現代水聲通信技術發展探討

摘 要：近年來，隨著各種新技術的層出不窮，對我國各行業的發展建設都起到了重要推進作用。尤其是在通信技術方面水聲技術的發展也越來越成熟，國內外對其研究也越來越重視。目前水聲通信主要有以下幾種方式，如OFDM、擴頻以及其他方式等都是比較常見的，且隨著信息技術的不斷創新與發展，利用網絡技術進行無線電水聲通信的研發已經進入比較成熟的階段，對于實現海洋全方位監測有著不可忽視的重要影響，下面文章就其現代水聲通信技術的發展現狀進行詳細地分析與闡述，希望可以為相關人員提供一定的參考。

關鍵詞：水聲通信；相干通信；非相干通信

中圖分類號：TN929.3 文獻標志碼：A 文章編號：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 水聲通信技術的發展

早在歐美發達國家就已經將水聲通信技術應用于軍事和民用兩方面，甚至隨著計算機技術的發展，在國外一些機構組織研究中已經將計算機技術徹底融入至水聲通信技術中并形成了水聲通信網絡化。水聲技術作為海洋開發的重要技術之一，對于海洋的研究及開發有著不可忽視的重要影響。利用水聲通信技術可以有效對海底各種信息的傳輸及數據進行精準分析，對于海洋資源的開發及運用都起到了很重要的影響。通過水聲通信技術可以有規律的了解到海洋的全天候的變化和信息資料的收集，作為海洋系統之一水聲通信技術的建立和水聲通信網絡的完善，可以為不同海洋開發客戶資源提供全面的檢測。甚至能夠精準測出環境對海洋資源的影響和自然災害的發生。在我國在水聲通信網絡計劃方面還處于初級研究階段，相信在不久的將來，同樣可以結合各種先進技術，建立完善的水聲通信體系。

全世界很多科研機構都在對通信技術的擴展進行大量的數據研究和實驗，在對如何提高系統帶寬和速度傳輸的同時，也對其他技術進行了深入的研究。就如同水聲通信技術發展至今，有兩種形式被人們廣泛應用于海洋監測中。一種是非相干通信技術；另一種是相干通信技術。兩者在使用的過程中其原理是相同的，但也有其不同之處，如非相干通信技術，它接收抗干擾信號的能力遠遠要高于相干通信技術，且極易被解調，算法也比較簡單并不需要知道發射機的承載頻率就能夠直接對其進行相位確定；而相干通信技術是必須在確定接收機發出頻率之后方能對相位做出判斷，雖然相干通信的結構以及算法沒有非相干通信那樣簡便，但是它帶寬利用率較高，且通信速度也較快。相關研究表明，在這兩種通信技術的使用過程中，會依據不同的實際需要進行合理化的技術創新與應用，這就在很大程度上使得他們都能夠發揮應用的效用。對于數據的傳輸以及利用率來講都是相對較高的，在這方面也得到了理論上和技術上的突破。甚至越來越多的新技術融入其中，使得水聲通信技術越來越成熟。下面就其兩種技術進行詳細地分析。

2 非相干通信技術

在上文的論述中，我們已經清晰地了解到非相干通信技術的優缺點，但是對其原理還不是很清晰，下面就其原理進行闡述：通常情況下，非相干通信技術主要是利用頻移鍵控和多進制頻移鍵控進行非相干調制。這兩種調制相比較傳統的調制技術而言可信度和敏感度都比較精準。其最大的優點則是正在通信的過程中可靠性極高，數據傳輸穩定。特別是針對較遠距離、環境較差的信號傳輸或是在接收命令時，都能第一時間做出反饋。所以在選擇上可以從可靠度和數據的穩定性等兩方面對其進行參考。現階段對于非相干通信技術的應用也是進入了一個創新的階段，研究人員發現如果是針對低碼率、高可靠性的數據傳輸且滿足在水下航行而獲得數據，就要采取此種技術。因為在水聲通信技術中，這種技術能夠精準的對其數據傳輸做出判斷。

3 相干通信技術

相干通信技術主要針對非相干通信技術而言，它主要是靠相移鍵調試來確定水聲通信傳輸的具體位置。其中常見的幾種技術主要有：相移鍵控；差分相移鍵控；派生相干調制等。在進行通信信號解調時，必須對通信發射機的相位及幅度進行精準定位后，方能做出判斷。否則就會導致數據傳輸錯誤。

目前，相干通信的解調方法有：自適應線性均衡、自適應決策反饋均衡（DFE）以及最大似然序列估計和最小均方信道估計的聯合處理。在嚴重的多途時延擴展（通常為幾十至幾百個碼元周期）、快速的信道起伏與嚴重的頻率選擇性衰落條件下，可以說 DFE 是迄今在水下應用中最為成功的一種解調技術。實驗表明，無論信道特性如何，DFE 均衡器在各種水聲信道都顯示出滿意的性能。

雖然相干通信技術對其通信數據傳輸的相位要求比較精準，但它能夠大大減少噪音在傳輸過程中對其距離產生的影響，甚至是信號的影響。這就大大提高了數據的可靠性。尤其是在高速傳輸過程中，通常情況下會與自適應均衡技術相結合共同測試出數據的傳輸距離和減少噪音對其數據調制的影響，通過實驗表明，此種技術的發展在水聲通信技術中也是較為廣泛被使用的。尤其是近年來，我國水聲通信技術的不斷創新與發展，在很大程度上對水下數據高速度傳輸的要求越來越精準，甚至在一些移動通信技術方面都要求采用正交頻分復用技術、多輸入多輸出等技術。這種技術的抗干擾性比較明顯且頻譜利用率較高，對于提高信道容量，抗體干擾性、降低誤差率有著積極的重要作用。在未來水聲通信技術的發展過程中，還要將其兩者很好的結合，綜合兩者的優點進行技術上的創新，這樣也是為了使得兩者能夠充分發揮其優點。更好地推動我國現代水聲通信技術的發展，提高信息獲取的準確度。

4 水聲通信方式的選擇

（1）從通信系統性能角度來看，如果抗噪聲性能是主要因素，一般選擇PSK信號；如果帶寬是主要因素，一般選擇多進制 PSK，FSK不可取；（2）從通信系統設備復雜度來看，在發射端，使用PSK以及FSK調制方式的發射設備復雜度差異不大；在接收端，一般相干解調時的接收設備比非相干解調的接收設備要復雜；（3）從信道限制性來看，信道可分為功率受限和帶寬受限兩種。當基于能量檢測而不是相位檢測時，系統在聲學信道時間和頻率擴展上的性能更佳。為使傳輸更可靠，對于多途傳播所引起的信號衰減，經常將調制方法與信道編碼方法結合使用。編碼的作用就是以冗余方式傳輸信息——通過不同的子頻帶發送信息（頻率分集）或重復發送信息（時間分集）。采用上述兩種方式，使所有子頻帶在同一時間或全部到達時間產生破壞相干性不太可能。顯然，頻率分集減少了帶寬，時間分集導致傳輸時間增加。在兩種情況下，編碼的結果都是降低了數據傳輸率。

5 水聲通信系統的設計

水聲通信系統相比較其他系統設計而言，是一項比較復雜的作業。因受客觀環境因素的影響，水聲通信系統是在一個相對比較復雜的環境下進行設計，對其信號帶寬、抗干擾性、接收強度都有較高的要求。一般情況下要對水聲通信系統的復雜性、多變性、高噪音和有限的使用帶寬進行充分的研究與分析。考慮水聲通信的復雜特征，進行信號的加強設計和提高擴展頻道的時域性。從某種角度上來講，影響水聲通信穩定性的因素較多，如聲傳播損失和海水吸收損失造成的水聲信道帶寬受限、多途傳播造成的碼間干擾和多普勒效應引起的頻移，所以提高帶寬效率、抑制多途效應、補償多普勒頻移，達到遠距離、高速可靠的數據傳輸無疑是水聲通信系統中最富有挑戰性的任務。

水聲通信系統的性能，通常用誤碼率和數據率指標來衡量。對于水聲通信系統的設計，同時要求高數據率和低誤碼率是矛盾的。所以要保證水聲通信的質量，實質上就是在保持所需數據率的前提下，盡量降低傳輸誤碼率。不同的傳輸信號對水聲通信系統的性能指標有不同的需求，因此設計水聲通信系統應根據系統需要和實際情況綜合考慮。誤碼率與信噪比、信道模式和不同類型的調制方式有關。在設計通信系統時，根據聲學信道的特點可以計算出接收信號的信噪比。

目前，對抗多途效應可采用如下技術：（1）利用避免多途效應的調制技術。信號體制一般首選非相干或者差分相干解調，因為信道本身以及接收器和發送器的運動會引起相位的不穩定；還可以使用擴頻技術來解決和對抗多途效應。（2）使用具有高度指向性的收發器陣列。通過使用非常窄的發射波束，來保證只存在單一傳播路徑。采用這種方法一般能夠獲得20～30dB的定向增益，但需要非常大的陣列。為避免采用大陣列，可使用參數化聲源，但這種聲源的局限性在于功率要求高。在接收器端采用波束形成處理，可以提取直接路徑信號分量，抑制不需要的多途信號，但該方法較適合短程通信鏈接。（3）多信道均衡方法。使用保護時間和擴頻技術的兩種信號設計方法都是以犧牲可用帶寬為代價來抑制碼間干擾的，而均衡技術則不但能夠提供帶寬效率高的通信，還能給出獨立波動的各傳播路徑的分集。陣列處理和均衡處理可以結合在同一個空間分集的多信道均衡器中，而不是先通過陣列處理消除多途效應然后再進行均衡。新一代高速水聲通信系統將基于多信道均衡方法。

6 結束語

近年來，隨著通信技術的不斷創新與發展，在很多領域都得到了較好的發展，其通信質量和數據傳輸速度也有了明顯了提高。從某種意義上來講，水聲通信技術將在未來通信工程建設中獲得較大的發展空間，將帶動相關產品的快速發展。總而言之，隨著各種新技術的層出不窮，技術上將越來越成熟，傳統通信技術在技術創新上存在的不足將得到很好的改善。我們有理由相信，水聲通信技術的發展將對航海事業的發展有著不可忽視的重要影響。

參考文獻：

[1]程恩，袁飛，蘇為，等.水聲通信技術研究進展[J].廈門大學學報（自然科學版），2011（2）.

[2]殷敬偉.水聲通信原理及信號處理技術[M].北京：國防工業出版社，2011.

[3]李鵬，張穎，張瓊，等.關于數字化的電信網絡技術的探究[J].電子測試，2014.

[4]鞠巧慧.通信工程傳輸技術的應用[J].中國新通信，2012，14（1）.

[5]鞏巍.淺談通信工程傳輸技術的應用與未來發展[J].黑龍江科技信息，2012（23）.

[6]胡凱.淺談水聲通信及相關技術應用[J].數字技術與應用，2017.