水下无线通信技术探析

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【摘要】：经过多年的实践与探索，水下通信技术相对成熟，但是在具体的应用过程中，这类技术不仅造价相对较高，而且通信效果也不是特别理想，很难真正满足当前人们对于通信技术的具体应用要求。无线通信作为现代通信技术发展过程中较为重要的一种形式，其无论是通信质量还是造价都具有着较大的优势，近年来，行业对于水下无线通信技术的研究也日益广泛。基于此，本文就基于跳频和同步捕获技术的水下无线通信技术进行了研究。

【关键词】水下无线通信技术；跳频；同步捕获技术；应用

1水声通信实现方案概述

1.1水声通信可行性分析

水声信道是一个十分复杂多径传输信道，特性参数随着时一空一频的变化而随机变化，加上它的环境噪声高、带宽窄、可适用的载波频率低、传输时延大等诸多不利因素，使之传输误码率高、传输数据率低等瓶颈问题难以解决，由此水下通信技术也成为当今最为复杂的通信技术之一，水声通信技术是水下通信技术领域中一个极具挑战性的研究课题，水声通信技术研究已经成为近年来通信及信号处理领域研究的热点之一。

1.2水声通信具体实现方案

就水声通信而言，在其实际的作业过程中，主要是由发送方和接收方两部分组成，主要工作原理如下：水声通信发送方首先通过对温度传感器的应用对通信传播水域的温度信息进行收集，然后应用微控制器实现对于接收到的数字信号进行跳频处理，待处理完成后应用数模转换以及水声换能器，经过两次转换后将其转变为声信号，同时在水下传递给接收方。在这一过程中，其主要应用到的技术就是跳频技术，具体来讲，就是接收方的换能器首先将受到的信号转变为数字信号，然后在通过对微控制器带通滤波器来实现同步捕获过程[1]。待获得所需要的频率信号后，相关工作人员就可以将相应的信号转变为所需要的温度信息进行显示。总体来讲，对于水声通信而言，要想实现水下无线通信的高效应用，其中两项技术最为重要，一项为发送方的跳频技术，一项为接收方的同步捕获技术。只有将这两项技术应用到水声通信过程中，才能更好地实现水下无线通信技术的长效发展。

2跳频技术概述

2.1跳频技术含义

所谓的跳频技术，指的就是根据帧的改变，对每个载波按照某种跳频序列对预先设定的一组频点进行跳变的一种技术，是当前通信技术中较为常用的扩频方式之一。对于跳频技术而言，其工作原理为：按照预定的规律形式，对收发双方传输信号的载波频率进行离散变化。这种技术主要有两种形式，一种为基带跳频，一种为射频跳频[2]，主要被应用于发送方，在发送端，通过对这一技术的应用，可以在较大程度上保证信息的安全性和隐蔽性。

2.2跳频技术实现原理

基于当前水声通信技术发展现状，将跳频技术应用其中，可以更好地保证信息的安全性和隐蔽性，要想将跳频技术应用到水声通信技术当中，并以此来提升水下无线通信技术整体水平，首要的就是应对跳频技术实现原理进行准确的把握。对于跳频技术而言，其主要的实现原理为：首先，相关工作人员应根据潜水换能器的带宽以及水声通信的工作环境将信道资源划分为8个跳频组Fij（i=0，1，2…，7），并在每个调频组分配四个频率，每个相邻频点的间隔为250Hz，在具体应用过程中，每个频率会根据单片机外部晶振所提供的固定频率来对跳频初值进行计算，并规定跳频图案按照F0~F7的顺序进行循环；其次，当信号传输至单片机时，则需要将信号两位为一组，根据具体的跳频图案来对两位所在的调频组进行确定，同时根据具体的两位信息来对某一个分频数进行确定[3]；最后，根据所得到的初值，通过对内部计数器的应用，将相应的信号结合数模转换器处理后转变为相应的频率信号，然后应用潜水换能器将声信号进行发出。

3同步捕获技术概述

3.1同步捕获技术含义

同步捕捉技术指的是应用于通信接收方的一项扩频通信技术。对于通信接收方而言，在其实际的工作过程中，扩频通信为了更好地对发送方信息进行恢复，通常会对下变频后的基带信号进行同步捕获，以此来保证信息获取的完整性和有效性。但是在当前水下无线通信技术应用过程中，同步捕捉技术的应用是亟待解决的一项实际问题，只有采取相应的措施，才能更好地对整个通信系统性能进行保证。

3.2同步捕获技术实现原理概述

通常来讲，在现阶段水下无线通信工作过程中，接受方在接收到模拟信号后，应对其进行前置放大和幅度均衡，以此来方便后续电路处理。在具体的同步捕捉技术应用过程中，其主要的实现原理为：当接收方接收到加载侧宽脉冲信号时，INT0的状态为高电平，定时器门控信号为1，此时接收方的单片机定时器开始计数，当INT0状态为低电平时停止技术，一旦定时器停止计数，就会触发外部中断，与此同时，中断服务程序会对定时器中计数值X进行读取，X值指的就是脉冲信号半个周期所使用的时钟数，这样也就可以对接收到的正弦波频率进行判断[4]。如果单片机的时钟频率为F，则可以对相对对应的信号发送频率进行计算，此外，还可以根据跳频和分频数关系来实现相对应的分频数，进而得出发送方所传输的两位信息。除此之外，单片机还可以根据测频结果对信号进行同步捕获，并将8个不同频率段的带通滤波器的数输出端进行捕获，并将其接入单片机。待接收到相应的信号后，接收方的单片机会根据具体的跳频图案完成相应的搜索控制，具体步骤为：首先应将等待频率Fs等于跳频组F0的频率范围，并由单片机对其对应的滤波器0送来的信号进行检测，如果检测结果为频率F01，并可以判断出F01落在F0上，这时就可以根据接收到的跳频图案来完成相应的滤波器控制匹配工作，同时对接收到的跳频信号的跳频序列周期进行判定，判定其是否完成真同步，如果判定值小于门限值，则可以判定为同步捕获成功，滤波器组匹配工作继续[5]；如果判定值大于门限值，则需要及时的停止匹配，并对等待频率变更至上一次等待频率上，从新进行操作。综上所述，基于跳频通信技术以及同步捕获技术的水生通信系统可以更好地保障通信的安全性水平，将其应用到具体的领域当中，对于保证通信的隐蔽性及安全性具有着非常积极的意义。随着海洋通信技术的日益发展以及社会发展对于当前通信质量要求的提升，只有不断的对现代新型通信技术进行研究，并在此基础上对其进行完善，才能更好的实现水下无线通信技术的长效发展。

参考文献

[1]朱敏，武岩波.水声通信技术进展[J].中国科学院院刊，2019，34（03）：289-296.

[2]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.

[3]易丛琴，周汝雁.水下无线光通信关键技术应用研究[J].通信技术，2017，50（10）：2202-2205.

[4]刘兴，吴应明，罗广军，王侠.水下大容量无线光通信技术最新研究现状[J].光通信技术，2017，41（07）：52-54.

[5]朱耘佳，施慧彬.基于跳频和同步捕获技术的水下无线通信技术研究[J].单片机与嵌入式系统应用，2017，17（05）：30-33.

作者：宋琳娜 单位：和田师范专科学校