水下視頻無線傳輸技術：帶寬高、質量好、成本低！

導讀

最近，沙烏地阿卜杜拉國王科技大學的研究人員開發了一種靈活、低成本的技術，用於在水下傳輸高質量的視頻圖像，它通過提高帶寬達到了更好的圖像質量。

關鍵字

通信、海洋、光學

背景

海洋覆蓋了我們地球的三分之二以上的區域，它是生物多樣性、食品和藥物的主要來源，也蘊含大量的石油、天然氣和海洋集料，可以用於許多工業生產過程。

通過無線通信技術產生出實時視頻，將進一步促進海洋的探索和監測。這些技術對於檢修海上石油與天然氣田的水下管道和電纜，都非常有幫助。筆者曾經介紹過一種稱為「Eelume」的機器人，它能夠在水下滑行完成各種檢修任務，例如：視覺檢查，清洗，調整閥門和阻氣門。

（圖片來源於：康斯伯格海事公司）

但是，海洋下面水較淺的地方，不太適合使用遠程遙控的水下機器人；而讓潛水員來進行檢修，既不切實際又昂貴。

然而，筆者還曾介紹過美國能源部所屬勞倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）的研究人員利用聲波在傳輸過程中產生的動態旋轉，也稱為「軌道角動量」，在單個頻率上包裝更多的通道，顯著增加信息傳輸量。在擴充水下通信容量以後，甚至可以傳輸高清電影，帶來水下高速通信的新方式。

（圖片來源：Chengzhi Shi/Berkeley Lab and UC Berkeley）

也許，上述的「軌道角動量復用」技術可能算是一個特例。一般來說，現有的聲學通信或者低頻無線電波技術，通常還是會受制於窄帶寬，並且需要大型天線和高傳輸功率，從而不適合高質量的實時視頻流。

創新

然而，今天我們又要介紹一項有關高質量的水下視頻圖像傳輸的新技術。最近，沙烏地阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）的研究人員開發了一種靈活、低成本的技術，用於在水下傳輸高質量的視頻圖像，它通過提高帶寬達到了更好的圖像質量。

（圖片來源：KAUST）

博士生 Abdullah Al-Halafi 及其導師 Basem Shihada 以及他同事協力開發了水下無線光學通信（UWOC）系統，其功耗顯著降低，且具有更高的帶寬，可滿足實時視頻流的需要。Al-Halafi 解釋道：

「首先我們構造了實時視頻傳輸系統，然後將它集成到UWOC裝置中。儘管系統的設計和開發非常具有挑戰性，但是它的可編程性讓我們能夠將系統配置為不同的組合。」

技術

為了提高檢測到的信號精度，研究人員首先使用一項稱為「正交幅度調製」的技術，增加了給定帶寬的信號所攜帶的信息表述，然後將它與相移鍵控相比較，從而改變載波信號的相位，優化每個配置的傳輸。

為了檢查系統的執行狀況，團隊開發了一種創新演算法測量傳輸過程中發生的錯誤，也稱為「比特誤碼率」。同時，他們通過含有不同渾濁度的水的5米水槽傳輸信號，測試不同類型的海水中傳輸的視頻質量。

該系統配置的實際示意圖如下：(a) 激光碟機動器裝置 (b) 准直透鏡 (c) 衰減器 (d) 綠色激光束 (e) 鏡子 (f) 鏡子 (g) 聚焦透鏡 (h) 雪崩光電二極體 (APD)

（圖片來源：參考資料【2】）

水下視頻流系統的示意圖如下：（該系統具有可重新配置的無線光學鏈接，SMA：超小型版本的A連接器，SDR：軟體定義的無線電。）

（圖片來源：參考資料【2】）

價值

對於這項研究的價值，Al-Halafi 的一段表述非常經典和精闢：

「我們的系統能生產出目前在 UWOC 系統中達到的高質量視頻，提供一種可重配置和划算的用於水下直播視頻流媒體的通信系統。它將推進潛水研究和新資源的開發。」

參考資料

【1】https://discovery.kaust.edu.sa/en/article/409/no-strings-attached-for-underwater-video-system

【2】Al-Halafi, A., Oubei, H. M., Ooi, B. S. & Shihada, B. Real-time video transmission over different underwater wireless optical channels using directly modulated 520 nm laser diode. Journal of Optical Communications and Networking. 9 (10) 826-832 (2017). | https://www.osapublishing.org/jocn/abstract.cfm?uri=jocn-9-10-826

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