ПРОБЛЕМЫ ОРГАНИЗАЦИИ ПОДВОДНОЙ АКУСТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ ВЫСОКОЙ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ

Аннотация: Описаны вопросы создания подводной акустической связи, предназначенной для получения визуальной информации от подводных аппаратов в режиме реального времени. Тема является актуальной в связи с возрастающим интересом к применению автономных необитаемых подводных аппаратов в научных, исследовательских, производственных и частных целях.

Ключевые слова: подводный акустический канал; модуляция; бодовый интервал; скорость передачи данных; сигнал.

Автономные необитаемые подводные аппараты (АНПА) являются отдельной отраслью робототехники и особым видом морской техники, а также современной технологией, обеспечивающей завоевание лидирующего экономического положения страны за счет повышения экономической эффективности подводных работ. Первоначально появление простейших АНПА находило применение в военной области, но постепенно с развитием и усовершенствованием подводной техники обозначился определенный  ряд задач для ее применения на практике. Это широкий круг научных, исследовательских задач, связанных в первую очередь с освоением Мирового океана, решения экологических задач, прогнозированием климата, контролем биоресурсной базы, разработка подводных месторождений полезных ископаемых, сейсморазведка, использованием в качестве средств оповещения в чрезвычайных ситуациях, и т.д.

В связи с этим, по-прежнему носят весьма актуальный характер проблемы разработки и технического усовершенствования подводных систем связи.

Прием и передача данных акустическим модемом. Система связи подводного акустического модема подводного аппарата с оператором, т.е. передача (получение) данных с помощью сигналов управления имеет наибольшее значение и всегда является неотделимой частью АНПА, от которой зависит эффективная работа других функциональных систем и управление аппаратом в целом. В реальных условиях работы подводного акустического модема присутствует целая совокупность факторов, которые могут искажать полезный сигнал. Среди этих факторов можно выделить общеизвестные, такие как помехи и шумы, являющиеся по сути бесполезным нежелательным сигналом, смешиваясь с которым полезный сигнал, направленный для передачи(приема) данных искажается или деформируется. При работе с цифровыми данными наиболее важно знать, каким образом вносимые искажения лимитируют оптимальную скорость передачи данных. Максимально допустимая скорость передачи информации по тракту связи или каналу связи при совокупности определенных условий конкретной среды, называется пропускной способностью канала.

Ключевыми определениями при передаче (приеме) данных подводным акустическим  модемом являются:  скорость передачи (приема) данных;  ширина полосы сигнала;  средний уровень шума в канале связи;  уровень ошибок.

Задача осуществления связи с АНПА состоит в том, чтобы ширина полосы передаваемого сигнала была оптимальной для канала передачи, поскольку увеличение ширины полосы сигнала влечет за собой удорожание необходимого средства связи, а практическим затруднением использования каналов передачи является их обладание лимитированной шириной полосы. Зачастую, чтобы избежать явления интерференции с другими источниками сигналов, ширина полосы полезного сигнала предварительно ограничивается в передатчике, к тому же ширина полосы лимитируется обычно условиями и  физическими свойствами среды, в которой сигналы передаются. Для подводного акустического модема важной целью является использование имеющейся ширины полосы сигнала с максимальной эффективностью. При передаче (приеме) цифровых данных всегда нужно учитывать определенный уровень ошибок, поскольку он оказывает влияние на скорость передачи данных. Поэтому главной задачей при проектировании конкретного подводного акустического модема является получение для определенной полосы максимально возможной скорости передачи цифровых данных с учетом существующего уровня ошибок. Главным фактором, который препятствует максимальной  эффективности  использования ширины полосы являются помехи .

Для электромагнитных волн невозможно распространение на длительные дистанции под водой, исключением в данном случае является возможность использования крайне низких частот. В то же время осуществлять передачу сигналов на предельно низких частотах чрезвычайно дорого, поскольку это связано с применением необычайно мощных и габаритных передатчиков. От глубины поверхностного слоя зависит затухание электромагнитных волн в воде, т.к. этот слой является расстоянием, проходя которое сигнал ослабляется в е раз. В данной статье примем, что для морской воды глубина поверхностного слоя выражается.

Из-за сигнальных отражений от дна и поверхности моря подводный акустический канал, по которому распространяется сигнал, обладает свойствами и характеристиками многопутевого канала . Случайные задержки распространения сигнала во времени приводят к его затуханию, что происходит в  результате случайного движения волны и сигнальных продуктов многопутевого (или многолучевого) распространения. Также  при многопутевом распространении наблюдается частотно-зависимое затухание, пропорциональное квадрату частоты сигнала. Уровень акустического шума в водах океанов и морей вызван креветкой, косяками рыб, жизнедеятельностью некоторых млекопитающих, а порты и ближние гавани привносят к шуму  окружающей океанической среды промышленный шум. Хотя наличие окружающей океанической и морской среды предполагает помехи, эффективные и безопасные подводные акустические системы для передачи цифровых сигналов на большие расстояния в настоящее время проектируются и создаются для решения различных вышеупомянутых задач на практике.

Кодирование канала. Основными параметрами, видоизменение которых влияет на процесс модуляции, для электрического сигнала, распространяющегося по подводному акустическому каналу, являются амплитуда, частота и фаза сигнала. Физически процесс модуляции заключается в искажении одного из этих параметров, а зачастую в их комплексном изменении одновременно, учитывая значения информационных бит. Каждый информационный элемент занимает определенный  фиксированный промежуток времени, в пределах которого для сигнала характерны конкретные значения своих данных и параметров, соответствующих значениям данного информационного элемента. Такой фиксированный промежуток времени является бодовым интервалом. На бодовом интервале количество комбинаций значений амплитуды, частоты и фазы сигнала для кодируемого информационного элемента, если он соответствует одному биту информации (принимает  значение 0 или 1), определено и равно двум. Исходя из этого условия, параметры сигнала могут принимать первую или вторую из двух определенных комбинаций, а именуемая бодовой или линейной, модуляционная скорость соответствует  информационной, т.е. 1 бод = 1 бит/с. Однако в том случае, если кодируемый информационный элемент соразмерен двум битам информации,  информационная скорость начнет превышать бодовую в два раза, а для параметров сигнала на бодовом интервале появится четыре комбинации значений, соответствующих 00, 01, 10 или 11, одну из которых они могут принимать.

Вследствие этого можно заключить, что каждый раз, когда на бодовом интервале происходит  кодирование𝑛 бит информации, то информационная скорость превосходитбодовую в 𝑛 раз. Сигнал будет изменять свое состояние в трехмерном параметрическом пространстве (амплитуда, частота, фаза) возможное количество раз, которое соответствует 2𝑛. На практике физика процесса передачи сигналов кроется в следующем: сигнал, поступающий на демодулятор акустического модема в определенном бодовом интервале,сравнивается с эталонными сигналами, а затем для последующей точной декодировки искомых 𝑛  бит  правильно выбирается  один из этих сигналов. Таким образом, чем больше увеличивается емкость кодирования и возрастает информационная скорость относительно бодовой, дистанция в сигнальном пространстве между двумя соседними точками уменьшается в степенной прогрессии. Этим обуславливается необходимость требования "чистоты" канала передачи [4-5]. Скорость передачи (приема) данных  в реальном канале можно  определить с помощью  формулы Шеннона.

На возможность канала точно передавать сигнал указывает второй сомножитель в формуле, с учетом, что в сигнале кодируется несколько  бит информации на бодовом интервале, а также принимая во внимание влияние уровня шума в самом канале.