世界最小のソナーモデムを作りました

こんにちは、私たちのhabretchitel！

「したがって、スピリッツは衰退し、商工会議所は

数えられない群れを保持

広々とした。」

（C）失われた楽園、ジョン・ミルトン

水中通信とナビゲーションの暗いカガルの支持者は、この非常に水中の通信とナビゲーションを大衆にもたらすために昼夜働いており、今日、約束されたように、彼らのうちの1人は行われた仕事と達成された成功について報告します。







ですから、今回は物理的な限界に達したように思えますが、水を介して1000メートルの距離まで音でデジタルデータを送信するためのデバイスを作ることはおそらく不可能です。



誰がこのトピックに興奮していた-前方、ソナーの豊富さ、カットの下で！



ソナーコミュニケーションと関連する問題のトピックは誰にも馴染みのないものであると伝統的に認識して、私たちのセットを提供します





ここで、海の95％が未開拓のままであり、難易度は水の下で生きられなくなったという事実だけでなく、（適切な周波数の）電波が水の下で伝播しないという事実、したがってすべての、無線通信の助けを借りて地上でも空でも可能ですが、薄い水層の下でもほとんど不可能になります。はい、まだほとんどが暗く曇っています。



人類は脱出しようとしていますが、今日、水中での無線通信の多かれ少なかれ広まっている代替手段は、音響学、またはむしろ水音響学です。 ところで、空気中の5倍の速さで水中を伝播する音波の助けを借りて：

• 音声メッセージを交換します 。 ボイスメッセージングデバイスは、狭い円で最も単純で最も一般的なものです。 たとえば、 OTS 、 OceanReef 、そして昨年から私たち も開発してください。
• 長距離ナビゲーションシステムを使用した水中オブジェクトの方向検出と位置特定。
• 彼らは 、底の調査、魚や様々な潜水艦の捜索に従事しています。
  
  

そしてそれらは単にデジタルデータを送信するだけであり、多くの場合、データ送信とナビゲーションの組み合わせは良い形です。



デジタルデータが水を介して送信されるデバイスは、（奇妙なことに）水音響モデムと呼ばれます。

水を介した音の伝達は困難ですが、できます

これがなぜ難しいのかを理解するために、一番下に横たわる新聞のせせらぎの小川を見て、それを読んでいると想像してください。 あなたが走っている波紋とまぶしさを通して何とかしているのは、見出しです。 目を非常に酷使することで、小見出しのテキストを大まかに整理して（より迅速に推測することもできます）、列に書かれている内容を理解するために、幸運なことに、波紋が一瞬滑らかになり、層流の薄い層が目とテキストの間に残ります。



水中の音は非線形に伝播し、信号の反射コピーの屈曲（屈折）、反射、加算と減算（残響とマルチパスの伝播）、ドップラーシフト、およびスペクトルの拡張と圧縮を受けます。



類推に従って、見出しが大きくなるほど読みやすくなります。つまり、伝送速度が遅くなります。一般的な場合の接続の信頼性が高くなります。小さなテキストで書かれた内容を「推測」して、耐ノイズコーディングと比較できます（これには時間と追加情報が必要です） 、非常に小さなテキストは良い状態でしか読むことができません。



無線通信に近い人々は、記載されている困難のすべてが無線チャネルのある程度に固有のものであることに気付くでしょうが、主な違いは、データ伝送用の水音響学では、非常に高いストレッチで5〜100 kHzの帯域があることです（実際には、それは顕著に小さくなります）、およびヘッドへの制御：5-15 kHzの帯域でデータを送信する場合（プラスまたはマイナス）、10-20 kmでハードに動作し、80-100 kHzの帯域で1 kmの範囲に到達することが可能です減衰の強い不均一性による運のシェア 私は異なる周波数の音波です。



確かに、音の速度は光の速度よりわずかに遅く、わずか200,000倍です。



現代のソナーモデムの機能を説明するために、ここで論文 （PDFの54ページ）のブリジットベンソンのタブレットを紹介します。ブリジットベンソンは、「ひざまずいて」ソナーモデムを作ろうとする人に非常に人気があります。 タブレットは少し古くなっています。なぜなら、指定された作業は2010年からのものであり、残念ながら、私は噂に基づいて修正できないので、そのまま引用しています。

メーカー	モデム	帯域、kHz	消費電力（送信）、W	範囲、km
アクアテック	アクアモデム	8-16	20	10
Dspcomm	アクアコム	16-30	さまざまな	3
トリーチ	ミクロモデム	20-24	7.92	0.5
おい	マイクロモデム	25	50	1-10
ベントス	ATM885	16-21	28-84	2-6
EvoLogics	S2CM48 / 78	48〜78	2.5-80	1
リンククエスト	UWM2000H	NS	1.5	0.8
UCSD	UCSDModem	40	1.3-7.0	0.4

メーカー	モデム	消費電力（受信）、W	変調	ビットレート、bps	価格、$
アクアテック	アクアモデム	0.6	Dsss	300〜2000	7600
Dspcomm	アクアコム	さまざまな	DSSS / OFDM	480	6600
トリーチ	ミクロモデム	0.72	Dsss	40	3500
おい	マイクロモデム	0.23 / 2	FSK / PSK	80/5400	8100-9400
ベントス	ATM885	0.7	FSK / PSK	140-15360	7200-11000
EvoLogics	S2CM48 / 78	0.5	S2C	15,000	12500
リンククエスト	UWM2000H	NS	専有	9600	7000
UCSD	UCSDModem	0.42	FSK	200	350 *

*コンポーネントコストの見積もりの​​み



2010年以降、何が変わったのですか？ BenthosはTeledyneに買収されたため、Aquatecはもはやアキュティカルモデムを製造していません（現在では1メートルの距離でのみ光学的に処理します）。EvoLogicsモデムは、私に届いたという噂で大幅に安くなりました。 しかし、私の観点から最もグローバルな変化が最近発生しました。ソナーモデムが alibab-eに登場しました。 約1,000〜2,000ドルの価格で。 中国には技術があり、おそらく民間人のカテゴリーに移行しました。 タブレットの紳士は、新しいメンバーをランクに受け入れます。

しかし、遅い中国のメーカーはデバイスを1枚あたり1,000ドルから2,000ドルでリリースしましたが、6,600ドルのモデムを備えた経験豊富なDSPCommは、目標が1,000ドルより安いモデムであることを長い間Webサイトに書きました。

人々は安価なソナーモデムを作ろうとしている

そして、ここでのキーワードは「安い」です。ただ「グーグル」の「低コストの水中音響モデム」です。 B.ベンソンの論文を不審に近い形で繰り返し、これらの論文の多くを破棄しても、十分な数の興味深いプロジェクトが存在します。 私の意見では、スペインの同志によって興味深い一般化がなされました。 多くの点で、非常に正直で、何かを装飾するための多くの努力なし。

しかし、記事のトピックに戻る

上記の中国製品は、F120x600、重量12 kg、40ワットのトランスミッターが20キロメートルの距離で140から1200ビット/秒の速度でデータをプッシュするため、徹底的に怖がっています。 伝送速度に関しては、範囲の下限を常に確認することをお勧めします。



タブレットに搭載されているモデムの中で最も小さい（そして最も安い）モデム-ニューキャッスル大学の英国のスピンオフ社のMicronModemは、寸法F56x79 mm、乾燥重量235グラムで、メーカーによると、ユーザーデータを40ビット/秒の速度で送信できます500メートルまでの距離。



悪くはありませんが、2016年にRedLINEをリリースしました。64x62mmのサイズと360グラムの乾燥重量で、80ビット/秒の速度で8000メートルの距離までデジタルデータを送信でき、競合他社よりもはるかに安く、リレー機能さえ備えています。 多くの点で、 StDmitrievの努力のおかげで、「霊魂を部屋に詰め込む」ことができました。 その後、私たちのアイデアは特許全体で形になりました。

ランニングバック

モデムの構成要素は何ですか？ 原則として、1つまたは複数の圧電セラミックリング、パワーアンプ、プリアンプ、フィルター、および何らかの種類のデジタルシグナルプロセッサで構成されるトランシーバーアンテナ。 ロケット科学ではないようですか？ しかし、ロケットであっても、すべての材料とアセンブリのコストは、ロケット自体のコストの10％未満です。



技術はまだ大衆化されていませんが、依然として高価です。



そして、ソナーモデムを購入したいのは、Arduino、GPS、または無線モジュールを購入するのと同じくらい簡単でした。



これのために何をしていますか？ 私たちの特許を引き続き活用し、 StDmitrievは今回、さらに小さな部屋に「スピリットを押し込んだ」ので、結果として得られたレコードアイロンを最大限に活用できる新しいファームウェアを提出しました。



このuWAVEに出会う-世界で最も小さくて安いソナーモデム







現在、スピリッツはF40x45ミリメートルのシリンダーに詰め込まれており、その重量は160グラムを超えません。 スピリットのシューッという音は、最大1000メートルの距離で78ビット/秒の速度でデータを転送できます。 また、モデム自体はUSBからでも給電できます。



以下の写真は、RedLINE（黄色）とuWAVE（赤色）のサイズを比較しています。











しかし、これがすべてではありません。モデムは、いわゆる送信だけでなく、をサポートします。 サブスクライバーのコード分割を備えた透過的なチャネルだけでなく、信号伝搬時間の測定を備えたリモートサブスクライバーの深さ、温度（ボード上に組み込みセンサーがあります）、および電源電圧をリモートで要求できるコマンドモードもあります。 また、テレコントロールタスクには、9つのコードユーザーコマンドが提供されます。



しかし、これでさえ主要なことではありませんが、主なことは、私たちが自分の価格記録を破ることができたことであり、uWAVEモデムの小売価格は480ドルです。 これは6（SIX、CARL！）で、最も近い英語の対応物よりも安く、2倍の範囲と半分の大きさです。 生産量の増加に伴い、価格をさらに下げることができることを期待しています。



ご覧のとおり、前の記事で投票した人の7.6％の期待に応えました。この価格帯は、これまで達成できなかった$ 100- $ 200に続いて投票で2番目にランクされています。



誰かが同じ特性で今より安くて安くできるなら-私は私の言葉を与えます：私はすぐに職業を去ります！



物理的なサイズ制限の下限に達したという事実について話したとき、すべての電子機器を小さなボリュームに収めることができたとしても、使用するリングのサイズがこの周波数帯域で効果的に機能することはできず、エネルギーを達成することができないことを意味しました指定された特性。 圧電素子が小さいほど、低周波数の放射が悪くなり、周波数が高くなるほど、通信距離が短くなります。 そのようなこと。

なぜこれがすべて必要なのですか？

「未知の墓にある数十億の未知の骨は、私たちに訴えかけたり、要求したり、非難したりしませんでしたか？ 私は数十億の過去の人間の生活を見ています。そこでは、若者の美しさ、そして人生の喜びが、指の間の砂のように瞬時に流れました。 宇宙に対する勝利は、時間に対する勝利です。だから、私は考えられたビジネスの正当性と偉大さに自信を持っています！」（C）I.エフレモフ、アンドロメダ星雲

「まず、それはただ美しい...」（C）



真剣に、最近、自律型デバイスの群れ、物事の水中インターネット、および他の信じられないものとの通信のトピックが特に要求されています。 そのため、 同僚は非常に異なるサイズの自律型デバイス（グライダー）を作成します.12キログラムの中国産業の製品を置くことはそれほど問題ではありませんが、少し不可能であり、このデバイスで電源を入れることは特に不可能です、たとえば、この赤ちゃんを見てください

おいしい

同じ記事 、GPSモジュール、およびラジコンの中国の餌船の別のものを使用して、 RedGTRモデムの1つの地理的位置を決定した前の記事からの経験をどのように繰り返したか教えてください。



uWAVEモデムで動作するようにアプリケーションを作成し、ボートのオンボードファームウェアを変更する必要さえありませんでした。 モデムインターフェイスプロトコルはさらにシンプルになりました。



時間がないため、最愛のPichugaには行きませんでしたが、バックアップオプションであるYuzhny Pond 、私たちが知っている深さ2〜1.5メートルの貯水池には満足していました。



今回は、「灯台」は頑丈な断熱材のラフトにあり、写真に見られるように、パワーバンクを搭載しています。







ボートに乗って灯台でいかだに積み込む：







働く瞬間：





一般に、すべてが期待どおりに機能し、最終的に1メートルを超える精度のトラックがいくつか得られました。 このように：







そしてこのように：







上の写真はトラックの拡大部分を示しており、すべての写真は次の写真の貯水池の伸びを考慮しています。







測定トラックは緑色で表示されます-被告までの距離が測定され、青色（ボートトラック）から遅れている場所で、音響接続が切断されました。 この理由は非常に単純で平凡です-水文学的条件は、 都市の狂人以外の誰かがそのような機器をそのような貯水池に浸してそこにデータを送信しようとするとは思わないほどです。



どちらの場合も、彼らは70〜90センチメートルの範囲で灯台の実際の位置から逸脱しました。



これは、リモートアプリケーションの画面上での表示方法です。







ボートのモデムは鉛バッテリーで駆動され、その電圧と深さおよび伝播時間が左上に表示されます。「レスポンダー」モデムは電源バンクで駆動され、その電圧は5ボルトで、深さは80 cmです。要求に応じた水温14.7° C、および回答者によると13.8°C

デバイスのこのブランチに関連付けられている見通しから

• uWAVEで動作する方向探知アンテナを作成する予定です。
• ロングベースシステムのファームウェアは既に準備ができており、uWAVEモデムはピンガーとして機能し、その場所は4つの小さなブイを使用して決定できます。 現在のタスクを削除したらすぐに、ケースとボードの開発を開始します。

結論として

いつものように、健全な批判や提案は大歓迎です！

PS

そして彼はとてもクールで、小さい=）



モデムの開発プロセスに本当に喜びを感じました。これは私たちが取り組んでいる瞬間の1つです。

PPS

企業の成功は、カヤックから出ることなくお茶を飲むことで特徴付けられました。