù)的應(yīng)用是亟待解決的一項(xiàng)實(shí)際問題，只有采取相應(yīng)的措施，才能更好地對整個通信系統(tǒng)性能進(jìn)行保證。

3.2同步捕獲技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理概述

通常來講，在現(xiàn)階段水下無線通信工作過程中，接受方在接收到模擬信號后，應(yīng)對其進(jìn)行前置放大和幅度均衡，以此來方便后續(xù)電路處理。在具體的同步捕捉技術(shù)應(yīng)用過程中，其主要的實(shí)現(xiàn)原理為：當(dāng)接收方接收到加載側(cè)寬脈沖信號時，INT0的狀態(tài)為高電平，定時器門控信號為1，此時接收方的單片機(jī)定時器開始計(jì)數(shù)，當(dāng)INT0狀態(tài)為低電平時停止技術(shù)，一旦定時器停止計(jì)數(shù)，就會觸發(fā)外部中斷，與此同時，中斷服務(wù)程序會對定時器中計(jì)數(shù)值X進(jìn)行讀取，X值指的就是脈沖信號半個周期所使用的時鐘數(shù)，這樣也就可以對接收到的正弦波頻率進(jìn)行判斷[4]。如果單片機(jī)的時鐘頻率為F，則可以對相對對應(yīng)的信號發(fā)送頻率進(jìn)行計(jì)算，此外，還可以根據(jù)跳頻和分頻數(shù)關(guān)系來實(shí)現(xiàn)相對應(yīng)的分頻數(shù)，進(jìn)而得出發(fā)送方所傳輸?shù)膬晌恍畔?。除此之外，單片機(jī)還可以根據(jù)測頻結(jié)果對信號進(jìn)行同步捕獲，并將8個不同頻率段的帶通濾波器的數(shù)輸出端進(jìn)行捕獲，并將其接入單片機(jī)。待接收到相應(yīng)的信號后，接收方的單片機(jī)會根據(jù)具體的跳頻圖案完成相應(yīng)的搜索控制，具體步驟為：首先應(yīng)將等待頻率Fs等于跳頻組F0的頻率范圍，并由單片機(jī)對其對應(yīng)的濾波器0送來的信號進(jìn)行檢測，如果檢測結(jié)果為頻率F01，并可以判斷出F01落在F0上，這時就可以根據(jù)接收到的跳頻圖案來完成相應(yīng)的濾波器控制匹配工作，同時對接收到的跳頻信號的跳頻序列周期進(jìn)行判定，判定其是否完成真同步，如果判定值小于門限值，則可以判定為同步捕獲成功，濾波器組匹配工作繼續(xù)[5]；如果判定值大于門限值，則需要及時的停止匹配，并對等待頻率變更至上一次等待頻率上，從新進(jìn)行操作。綜上所述，基于跳頻通信技術(shù)以及同步捕獲技術(shù)的水生通信系統(tǒng)可以更好地保障通信的安全性水平，將其應(yīng)用到具體的領(lǐng)域當(dāng)中，對于保證通信的隱蔽性及安全性具有著非常積極的意義。隨著海洋通信技術(shù)的日益發(fā)展以及社會發(fā)展對于當(dāng)前通信質(zhì)量要求的提升，只有不斷的對現(xiàn)代新型通信技術(shù)進(jìn)行研究，并在此基礎(chǔ)上對其進(jìn)行完善，才能更好的實(shí)現(xiàn)水下無線通信技術(shù)的長效發(fā)展。

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作者：宋琳娜 單位：和田師范?？茖W(xué)校