第68章 建立声波水中传讯系统

张冲之正好是在“五一”劳动节这天走出宿舍,同学们的热度已下降了几倍,已从围观大猩猩,变成远观美女的模式,毕竟让人产生好奇感的事物太多。
认识的人都向他打招呼,他也都一一回应，已在他可接受范围之内。
他一路直奔计算机实验楼,同王鸽师姐打了个招呼,直接将移动硬盘与小型计算机中心进行USB对接,然后打开42寸显示屏学习起来。
海水中声波传输讯息虽然说简单实用,可那是相对于其他更加困难的方式说的。声波在海水中传播受到许多种限制,现在虽然有多种较为成熟的传输方式,可相对于无线电波在空中的传讯速度、质量、容量都相差甚远。
各国都在攻关,可都进展不大,现在最有效、最先进的是利用卫星进行蓝绿激光传输信息,可到了百米以下就基本失去作用。
张冲之静静地看着数米外的42寸大屏幕,鼠标轻点,有用的仔细看,无用略过,2T的数据量,里面有许多图片,PDF格式文件等,真正的word文档、excele表格等占比不大。
王鸽看着那不停翻动的屏幕,她只能看清几句话,屏幕就已翻过,她知道张冲之在学习,换了别人一定是认为张冲之在乱点鼠标。
每天四个小时,用于学习海洋各类知识,许多验算,计算都在脑中进行,一些数据量大的计算他立刻用电脑进行。
海洋十分巨大,海洋有关的知识更是海量,仅与水中通讯有关的知识就让张冲之感到头大。
平常感到知识面很广,什么都有种胸有成竹之感,可真正接触这水中通讯后,要具体解决问题,立刻又认识到还有许多知识要学,只好端正心态,开足马力狂学起来。
声波在水下有着良好的传播性能,频率范围在1赫兹到5万赫兹之间，随着频率升高,声波在水中衰减系数迅速增加,从10-4dB/m到10-2dB/之间,相差100倍,即两个数量级。
可是频率越低在单位时间内传播的信息越少,如果用1赫兹的声波传递一张图像,数天时间也传不完。
近距离通信频率可达几百KHz,到了几十至100公里距离间通信时,可用带宽不足1千赫兹。
海洋噪声严重影响着水声通信系统的性能,噪声源主要有潮汐、洋流、海面波浪、地震活动、生物群体和交通航运等。
除了有限带宽和较高海洋环境噪声外,复杂多变的多径效应也是主要因素之一,多径效应主要是由水面和海底的反射造成的,是指由于一个声源信号从不同的方向以不同的路径到达接收端,接收信号表现为发射信号不同的延时、不同相位、不同幅度的叠加,信道在时域的时延扩散会引起频域的频率选择性哀落。
空间选择性哀落也影响声波,因为在不同的地点与空间位置的衰落特性不一样,也就是说,接收信号的强度和相位与接收阵元的位置有关。
由于声速在水中传播速度仅有1530m/秒,收发平台之间的相对运动和海洋环境的起伏都会造成多普勒效应。如,当通信双方以30m/s的速度做相对运动时,在水中声波的多普勒相对频移就有30/1500=2%,这已经影响很大了。
海水介质的随机不均性,海洋中的声场也是随机起伏的,这种效应也会影响水声通信的性能。这种影响由多种因素造成,包括粗糙随机的海面、端流和非均匀水团,海洋内波以及收发换能器的随机摇摆等。
六个大项,百个小项,挡在了水声通信的前面,张冲之有种一入侯门深似海的感觉,可这也激发出了他的潜力。
前五天他每天投入4个小时,后面他每天投入六个小时。让孙振开、王鸽又给他连接了一台小型计算机中心,一台学习、研究算法,一台计算验证。
他先将每个小项都建立起一个数学摸型,再将一个大的数学模型建立起来,大的构架简单,就是信号调制器、信号发射机、信号接受器、信号还原调制器,这其中的每一过程都要建模,然后联通起来。
然后依据这个主模型和小模型将六个大项分别建立模型,这一步起着承启下的作用,是关键中的关键。
张冲之一连三天吃住在电脑前,将各种数学知识都使用了出来,象微积分、几何、代数、随机数学方法、复变函数、代数群环、域结构、数学分析、应用数学、群论、统计学、湍流等等,最后终于建立起一个模型来。
他接着将所掌握的实验数据一个个代入进去,计算出一个个与实验结果相合的结果来,其中还发现几个实验数据和结果存在较大误差。
这一步完成后根据模型向应用方向推广,先对现有的几种水声通信技术进行了研究。
现在正在使用的水声通信技术有几种。
一是单载波时域均衡技术,是目前最为常用的单波时域均衡器。
二是单载波频域均衡技术,这种技术综合了OFDM和单载波时域均衡的优点,降低了多载波系统的峰均比和相对噪声的敏感性,同时具有多载波系统相当的抗多径能力,且算法计算复杂度较低。
三是正交频分复用技术,采用正交频分复用(OFDM)技术通过相互正交的子载波将信带宽划分为若干个子信道,高速数字信号进行串并转换后被映射到各个子载波的幅度和相位。
OFDM技术的各个子信道在频域相互重叠,借助各子载波之间的正交性避免载波间干扰的出现,因此大大提高频谱利用率和对抗多径时延的弥散效用。
四是空间反转技术是一种广义的空间分集阵处理技术,可以在空间和时间同时对信号进行聚焦,获得接近理想的空间处理增益。
五是多输入多输出技术,也叫MIMO系统采用多阵元发射和接收,能有效地利用随机衰落和可能存在的多经传播来提高数据传输速率,在不额外增加所占用的带宽的前提下扩充信道容量,得到人们越来越多的关注。
综合了大量知识,进行重组优化,并进行创新。他首先改进了信号调制器算法,将声波频率进一步细化,确定了在什么环境下声波频率的最优解。
接着他对发射机进行了重新设计,利用抛物线、矩阵干涉和聚焦原理,减少海水的阻性,加大传输的距离和数据精度。
另外他采用矩阵的抛物线加强聚焦,增强信号接受能力,增加补溢性。
最后,他尽最大能力提高算法,加强信号还原调制器,排除干扰信号,对于图象传输采用了数据库方法,在还原调制器内尽可能多存储各种图像,如鲅鱼的图像传输,发射机只将鲅鱼的长短大小等基础数据发射过来,由还原调制解调器自动匹配还原出来就行了,极大减少了数据传输量。
最后整合了一套豪华型,一套简易型设备存入硬盘,当然数据,推导过程等全部完备。
将硬盘直接交给牟教授就不管了,因为已是5月23日，5月26号快到了,红桥杯和高数赛决赛快到了。
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