Thông tin liên lạc âm thanh dưới nước là một kỹ thuật gửi và nhận tin nhắn dưới nước. Có một số cách sử dụng giao tiếp như vậy nhưng phổ biến nhất là sử dụng điện thoại dưới nước (hydrophones). Giao tiếp dưới nước rất khó khăn do các yếu tố như lan truyền nhiều đường, sự thay đổi thời gian của kênh, băng thông khả dụng nhỏ và suy giảm tín hiệu mạnh, đặc biệt là trong phạm vi dài. So với liên lạc trên mặt đất, liên lạc dưới nước có tốc độ dữ liệu thấp vì nó sử dụng sóng âm thay vì sóng điện từ.
Vào đầu thế kỷ XX, một số tàu liên lạc bằng chuông dưới nước cũng như sử dụng hệ thống này để điều hướng. Vào thời điểm đó, các tín hiệu tàu ngầm đã cạnh tranh được với hệ thống định vị vô tuyến hàng hải nguyên thủy. Bộ tạo dao động Fessenden sau này cho phép liên lạc với tàu ngầm.
Các loại điều chế được sử dụng cho thông tin liên lạc âm thanh dưới nước
Nói chung, các phương pháp điều chế được phát triển cho thông tin liên lạc vô tuyến có thể được điều chỉnh cho thông tin liên lạc âm thanh dưới nước UAC (underwater acoustic communications). Tuy nhiên, một số sơ đồ điều chế phù hợp hơn với kênh liên lạc âm thanh dưới nước độc đáo hơn các sơ đồ khác. Một số phương pháp điều chế được sử dụng cho UAC như sau:
– Khóa chuyển tần FSK (Frequency-shift keying).
– Khóa chuyển pha PSK (Phase-shift keying).
– Trải phổ nhảy tần FHSS (Frequency-hopping spread spectrum).
– Trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS (Direct-sequence spread spectrum).
– Điều biến vị trí xung và tần số FPPM và PPM (Frequency và pulse-position modulation).
– Khóa chuyển đa tần MFSK (Multiple frequency-shift keying).
– Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing).
Khóa chuyển tần (FSK)
FSK là hình thức điều chế sớm nhất được sử dụng cho modem âm thanh. UAC trước modem là do bộ gõ của các vật thể khác nhau dưới nước. Phương pháp này cũng được sử dụng để đo tốc độ âm thanh trong nước.
FSK thường sử dụng hai tần số riêng biệt để điều chỉnh dữ liệu; ví dụ, tần số F1 để chỉ ra bit 0 và tần số F2 để chỉ ra bit 1. Do đó, một chuỗi nhị phân có thể được truyền đi bằng cách xen kẽ hai tần số này tùy thuộc vào việc đó là 0 hay 1. Bộ thu có thể đơn giản như có các bộ lọc phù hợp tương tự đến hai tần số và bộ dò mức để quyết định xem đã nhận được 1 hay 0. Đây là một hình thức điều chế tương đối dễ dàng và do đó được sử dụng trong các modem âm thanh sớm nhất. Tuy nhiên, bộ giải điều chế tinh vi hơn sử dụng bộ xử lý tín hiệu số DSP (digital signal processors) có thể được sử dụng ngày nay.
Thách thức lớn nhất mà FSK phải đối mặt trong UAC là phản xạ đa đường. Với đa đường dẫn (đặc biệt là trong UAC), một số phản xạ mạnh có thể xuất hiện ở điện thoại dưới nước nhận và bộ phát hiện ngưỡng trở nên lẫn lộn, do đó hạn chế nghiêm trọng việc sử dụng loại UAC này cho các kênh dọc. Các phương pháp cân bằng thích ứng đã được thử với thành công hạn chế. Cân bằng thích ứng cố gắng mô hình hóa kênh UAC có độ phản xạ cao và loại bỏ các hiệu ứng khỏi tín hiệu nhận được. Thành công đã bị hạn chế do các điều kiện thay đổi nhanh chóng và khó thích nghi kịp thời.
Khóa chuyển pha (PSK)
Khóa chuyển pha là sơ đồ điều chế kỹ thuật số truyền dữ liệu bằng cách thay đổi (điều chế) pha của tín hiệu tham chiếu (sóng mang). Tín hiệu được đưa vào vùng từ trường x, y bằng cách thay đổi các đầu vào sin và cosin tại một thời điểm chính xác. Nó được sử dụng rộng rãi cho mạng LAN không dây, giao tiếp RFID và Bluetooth.
Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM)
Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao là sơ đồ điều chế đa sóng mang kỹ thuật số. OFDM truyền dữ liệu trên một số kênh dữ liệu song song bằng cách kết hợp các tín hiệu sóng mang phụ trực giao có khoảng cách gần nhau.
OFDM là một sơ đồ truyền thông thuận lợi trong truyền thông âm thanh dưới nước nhờ khả năng phục hồi của nó đối với các kênh chọn lọc tần số với độ trễ trải dài.
Sử dụng cảm biến vector
So với cảm biến áp suất vô hướng, chẳng hạn như ống nghe dưới nước, đo thành phần trường âm vô hướng, cảm biến vectơ đo các thành phần trường vectơ như vận tốc hạt âm. Cảm biến vectơ có thể được phân loại thành cảm biến quán tính và cảm biến gradient.
Cảm biến véc tơ đã được nghiên cứu rộng rãi trong vài thập kỷ qua. Nhiều thuật toán xử lý tín hiệu cảm biến vector đã được thiết kế.
Các ứng dụng cảm biến vector dưới nước đã được tập trung vào phát hiện mục tiêu và sonar. Chúng cũng đã được đề xuất sử dụng làm máy thu và bộ cân bằng liên lạc đa kênh dưới nước. Các nhà nghiên cứu khác đã sử dụng dãy cảm biến vô hướng làm bộ thu và cân bằng đa kênh.
Các ứng dụng
Điện thoại dưới nước (underwater telephone)
Điện thoại dưới nước, còn được gọi là UQC, AN/WQC-2, hoặc Gertrude, được Hải quân Hoa Kỳ sử dụng vào năm 1945 sau khi ở Kiel, Đức, vào năm 1935, các hiện thực khác nhau trên biển đã được chứng minh. Điện thoại dưới nước UQC được sử dụng trên tất cả các tàu lặn có người lái và nhiều tàu mặt nước của Hải quân đang hoạt động. Giọng nói hoặc âm thanh (mã morse) được truyền thông qua UQC được dị hóa thành âm vực cao để truyền âm thanh qua nước.
JANUS
Vào tháng 4/2017, Trung tâm Nghiên cứu và Thử nghiệm Hàng hải của NATO đã công bố phê duyệt JANUS, một giao thức được tiêu chuẩn hóa để truyền thông tin kỹ thuật số dưới nước bằng cách sử dụng âm thanh (giống như modem và máy fax thực hiện qua đường dây điện thoại). Được ghi lại trong STANAG 4748, nó sử dụng tần số 900 Hz đến 60 kHz ở khoảng cách lên tới 28 km. Nó có sẵn để sử dụng với các thiết bị quân sự và dân sự, NATO và không thuộc NATO; nó được đặt theo tên của vị thần cổng (Janus, một vị thần có hai mặt trong thần thoại La Mã cổ đại), lối mở…
Thông số kỹ thuật của JANUS (ANEP-87) cung cấp sơ đồ tải trọng dựa trên plug-in linh hoạt. Điều này cho phép nhiều ứng dụng khác nhau như Vị trí khẩn cấp, AIS dưới nước và Trò chuyện. Một ví dụ về thông báo Trạng thái và Vị trí Khẩn cấp là:
{
"ClassUserID":0,
"ApplicationType":3,
"Nationality":"PT",
"Latitude":"38.386547",
"Longitude":"-9.055858",
"Depth":"16",
"Speed":"1.400000",
"Heading":"0.000000",
"O2":"17.799999",
"CO2":"5.000000",
"CO":"76.000000",
"H2":"3.500000",
"Pressure":"45.000000",
"Temperature":"21.000000",
"Survivors":"43",
"MobilityFlag":"1",
"ForwardingCapability":"1",
"TxRxFlag":"0",
"ScheduleFlag":"0"
}
This Emergency Position and Status Message (Class ID 0 Application 3 Plug-in) message shows a Portuguese submarine at 38.386547 latitude -9.055858 longitude at a depth of 16 meters. It is moving north at 1.4 meters per second, and has 43 survivors on board and shows the environmental conditions.
Tạm dịch: Thông báo Vị trí và Trạng thái Khẩn cấp (Phần bổ sung Ứng dụng 3 Lớp ID 0) này hiển thị một tàu ngầm Bồ Đào Nha ở vĩ độ 38,386547 kinh độ -9,055858 ở độ sâu 16 mét. Nó đang di chuyển về phía bắc với tốc độ 1,4 mét mỗi giây và có 43 người sống sót trên tàu và cho thấy các điều kiện môi trường.
Nhắn tin dưới nước
Các sản phẩm phần cứng thương mại đã được thiết kế để cho phép nhắn tin hai chiều dưới nước giữa những người lặn biển. Những hỗ trợ này gửi từ danh sách các tin nhắn được xác định trước từ máy tính lặn bằng giao tiếp âm thanh.
Các nỗ lực nghiên cứu cũng đã khám phá việc sử dụng điện thoại thông minh trong vỏ chịu áp để liên lạc dưới nước, sử dụng phần cứng modem âm thanh làm phần đính kèm điện thoại cũng như sử dụng ứng dụng phần mềm mà không cần bất kỳ phần cứng bổ sung nào. Ứng dụng phần mềm Android, AquaApp, từ Đại học Washington sử dụng micro và loa trên điện thoại thông minh và đồng hồ thông minh hiện có để cho phép giao tiếp bằng âm thanh dưới nước. Nó đã được thử nghiệm để gửi tin nhắn kỹ thuật số bằng điện thoại thông minh giữa các thợ lặn ở khoảng cách lên tới 100 m./.
