Sprach- und Datenübertragung unter Wasser

Einführung

Das Senden und Empfangen von Daten jeglicher Art ist in Unterwasserumgebungen ungleich schwerer als Überwasser. Bewährte Techniken wie WLAN oder die diversen Mobilfunkstandards können unter Wasser nicht zur Anwendung kommen, da die Dämpfung des Wassers die Reichweite auf wenige Meter beschränkt. Aus diesem Grund wird auf akustische Kommunikation (meist im Ultraschallbereich) zurückgegriffen. Die geringe zur Verfügung stehende Bandbreite sorgt jedoch für sehr geringe Datenraten (zum Vergleich: WLAN erreicht etwa 300 Mbit/s, unter Wasser sind es eher 1kBit/s. Die Übertragung eines durchschnittlichen Instagramposts würde also etwas über 15 Minuten dauern). Gleichwohl ist die Unterwasserkommunikation für Sensornetzwerke, autonome Unterwasserfahrzeuge oder Taucher sehr wichtig und deshalb auch ein äußerst interessantes Forschungsgebiet.

 

Technische Details und Konzepte

Um die Daten oder Sprache unter Wasser übertragen zu können, müssen sie „fit gemacht“ werden für den Unterwasserkanal. Im Fall von Sprache nutzt man dazu meist eine Technik, die gesprochene Sprache in einen höheren Frequenzbereich mischt. Diesen Vorgang nennt man „Modulation“ (von lat. modulatio = Takt, Rhythmus). Eine analoge Modulation multipliziert ein Nachrichtensignal mit einem höherfrequenten Träger, was zu einer Frequenzverschiebung führt. Das Nachrichtensignal ist hier die Hüllkurve des Trägersignals. 

 

Auch bei digitalen Daten (eine Folge aus Nullen und Einsen) muss eine Modulation erfolgen, da man diese nicht direkt senden kann. Eine einfache Möglichkeit dazu ist einfach die Nullen und Einsen als Frequenzen zu interpretieren und immer, je nachdem ob eine 0 oder eine 1 anliegt, zwischen den Frequenzen zu wechseln. Dieses Verfahren heißt Frequenzumtastung. Am Empfänger wird dieser Vorgang dann umgekehrt und heißt dementsprechend "Demodulation".

Unter Wasser besteht durch die schlechten Kanalbedingungen häufig die Möglichkeit, dass ein Datenpaket nicht mehr korrekt decodiert werden kann oder durch Reflexionen (Mehrwegeausbreitung, siehe oberste Grafik) mehrfach oder überlagert am Empfänger ankommt. Um diesem Fall entgegen zu wirken, werden zusätzlich Fehlerkorrektur- und Synchronisierungssignale übertragen. In dem Versuch wird Sprache analog übertragen und kurz auf die digitale Übertragung eingegangen. 

 

Weiterführende Literatur und Verweise

Contact

Prof. Dr.-Ing. Gerhard Schmidt

E-Mail: gus@tf.uni-kiel.de

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Faculty of Engineering
Institute for Electrical Engineering and Information Engineering
Digital Signal Processing and System Theory

Kaiserstr. 2
24143 Kiel, Germany

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