水聲數(shù)字通信

前言

　　水聲通信涉及國防水聲學(xué)和民用海洋開發(fā)、利用諸多方面，受到各有關(guān)海洋國家的高度重視?！　≡缙?，乃至今日，水聲模擬通信都占有重要地位。然而依此體制組建的水聲通信機(jī)，存在著通信質(zhì)量不太可靠等固有的缺點(diǎn)。為適應(yīng)隨機(jī)時一空一頻變參、強(qiáng)多途、快起伏、高噪聲和嚴(yán)帶限的特異水聲通信信道，近年來水聲數(shù)字通信體制備受重視，并獲得了重要的進(jìn)展和某些技術(shù)方面的突破。目前水聲通信領(lǐng)域，如水聲網(wǎng)絡(luò)的水下數(shù)據(jù)通信等，數(shù)字通信已逐漸取代了模擬通信體制?！　≡瓌t上說，水聲數(shù)字通信是無線電數(shù)字通信向水下的延伸和發(fā)展。然而，水聲通信信道與無線電通信信道存在著許多本質(zhì)的差異。水聲通信信道的特異性，決定了無線電通信中的一些成熟的技術(shù)，以至基本原理，在水聲數(shù)字通信中并不適用，或需經(jīng)修正后才能適用。因此尋找創(chuàng)新型的水聲數(shù)字通信信號處理體制，并以此組建高性能的數(shù)字通信聲吶，就顯得特別重要。這也是本書論述的基本線索?！　榱嗽O(shè)計適應(yīng)于水聲通信信道實際的信號處理體制，首先必須對水聲通信信道聲傳榆規(guī)律及其對水聲數(shù)字通信的影響有深入的了解，力求在水聲物理理論和信息論的指導(dǎo)下，進(jìn)行民用背景下的新型水聲數(shù)字通信信號處理體制和數(shù)字通信聲吶組建的探索。民用通信聲吶可以說是軍用通信聲吶的簡化特例，如不必考慮遠(yuǎn)距離通信、保密通信和高航速下的移動通信等特殊難題，因此前者的組建將相對容易?！　”緯灿兴恼乱桓戒?。在第1章緒論的總體引導(dǎo)下，第2章較為深入地闡述與水聲通信有關(guān)的水聲物理基礎(chǔ)，并著重地論述水聲通信信道聲傳播規(guī)律：傳輸損失、多途效應(yīng)、信號起伏和海洋噪聲對水聲數(shù)字通信的影響及應(yīng)采取的對策。

內(nèi)容概要

本書以創(chuàng)新的思路，論述了當(dāng)前備受關(guān)注的水聲數(shù)字通信。在第1章緒論的總體引導(dǎo)下，第2章闡述水聲通信信道中聲傳播規(guī)律，著重地論述這些規(guī)律對水聲數(shù)字通信的影響幣口應(yīng)采取的對策，作為水聲數(shù)字通信信號處理體制設(shè)計的物理基礎(chǔ)。第3章論述水聲數(shù)字通信信號處理，概要地回顧了當(dāng)前水聲數(shù)字通信信號處理體制及相應(yīng)的水聲數(shù)字通信機(jī)，以適配水聲通信信道相對于無線電通信信道特異性為線索，結(jié)合了當(dāng)前民用水聲通信中需解決的幾個技術(shù)關(guān)鍵，提出了創(chuàng)新型的包含Rake接收技術(shù)的自適應(yīng)偽隨機(jī)調(diào)頻(APNFM)水聲數(shù)字通信信號處理體制，可望在無信道先驗知識的情況下，獲得近于多途徑傳播條件下以最大輸出信噪比為準(zhǔn)則的最佳檢測。第4章為水聲數(shù)字通信設(shè)備，論述了著者主持研制的以民用為背景的三種不同體制水聲數(shù)字通信機(jī)：數(shù)字時間相關(guān)積累遙控通信機(jī)，改進(jìn)型跳頻多媒體水聲通信機(jī)和創(chuàng)新型APNFM水聲通信機(jī)。后者具有組建成普遍適用于民用領(lǐng)域的兼容式數(shù)字通信聲吶的前景。本書可供從事水聲通信、水聲工程以及通信工程的科研和教學(xué)工作者及高年級本科生、研究生參考。    本書附有與水聲數(shù)字通信和探測有關(guān)聯(lián)的超聲傳感系統(tǒng)，包括混凝土噴射機(jī)械手測距測向傳感系統(tǒng)、機(jī)器人地形障礙檢出傳感系統(tǒng)和自動導(dǎo)引車(AGV)導(dǎo)航傳感系統(tǒng)有關(guān)內(nèi)容。此三類新型傳感系統(tǒng)具有獨(dú)立的使用方向，也可推廣應(yīng)用于諸多方面。本書附錄可供從事超聲傳感應(yīng)用的科研、教學(xué)人員和高年級本科生、研究生參考。

作者簡介

　　許天增，廈門大學(xué)海洋與環(huán)境學(xué)院、水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實驗室教授、博導(dǎo)。1936年出生于福建省晉江市。1959年畢業(yè)于廈門大學(xué)物理系海洋物理專業(yè)，同年留校任教。曾任廈門大學(xué)亞熱帶海洋研究所所長、廈門大學(xué)海洋系系主任，并曾兼任國際海洋物理協(xié)會中國委員會委員、中國海洋物理學(xué)會副理事長、中國聲學(xué)學(xué)會理事?！　《嗄陙韽氖滤晫W(xué)方面的教學(xué)工作，被聘為教育部海洋學(xué)科教學(xué)指導(dǎo)委員會副主任。同時承擔(dān)和參加了多項有關(guān)水聲基礎(chǔ)理論、水聲通信設(shè)備和超聲傳感。包括五項國家“863”計劃等科研任務(wù)。在“863”計劃“八五”期間的實施工作中作出了貢獻(xiàn)。被國家科學(xué)技術(shù)委員會評為先進(jìn)工作者。榮獲三等獎?！　≡S鷺芬，廈門大學(xué)海洋與環(huán)境學(xué)院、水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實驗室高級工程師。海洋物理教研室副主任。碩士生導(dǎo)師。1963年出生于福建省廈門市，1983年畢業(yè)于廈門大學(xué)海洋系海洋物理學(xué)專業(yè)。1983年至1995年任廈門海洋儀器廠技術(shù)部設(shè)計工程師，與廈門大學(xué)海洋系聯(lián)合進(jìn)行科研項目的研制與開發(fā)。1995年起，調(diào)入廈門大學(xué)海洋與環(huán)境學(xué)院。二十幾年來主要從事水聲數(shù)據(jù)傳輸與探測的教學(xué)和研究工作，參加了多項國家“863”計劃和國家自然科學(xué)基金等科研任務(wù)。

書籍目錄

第1章  緒論  1.1  水聲通信的發(fā)展概況  1.2  水聲通信信道相對于無線電通信信道的特異性  1.3  創(chuàng)新型水聲數(shù)字通信體制組建探索    1.3.1  水聲數(shù)字通信    1.3.2  當(dāng)前主要水聲數(shù)字通信體制    1.3.3  創(chuàng)新型水聲數(shù)字通信體制組建探索  1.4  通信聲吶方程第2章  水聲通信信道  2.1  水聲場的理論方法    2.1.1  波動方程與定解條件    2.1.2  射線聲學(xué)理論  2.2  海中聲傳輸損失    2.2.1  分層不均勻海水介質(zhì)中的聲場    2.2.2  海水介質(zhì)的聲吸收損失    2.2.3  聲傳榆損失對水聲數(shù)字通信的影響及可能的對策  2.3  水聲通信信道多途效應(yīng)    2.3.1  兩層介質(zhì)下聲傳播的簡正波解    2.3.2  層中聲傳播的虛源圖像    2.3.3  水聲通信信道多途結(jié)構(gòu)實驗研究    2.3.4  多途效應(yīng)對水聲數(shù)字通信的影響和適應(yīng)的對策  2.4  水聲通信信道聲傳播起伏    2.4.1  海水介質(zhì)隨機(jī)不均勻性引起的聲傳播起伏    2.4.2  隨機(jī)界面上的聲散射和聲傳播起伏    2.4.3  聲傳播起伏對水聲數(shù)字通信的影響及抗起伏的對策  2.5  海洋噪聲    2.5.1  有源介質(zhì)中一般聲波方程    2.5.2  海洋環(huán)境噪聲    2.5.3  艦船自噪聲    2.5.4  海洋噪聲對水聲數(shù)字通信影響和抗噪對策第3章  水聲數(shù)字通信信號處理  3.1  無線電通信中幾個可借鑒的信號處理技術(shù)    3.1.1  最佳線性濾波器    3.1.2  自適應(yīng)濾波器及其應(yīng)用    3.1.3  衰落信道分集接收技術(shù)    3.1.4  擴(kuò)頻技術(shù)  3.2  幾種水聲數(shù)字通信體制    3.2.1  MFSK體制的水聲數(shù)字通信    3.2.2  擴(kuò)頻體制在水聲數(shù)字通信中的應(yīng)用    3.2.3  水聲通信信道與最佳線性濾波器  3.3  創(chuàng)新型水聲數(shù)字通信信號處理體制探索    3.3.1  當(dāng)前民用背景水聲通信需解決的幾個技術(shù)關(guān)鍵    3.3.2  新型水聲數(shù)字通信信號處理體制建立的原則    3.3.3  創(chuàng)新型APNFM水聲數(shù)字通信信號處理體制第4章  水聲數(shù)字通信設(shè)備  4.1  水聲換能器簡介    4.1.1  水聲數(shù)字通信對水聲換能器的要求    4.1.2  圓管型壓電陶瓷換能器  4.2  數(shù)字時間相關(guān)積累水聲遙控通信    4.2.1  淺海聲通信信道物理特性實驗研究    4.2.2  水聲釋放器遙控通信機(jī)研制  4.3  改進(jìn)型FH-SS體制多媒體水聲通信機(jī)研制    4.3.1  預(yù)期的研制目標(biāo)    4.3.2  主要技術(shù)關(guān)鍵    4.3.3  改進(jìn)型FH體制水聲Modem樣機(jī)的實驗探索    4.3.4  在水聲多媒體通信上推廣可行性分析  4.4  創(chuàng)新型APNFM體制水聲數(shù)字通信聲吶研制探索    4.4.1  APNFM水聲數(shù)字通信聲吶總體結(jié)構(gòu)和工作過程概述    4.4.2  APNFM體制水聲數(shù)字通信機(jī)的初步實驗研究附錄  氣介超聲傳感系統(tǒng)

章節(jié)摘錄

　　而且一般很難達(dá)到其上限。如要求R=lkbps，通信距離就只能小于以至遠(yuǎn)小于40km。　　3.軍用水聲通信對整機(jī)的魯棒性要求很高，以避免偶然事故的產(chǎn)生。然而，水聲通信由于海洋環(huán)境復(fù)雜而多變，而水下戰(zhàn)及其戰(zhàn)場隨時隨地均可能發(fā)生變化，要使通信機(jī)能適應(yīng)隨機(jī)時一空一頻變的水聲通信環(huán)境是很困難的?！　?.軍用水聲通信機(jī)可能應(yīng)用于高速航行的艦（艇）載移動通信條件，這時通信環(huán)境劇烈變化，且將有大的多普勒頻移和高的艦艇自噪聲級，通常的水聲信號處理方案又無頻移適應(yīng)性，高質(zhì)量的水聲通信難度加大了?！　?.軍用水聲通信有嚴(yán)格的保密要求。如不能攻克此難點(diǎn)，只好以降低發(fā)射聲功率及相應(yīng)的通信距離來換取保密性能的提高?！　?.軍用水聲通信可能有多媒體信息的需求，以適應(yīng)不同的用途。要求在有限的艦艇空間安裝不同通信機(jī)（包括不同的換能器一功放組件）一般是不容許的。因此就存在不同通信媒體以及通信聲吶與主動聲吶換能器的兼容問題?！　∠鄬Χ裕娪盟曂ㄐ糯嬖诘碾y題，在民用水聲通信方面就沒那樣突出，因為此類通信機(jī)通?？稍谳^近的距離上互通信息，完成通信的時間也有很大的靈活性，即對通信距離和速率的兼顧要求較低。此類水聲通信或可選擇良好的海區(qū)和季節(jié)進(jìn)行，而且通常屬定點(diǎn)通信或低航速下移動通信，通信環(huán)境相對穩(wěn)定，多普勒頻移校正負(fù)擔(dān)較輕，噪聲級也較低。此類通信機(jī)無保密要求，只要能耗、體積和重量上許可，就可使整機(jī)在高信噪比背景下進(jìn)行信息檢測，而且可生產(chǎn)不同規(guī)格、不同用途的水聲通信機(jī)以供用戶選購，一般也不必考慮復(fù)雜的兼容問題。　　當(dāng)然，軍用水聲通信與民用水聲通信的難易程度是相對的。民用水聲通信的通信距離如能更遠(yuǎn)些，將更廣泛地適應(yīng)于實際的要求。對于圖像通信等信息量很大的通信媒體，要求的通信速率就很高，一樣存在通信距離與通信速率相互矛盾的狀態(tài)。譬如，我們科研組研制的淺海圖像通信，速率雖已達(dá)8 kbps，但對于一幀320×200（像素）×16（灰度級）的簡單黑白圖像，傳輸?shù)臅r間仍然需32 s，而根據(jù)（1.1.1）式，高魯棒性的通信距離只能在5 km以下。在海洋開發(fā)、利用的海區(qū)，可能有惡劣的通信環(huán)境而無法避開，也需要水聲通信機(jī)有優(yōu)良的信道適應(yīng)性。在海面指揮船與深潛器等的綜合通信場合，也屬移動通信范疇，并需多媒體通信及存在多媒體兼容的問題。此外，民用水聲通信機(jī)可能有積體、重量、能耗和成本等方面的特殊要求，特別是民用水聲通信機(jī)使用單位，一般不能提供水聲通信信道有關(guān)參數(shù)。因此，此類通信機(jī)必須能在無信道先驗知識條件下實現(xiàn)自適應(yīng)的信道匹配，也給這類水聲通信機(jī)的設(shè)計帶來特殊困難。

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