水声通信

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　　水声通信是指利用水声信道进行通信双方数据传输的通信系统，水声通信系统构成与传统的无线电通信系统构成具有极大的相似性，但是水声通信系统是将电信号转换成声信号，携载信息的声信号在水中进行传播完成系统的数据传输。

　　水声通信的历史可以追溯到1914年，在这一年水声电报系统研制成功可以看作是水下无线通信的雏形。世界上第一个具有实际意义的水声通信系统是美国海军水声实验室于1945年研制的水下电话，该系统使用单边带调制技术，载皮频率8．33kHz，主要用于潜艇之间的通信。早期的水声通言多使用模拟频率调制技术。如在50年代末研制的调频水声通信系统，使用20kHz的载波和500Hz的带宽，实现了水底到水面船只的通信。模拟调制系统不能减轻由于水声信道的衰落所引起的畸变，限制了系统性能的提高。70年代以来随着电子技术和信息科学突飞猛进的发展，水声通信技术也因此得到了迅速的发展，新一代的水声通信系统也开始采用数字调制技术。采用数字技术的重要性在于，首先，它可以利用纠错编码技术来提高数据传输的可靠性；其次，它能够对在时域(多途)和频域(多普勒扩展)上的信道畸变进行各种补偿。随着处理器技术的提高，各种采用快速解调的算法也随之发展起来。数字调制技术的主流为幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控调制(PSK)。

　　随着用于空间无线电衰落信道技术的发展，水声通信的下一代系统对数字编码的数据采用了频移键控(FSK)调制方式。作为一种能量检测(非相干)而不是相位检测(相干)算法，FSK系统被认为对于信道的时间和频率扩展具有固有的稳健特性。采用数字技术有两个方面的好处：首先，它允许采用纠错编码技术来提高传输的可靠性；第二，它允许对信道混响做一定的补偿，包括时问和频率上的补偿。在这之后的一段时间里，这些系统得到了很好的改善。随着处理器技术的提高，各种FSK算法被开发出来以提高调制速率。但是，这些非相干的FSK调制解调器与那些早期的系统没有根本的区别。然而，它们使得硬件设计迈出了一个很大的步伐。宽带系统要求的技术，如信号的产生调制速度和频率灵敏度等，最初对系统实现设置了很大的障碍，但是现在已被处理器等技术的飞速发展大大地克服了。而功率有效性问题仍然是远程传输所关心的问题。

　　尽管FSK调制有很好的可靠性，但是非相干系统的基本特点使得人们不得不考虑其它的调制方式。非相干系统频带利用效率不高，加上水声信道的带宽有限，使得它们不适应于高速率应用，如非近距离的图像传输或多用户网络等。更大的数据速率距离乘积要求采用相干调制。

　　通信信道可以根据其性能限制特性粗略地分为功率受限和带宽受限两种信道。由于不同的调制策略适用于不同的信道，这种划分是重要的。虽然有一些水声通信信道是功率受限的(如远距离低速率SOFAR信道)，但是大多数水声信道是带宽受限的。因此，带宽效率高的相干信号在现在的研究中起着中心的作用。在过去十年中突然出现基于相位相干的系统是相当令人吃惊的，这是因为在2O世纪8O年代早期，人们普遍认为海洋信道的时变和多径特性不允许采用相位相干调制方式。带宽有效性(数据速率／信号带宽)潜在的提高刺激了研究者来挑战这种观点，尤其是随着高速数字信号处理能力的迅速发展。

　　从上个世纪90年代至今，水声通信领域的研究重点转向对高速相干通信技术的研究，各种基于PSK调制的通信系统相继出现，下面是近年来PSK水声通信系统的一些研究成果。

　　90年代早期，出现了大量用于水平海洋信道的相位相干系统的应用报告。采用正交相移键控@PSK)调制，在90km的距离上得到了lO00bps的数据传输速率。这种开创性工作的成功得益于采用了一种强有力的接收机算法，它将一个判决反馈均衡器与一个二阶锁相环结合起来。研究者正在试图在更具挑战性的信道(如沿海地区和海浪区)中实现通信。9O年代中后期以来，又展开了对水声通信新技术的研究，主要包括水下多载波调制技术、码分多址(CDMA)扩谱技术、空间分集技术、水下通信网络等，取得了一些令人鼓舞的初步成果。

　　据报道，相位相干系统可以在没有多径传播或几乎没有多径传播的宽带、短距离环境下提供20kbps的数据传输率，而在长距离、复杂的环境下提供不到Ikbps的数据传输率。

　　目前，人们对水声通信的研究仍然集中在相位相干系统的研究之上。自适应均衡、阵处理、纠错编码等是人们研究的热点。不过，随着扩频技术在空间通信中的应用越来越广泛，人们已经开始重视其在水声通信中的应用。水声通信的发展远远滞后，这是由水声信道的特殊性决定的。迄今为止，声波仍是水下唯一可以进行远程信息传输的媒体。水介质与空气介质的特性具有明显的不同，水声信道与空气中的无线电信道具有许多明显的差异。水下声信道是时间散布快速衰落信道，具有多普勒不稳定性。水声通信的衰耗因素较多，特别是在海水中传播，声传播损失不仅与频率有关，而且还受海水的含盐度、温度、密度、深度、距离等的影响，造成中远程水声信道带宽极其有限。海水中不均匀分布的声速剖面造成声线的弯曲，而声波的界面反射和随机散射又引起声波接收信号的多途效应。在实现高速通信时，有限的信道带宽和信号的多途传输会引起非常严重的码间干扰，造成接收数据的严重误码。同一声源发出的声波，在不同的海区或不同的季节，传播情况可能都不同。所以从信道中的各种限制因素到时变、空变性，水声信道都远比无线电信道复杂。

　　从水声通信研究的横向比较来看，世界水声通信的研究主要集中在美、英、日、法等发达国家的大学和科研机构，一些国外公司也开发了许多应用产品，而我国对这方面的研究起步相对较晚。自上世纪80年代中期以来，尤其是进入90年代后，国内一些科研单位都对水声通信进行了大量的研究工作，在水下图像传输、语音通信、自适应均衡技术纠错编码、扩频通信、水雷远程遥控、通信网络等许多方面各自取得了一定的成果。从总体上讲，我国在水声通信领域的研究水平还远落后于国际先进水平。