胡凱

摘要：由于水聲通信信道的復(fù)雜性，水聲通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)所面臨的最大問(wèn)題應(yīng)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(guān)鍵環(huán)節(jié)就是選擇合適的調(diào)制技術(shù)和信道糾錯(cuò)編碼技術(shù)實(shí)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(duì)于頻帶資源有限，信道環(huán)境復(fù)雜，多途效應(yīng)比較明顯的水聲信道來(lái)說(shuō)是一種比較理想的通信方案。

關(guān)鍵詞：水聲通信；信道特性；信號(hào)調(diào)制；信道編碼

中圖分類(lèi)號(hào)：TN929.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）04-0039-01

1 水聲通信技術(shù)及其發(fā)展

1.1 水聲通信技術(shù)與水聲通信網(wǎng)絡(luò)

水聲技術(shù)已成為海洋開(kāi)發(fā)的主導(dǎo)技術(shù)之一， 計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的發(fā)展又將進(jìn)一步推動(dòng)水聲通信網(wǎng)絡(luò)成為一個(gè)信息化、現(xiàn)代化的海洋研究開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，把各種各樣的水聲傳感器通過(guò)水聲通信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，能為不同用戶(hù)間提供檢測(cè)、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(kāi)發(fā)開(kāi)發(fā)深海油氣資源；在相關(guān)海域布放多種傳感器對(duì)重要的海區(qū)進(jìn)行大面積、長(zhǎng)時(shí)間、全天候的連續(xù)觀測(cè)和信息的收集，并實(shí)時(shí)傳回至信息收集與處理中心進(jìn)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(duì)環(huán)境變化和災(zāi)害發(fā)生進(jìn)行及時(shí)的預(yù)報(bào)。

1.2 水聲通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀

水聲通信網(wǎng)絡(luò)在民用和軍用兩方面都有著巨大的應(yīng)用潛力，美歐發(fā)達(dá)國(guó)家在這方面投入了相當(dāng)大的力量進(jìn)行研究與開(kāi)發(fā)，到目前為止，國(guó)外一些機(jī)構(gòu)組建研究的水聲通信網(wǎng)絡(luò)已為數(shù)不少，部分已經(jīng)成功的進(jìn)行了海洋實(shí)驗(yàn)并走向了實(shí)際應(yīng)用，進(jìn)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(guó)海軍研究總署和麻省理工學(xué)院聯(lián)合開(kāi)發(fā)的水下自治采樣網(wǎng)絡(luò)，美國(guó)海軍的海洋萬(wàn)維網(wǎng)（Seaweb）系統(tǒng)，歐洲的系列化水聲通信網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃等等，都已經(jīng)達(dá)到了很高的水平。與此相對(duì)應(yīng)，我們國(guó)家的水聲網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃無(wú)論是在基礎(chǔ)理論研究還是實(shí)際裝設(shè)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(jī)的時(shí)空頻變參、多途效應(yīng)明顯、傳輸衰減嚴(yán)重、噪聲級(jí)較高、信號(hào)傳播速度較低和嚴(yán)格帶限的一類(lèi)特異通道，與一般無(wú)線通信信道差異明顯。

2.1 多徑效應(yīng)

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(jī)的時(shí)、空、頻變特性，使得多途現(xiàn)象更為嚴(yán)重。多途傳播對(duì)接收信號(hào)的影響在時(shí)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(shí)現(xiàn)信號(hào)的穩(wěn)定、可靠檢測(cè)是水聲通信中要解決的關(guān)健問(wèn)題。

2.2 多普勒頻移

聲波在淺海信道傳播時(shí)由于多普勒效應(yīng)造成發(fā)射信號(hào)的頻率漂移，這種漂移稱(chēng)為多普勒頻移。收、發(fā)端的相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及海面波浪運(yùn)動(dòng)和海中湍流都會(huì)引起多普勒頻移，其中海面波浪運(yùn)動(dòng)是主要因索，并且隨著海風(fēng)風(fēng)級(jí)的增強(qiáng)而增大。

2.3 聲波傳輸損耗

由于海水介質(zhì)不是理想無(wú)損耗介質(zhì)，聲波在海水傳播時(shí)也會(huì)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(qiáng)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(duì)聲波的散射，也是引起聲強(qiáng)衰減的一個(gè)原因。

2.4 有限的帶寬

聲波在水聲信道環(huán)境傳遞的過(guò)程中，會(huì)因?yàn)樗橘|(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(duì)于頻率較低的聲波其能量的損失就相對(duì)比較小。因此，水聲通信信道帶寬是嚴(yán)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(guān)系。近距離通信通常使用頻帶略高一些，一般是10～100kHz。而中遠(yuǎn)距離信息傳輸，比較適合的工作載波頻率就應(yīng)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(gè)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(guān)技術(shù)的應(yīng)用

由于水聲通信信道的復(fù)雜性，水聲通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)所面臨的最大問(wèn)題應(yīng)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(guān)鍵環(huán)節(jié)就是選擇合適的調(diào)制技術(shù)和信道糾錯(cuò)編碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速穩(wěn)定的傳輸。

3.1 信號(hào)調(diào)制技術(shù)

對(duì)于一般無(wú)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(shù)手段包括數(shù)字調(diào)制解調(diào)、信道估計(jì)、載波同步、信道均衡、信道編碼等等。前面已經(jīng)分析過(guò)，水聲通信面臨的最大問(wèn)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(shù)中，正交頻分復(fù)用，又稱(chēng)OFDM（Orthogonal Frequency Divifion Multiplexing）技術(shù)目前是比較成熟和可靠的一種技術(shù)。OFDM信號(hào)是由多個(gè)子載波構(gòu)成，每個(gè)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(guò)有效的信號(hào)調(diào)制技術(shù)、信號(hào)同步、信道均衡等措施來(lái)提高頻帶資源的利用率和傳輸?shù)目煽啃?，在具體的信號(hào)處理過(guò)程中，采用插入保護(hù)間隔和加窗等手段有效避免符號(hào)間干擾ISI（Inter Symbol Interference）問(wèn)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(fù)雜性和，存在的頻率偏移，時(shí)間同步以及噪聲等問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致隨機(jī)性和突發(fā)性錯(cuò)誤的產(chǎn)生，使接收信號(hào)統(tǒng)計(jì)中誤碼率相對(duì)偏高，影響信息傳輸?shù)挠行院涂煽啃浴Ｒ虼?，為進(jìn)一步改善系統(tǒng)的誤碼率性能，就要求系統(tǒng)在信號(hào)接收端能夠?qū)鬏斶^(guò)程中產(chǎn)生的錯(cuò)碼予以檢測(cè)和糾正，信道糾錯(cuò)編碼的應(yīng)用正是為了解決這一問(wèn)題。目前比較成熟的信道編碼方案主要有RS碼、卷積碼、級(jí)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(guò)在編譯碼過(guò)程中交織和解交織的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了隨機(jī)性編譯碼的思想，通過(guò)短碼的有效結(jié)合構(gòu)成長(zhǎng)碼，從而達(dá)到了接近香農(nóng)理論極限的性能。實(shí)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(shí)延和復(fù)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(chēng)Low-density Parity-check，即低密度奇偶校驗(yàn)碼，在編解碼過(guò)程中其運(yùn)算量和靈活性方面都比較優(yōu)秀，譯碼復(fù)雜度低，可并行譯碼且譯碼錯(cuò)誤可檢測(cè)，被廣泛認(rèn)為是下一代糾錯(cuò)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(shù)中采用這兩種編碼方案，對(duì)提高系統(tǒng)的性能肯定是有幫助的。

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