水聲信道是一個十分復雜的多徑傳輸信道，特性參數(shù)隨著時-空-頻的變化而隨機變化，且在水聲環(huán)境中，水聲信道又表現(xiàn)出帶寬窄、環(huán)境噪聲高、傳輸時延大、載波頻率低等缺點，使得傳輸數(shù)據(jù)率低、傳輸誤碼率高[1]。因此，如何有效消除水聲通信技術在運用過程中的諸多限制性因素，提高數(shù)據(jù)傳輸率，成為當下研究的一大熱門課題。為實現(xiàn)水聲載體下的水聲通信，下面結合相關專業(yè)理論知識，首先就水聲信道的相關物理特性進行分析。

　　1水聲信道相關物理特性探究

　　聲波是當前已知的在水中傳輸衰減最小的波動形式，穩(wěn)定性與可靠性較高，因而在水下信息傳輸、水下探測等領域得到了廣泛應用[2]。在研究水聲信道相關物理特性時，需要全面掌握聲波在海洋中傳播的復雜情況，而要想搞清楚這一狀況，就需建立起多種復雜模型，在這多種復雜模型中，有一種模型立足于“信號系統(tǒng)”視角，將聲傳播的海洋環(huán)境看作是一個線性、隨機時變的濾波器系統(tǒng)，該模型被稱為水聲信道。

　　1.1水聲信道基本物理特性

　　據(jù)探測，聲波在海面附近的典型傳播速率為150m/s，比電磁波的速率低5個數(shù)量級，因此，較之電磁波與光波，聲波在海水中的衰減要小的多[3]。實際上，水聲信道是近似地滿足廣義平穩(wěn)非相關散射條件的，且在該條件下，可實現(xiàn)“短時間內”的信道響應函數(shù)基本穩(wěn)定。且實踐表明，復雜的水聲信道會給水聲通信系統(tǒng)的性能帶來較大影響，且作為一個由海洋及其邊界構成的十分復雜的介質空間，水聲信道具有獨特的上下表面與內部結構，可對聲波產(chǎn)生諸多不同的影響。總結以上分析可知，水聲信道具有以下特性：①嚴重的多徑效應。在實際傳輸過程中，若實際水深小于傳輸距離，且同一波束內從不同路徑傳輸?shù)穆暡ǎ瑫�因為路徑長度的差異，產(chǎn)生時間的延遲與能量的差異，導致信號展寬，波形碼間干擾出現(xiàn)。②環(huán)境噪聲影響大。水聲通信中，影響通信質量的噪聲因素來自多個方面，如水面作業(yè)產(chǎn)生噪音、水生生物活動產(chǎn)生噪音、沿岸工業(yè)活動產(chǎn)生噪音等，這些來源于不同路徑的噪音無一例外會對信號的信噪比產(chǎn)生影響。③通信速率低。水下聲信道具有隨機變化的特性，這一特性使得水下通信寬帶有限，無多徑效應且短距離下的聲帶難以超過50kHz，若工作環(huán)境相對復雜，實際通信速率可能會更低[4]。

　　1.2水聲信道時變特性

　　水聲信道的時變特性早已在無線電通信等領域得到使用，且已經(jīng)獲得相對成熟的研究成果。在分析了解水聲信道時變性時，可以結合電波信道進行。這是因為水聲信道與電波信道存在諸多之處，也存在許多不同之處，如與電波信道相比，水聲信道要更加復雜，其有著更大的背景噪聲與聲傳播衰減程度，且聲傳播介質容易受風浪、溫度等因素影響，存在較大的不均勻性;在信號數(shù)據(jù)傳輸過程中，空化現(xiàn)象會給發(fā)射聲功率帶來影響，且可使用的頻率資源更為有限。具體而言，水聲信道的復雜性主要表現(xiàn)在多徑接受現(xiàn)象[5]。

　　2現(xiàn)代水聲通信技術及其應用

　　2.1OFDM基本原理

　　OFDM指的是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術，OFDM技術的基本應用原理是將高速串行數(shù)據(jù)轉換成多路相對低速的并行數(shù)據(jù)并對不同的載波進行調制。OFDM技術以并行傳輸?shù)姆绞绞沟梅�號脈沖寬度得到拓展，技術抗多徑衰落性能得到提升。在傳統(tǒng)技術模式下，整個寬帶經(jīng)分割后被送到子信道中，且頻帶不重疊。但該種模式也存在缺點，即頻譜利用率不高，造成頻譜浪費。為解決上述問題，多載波系統(tǒng)被提出并得到應用，與傳統(tǒng)技術模式相比，多載波系統(tǒng)的特點是，頻譜可實現(xiàn)相互重疊，不僅有效減少了子載波間的相互干擾，也極大地提高了頻譜利用率，解決了頻譜浪費現(xiàn)象。鑒于此，我們對于OFDM性能的分析必須基于多載波調制和并行傳輸角度。由于在傳輸過程中速率降低，信息碼元周期增大，當多徑時延小于碼元速率時，多徑的影響將較少的帶到下一個碼元，如此便有效減少了多徑時延擴散在接收到的信息碼元中所占相對的百分比值，以削弱多徑干擾對傳輸系統(tǒng)性能的影響。總之，通過OFDM技術的研究有效地對抗由信道多徑時延引起的時間彌散(由于水聲信道中多徑結構較為復雜，由此帶來的時間彌散尤為突出)，OFDM技術的各個子信道在頻域上相互重疊，借助各子載波之間的正交性避免載波間干擾(ICI)的出現(xiàn)，因此能大大地提高頻譜利用率。

　　2.2多載波調試

　　在無線信道中，存在多徑傳播效應。多徑傳播效應會給信息數(shù)據(jù)的傳播帶來負面影響，如對傳播過程造成干擾，最終導致接收端判斷錯誤，對信號傳輸質量造成影響。為此需進行多載波調試，利用相關技術手段消除多徑效應對數(shù)據(jù)傳播造成的干擾，提高信號傳輸質量。

　　2.3時間反轉技術

　　水聲信道中時間反轉技術指的是充分利用聲場的線性和互易性，把海洋信道本身當作匹配濾波器，來對陣接收信號(采用多個陣元組成接收陣列，對接收信號進行處理，以獲取空間增益，提高通信性能)進行合并處理，用來減少多徑引起的信道失真影響，有效地克服淺海多徑信道對信號產(chǎn)生的多徑擴展，實現(xiàn)不同途徑聲信號的聚焦，提高接收信號的信噪比，為降低誤碼率和提高通信距離提供有力的支持。

　　2.4多輸入多輸出技術

　　多輸入多輸出技術在帶寬資源有限的淺海水聲通信系統(tǒng)中，除了可以滿足多用戶同時通信，還可以擴充信道容量，同時提高通信速率和系統(tǒng)可靠性。多輸入多輸出技術為多用戶同時通信提供了一種技術手段。

　　3水聲通信方式的選擇

　　在選擇信號傳輸所用的調制解調方式時，應當結合水聲信道條件，根據(jù)水聲通信系統(tǒng)需求合理選擇，以保證通信質量。具體而言，在水聲通信方式的選擇方面，應對以下影響因素做重點考慮：首先，分析水聲通信系統(tǒng)性能，若抗噪聲性能是重點影響因素，可選擇PSK信號;若寬帶是主要影響因素，建議選擇多進制PSK而非FSK。其次，若以通信系統(tǒng)設備復雜程度作為選擇水聲通信方式的基礎依據(jù)，那么，在發(fā)射端，使用FSK、PSK調制方式的發(fā)射設備復雜程度不存在顯著差異;而在接收端，則需掌握相干調解時的接收設備比非相干解調的接收設備要更為復雜這一原則。最后，若從激水聲信道的限制性角度出發(fā)，則可將水聲信道分為帶寬受限以及功率受限兩種基本形式。若基于能量檢測而非相位檢測，那么系統(tǒng)在聲學信道的頻率、時間上具有更加優(yōu)越的拓展性能。在實際傳輸過程中，為提升數(shù)據(jù)、信號傳輸?shù)姆�(wěn)定性、可靠性，經(jīng)常采用信道編碼方法與調制方法相結合的方式有效應對多途徑傳播引起的信號衰減問題。在這之中，編碼的功能作用是通過冗余方式傳輸信息，即利用不同的子頻帶發(fā)送信息或重復發(fā)送信息。當信道編碼方法與調制方法有機結合后，所有的子頻帶在同一時間或全部到達時間并產(chǎn)生破壞相干性的情況能有效避免。這是因為，頻率分集使得帶寬減少，而時間分集導致傳輸時間增加，因此，無論處于何種情況，編碼的結果均為數(shù)據(jù)傳輸率降低。

　　參考文獻

　　[1]李鵬.現(xiàn)代水聲通信技術發(fā)展探討[J].科技創(chuàng)新與應用，2018(22)：144-145+147.

　　[2]閆冰程.基于OFDM編碼的水聲通信技術研究[D].電子科技大學，2018.

　　[3]董賽.面向中繼的水聲通信系統(tǒng)資源分配方案研究[D].東南大學，2017.

　　[4]胡凱.淺談水聲通信及相關技術應用[J].數(shù)字技術與應用，2017(04)：39+41.

　　[5]王勇，孟軍.現(xiàn)代水聲通信技術發(fā)展探討[J].信息通信，2014(08)：168-169.

　　《現(xiàn)代水聲通信技術發(fā)展》來源：《通訊世界》，作者：宋琳娜