Table of Contents
היכרות עם תקשורת אקוסטית תת-קרקעית ותפקיד FSK
רובוטיים תת-ימיים והנדסה ימית מסתמכים על קישורים תקשורת חזקים למשימות החל מחיפוש אוטונומי של vents עמוקים-ים לשליטה בזמן אמת של כלי רכב המופעלים מרחוק (ROVs) במהלך פעילות הנפט והגז. גלים אלקטרומגנטיים חודרים במהירות במי הים, מה שהופך את תדר הרדיו (RF) תקשורת לא סדירה מעבר לכמה מטרים.
FSK מקודמת מידע דיגיטלי על ידי שינוי תדירות המוביל בין ערכים דיסקרטיים.טבע ה-envelope הקבוע שלו אומר שהוא יכול להיות מוגדל ביעילות במתינות תת-קרקעית מוגבלת, יתרון קריטי עבור כלי רכב אוטונומיים תת-קרקעיים אוטונומיים מאולתרים (AUVs) מאמר זה מספק מחקר סמכותי, עיצובי של תוכניות FSK לוויסות מותאמים להנדסת חשמל מימית ובדיקה ימית.
תוצאות של FSK Modulation
Binary FSK (BFSK) ו- M-ary FSK
(ב) [17] , [17] , [17] , [17] , [17] , [17] , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
(ה) [ה]ה']'[דרוש מקור] [ב]] [ב[[המאה ה'], [ה']], [ה']'[ה]']'[ב[[1924]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]] [[[[1924]]]]]]
המונחים: non-Coherent Demodulation
ההדגמה קוהרנטית דורשת שחזור שלב של נושא, אשר מאתגר מתחת למים בשל תנודות שלב מהירות הנגרמות על ידי השתקפות משטח ופלטפורמות נעות. הדגמה לא-קורנטית, באמצעות מסננים או מתפוררי תדר, הוא חזק יותר והוא הגישה הדומיננטית במצבי FSK תת-ימיים מעשיים.FSK טיפוסי הוא יחס של 1–3B-to-noise (NRS) לעומת תנאי זיהוי מקובלים, אך מקובלים אלה ניתנים לשיפור ההסתברותי.
מאפיינים ספציפיים ו Bandwidth Efficiency
[] ספקטרום אות FSK תלוי בסטיית התדר ואת קצב הסמל.עבור FSK מתמשך (CPFSK), הספקטרום יכול להיות קומפקטי יותר, צמצום התערבות הערוץ הסמויה.Gussian מינימום שינוי מפתח (GMSK), צורה של CPFSK, משמש כמה מערכות תת-ימיות ליעילותה הספקטרוםית, אם כי הוא מורכב יותר מ- 2FIR3:
תת-קרקעית ערוץ Characteristics המשפיעה על עיצוב FSK
הערוץ האקוסיבי התת-ימי הוא אחד מאמצעי התקשורת המאתגרים ביותר.עיצוב FSK מוצלח חייב להיות חשבון מפורש על התכונות הבאות:
תדירות - Dependent Attenuation
ספיגה אקוסטית במי הים עולה עם תדירות.לדוגמה, העצימה ב 10 kHz היא בערך 1 dB / ק"מ במים ממוזגים, אבל ב 50 kHz זה יכול לעלות על 20 dB / ק"מ. זה כוחות הבחירה של תדירות נושאת להיות פשרה: תדרים נמוכים (1–10 kHz) propagate עשרות קילומטרים אבל דורש טרנספורים גדולים ולהציע רוחב פס; גבוה יותר (מהירות גבוהה) של שימוש קצר של 15 ק"מ) לטווח קצר (טווח נמוך יותר עבור מערכות רוחב פס קצר (טווח נמוך יותר) לטווח קצר (טווח נמוך יותר) לטווח קצר יותר של 15 kS) לטווח קצר יותר עבור רוחב פס קצר יותר (טווח קצר יותר של 15 kS) לטווח קצר יותר) לטווח קצר יותר) לטווח קצר יותר (טווח נמוך יותר) לטווח קצר יותר (k- 10.
Multipath Propagation
השתקפות חיצונית ותחתית ליצור מספר נתיבי propagation, גרימת התערבות בין-סימבול (ISI) העיכוב להתפשט במים רדודים יכול להיות עשרות אלפי שניות. FSK להפחית את ההשפעה של ISI כי אות ה-envelope קבוע הוא פחות רגיש לפרקים ריקים הנגרמים על ידי multipath. עם זאת, תקופות סמל חייב להיות נבחר יותר מאשר העיכוב להתפשט כדי למנוע הפרעה חמורה, אשר ישירות מגבלות של תאים קצרים (F) ל-reperi-retance) ל-retreperi-R.
Doppler Shift and Spread
פלטפורמות נעות (AUVs, פני השטח) וזרם מים לגרום ל-Doppler לעבור.עבור AUV נעה 3 קשרים (-1.5 מ' /s) ונושא של 20 kHz, משמרת דופלר היא בערך 20 הרץ.אם טון טון ציפוי דק הוא קטן יותר מאשר השינוי דופלר, תדרים סמוכים עשויים לחפוף, גרימת שגיאות עיצוב FS עם תדירות מקסימלית תדירות גבוהה יותר מאשר לעתים קרובות על ידי שמירה על ידי לוח זמנים זה הוא לעתים קרובות על ידי מצופה על ידי כפל חיוני לעשות את התדירות גבוהה יותר מאשר על ידי מצופה על ידי כפלה על ידי כפלה הוא לעתים קרובות יותר מאשר על ידי כפלה הוא לעתים קרובות יותר מאשר על ידי מצופה על ידי כפל אחד לפחות על ידי כפלית קשה יותר מאשר על ידי כפל אחד לפחות על ידי מצופה על ידי פענוח יותר מאשר על ידי פענוח הוא לעתים קרובות על ידי כפלה על ידי כפל חיוני לעשות את זה הוא לעתים קרובות על ידי פענוח דופלר אחד לפחות על ידי פענוח קשה יותר מאשר על ידי פענוח בין התדירות גבוהה יותר מאשר זה הוא לעתים קרובות על ידי פענוח בין התדירות גבוהה יותר מאשר על ידי פענוח אחד
רעש
מקורות רעש תת-ימיים כוללים רוח, גשם, נפיחות, משלוח ופעילות ביולוגית.ספקטרום הרעש אינו שטוח; בדרך כלל הוא עוקב אחר מגמה מופחתת עם תדירות מעל כמה kHz. גילויים שאינם-הכיירים של FSK מבצעים היטב בתוסף רעש לבן גאוסיאן (AWGN) אבל ניתן להשפיל רעש אימפולסיבי מחיי הים. חלק מה-FKSKS המודרנית משלבת מקלטים לפילטרים או אלגוריתמים ריקים.
פרדוקס עיצוב קריטי עבור תת-קרקעי FSK Schemes
תכנון מודולציה יעילה עבור משימה תת-ימית מסוימת דורש במשותף מספר פרמטרים.התתתות הבאות מתארות את ההחלטות החשובות.
Frequency Band and Center Frequency Selection
בחירת הלהקה תדירות קובעת את הטווח המקסימלי, רוחב פס זמין, וגודל transducer. עבור חקר מים עמוק שבו טווחים מעל 10 ק"מ, תדרים ב 1-10 kHz הם נפוצים.תדירות המרכז גם משפיע על השינוי דופלר באופן יחסי. A תרגול משותף הוא לבחור להקה שבה ה-Cli הקליטה הוא מתחת 10 dB לקילומטרים, טווח איזון ורוחב הפס.
מדד Modulation ו- Tone Spacing
(ה) ה-[[המאה ה-1]], [[המאה ה-20]], [[המאה ה-20]], [[1924]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]], [[1924]], [[[[1924]]]] [[[[1924]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[[[1924]]]]]] [[[[1924]]]]]] [[[[1924]]]]]]]] [[[[[[[[1924]]]]
רמת סמל ודירוג נתונים
עבור רוחב פס נתון, שיעור הסמל הוא בערך רוחב הפס מחולק (1 + FLT:0hcioFLT:1) ב 10 kHz הלהקה עם FLT:2hhirFLT 3: = 1.5, שיעור הסמל המקסימלי הוא בערך 4 ksymbols /s, מניב 4 kbps עבור BFSK יכול להגדיל את המורכבות של 8-FS גבוה יותר; אבל אחד מהם היה להשיג את הפילטרים גבוה יותר של 12K) אבל גבוה יותר עם 12 kps עבור סנטימטר אחד (R) אבל גבוה יותר של 12 kps) גבוה יותר עם , אבל , אבל , 000 גבוה יותר של 2K) עם , 000 גבוה יותר של 10 , 000 גבוה יותר של 2K , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , אבל , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 גבוה יותר , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 ⁇ ⁇ , 000 , 000 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
שומרי ראש ומפגש
כדי להפחית את ההתערבות של תדירות-דומיין מערוצים הסמוכים או טונס, להקות שמירה (תדירות בלתי מנוצלת) מוכנסות בין טונים פעילים. להקה משמרת של 20–30% של רוחב הפס הכולל נפוץ בתרחישים רב-משתמשים או רב-כימיים. זמן-דומיין משמש גם כדי לפוצץ שגיאות הנגרמות על ידי מולטיפטים עמוקים, עם מעמקים טיפוסיים של עשרות עד מאות מ"ל השניות.
המונחים: subSK Modems
Transducers and Acous Front-Ends
ה- transducer - המכשיר שממיר אותות חשמליים לגלי אקוסטיים - הוא המרכיב הקריטי ביותר. עבור נמוך ⁇ FSK (under 10 kHz), טונופילז או מטבוליזם דיסקרטי הם נפוצים, המציע רמות מקור גבוהות (180–190 dB re ⁇ 1 μPa בשעה 1 מ') ופסיבי רוחב פס רחב.ה הכוח חייב להיות ליניארי מספיק כדי למנוע ספקטרום להפצת קומפלקס קרוב, אבל יכול לשמש את ה-DKen טכניקה קבועה עבור רמה, אבל יכול לשמש את יעילות EKen.
המונחים: פילטר
בצד המקבל, האות מן ה הידרופון בדרך כלל עובר דרך מגבר נמוך (LNA) ו מסנן נגד-aliasing.עבור FSK שאינו קבוע, בנק של מסננים מפספים (one per טון) ואחריו גלאי זעירים ונספחים מספק הדגמה פשוטה יותר עיצובים מתקדמים להשתמש במהירות ארבעה יותר (FFT) ספקטרום מבוסס ספקטרום כדי לזהות את אורך כפול זה, כלומר, 000 חייב להיות שימוש קבוע אחד.
עיבוד אותות דיגיטליים (DSP) ומיקרובקר
מודמים מתחת למים מודרניים משתמשים במעבדי אותות דיגיטליים (למשל, TMS320C66x מטקסס מכשירים) או מערך שער הניתן ל- field-programmable (FPGAs) לעיבוד בזמן אמת.DSP חייב לטפל בטון, זיהוי תזמון, שחזור ותיקון שגיאות. מיקרו-בקרים של כוח נמוך (A Cortex-M4/M) יותר ויותר בשימוש באנרגיה ב-x-mcactm for atric for asolulation for asolated-tulation, אך כולל אלגוריתם-pertulation web-Perfectatives.
שיטות FSK מתקדמות עבור Robust תת-קרקעי תקשורת
שינוי FSK
מודולציה הסתגלות מאפשרת למוד את מספר הטונים (M) ואת הטון ספאם המבוסס על תנאי ערוץ נוכחיים (תוכנית הסתגלות טיפוסית לפקח על ה-SNR והעיכוב להתפשט: אם SNR הוא גבוה ו-Doppler הוא נמוך, מתגי מודם ל-8-FSK לדרגה גבוהה יותר; אם התנאים מתפרקים, הוא נופל בחזרה ל- BFSK או אפילו 4FSEESK-Sapative יכול לשפר באופן משמעותי את יכולת התקשורתית של ה-FEECateic.
פרוס-Spectrum FSK (SS-FSK)
Frequency-hopping ספקטרום התפשטות (FHSS) בשילוב עם FSK מספק אנטי-jamming ומיומנויות מרובות גישה.כל bit מועבר על תדר שנבחר פסאודו-random בתוך להקה רחבה. FHSS-FSK משמש ברשתות תת-קרקעיות צבאיות ובמערכות הגנה ימיות של יונקים, שבו השידור חייב להיות כיסוי או הימנעות מהתערבות עם חיות בר.
Turbo Equiization וערוץ Coding
למרות ש-FSK הוא חזק יחסית, הוא עדיין נהנה מתיקון שגיאות חזק.קודים מהפכתיים עם קידוד Viterbi נפוצים; עבור קישורים תובעניים יותר, קודים טורבו או קודים נמוכים (LDPC) בשילוב עם FSK להשיג ביצועים קרובים לcapacity. Turbo שווהization כי הוא חילופי מידע רך בין FSKdulator לבין קוד קוד כבד יכול להתמודד עם קוד פתוח 7.
שילוב של FSK Systems ב Marine Robotics
רכבי תת-קרקעי אוטונומיים (AUVs)
AUVs הפעלה במשך זמן רב דורשות חשמל נמוך, תקשורת אמינה. הרבה AUVs (למשל, סדרת WHOI REMUS) להשתמש ב- FSK מבוסס אקוסטית מודמים עבור פקודות וטלמטרי.היישום הסטנדרטי משתמש BFSK ב 5-10 kbps מעל טווח עד 2-3 ק"מ ארכיטקטורת פיקוד-ובקר לעתים קרובות מפרידה את הערוץ (FS) מ-FSK) מ-F-F-F-F-F-F-F-F-F-F-F-F-F-F-F-F-F-F-F-F-F- 10) ל-F-F-F-Fbps על פני טווח של כלי רכבי-D-D-D-D-D-D-D-D-D-R.comp גבוה (מתאים למעלה מטווח של כלי רכב לתאר מעל טווח מעל טווח מעל טווח מעל טווח מעל טווח מעל 2-D-D- 3 ק"מטווח של מערכת מחקר באורך 2-D-R.com) ל-3 ק"מטווח של מערכת בקרה-ALTS) ל- 3 ק"מ- 3 ק"מטווח של 2- 3
כלי רכב מאוגדים מרחוק (ROVs) ו-Tthered Systems
עבור ROVs tethered, FSK משמש על הקישור גיבוי אקוסטי כאשר כבל אטומי נכשל.הקישור אקוסטי tethered משמש גם לשליטה כאשר tether אורך מעל 1000 מטרים והתערבות פני השטח הוא גבוה. ביישומים אלה, ה- FSK טונס ממוקמים פערים של ספקטרום הרעש החשמלי של tethers. Coaxial או סיבים אופטיים הוא גבוה.
רשתות חיישן תת-קרקעי
(למשל, עבור ניטור סיסמי או חישה סביבתית) לעתים קרובות להשתמש בצורות FSK בעלות כוח נמוך כי לישון רוב הזמן.המצבמים מתעוררים על בסיס מתוכנן להעביר התפרצויות נתונים קטנות.המחזור הנמוך וזיהוי טון פשוט מאפשרים למקלט להיות מיושם עם מקבץ כוח נמוך.
אתגרים ומחקר מתמשך
Doppler Compensation and Time-Varying Channels
אחד מאזורי המחקר הפעילים ביותר הוא הקטנת דופלר במקלטי FSK. Methods כוללים הדגימה מחדש את האות המתקבל על בסיס הערכה של גורם דופלר, באמצעות מספר FFTs עם תדירות חפיפה, והפעלה רחבה FSK שבו דיבה בטון הוא חלק קבוע של התדירות (cont-of-of-of-atio FSK).
אנרגיה יעילה עבור משימות לטווח ארוך
צריכת חשמל של מודם אקוסטי היא לעתים קרובות הגורם המגביל של AUV סיבולת. FSK מודמים יכול להשיג כוח נמוך מאוד בidle או לקבל מצב על ידי חובה מחזור DSP ושימוש גילוי טון השקוף.מחקר האחרון מציע באמצעות גלאי אנרגיה אנלוגי פשוט מכוון טון FSK ספציפי כאות ער, שמירה על המקלט הראשי עד השידור מגיע.
שיתוף ספקטרום וקונדו
עם התפשטות מכשירים אקוסטיים תת-ימיים, התערבות בין מערכות שיתוף אותה להקה תדר היא בעיה גוברת. מערכות FSK המעסיקות תדר-ההיפוך או רב טון FSK יכול להיות coexist אם דפוסים ההיגוי הם אוטגוניים גישה לספקטרום דינמי, שבו מודמים משא ומתן על תדרים הזמינים באמצעות ערוץ בקרה, הוא תחום של מחקר פעיל, מפורט ב-FLT:0" מתחת למים סימטריים ו- Preigovic על ידי ערוץ 1 סטובק"ד"ד"ד"ראקצ'אן-FigoviciFigovic ו-Figovic"ר-Fistociccoic" 1
עיצוב FSK התת-ימי
Machine Learning for Fitive Modulation
אלגוריתמים של למידה מחדש יכולים לקבוע באופן אוטומטי את הפרמטרים אופטימליים FSK (M, נפיחות טואלט, קצב סמל) ללא צורך במודל ערוץ מפורש.ה מודם חוקר את הערוץ, צופה שערי שגיאות החבילה ולוח, ומתאים בהתאם. גישה זו מבטיחה במיוחד לסביבות הטרוגניות שבהן תנאי הערוץ משתנים במהירות.
מצבי Acoustic Deffined Acous Modems (SDAM)
רדיו מבוסס תוכנה מוגדרות לתחומים התת-ימיים. An SDAM יכול לעבור בין FSK לבין גלפורים אחרים (OFDM, DSSS) על זבוב.הגמישות מאפשרת את אותה חומרה כדי לתמוך במערכות FSK מורשת תוך יישום של הדור הבא של גלפורמות קוד פתוח כמו FLT:0 תחת מסגרת מים SDRFLT, מספק התייחסות של פלטפורמות FSK מותאמות אישית.
שילוב עם קישורים אינדוקציה אופטית ומגנטית
רובוטים תת-ימיים עתידיים עשויים להשתמש במערכות תקשורת היברידיות שבהן קישורים אופטיים מהירים לטווח קצר משלימים קישורים אקוסטיים לטווח ארוך FSK. לדוגמה, AUV עשוי להשתמש FSK כדי לשדר את נוכחותו, ולאחר מכן לעבור קישור אופטי להעברת נתונים גבוהה גבוה לאורך זמן של העגינה.מצב FSK הם גם להתמודד עם פרוטוקולים שלנהל את הידוף בין שכבות פיזיות.
מסקנה
תכנון תוכניות מודולציה FSK עבור רובוטיקה תת-ימית והנדסה ימית דורש הבנה מעמיקה של תורת התקשורת הבסיסית ואת הייחודיות של הערוץ האקוסיבי התת-ימי.הבחירה של הלהקה, מדד מודולציה, קצב סמל, ורכיבי חומרה חייבים להיות מאוזנים בקפידה כדי להשיג שיתוף אמין, כוח נמוך, ותקשורת גבוהה של BFSK יישום ב AUVs כדי להתאים ו-learning מערכות הפעלה חיוניות של אנרגיה, כמו גם כן, כמו גם ספקטרום אווירי של מערכות פיתוח אוויריות אוויריות, כמו גם ספקטרום גבוה יותר, כמו גם ספקטרום אוויריות, כמו גם ספקטרום אוויריות גבוהה של מערכות פיתוח אוויריות, כמו גם ספקטרום אוויריות, כמו גם ספקטרום אוויריות, וחדשנות אוויריות, וחדשנות, וחדשנות אוויריות גבוהה של מערכות פיתוח אוויריות גבוהה.