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研究生: 胡智欽
Hu, Chih-Ching
論文名稱: 時間反轉法於多重路徑水下通訊之實現
Time reversal method in the realization of multi-path underwater communication
指導教授: 涂季平
TOO, Gee-Pinn
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 系統及船舶機電工程學系
Department of Systems and Naval Mechatronic Engineering
論文出版年: 2011
畢業學年度: 99
語文別: 中文
論文頁數: 76
中文關鍵詞: 水下通訊相位鍵移調變虛擬聲源法時間反轉法
外文關鍵詞: underwater communication, BPSK, Image method, Time reversal method
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  • 本文主要目的為建構一水下通訊系統,此系統能克服因多重路徑傳遞與傳遞介質不均勻所造成的訊號失真。研究中發射端應用雙相移位鍵控數位調變技術傳送數位訊號,而接收端應用時間反轉法還原波形並於解調變後探討接收訊號之錯誤率。利用時間反轉法聲波時間反轉傳回訊號之不變性,藉此改善調變訊號經由水下環境造成變化而產生訊號之失真使其恢復波形完整度,解調變後可降低位元錯誤率。吾人應用虛擬聲源法模擬一水下反射環境藉此探討調變訊號經由通道後之錯誤率並使用時間反轉法降低其位元錯誤率。實驗部分利用LabVIEW將調變之聲源訊號經由水下換能器發射、接收調變波形,接收回來之訊號並應用時間反轉法提高波形相關度。實驗地點位於8m×4m×175m之拖航水槽,結果證明時間反轉法應用於水下通訊可改善其通訊品質,克服多重路徑之問題,達到水下通訊之目的。

    The purpose of this paper is to propose a new procedure for underwater communication system to compensate wave distortion due to multipath effect. Transmitted signal is digitalized and modulized by binary phase shift-keying (BPSK) technique. After signal propagating, received signal at receiver location is distorted and then restored to original source waveform via time reversal process. Both received signal and restored one are demodulated to compare the bit error rate (BER). In concept, the distortion due to underwater environment is solved based on the invariance of time reversal process. Therefore, the BER is greatly reduced after demodulating processed signal.
    In simulation, reflective underwater environment is constructed using image method to simulate multipath effect by using Matlab. In experiment, modulated source signals are transmitted and received by underwater transducers in 8m × 4m × 175m towing tank. The signal is detected by using LabVIEW software. Then, the design, received signals are processed using demodulation, and time reversal process. All the BER evaluations are all performed and the results show that time reversal process is efficient to help overcome multipath effect and reduce BER to improve the quality of underwater communication.

    摘要 I 英文摘要 II 致謝 III 目錄 IV 圖目錄 VII 表目錄 XI 符號表 XII 第一章 緒論 1 1-1 研究動機與目的 1 1-2 文獻回顧 2 1-3 論文架構 4 第二章 基礎理論 5 2-1 水下通道環境特性 5 2-1-1 水下聲速 5 2-1-2 水下多重路徑干擾 6 2-1-3 水下通道環境噪音 7 2-2 數位調變 8 2-2-1 ASK振幅調變技術 9 2-2-2 FSK頻率調變技術 9 2-2-3 PSK相位調變技術 12 2-2-4濾波 16 2-3 時間反轉法 17 2-4 環境脈衝響應函數 19 2-5 相關性係數 24 第三章 水下反射通訊模擬與結果探討 25 3-1 虛擬聲源法 25 3-2 模擬環境架構圖 27 3-3 模擬不同距離之反射影響 29 3-3-1一公尺距離模擬 30 3-3-2十公尺距離模擬 32 3-3-3三十公尺距離模擬 34 第四章 水下通訊實驗 36 4-1 實驗說明 36 4-2 實驗器材介紹 38 4-3 通訊實測 40 4-3-1 水槽一公尺通訊實測 43 4-3-2 水槽十公尺通訊實測 49 4-3-3 水槽三十公尺通訊實測 54 4-3-4 水槽五十公尺通訊實測 60 4-4 模擬比較實際環境響應函數 65 第五章 結論與未來展望 69 5-1 結論 69 5-2 未來展望 71 參考文獻 72

    【1】 Caesarea D. and Fink M., “Time Reversal of Ultrasonic Field, PartIII: Theory of the Closed Time-Reversal Cavity”, IEEE Trans. UFFC., pp.567-578, 1992.

    【2】 Edelmann F., Akal T., Hodgkiss S., Seongil Kim., Kuperman A., Song. Chun Hee “An Initial Demonstration of Underwater Acoustic Communication Using Time Reversal” [J].IEEE, 27(3):602-609, 2002.

    【3】 Edelmann G. F., Song H. C., Hodgkiss W. S., Kuperman W. A. , Akal T. “Underwater Acoustic Communcations Using Time Reversal, ” IEEE; vol.30(4) , pp.852-864, 2005.

    【4】 Frisk G. V., “Ocean and Seabed Acoustics : A theory of wave propagation, ” Prentice Hall, New Jersey, 1994.

    【5】 Fink M., “Time reversal mirrors,” in Acoustical Imaging, B. F. Jones, Ed. New York: Plenum, vol. 25, pp. 1–15, 1995.

    【6】 Gomes J., Barroso V., Doppler compensation In Underwater Channels Using Time-reversal arrays[J].IEEE; pp.81-84, 2003.

    【7】 George V. F., “Ocean and Seabed Acoustic – A Theory of Wave Propagation,” Prentice-Hall, 1994.

    【8】 Jackson D. R. and Dowling D. R., “Phase conjugation in underwater acoustics,” J. Acoust. Soc. Am., vol. 89, pp. 171–181, 1991.

    【9】 Kilfoyle D. and Baggeroer A., “The state of the art in underwater acoustic telemetry,” IEEE J. Ocean. Eng., vol. 25, pp. 4–27, 2000.

    【10】 Kuperman W. A., Hodgkiss W. S., Song H. C., Akal T., Ferla C., and Jackson D., “Phase conjugation in the ocean: Experimental demonstrationof an acoustic time-reversal mirror,” J. Acoust. Soc. Am., vol. 103, pp. 25–40, 1998.

    【11】 Kim S., Edelmann G. F., Kuperman W. A., Hodgkiss W. S., Song H. C., and Akal T., “Spatial resolution of time-reversal arrays in shallow water,” J. Acoust. Soc. Am., vol. 110, pp. 820–829, 2001.

    【12】 Medwin H., “Speed of Sound In water: A Simple Equation for Realistic Parameters,” Journal Acoustics Society American, Vol. 58, No. 6, pp. 1318-1319, 1975.

    【13】 Neasam J. A.; Thompson D.; Tweedy A.D.; Lawlor M.A.; Hinton O.R.; Adams A.E.; Sharif B.S., “Combined Equalisation and Beamforming go Achieve 20kbits/s Acoustic Telemetry for ROV’s” OCEANS’96. MTS/IEEE. Prospects for the 21st Century.Conference Processding, on page:998-993 vol.2.

    【14】 Nelson P.A., Yoon. S.H., Eatimation of acoustic source strength by inverse methods Part I, conditioning of the inverse problem, Sound and Vibration 233(4) , pp. 643-668, 2000.

    【15】 Proakis J. G., “Coded Modulation for Digital Communications Over Rayleigh Fading Channels” , IEEE J. of Oceanic Eng., Vol.16, No.1,pp.66-73,1991.

    【16】 Rouseff D., Jackson D., Fox W., Jones C., Ritcey J., and Dowling D. R., “Underwater acoustic communication by passive-phase conjugation: Theory and experimental results,” IEEE J. Ocean. Eng., vol. 26, pp. 821–831, 2001.

    【17】 Song H. C., Kuperman W. A., and Hodgkiss W. S., “A time-reversal mirror with variable range focusing,” J. Acoust. Soc. Am. 103, pp. 3234-3240, 1998.

    【18】 Smith K. B., Abrantes A. A. M., and Larraza A., ‘‘Examination of time-reversal acoustics in shallow water and applications to noncoherent underwater acoustic communications,’’ J. Acoust. Soc. Am. 113, pp. 3095–3110, 2003.

    【19】 Stojanovic M., Capitovic J. A., and Proakis J. G., “Adaptive multichannel combining and equalization for underwater acoustic communictions,” J. Acoust. Soc. Am., vol. 94, pp. 1621–1631, 1993.

    【20】 Tohyama M., Koike T., Bartram J.F., Fundamentals of acoustic signal processing, Journal of the Acoustical Society of America, 108, 279–316, 2000.

    【21】 Yoon S.H., Nelson. P.A., Eatimation of acoustic source strength by inverse methods Part II, experimental investigation of methods for choosing regularization parameter, Sound and Vibration 233 (4) 669-705, 2000.

    【22】 Yang T. C., “Temporal resolutions of time-reversed and passive-phase conjugation for underwater acoustic communications,” IEEE J. Ocean. Eng., vol. 28, pp. 229–245, 2003.

    【23】 葉炎山,“最大長度序列碼應用於水下資料傳送系統”,臺灣海洋大學電機工程研究所碩士論文,1993年。

    【24】 陳世賢,“水下聲傳數據機DQPSK展頻技術之實現”,臺灣海洋大學電機工程學系碩士論文,1999年。

    【25】 繆紹綱,“通訊系統”,高立圖書有限公司,2000年。

    【26】 劉金源,“水中聲學-水聲系統之基本操作原理”,國立編譯館,2001年。

    【27】 劉金源,“海洋聲學導論-海洋聲波傳播與粗糙面散射之基本原理”,中山大學出版社,2002年。

    【28】 謝銘智,“相位調變之M序列聲源及到達時間量測之研究”,國立成功大學系統及船舶機電工程研究所,碩士論文,2004年。

    【29】 呂福生、曾敬翔、陳力維、陳志強、吳鑌崇, “全數為水下傳呼機同步與等化系統之設計” , 第六屆水下技術研討會暨國科會成果發表會, 81~90頁, 2004年。

    【30】 林銀議,“數位通訊原理-調變解調”,五南圖書出版公司,2005年。

    【31】 蕭子健、王智昱、儲昭偉,“虛擬儀控程式設計LabVIEW 8X”,高立圖書有限公司,2007年。

    【32】 涂季平, 謝羽豪, 李新立,“時反法於海下通訊與定位之研究現況” 海洋及水下科技季刊,十八卷,第四期, 2008年。

    【33】 陳建宏,“建置頻率鍵移技術於水下遙測系統之研發”,國立成功大學系統及船舶機電工程研究所,碩士論文,2008年。

    【34】 林聖哲,“應用時間反轉法與微麥克風陣列於手機裝置之抗噪技術研究”,國立成功大學系統及船舶機電工程研究所,碩士論文, 2009年。

    【35】 吳柏賢,“麥克風陣列訊號處理於聲源訊號分離與聲場重建之應用研究”,國立成功大學系統及船舶機電工程研究所,博士論文,2010年。

    下載圖示 校內:2014-07-08公開
    校外:2016-07-08公開
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