現(xiàn)代水聲通信技術(shù)發(fā)展探討

摘 要：近年來，隨著各種新技術(shù)的層出不窮，對我國各行業(yè)的發(fā)展建設(shè)都起到了重要推進(jìn)作用。尤其是在通信技術(shù)方面水聲技術(shù)的發(fā)展也越來越成熟，國內(nèi)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(kuò)頻以及其他方式等都是比較常見的，且隨著信息技術(shù)的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行無線電水聲通信的研發(fā)已經(jīng)進(jìn)入比較成熟的階段，對于實(shí)現(xiàn)海洋全方位監(jiān)測有著不可忽視的重要影響，下面文章就其現(xiàn)代水聲通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行詳細(xì)地分析與闡述，希望可以為相關(guān)人員提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：水聲通信；相干通信；非相干通信

中圖分類號：TN929.3 文獻(xiàn)標(biāo)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(shù)的發(fā)展

早在歐美發(fā)達(dá)國家就已經(jīng)將水聲通信技術(shù)應(yīng)用于軍事和民用兩方面，甚至隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在國外一些機(jī)構(gòu)組織研究中已經(jīng)將計(jì)算機(jī)技術(shù)徹底融入至水聲通信技術(shù)中并形成了水聲通信網(wǎng)絡(luò)化。水聲技術(shù)作為海洋開發(fā)的重要技術(shù)之一，對于海洋的研究及開發(fā)有著不可忽視的重要影響。利用水聲通信技術(shù)可以有效對海底各種信息的傳輸及數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)分析，對于海洋資源的開發(fā)及運(yùn)用都起到了很重要的影響。通過水聲通信技術(shù)可以有規(guī)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(tǒng)之一水聲通信技術(shù)的建立和水聲通信網(wǎng)絡(luò)的完善，可以為不同海洋開發(fā)客戶資源提供全面的檢測。甚至能夠精準(zhǔn)測出環(huán)境對海洋資源的影響和自然災(zāi)害的發(fā)生。在我國在水聲通信網(wǎng)絡(luò)計(jì)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(jié)合各種先進(jìn)技術(shù)，建立完善的水聲通信體系。

全世界很多科研機(jī)構(gòu)都在對通信技術(shù)的擴(kuò)展進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)研究和實(shí)驗(yàn)，在對如何提高系統(tǒng)帶寬和速度傳輸?shù)耐瑫r(shí)，也對其他技術(shù)進(jìn)行了深入的研究。就如同水聲通信技術(shù)發(fā)展至今，有兩種形式被人們廣泛應(yīng)用于海洋監(jiān)測中。一種是非相干通信技術(shù)；另一種是相干通信技術(shù)。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(shù)，它接收抗干擾信號的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)要高于相干通信技術(shù)，且極易被解調(diào)，算法也比較簡單并不需要知道發(fā)射機(jī)的承載頻率就能夠直接對其進(jìn)行相位確定；而相干通信技術(shù)是必須在確定接收機(jī)發(fā)出頻率之后方能對相位做出判斷，雖然相干通信的結(jié)構(gòu)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(guān)研究表明，在這兩種通信技術(shù)的使用過程中，會(huì)依據(jù)不同的實(shí)際需要進(jìn)行合理化的技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用，這就在很大程度上使得他們都能夠發(fā)揮應(yīng)用的效用。對于數(shù)據(jù)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(shù)上的突破。甚至越來越多的新技術(shù)融入其中，使得水聲通信技術(shù)越來越成熟。下面就其兩種技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)地分析。

2 非相干通信技術(shù)

在上文的論述中，我們已經(jīng)清晰地了解到非相干通信技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，但是對其原理還不是很清晰，下面就其原理進(jìn)行闡述：通常情況下，非相干通信技術(shù)主要是利用頻移鍵控和多進(jìn)制頻移鍵控進(jìn)行非相干調(diào)制。這兩種調(diào)制相比較傳統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)而言可信度和敏感度都比較精準(zhǔn)。其最大的優(yōu)點(diǎn)則是正在通信的過程中可靠性極高，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定。特別是針對較遠(yuǎn)距離、環(huán)境較差的信號傳輸或是在接收命令時(shí)，都能第一時(shí)間做出反饋。所以在選擇上可以從可靠度和數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性等兩方面對其進(jìn)行參考?，F(xiàn)階段對于非相干通信技術(shù)的應(yīng)用也是進(jìn)入了一個(gè)創(chuàng)新的階段，研究人員發(fā)現(xiàn)如果是針對低碼率、高可靠性的數(shù)據(jù)傳輸且滿足在水下航行而獲得數(shù)據(jù)，就要采取此種技術(shù)。因?yàn)樵谒曂ㄐ偶夹g(shù)中，這種技術(shù)能夠精準(zhǔn)的對其數(shù)據(jù)傳輸做出判斷。

3 相干通信技術(shù)

相干通信技術(shù)主要針對非相干通信技術(shù)而言，它主要是靠相移鍵調(diào)試來確定水聲通信傳輸?shù)木唧w位置。其中常見的幾種技術(shù)主要有：相移鍵控；差分相移鍵控；派生相干調(diào)制等。在進(jìn)行通信信號解調(diào)時(shí)，必須對通信發(fā)射機(jī)的相位及幅度進(jìn)行精準(zhǔn)定位后，方能做出判斷。否則就會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤。

目前，相干通信的解調(diào)方法有：自適應(yīng)線性均衡、自適應(yīng)決策反饋均衡（DFE）以及最大似然序列估計(jì)和最小均方信道估計(jì)的聯(lián)合處理。在嚴(yán)重的多途時(shí)延擴(kuò)展（通常為幾十至幾百個(gè)碼元周期）、快速的信道起伏與嚴(yán)重的頻率選擇性衰落條件下，可以說 DFE 是迄今在水下應(yīng)用中最為成功的一種解調(diào)技術(shù)。實(shí)驗(yàn)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(shù)對其通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)南辔灰蟊容^精準(zhǔn)，但它能夠大大減少噪音在傳輸過程中對其距離產(chǎn)生的影響，甚至是信號的影響。這就大大提高了數(shù)據(jù)的可靠性。尤其是在高速傳輸過程中，通常情況下會(huì)與自適應(yīng)均衡技術(shù)相結(jié)合共同測試出數(shù)據(jù)的傳輸距離和減少噪音對其數(shù)據(jù)調(diào)制的影響，通過實(shí)驗(yàn)表明，此種技術(shù)的發(fā)展在水聲通信技術(shù)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(shù)的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，在很大程度上對水下數(shù)據(jù)高速度傳輸?shù)囊笤絹碓骄珳?zhǔn)，甚至在一些移動(dòng)通信技術(shù)方面都要求采用正交頻分復(fù)用技術(shù)、多輸入多輸出等技術(shù)。這種技術(shù)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(shù)的發(fā)展過程中，還要將其兩者很好的結(jié)合，綜合兩者的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行技術(shù)上的創(chuàng)新，這樣也是為了使得兩者能夠充分發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)。更好地推動(dòng)我國現(xiàn)代水聲通信技術(shù)的發(fā)展，提高信息獲取的準(zhǔn)確度。

4 水聲通信方式的選擇

（1）從通信系統(tǒng)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(jìn)制 PSK，F(xiàn)SK不可取；（2）從通信系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜度來看，在發(fā)射端，使用PSK以及FSK調(diào)制方式的發(fā)射設(shè)備復(fù)雜度差異不大；在接收端，一般相干解調(diào)時(shí)的接收設(shè)備比非相干解調(diào)的接收設(shè)備要復(fù)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(dāng)基于能量檢測而不是相位檢測時(shí)，系統(tǒng)在聲學(xué)信道時(shí)間和頻率擴(kuò)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(jīng)常將調(diào)制方法與信道編碼方法結(jié)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(fā)送信息（頻率分集）或重復(fù)發(fā)送信息（時(shí)間分集）。采用上述兩種方式，使所有子頻帶在同一時(shí)間或全部到達(dá)時(shí)間產(chǎn)生破壞相干性不太可能。顯然，頻率分集減少了帶寬，時(shí)間分集導(dǎo)致傳輸時(shí)間增加。在兩種情況下，編碼的結(jié)果都是降低了數(shù)據(jù)傳輸率。

5 水聲通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

水聲通信系統(tǒng)相比較其他系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言，是一項(xiàng)比較復(fù)雜的作業(yè)。因受客觀環(huán)境因素的影響，水聲通信系統(tǒng)是在一個(gè)相對比較復(fù)雜的環(huán)境下進(jìn)行設(shè)計(jì)，對其信號帶寬、抗干擾性、接收強(qiáng)度都有較高的要求。一般情況下要對水聲通信系統(tǒng)的復(fù)雜性、多變性、高噪音和有限的使用帶寬進(jìn)行充分的研究與分析。考慮水聲通信的復(fù)雜特征，進(jìn)行信號的加強(qiáng)設(shè)計(jì)和提高擴(kuò)展頻道的時(shí)域性。從某種角度上來講，影響水聲通信穩(wěn)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(yīng)引起的頻移，所以提高帶寬效率、抑制多途效應(yīng)、補(bǔ)償多普勒頻移，達(dá)到遠(yuǎn)距離、高速可靠的數(shù)據(jù)傳輸無疑是水聲通信系統(tǒng)中最富有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

水聲通信系統(tǒng)的性能，通常用誤碼率和數(shù)據(jù)率指標(biāo)來衡量。對于水聲通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，同時(shí)要求高數(shù)據(jù)率和低誤碼率是矛盾的。所以要保證水聲通信的質(zhì)量，實(shí)質(zhì)上就是在保持所需數(shù)據(jù)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(tǒng)的性能指標(biāo)有不同的需求，因此設(shè)計(jì)水聲通信系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)需要和實(shí)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(diào)制方式有關(guān)。在設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)時(shí)，根據(jù)聲學(xué)信道的特點(diǎn)可以計(jì)算出接收信號的信噪比。

目前，對抗多途效應(yīng)可采用如下技術(shù)：（1）利用避免多途效應(yīng)的調(diào)制技術(shù)。信號體制一般首選非相干或者差分相干解調(diào)，因?yàn)樾诺辣旧硪约敖邮掌骱桶l(fā)送器的運(yùn)動(dòng)會(huì)引起相位的不穩(wěn)定；還可以使用擴(kuò)頻技術(shù)來解決和對抗多途效應(yīng)。（2）使用具有高度指向性的收發(fā)器陣列。通過使用非常窄的發(fā)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(shù)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(hù)時(shí)間和擴(kuò)頻技術(shù)的兩種信號設(shè)計(jì)方法都是以犧牲可用帶寬為代價(jià)來抑制碼間干擾的，而均衡技術(shù)則不但能夠提供帶寬效率高的通信，還能給出獨(dú)立波動(dòng)的各傳播路徑的分集。陣列處理和均衡處理可以結(jié)合在同一個(gè)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(yīng)然后再進(jìn)行均衡。新一代高速水聲通信系統(tǒng)將基于多信道均衡方法。

6 結(jié)束語

近年來，隨著通信技術(shù)的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，在很多領(lǐng)域都得到了較好的發(fā)展，其通信質(zhì)量和數(shù)據(jù)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(shù)將在未來通信工程建設(shè)中獲得較大的發(fā)展空間，將帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)品的快速發(fā)展?？偠灾?，隨著各種新技術(shù)的層出不窮，技術(shù)上將越來越成熟，傳統(tǒng)通信技術(shù)在技術(shù)創(chuàng)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(shù)的發(fā)展將對航海事業(yè)的發(fā)展有著不可忽視的重要影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]程恩，袁飛，蘇為，等.水聲通信技術(shù)研究進(jìn)展[J].廈門大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011（2）.

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

[3]李鵬，張穎，張瓊，等.關(guān)于數(shù)字化的電信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的探究[J].電子測試，2014.

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

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

[6]胡凱.淺談水聲通信及相關(guān)技術(shù)應(yīng)用[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2017.