开题报告
电气工程及自动化
水下无线通信系统的设计
一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义
水下无线通信主要可以分成三大类：水下电磁波通信、水声通信和水下光通信，它们具有不同的特性及应用场合。

1、水下电磁波通信技术的特点与发展
众所周知海水据有导电的性质，因而海水对电磁有屏蔽的作用。

海水中含有多种带电离子，其中钠离子、钾离子、钙离子、镁离子、硫酸根离子、碳酸根离子、氯离子、碳酸氢根离子，这8种离子占海水中溶质总量的99％以上，这是使海水成为导体的主要原因。

海水的电导率随海区温度、深度、盐度的不同而不同，为3～5S∕m，工程上一般取其平均值：4S∕m，它高于纯水的电导率5～6个数量级。

所以对平面电磁波传播而言海水是有耗媒质，这决定了平面电磁波在海水中的传播衰减很大。

（1）军用岸对潜艇甚低频单向通信
这是一种世界各国家海军传统的军用远程单向通信方式，它从发射到接收的海区之间的传播路径是在大气层中，衰减比较小，但从大气层进人海面再到海面以下一定深度接收点的过程中，电磁波场强就会急剧下降。

这就决定了水下电磁波通信只能用于远距离的小深度的水下通信。

平面电磁波从大气层进入海面通信的发端在大气层中，其平面电磁波以垂直极化的形式(这是传播损耗较小的传播形式)在海面上传播，其水平磁场在海面感应出水平电场，此水平电场以接近垂直的方向向下传播，最后到达接收点。

电磁波从空气中进人海面以下的能量是很少的。

所以水下电磁波通信只能用于远距离的小深度的水下通信。

如果想将电磁波信号送到较大深度时，就需要适当降低工作频率。

（2）军用岸对潜艇超低频单向通信
上世纪冷战时期，美国和前苏联分别将岸对潜(艇)单向通信的工作频率，从甚低频的几十千赫兹降到了超低频的100Hz以下，从而实现了100m左右的收信深度。

以上两种方式的通信，发射设备的规模宏大，其占地面积以平方千米计，发射机输出功率从几百千瓦到数兆瓦，通信距离可达数千千米甚至超过万米，但收信深度(潜艇能可靠接收信号时艇的水线深度)都较浅，甚低频通信的收信深度仅几米至几十米，超低频通信的收信深度也仅百米左
右。

2、水声通信技术的特点与发展
声波在海面附近的典型传播速率为1520m∕s，比电磁波的速率低5个数量级。

与电磁波和光波相比较，声波在海水中的衰减小得多，因此，水声是一种有效的水下通信手段。

2.1水声信道的特性
水声通信系统的性能受复杂的水声信道的影响较大。

水声信道是由海洋及其边界构成的一个非常复杂的介质空间，它具有内部结构和独特的上下表面，能对声波产生许多不同的影响。

一：声能量的传播损失。

传播损失是由于声能扩展和衰减所引起的损失之和。

扩展损失主要是由于波阵面的扩展引起声能的扩散。

二：环境噪声。

海洋中有许多噪声源，包括潮汐、湍流、海面波浪、风成噪声、地震、火山活动和海啸产生的噪声、生物噪声、行船及工业噪声等。

三：多径效应。

由于介质空间的非均匀性，水声信道必然存在多径现象，也就是说在一定波束宽度内发出的声波可沿几种不同的路径到达接收点。

声波在不同路径中传播时，由于不同路径长度的差异，到达该点的声波能量和时间也不相同，从而引起信号的衰落，造成波形畸变，并且使得信号的持续时间和频带被展宽。

四：起伏效应。

由于介质不但在空间分布上不均匀，而且是随机时变的，使得声信号在传输过程中也将是随机起伏的。

造成起伏的主要原因是海面、非均匀介质的温度微结构和内波。

信道的起伏造成信道的脉冲响应具有时变性，这种时变性严重地影响了通信系统的性能。

2．2水声通信技术
水声信道一个十分复杂的多径传输的信道，而且环境噪声高、带宽窄、可适用的载波频率低以及传输的时延大。

为了克服这些不利因素，并尽可能地提高带宽利用效率，已经出现多种水声通信技术。

(1)单边带调制技术。

世界上第一个水声通信系统是美国海军水声实验室于1945年研制的水下电话，主要用于潜艇之间的通信。

该模拟通信系统使用单边带调制技术，载波频段为8～1 lkHz，工作距离可达几公里。

(2)频移键控(FSK)。

频移键控的通信系统从上世纪70年代后期开始出现到目前，在技术上逐渐提高。

频移键控需要较宽的频带宽度，单位带宽的通信速率低，并要求有较高的信噪比。

(3)相移键控(PSK)。

上世纪80年代初，水下声通信中开始使用相移键控调制方式。

相移键控系统大多使用差分相移键控方式(DPSK)进行调制，接收端可以用差分相干方式解调。

采用差分相干的差分调相不需要相干载波，而且在抗频漂、抗多径效应及抗相位慢抖动方面都优于采用非相干解调的绝对调相，但由
于参考相位中噪声的影响，抗噪声能力有所下降。

近年来，水声通信在以下两个方面取得了很大的进步：1、多载波调制技术。

2、多输人多输出(MIMO)技术。

3、水下光通信的特点与发展
海水对蓝绿光的衰减比对其它波段光的衰减要小很多，这使得利用蓝绿光进行水下无线光通信成为可能吧水下光通信的最大优势是可能提供超过1Gbit∕s量级的数据传输率。

然而也存在一些制约水下光通信性能的因素：
(1)水对光信号的吸收很严重；
(2)水中的悬浮粒子和浮游生物使光产生严重的散射作用；
(3)水中的环境光对光信号的干扰。

到目前为止，还没有商用的水下光调制解调器。

近年来，来自水下传感器网络和海底探测的需求，极大地促进了短距离高速率的水下光通信技术的发展。

除了水下电磁波通信、水声通信和水下光通信以外，目前各国在研究新的有蓝光通信，穿透性能极佳的中微子、引力波等等来进行通信，但还没有进入实用阶段。

本系统是设计一个简易的水下无线通信系统，系统由路基单元、潜艇单元和电机单元三部分组成。

路基单元由STC12C5A08AD单片机、JCM12232F液晶显示器、APC220-43无线模块以及四个输入按钮组成，控制由STC12C5A08AD单片机来实现；显示器显示手动/自动模式和设定深度以及当前深度值；按钮一的功能是手动模式和自动模式的切换，按钮二、三的功能是分别实现深度的加减，按钮四是确认键。

潜艇单元由STC12C5A08AD单片机、水压传感器、APC220-43无线模块和红外线发射头组成。

其中单片机采集水压传感器、并通过无线模块接收和发送数据，然后又通过红外线传输的方式向电机单元发送控制信息。

电机单元由STC12C5A08AD单片机、减速电机以及HS0038M红外线接收头组成。

电机单元一直保持接收数据状态，当接收到潜艇单元传送过来的数据时，电机动作，控制潜艇上浮下潜。

二、研究的基本内容，拟解决的主要问题：
本设计模拟制作一套陆地指挥所与水下的潜艇通讯系统，由路基单元向水下潜艇模型发送控制信号，水下潜艇模型通过红外线向陆上步进电机单元发送执行指令从而控制潜艇的上浮和下沉，潜艇把当前的深度报告给陆地指挥所，指挥所能显示出潜艇的当前深度值。

主要解决陆地部分和水下潜艇之间的无线电通信问题，电机控制，无线电频率的选择，水下深度测量以及数据传输。

三、研究步骤、方法及措施：
1．总体方案的选择、确立；
2．元器件的选择；
3．电路原理图设计；
4．程序设计；
5．论文的撰写；
通过查阅已有的相关文档及技术资料，先确立总体方案，根据选择的方案通电路的搭建，进行针对性的设计研究。

四、参考文献
[1]许克平等．水声语音通信研究[J]．厦门大学学报，2001年6月
[2]梁涓．水下无线通信技术的现状与发展[J]．北京邮电大学，2009年12月
[3]储钟圻．远程通信．北京：中国电力出版社，2008
[4]BAIDEN G，BISSIR Y，MASOTI A，et a1．Paving the way for a future underwater omni-directional wireless optical communication systems．Ocean Engineering 2009，36(9—10)：633-640
[5]张超等．高效的水下无线通信方式[J]．武汉光电国家实验室，2007年9月
[6]隋美红等．水下光学无线通信的海水信道特性研究[J]．中国海洋大学，2009年4月
[7]王承恕．通信网基础[M]．北京人民邮电出版社2000．。