淺談水聲通信及相關技術應用

胡凱

摘要：由于水聲通信信道的復雜性，水聲通信系統(tǒng)設計所面臨的最大問題應該是頻率選擇性衰落和多徑傳播引起的碼間干擾，這其中的關鍵環(huán)節(jié)就是選擇合適的調(diào)制技術和信道糾錯編碼技術實現(xiàn)高速穩(wěn)定的傳輸。采用Turbo碼作為OFDM系統(tǒng)中的編碼方案，對于頻帶資源有限，信道環(huán)境復雜，多途效應比較明顯的水聲信道來說是一種比較理想的通信方案。

關鍵詞：水聲通信；信道特性；信號調(diào)制；信道編碼

中圖分類號：TN929.3 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）04-0039-01

1 水聲通信技術及其發(fā)展

1.1 水聲通信技術與水聲通信網(wǎng)絡

水聲技術已成為海洋開發(fā)的主導技術之一， 計算機及網(wǎng)絡信息技術的發(fā)展又將進一步推動水聲通信網(wǎng)絡成為一個信息化、現(xiàn)代化的海洋研究開發(fā)系統(tǒng)，把各種各樣的水聲傳感器通過水聲通信網(wǎng)絡互聯(lián)，能為不同用戶間提供檢測、遙控、安全保障和協(xié)同作業(yè)所需的信息傳輸，可用于海洋資源開發(fā)開發(fā)深海油氣資源；在相關海域布放多種傳感器對重要的海區(qū)進行大面積、長時間、全天候的連續(xù)觀測和信息的收集，并實時傳回至信息收集與處理中心進行研究與分析，能真正掌握海洋的自然變化規(guī)律，以便于對環(huán)境變化和災害發(fā)生進行及時的預報。

1.2 水聲通信網(wǎng)絡發(fā)展現(xiàn)狀

水聲通信網(wǎng)絡在民用和軍用兩方面都有著巨大的應用潛力，美歐發(fā)達國家在這方面投入了相當大的力量進行研究與開發(fā)，到目前為止，國外一些機構組建研究的水聲通信網(wǎng)絡已為數(shù)不少，部分已經(jīng)成功的進行了海洋實驗并走向了實際應用，進而發(fā)展到覆蓋空中、地面、水下的立體信息網(wǎng)的形成。例如美國海軍研究總署和麻省理工學院聯(lián)合開發(fā)的水下自治采樣網(wǎng)絡，美國海軍的海洋萬維網(wǎng)（Seaweb）系統(tǒng)，歐洲的系列化水聲通信網(wǎng)絡計劃等等，都已經(jīng)達到了很高的水平。與此相對應，我們國家的水聲網(wǎng)絡計劃無論是在基礎理論研究還是實際裝設備的研發(fā)都還處在剛剛起步的階段。

2 水聲通信信道特性

水聲通信信道是屬于隨機的時空頻變參、多途效應明顯、傳輸衰減嚴重、噪聲級較高、信號傳播速度較低和嚴格帶限的一類特異通道，與一般無線通信信道差異明顯。

2.1 多徑效應

多途由海面和海底反射所產(chǎn)生的宏觀多途和由海水不均勻介質(zhì)而形成的聲波的折射的微觀多途所組成。在水聲信道中，在收、發(fā)兩端始終存在著一條以上的傳播路徑，也由于淺海水聲信道隨機的時、空、頻變特性，使得多途現(xiàn)象更為嚴重。多途傳播對接收信號的影響在時域上主要表現(xiàn)為碼間干擾；在頻域上則體現(xiàn)為頻率選擇性衰落。顯然，如何抑制多途，實現(xiàn)信號的穩(wěn)定、可靠檢測是水聲通信中要解決的關健問題。

2.2 多普勒頻移

聲波在淺海信道傳播時由于多普勒效應造成發(fā)射信號的頻率漂移，這種漂移稱為多普勒頻移。收、發(fā)端的相對運動以及海面波浪運動和海中湍流都會引起多普勒頻移，其中海面波浪運動是主要因索，并且隨著海風風級的增強而增大。

2.3 聲波傳輸損耗

由于海水介質(zhì)不是理想無損耗介質(zhì)，聲波在海水傳播時也會衰減。由于海水介質(zhì)中存在泥沙、氣泡、浮游生物等懸浮粒子以及介質(zhì)分布的不均勻性，引起聲波散射和聲強衰減，尤其在含有氣泡群的海水中，具有非常高的聲吸收和散射。另外海面、海底對聲波的散射，也是引起聲強衰減的一個原因。

2.4 有限的帶寬

聲波在水聲信道環(huán)境傳遞的過程中，會因為水介質(zhì)的物理吸收而造成聲波能量的損失。介質(zhì)吸收造成的能量損失與聲波頻率的平方成正比，頻率越高能量損失就越多，而對于頻率較低的聲波其能量的損失就相對比較小。因此，水聲通信信道帶寬是嚴格受限的。此外，水聲信道中，信息可靠傳輸?shù)木嚯x與載波的工作頻段也有較大的關系。近距離通信通常使用頻帶略高一些，一般是10～100kHz。而中遠距離信息傳輸，比較適合的工作載波頻率就應該在20kHz以下，通常帶寬只有幾kHz。水聲信道帶寬受限還有另一個原因那就是受到水聲換能器帶寬的限制。因此，相較于采用電磁波作為載體的其它信道，水聲信道的帶寬是比較窄的。

3 水聲通信相關技術的應用

由于水聲通信信道的復雜性，水聲通信系統(tǒng)設計所面臨的最大問題應該是頻率選擇性衰落和多徑傳播引起的碼間干擾，這其中的關鍵環(huán)節(jié)就是選擇合適的調(diào)制技術和信道糾錯編碼技術實現(xiàn)高速穩(wěn)定的傳輸。

3.1 信號調(diào)制技術

對于一般無線或有線通信信道，要想獲得比較好的通信性能，使用的技術手段包括數(shù)字調(diào)制解調(diào)、信道估計、載波同步、信道均衡、信道編碼等等。前面已經(jīng)分析過，水聲通信面臨的最大問題是有限的帶寬資源以及多途衰落特性的影響。在各種調(diào)制技術中，正交頻分復用，又稱OFDM（Orthogonal Frequency Divifion Multiplexing）技術目前是比較成熟和可靠的一種技術。OFDM信號是由多個子載波構成，每個子載波都可以根據(jù)信道的特性選擇不同的調(diào)制方式，水聲通信系統(tǒng)中，比較常用的是MQAM和MQPSK調(diào)制方式。OFDM系統(tǒng)可以通過有效的信號調(diào)制技術、信號同步、信道均衡等措施來提高頻帶資源的利用率和傳輸?shù)目煽啃?，在具體的信號處理過程中，采用插入保護間隔和加窗等手段有效避免符號間干擾ISI（Inter Symbol Interference）問題。

3.2 水聲信道信道編碼方式的選擇

考慮到水聲信道環(huán)境的復雜性和，存在的頻率偏移，時間同步以及噪聲等問題，會導致隨機性和突發(fā)性錯誤的產(chǎn)生，使接收信號統(tǒng)計中誤碼率相對偏高，影響信息傳輸?shù)挠行院涂煽啃?。因此，為進一步改善系統(tǒng)的誤碼率性能，就要求系統(tǒng)在信號接收端能夠?qū)鬏斶^程中產(chǎn)生的錯碼予以檢測和糾正，信道糾錯編碼的應用正是為了解決這一問題。目前比較成熟的信道編碼方案主要有RS碼、卷積碼、級聯(lián)碼、Turbo碼、LDPC碼等。目前比較流行的是Turbo碼和LDPC碼。Turbo碼通過在編譯碼過程中交織和解交織的過程，實現(xiàn)了隨機性編譯碼的思想，通過短碼的有效結(jié)合構成長碼，從而達到了接近香農(nóng)理論極限的性能。實踐中顯示，Turbo碼具有抗衰落、抗干擾性能，尤其適合功率受限的系統(tǒng)，只要時延和復雜度允許，可在多種惡劣條件下提供接近極限的通信能力。LDPC碼，全稱Low-density Parity-check，即低密度奇偶校驗碼，在編解碼過程中其運算量和靈活性方面都比較優(yōu)秀，譯碼復雜度低，可并行譯碼且譯碼錯誤可檢測，被廣泛認為是下一代糾錯碼的最優(yōu)方案。

Turbo碼和LDPC碼的誤碼率性能最接近香農(nóng)極限，因此，在水聲通信技術中采用這兩種編碼方案，對提高系統(tǒng)的性能肯定是有幫助的。

參考文獻

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