水下無線通信技術(shù)探析
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【摘要】：經(jīng)過多年的實踐與探索，水下通信技術(shù)相對成熟，但是在具體的應用過程中，這類技術(shù)不僅造價相對較高，而且通信效果也不是特別理想，很難真正滿足當前人們對于通信技術(shù)的具體應用要求。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)進行了研究。
【關鍵詞】水下無線通信技術(shù)；跳頻；同步捕獲技術(shù)；應用
1水聲通信實現(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)也成為當今最為復雜的通信技術(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域研究的熱點之一。
1.2水聲通信具體實現(xiàn)方案
就水聲通信而言，在其實際的作業(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用對通信傳播水域的溫度信息進行收集，然后應用微控制器實現(xiàn)對于接收到的數(shù)字信號進行跳頻處理，待處理完成后應用數(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?，同時在水下傳遞給接收方。在這一過程中，其主要應用到的技術(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現(xiàn)同步捕獲過程[1]。待獲得所需要的頻率信號后，相關工作人員就可以將相應的信號轉(zhuǎn)變?yōu)樗枰臏囟刃畔⑦M行顯示?？傮w來講，對于水聲通信而言，要想實現(xiàn)水下無線通信的高效應用，其中兩項技術(shù)最為重要，一項為發(fā)送方的跳頻技術(shù)，一項為接收方的同步捕獲技術(shù)。只有將這兩項技術(shù)應用到水聲通信過程中，才能更好地實現(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先設定的一組頻點進行跳變的一種技術(shù)，是當前通信技術(shù)中較為常用的擴頻方式之一。對于跳頻技術(shù)而言，其工作原理為：按照預定的規(guī)律形式，對收發(fā)雙方傳輸信號的載波頻率進行離散變化。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]，主要被應用于發(fā)送方，在發(fā)送端，通過對這一技術(shù)的應用，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)實現(xiàn)原理
基于當前水聲通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，將跳頻技術(shù)應用其中，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)應用到水聲通信技術(shù)當中，并以此來提升水下無線通信技術(shù)整體水平，首要的就是應對跳頻技術(shù)實現(xiàn)原理進行準確的把握。對于跳頻技術(shù)而言，其主要的實現(xiàn)原理為：首先，相關工作人員應根據(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，每個相鄰頻點的間隔為250Hz，在具體應用過程中，每個頻率會根據(jù)單片機外部晶振所提供的固定頻率來對跳頻初值進行計算，并規(guī)定跳頻圖案按照F0~F7的順序進行循環(huán)；其次，當信號傳輸至單片機時，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)進行確定[3]；最后，根據(jù)所得到的初值，通過對內(nèi)部計數(shù)器的應用，將相應的信號結(jié)合數(shù)模轉(zhuǎn)換器處理后轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳念l率信號，然后應用潛水換能器將聲信號進行發(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)指的是應用于通信接收方的一項擴頻通信技術(shù)。對于通信接收方而言，在其實際的工作過程中，擴頻通信為了更好地對發(fā)送方信息進行恢復，通常會對下變頻后的基帶信號進行同步捕獲，以此來保證信息獲取的完整性和有效性。但是在當前水下無線通信技術(shù)應用過程中，同步捕捉技術(shù)的應用是亟待解決的一項實際問題，只有采取相應的措施，才能更好地對整個通信系統(tǒng)性能進行保證。
3.2同步捕獲技術(shù)實現(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，應對其進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)應用過程中，其主要的實現(xiàn)原理為：當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定時器開始計數(shù)，當INT0狀態(tài)為低電平時停止技術(shù)，一旦定時器停止計數(shù)，就會觸發(fā)外部中斷，與此同時，中斷服務程序會對定時器中計數(shù)值X進行讀取，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行判斷[4]。如果單片機的時鐘頻率為F，則可以對相對對應的信號發(fā)送頻率進行計算，此外，還可以根據(jù)跳頻和分頻數(shù)關系來實現(xiàn)相對應的分頻數(shù)，進而得出發(fā)送方所傳輸?shù)膬晌恍畔?。除此之外，單片機還可以根據(jù)測頻結(jié)果對信號進行同步捕獲，并將8個不同頻率段的帶通濾波器的數(shù)輸出端進行捕獲，并將其接入單片機。待接收到相應的信號后，接收方的單片機會根據(jù)具體的跳頻圖案完成相應的搜索控制，具體步驟為：首先應將等待頻率Fs等于跳頻組F0的頻率范圍，并由單片機對其對應的濾波器0送來的信號進行檢測，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，將其應用到具體的領域當中，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)進行研究，并在此基礎上對其進行完善，才能更好的實現(xiàn)水下無線通信技術(shù)的長效發(fā)展。
參考文獻
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[3]易叢琴，周汝雁.水下無線光通信關鍵技術(shù)應用研究[J].通信技術(shù)，2017，50（10）：2202-2205.
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作者：宋琳娜 單位：和田師范專科學校
