现代水声通信技术发展探讨

摘 要：近年来，随着各种新技术的层出不穷，对我国各行业的发展建设都起到了重要推进作用。尤其是在通信技术方面水声技术的发展也越来越成熟，国内外对其研究也越来越重视。目前水声通信主要有以下几种方式，如OFDM、扩频以及其他方式等都是比较常见的，且随着信息技术的不断创新与发展，利用网络技术进行无线电水声通信的研发已经进入比较成熟的阶段，对于实现海洋全方位监测有着不可忽视的重要影响，下面文章就其现代水声通信技术的发展现状进行详细地分析与阐述，希望可以为相关人员提供一定的参考。

关键词：水声通信；相干通信；非相干通信

中图分类号：TN929.3 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）22-0144-03

Abstract： In recent years， with the endless emergence of various new technologies， it has played an important role in promoting the development and construction of various industries in China. Especially in communication technology， the development of underwater acoustic technology is becoming more and more mature， and more attention has been paid to the research of underwater acoustic technology at home and abroad. At present， underwater acoustic communication mainly has the following several ways， such as OFDM， spread spectrum and other methods are relatively common， and with the continuous innovation and development of information technology， The research and development of radio underwater acoustic communication using network technology has entered a relatively mature stage， which has an important impact on the realization of marine all-directional monitoring. The following article carries on the detailed analysis and the elaboration to its modern underwater acoustic communication technology development present situation， in order to provide the certain reference for the related personnel.

Keywords： underwater acoustic communication； coherent communication； incoherent communication

1 水聲通信技术的发展

早在欧美发达国家就已经将水声通信技术应用于军事和民用两方面，甚至随着计算机技术的发展，在国外一些机构组织研究中已经将计算机技术彻底融入至水声通信技术中并形成了水声通信网络化。水声技术作为海洋开发的重要技术之一，对于海洋的研究及开发有着不可忽视的重要影响。利用水声通信技术可以有效对海底各种信息的传输及数据进行精准分析，对于海洋资源的开发及运用都起到了很重要的影响。通过水声通信技术可以有规律的了解到海洋的全天候的变化和信息资料的收集，作为海洋系统之一水声通信技术的建立和水声通信网络的完善，可以为不同海洋开发客户资源提供全面的检测。甚至能够精准测出环境对海洋资源的影响和自然灾害的发生。在我国在水声通信网络计划方面还处于初级研究阶段，相信在不久的将来，同样可以结合各种先进技术，建立完善的水声通信体系。

全世界很多科研机构都在对通信技术的扩展进行大量的数据研究和实验，在对如何提高系统带宽和速度传输的同时，也对其他技术进行了深入的研究。就如同水声通信技术发展至今，有两种形式被人们广泛应用于海洋监测中。一种是非相干通信技术；另一种是相干通信技术。两者在使用的过程中其原理是相同的，但也有其不同之处，如非相干通信技术，它接收抗干扰信号的能力远远要高于相干通信技术，且极易被解调，算法也比较简单并不需要知道发射机的承载频率就能够直接对其进行相位确定；而相干通信技术是必须在确定接收机发出频率之后方能对相位做出判断，虽然相干通信的结构以及算法没有非相干通信那样简便，但是它带宽利用率较高，且通信速度也较快。相关研究表明，在这两种通信技术的使用过程中，会依据不同的实际需要进行合理化的技术创新与应用，这就在很大程度上使得他们都能够发挥应用的效用。对于数据的传输以及利用率来讲都是相对较高的，在这方面也得到了理论上和技术上的突破。甚至越来越多的新技术融入其中，使得水声通信技术越来越成熟。下面就其两种技术进行详细地分析。

2 非相干通信技术

在上文的论述中，我们已经清晰地了解到非相干通信技术的优缺点，但是对其原理还不是很清晰，下面就其原理进行阐述：通常情况下，非相干通信技术主要是利用频移键控和多进制频移键控进行非相干调制。这两种调制相比较传统的调制技术而言可信度和敏感度都比较精准。其最大的优点则是正在通信的过程中可靠性极高，数据传输稳定。特别是针对较远距离、环境较差的信号传输或是在接收命令时，都能第一时间做出反馈。所以在选择上可以从可靠度和数据的稳定性等两方面对其进行参考。现阶段对于非相干通信技术的应用也是进入了一个创新的阶段，研究人员发现如果是针对低码率、高可靠性的数据传输且满足在水下航行而获得数据，就要采取此种技术。因为在水声通信技术中，这种技术能够精准的对其数据传输做出判断。

3 相干通信技术

相干通信技术主要针对非相干通信技术而言，它主要是靠相移键调试来确定水声通信传输的具体位置。其中常见的几种技术主要有：相移键控；差分相移键控；派生相干调制等。在进行通信信号解调时，必须对通信发射机的相位及幅度进行精准定位后，方能做出判断。否则就会导致数据传输错误。

目前，相干通信的解调方法有：自适应线性均衡、自适应决策反馈均衡（DFE）以及最大似然序列估计和最小均方信道估计的联合处理。在严重的多途时延扩展（通常为几十至几百个码元周期）、快速的信道起伏与严重的频率选择性衰落条件下，可以说 DFE 是迄今在水下应用中最为成功的一种解调技术。实验表明，无论信道特性如何，DFE 均衡器在各种水声信道都显示出满意的性能。

虽然相干通信技术对其通信数据传输的相位要求比较精准，但它能够大大减少噪音在传输过程中对其距离产生的影响，甚至是信号的影响。这就大大提高了数据的可靠性。尤其是在高速传输过程中，通常情况下会与自适应均衡技术相结合共同测试出数据的传输距离和减少噪音对其数据调制的影响，通过实验表明，此种技术的发展在水声通信技术中也是较为广泛被使用的。尤其是近年来，我国水声通信技术的不断创新与发展，在很大程度上对水下数据高速度传输的要求越来越精准，甚至在一些移动通信技术方面都要求采用正交频分复用技术、多输入多输出等技术。这种技术的抗干扰性比较明显且频谱利用率较高，对于提高信道容量，抗体干扰性、降低误差率有着积极的重要作用。在未来水声通信技术的发展过程中，还要将其两者很好的结合，综合两者的优点进行技术上的创新，这样也是为了使得两者能够充分发挥其优点。更好地推动我国现代水声通信技术的发展，提高信息获取的準确度。

4 水声通信方式的选择

（1）从通信系统性能角度来看，如果抗噪声性能是主要因素，一般选择PSK信号；如果带宽是主要因素，一般选择多进制 PSK，FSK不可取；（2）从通信系统设备复杂度来看，在发射端，使用PSK以及FSK调制方式的发射设备复杂度差异不大；在接收端，一般相干解调时的接收设备比非相干解调的接收设备要复杂；（3）从信道限制性来看，信道可分为功率受限和带宽受限两种。当基于能量检测而不是相位检测时，系统在声学信道时间和频率扩展上的性能更佳。为使传输更可靠，对于多途传播所引起的信号衰减，经常将调制方法与信道编码方法结合使用。编码的作用就是以冗余方式传输信息——通过不同的子频带发送信息（频率分集）或重复发送信息（时间分集）。采用上述两种方式，使所有子频带在同一时间或全部到达时间产生破坏相干性不太可能。显然，频率分集减少了带宽，时间分集导致传输时间增加。在两种情况下，编码的结果都是降低了数据传输率。

5 水声通信系统的设计

水声通信系统相比较其他系统设计而言，是一项比较复杂的作业。因受客观环境因素的影响，水声通信系统是在一个相对比较复杂的环境下进行设计，对其信号带宽、抗干扰性、接收强度都有较高的要求。一般情况下要对水声通信系统的复杂性、多变性、高噪音和有限的使用带宽进行充分的研究与分析。考虑水声通信的复杂特征，进行信号的加强设计和提高扩展频道的时域性。从某种角度上来讲，影响水声通信稳定性的因素较多，如声传播损失和海水吸收损失造成的水声信道带宽受限、多途传播造成的码间干扰和多普勒效应引起的频移，所以提高带宽效率、抑制多途效应、补偿多普勒频移，达到远距离、高速可靠的数据传输无疑是水声通信系统中最富有挑战性的任务。

水声通信系统的性能，通常用误码率和数据率指标来衡量。对于水声通信系统的设计，同时要求高数据率和低误码率是矛盾的。所以要保证水声通信的质量，实质上就是在保持所需数据率的前提下，尽量降低传输误码率。不同的传输信号对水声通信系统的性能指标有不同的需求，因此设计水声通信系统应根据系统需要和实际情况综合考虑。误码率与信噪比、信道模式和不同类型的调制方式有关。在设计通信系统时，根据声学信道的特点可以计算出接收信号的信噪比。

目前，对抗多途效应可采用如下技术：（1）利用避免多途效应的调制技术。信号体制一般首选非相干或者差分相干解调，因为信道本身以及接收器和发送器的运动会引起相位的不稳定；还可以使用扩频技术来解决和对抗多途效应。（2）使用具有高度指向性的收发器阵列。通过使用非常窄的发射波束，来保证只存在单一传播路径。采用这种方法一般能够获得20～30dB的定向增益，但需要非常大的阵列。为避免采用大阵列，可使用参数化声源，但这种声源的局限性在于功率要求高。在接收器端采用波束形成处理，可以提取直接路径信号分量，抑制不需要的多途信号，但该方法较适合短程通信链接。（3）多信道均衡方法。使用保护时间和扩频技术的两种信号设计方法都是以牺牲可用带宽为代价来抑制码间干扰的，而均衡技术则不但能够提供带宽效率高的通信，还能给出独立波动的各传播路径的分集。阵列处理和均衡处理可以结合在同一个空间分集的多信道均衡器中，而不是先通过阵列处理消除多途效应然后再进行均衡。新一代高速水声通信系统将基于多信道均衡方法。

6 结束语

近年来，随着通信技术的不断创新与发展，在很多领域都得到了较好的发展，其通信质量和数据传输速度也有了明显了提高。从某种意义上来讲，水声通信技术将在未来通信工程建设中获得较大的发展空间，将带动相关产品的快速发展。总而言之，随着各种新技术的层出不穷，技术上将越来越成熟，传统通信技术在技术创新上存在的不足将得到很好的改善。我们有理由相信，水声通信技术的发展将对航海事业的发展有着不可忽视的重要影响。

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