水聲通信

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　　水聲通信是指利用水聲通道進行通信雙方數據傳輸的通信系統，水聲通信系統構成與傳統的無線電通信系統構成具有極大的相似性，但是水聲通信系統是將電信號轉換成聲信號，攜載信息的聲信號在水中進行傳播完成系統的數據傳輸。

　　水聲通信的歷史可以追溯到1914年，在這一年水聲電報系統研製成功可以看作是水下無線通信的雛形。世界上第一個具有實際意義的水聲通信系統是美國海軍水聲實驗室於1945年研製的水下電話，該系統使用單邊帶調製技術，載皮頻率8．33kHz，主要用於潛艇之間的通信。早期的水聲通言多使用模擬頻率調製技術。如在50年代末研製的調頻水聲通信系統，使用20kHz的載波和500Hz的帶寬，實現了水底到水面船隻的通信。模擬調製系統不能減輕由於水聲通道的衰落所引起的畸變，限制了系統性能的提高。70年代以來隨著電子技術和信息科學突飛猛進的發展，水聲通信技術也因此得到了迅速的發展，新一代的水聲通信系統也開始採用數字調製技術。採用數字技術的重要性在於，首先，它可以利用糾錯編碼技術來提高數據傳輸的可靠性；其次，它能夠對在時域(多途)和頻域(多普勒擴展)上的通道畸變進行各種補償。隨著處理器技術的提高，各種採用快速解調的演算法也隨之發展起來。數字調製技術的主流為幅移鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)和相移鍵控調製(PSK)。

　　隨著用於空間無線電衰落通道技術的發展，水聲通信的下一代系統對數字編碼的數據採用了頻移鍵控(FSK)調製方式。作為一種能量檢測(非相干)而不是相位檢測(相干)演算法，FSK系統被認為對於通道的時間和頻率擴展具有固有的穩健特性。採用數字技術有兩個方面的好處：首先，它允許採用糾錯編碼技術來提高傳輸的可靠性；第二，它允許對通道混響做一定的補償，包括時問和頻率上的補償。在這之後的一段時間里，這些系統得到了很好的改善。隨著處理器技術的提高，各種FSK演算法被開發出來以提高調製速率。但是，這些非相干的FSK數據機與那些早期的系統沒有根本的區別。然而，它們使得硬體設計邁出了一個很大的步伐。寬頻系統要求的技術，如信號的產生調製速度和頻率靈敏度等，最初對系統實現設置了很大的障礙，但是現在已被處理器等技術的飛速發展大大地剋服了。而功率有效性問題仍然是遠程傳輸所關心的問題。

　　儘管FSK調製有很好的可靠性，但是非相干系統的基本特點使得人們不得不考慮其它的調製方式。非相干系統頻帶利用效率不高，加上水聲通道的帶寬有限，使得它們不適應於高速率應用，如非近距離的圖像傳輸或多用戶網路等。更大的數據速率距離乘積要求採用相干調製。

　　通信通道可以根據其性能限制特性粗略地分為功率受限和帶寬受限兩種通道。由於不同的調製策略適用於不同的通道，這種劃分是重要的。雖然有一些水聲通信通道是功率受限的(如遠距離低速率SOFAR通道)，但是大多數水聲通道是帶寬受限的。因此，帶寬效率高的相干信號在現在的研究中起著中心的作用。在過去十年中突然出現基於相位相干的系統是相當令人吃驚的，這是因為在2O世紀8O年代早期，人們普遍認為海洋通道的時變和多徑特性不允許採用相位相干調製方式。帶寬有效性(數據速率／信號帶寬)潛在的提高刺激了研究者來挑戰這種觀點，尤其是隨著高速數字信號處理能力的迅速發展。

　　從上個世紀90年代至今，水聲通信領域的研究重點轉向對高速相干通信技術的研究，各種基於PSK調製的通信系統相繼出現，下麵是近年來PSK水聲通信系統的一些研究成果。

　　90年代早期，出現了大量用於水平海洋通道的相位相干系統的應用報告。採用正交相移鍵控@PSK)調製，在90km的距離上得到了lO00bps的數據傳輸速率。這種開創性工作的成功得益於採用了一種強有力的接收機演算法，它將一個判決反饋均衡器與一個二階鎖相環結合起來。研究者正在試圖在更具挑戰性的通道(如沿海地區和海浪區)中實現通信。9O年代中後期以來，又展開了對水聲通信新技術的研究，主要包括水下多載波調製技術、碼分多址(CDMA)擴譜技術、空間分集技術、水下通信網路等，取得了一些令人鼓舞的初步成果。

　　據報道，相位相干系統可以在沒有多徑傳播或幾乎沒有多徑傳播的寬頻、短距離環境下提供20kbps的數據傳輸率，而在長距離、複雜的環境下提供不到Ikbps的數據傳輸率。

　　目前，人們對水聲通信的研究仍然集中在相位相干系統的研究之上。自適應均衡、陣處理、糾錯編碼等是人們研究的熱點。不過，隨著擴頻技術在空間通信中的應用越來越廣泛，人們已經開始重視其在水聲通信中的應用。水聲通信的發展遠遠滯後，這是由水聲通道的特殊性決定的。迄今為止，聲波仍是水下唯一可以進行遠程信息傳輸的媒體。水介質與空氣介質的特性具有明顯的不同，水聲通道與空氣中的無線電通道具有許多明顯的差異。水下聲通道是時間散佈快速衰落通道，具有多普勒不穩定性。水聲通信的衰耗因素較多，特別是在海水中傳播，聲傳播損失不僅與頻率有關，而且還受海水的含鹽度、溫度、密度、深度、距離等的影響，造成中遠程水聲通道帶寬極其有限。海水中不均勻分佈的聲速剖面造成聲線的彎曲，而聲波的界面反射和隨機散射又引起聲波接收信號的多途效應。在實現高速通信時，有限的通道帶寬和信號的多途傳輸會引起非常嚴重的碼間干擾，造成接收數據的嚴重誤碼。同一聲源發出的聲波，在不同的海區或不同的季節，傳播情況可能都不同。所以從通道中的各種限制因素到時變、空變性，水聲通道都遠比無線電通道複雜。

　　從水聲通信研究的橫向比較來看，世界水聲通信的研究主要集中在美、英、日、法等發達國家的大學和科研機構，一些國外公司也開發了許多應用產品，而我國對這方面的研究起步相對較晚。自上世紀80年代中期以來，尤其是進入90年代後，國內一些科研單位都對水聲通信進行了大量的研究工作，在水下圖像傳輸、語音通信、自適應均衡技術糾錯編碼、擴頻通信、水雷遠程遙控、通信網路等許多方面各自取得了一定的成果。從總體上講，我國在水聲通信領域的研究水平還遠落後於國際先進水平。