水声通信系统课程总结 第1篇

多载波系统通过串并变换(S/P)把数据流分解成若干低速信息比特流，再用形成的低速数据去调制各自相应的子载波，从而形成多个并行发送的低速率符号。此时的数据传输速率较低，码元周期加长，相对于码元周期来说，时延扩展较小，从而能较容易的避免符号间串扰和多径干扰。同时CDMA技术已经成为第三代移动通信的主流技术，CDMA技术具有无可争辩的竞争力。但是CDMA的容量受到多址干扰和频率选择性衰落引入的干扰的限制。因此自然考虑将上述两种技术结合以兼具二者优点，自1993年开始，陆续出现了结合多载波和CDMA方法的讨论，多载波扩频通信技术逐步得到发展。多载波扩频通信既能抵抗多径效应引起的符号间干扰，又继承了CDMA用户容量高的优点。

实验人员在挪威奥斯陆峡湾附近水域进行了水下通信实验，比较了直接序列扩频水声通信系统和多载波扩频水声通信系统的性能。信道为时变水声衰落信道，实验采用的中心频率为14kHz，带宽7kHz。第一种方案是直接序列扩频，扩频码片长度为7，能够在单个载波上实现1000bps的数据速率。第二种方案是多载波扩频，子带个数为7。直扩接收机在符号解扩前在码片上进行均衡，而多载波扩频则具有联合多频带均衡和解扩的特征。直扩系统对于快速变化的信道具有最佳的跟踪潜力，而多载波扩频则在缓慢变化的信道中具备最佳性能[19]。

伪随机序列研究现状

对伪随机序列理论与应用的研究可分为三个阶段：(1)1948年以前的纯数学理论研究阶段；(2)1948．1969年的线性序列研究阶段；(3)1969年至今的非线性生成器研究阶段。

最典型的线性二进制序列就是m序列，m序列也是目前序列研究中理论最完备、应用最广泛的一种伪随机序列。m序列具有理想的自相关性，经m序列扩频的信号可以在接收端通过相关器解调出来。1967年，美国学者Gold R基于m序列提出了另一种常用线性序列，即Gold序列。Gold序列具有理想的三值互相关特性且数量远超m序列。1969年，学者Massey发表文章“移位寄存器综合与BCH译码”，伪随机序列的究开始转变为构造非线性序列生成器[20]。非线性序列的代表是Bent序列，它由美国学者Olsen J D、Scholtz R A和Welch L R最早提出，并由No J s等人推广到一般情形[21]。Bent序列这一非线性序列具有平衡性好、复杂度高等优点。此外GMW序列和NO序列也都是具有良好实用价值的非线性序列。

混沌序列拥有着良好的保密性和序列长度选择的任意性，因此混沌序列可以应用在对保密性要求较高的水声通信中。文献[22]研究了混沌序列水声扩频通信系统，并设计了一种基于双状态空间自适应滤波方案以便同时估计接收到的混沌信号和相关符号状态。

扩频技术在水声通信中的发展

因为水声通信速率低，导致扩频技术在水声通信中发展受限。在此背景下，众多学者对直接扩频技术提出改进显著的提升了水声扩频通信的通信速率。2006年西北工业大学的韩晶，黄建国等提出了一种正交M-ary/DS扩频技术，该技术结合并行M-ary扩频和正交直接扩频技术(Direct Sequence Spread Spectrum，DS)，在距离25Km信噪比0dB时，采用长度为127的Gold序列对480个符号进行传输实验，通信速率为。该方法与使用相同扩频码的直接扩频相比，带宽利用率与通信速率得到显著提升[23]。

2008年西北工业大学的何成兵、黄建国等提出循环移位扩频水声通信技术，该方法在发射端根据待发送信息对扩频码进行循环移位编码。实验在距离15Km通信带宽为2KHz时，通信速率达到438bit/s，误码率为10-2。实验结果表明该方法具有复杂度低、带宽利用率高、适合多用户通信等优点[24]。

2012年哈尔滨工程大学的殷敬伟、张晓等提出了差分相干解调法的DS/BDPSK水声通信技术。该方法先对待发送信息进行扩频，然后对扩频后的序列进行差分编码，最后对其进行载波调制，通过实验结果表明，该方法与 BPSK 调制法相比，DS/BDPSK调制法有更强的抗多普勒性能，且该方法在抗多径、抗干扰方面有很好的表现[25]。

2012年哈尔滨工程大学的于洋、周锋等提出了正交双通道码元移位键控扩频水声通信技术，该方法利用正交码元构建多通道，且利用码元相位传输信息。实现了在104bit数据量，4KHz带宽条件下，通信速率为误码率为10-4量级的有效通信[26]。

2017 年哈尔滨工程大学的何秀梅提出MIMO扩频水声通信技术，该方法结合MIMO技术有效提高了传统扩频通信技术的频带利用率。通过水池实验验证，在频带 为 10KHz-14KHz，载波频率为12KHz，扩频码选用长度为128的正交组合序列时，通信速率为[27]。

2017 年许昌学院的于洋、张柯等提出M元CDMA水声扩频通信技术，该方法通过M元多通道技术提高了传统扩频通信技术的通信速率，通过仿真表明该方法与传统CDMA通信技术相比，在通信速率和抗干扰方面有很大提升，对水声组网有很大的参考价值[28]。

2018年厦门理工学院的伊锦旺提出Chip-BOK(binary orthogonal keying)扩频水声通信技术，该方法利用线性调频(chip)信号良好的抗干扰性能和抗多径特性，使用二进 制正交键控对其进行调制。通过仿真表明该方法在多径信道中有着良好的表现[29]。

2018 年哈尔滨工程大学的吕曜辉提出基于混沌正交组合序列的 M 元码分多址水声通信技术，该方法采用了3584 条正交混沌序列，完成了7个水下节点的组网通信，每个用户间的传输速率为70bit/s[30]。

综上所述，水声扩频通信主要用于实现稳健的水下通信。

总的来说，水声扩频通信具有以下优点：

1、抗干扰能力强。水声扩频通信系统具有较强的抗干扰能力，在信号信噪比很低时，扩频信号仍能不受干扰的进行传输。即便采用同类型的信号进行干扰，因为不能准确得到伪随机序列的码型，干扰也很难起到太大的作用。

2、保密性好。由于不同路信号或不同用户的信号采用不同的伪随机序列扩展频谱，接收方只有知道扩频序列的正确形式才能恢复出原始信息数据。因此扩频通信技术可靠性高，保密性好。

4、抗多径干扰性能好。水声扩频通信系统中包含扩频调制和解扩的过程，这将有效地从多径信号中分离出最强的有用信号，或将多径信号中码序列相同的信号叠加，这样能够有效消除无线通信中由于多径干扰造成的信号衰落。

5、易于实现码分多址。利用不同伪随机序列之间的自相关和互相关特性，分配给不同用户不同的伪随机序列，就可以区分开不同用户的信号，就可以实现码分多址通信。

同时水声扩频系统也存在一定的缺点：

1、系统占用带宽较宽。

2、采用扩频技术的CDMA多址方式在通信系统实现上较为复杂。

[if !supportLists][1].  [endif]郑文婷. 水声扩频通信关键技术研究[D].哈尔滨工程大学,2018.

[2]黄建波.水声扩频通信系统误码率研究[A].中国声学学会.2007年全国水声学 学术会议论文集[C].中国声学学会:中国声学学会,2007:3.

[3]Gertrude：Underwater telephone—wikipedia，the free encyclopedia，availableat  http：／／en．wikipedia．org／wiki／Underwater telephone．

[4]Mandar Chitre，Shiraz Shahabudeen，Lee Freitag，MilicaStojanovic, _Recent Advances in Underwater Acoustic Communications&Networking”．IEEE Journal of Oceanic Engineering，v01．121，No．2，April 1996，PP．125—136．

[5]许肖梅．水声通信与水声网络的发展与应用[J]．声学技术，2009，28(06)：81 1．816．

[6]J．Garrood,_Applications of the MFSK acoustic communications systems，”in Proc．Of MTS／IEEE Oceans Conf．，Boston，MA，USA，September 16，1981，PP．67—71．

[7]S．D．Morgera，“Multiple terminal acoustic communications system design，”IEEE

Journal ofOceanic Engineering，v01．5，no．3，PP．199-204，July 1980．

[8]Low density parity check codes over GF(q)．Davey M C，Mackay D J C．ITW 1 998．

[9]M stojanovic and J Preisig．Underwater acoustic communication channels：propagation

models and statistical characterization[J1．2009 IEEE Commun．Mag．47(1)：84-89．

[10]M Stojanovic and J Preisig．Underwater acoustic communication channels：propagation

models and statistical characterization[J]．2009 IEEE Commun．Mag．47(1)：84—89．

[11]James C Preisig and Grant B Deane．Surface wave focusing and acoustic communications in the surf zone[J]．J．Acoust．Soc．Am．，2004，1 16(4)：2067—2080．

[12]郭中源，陈岩，贾宁，郭杰，陈庚，莫福源，马力．水下数字语音通信系统的研究和实现[J]． 声学学报(中文版)，2008(05)：409．418．

[13]周锋．水声扩频通信关键技术研究[D]．哈尔滨工程大学，2012．

[14]T. C. Austin, The application of spread spectrum signaling techniques to underwateracoustic navigation[J], IEEE,1994,443-449.

[15]G. Loubet, V. Capellano and R. Filipiak ，Underwater spread-[J],MTS/IEEE1997, 574-579.

[16]陈岩.应用扩频和分集技术进行水声通讯的研究[A].中国声学学会 2001 年青 年学术会议[CYCA'01]论文集,2001:3.

[17]王 蕾 , 殷 敬 伟, 惠 俊 英 . 分 组 扩 频 水 声 通 信 技 术 研 究 [J]. 声 学 技 术,2007(05):982-983.

[18]张国云，周映霞．直扩技术分析及其应用[J]．现代电子技术，2007(23)：25．27．

[19]P A Walree．Comparison between direct sequence and multicarrier spread spectrum acoustic communications in time varying channels [J]．J．Acoust．Soc．Am．，2010，128(6)：3525—3534．

[20]Pless V Introduction to the Theory of Error Correcting Codes[M]．Second Edition．New York：Wiley,_．

[21]Gold R．Optimal binary sequences for spreading spectrum mulliplexing[J]．IEEE Transactions on   Information Theoy,1967．13(4)：619-621．

[22]Massey J L．Shift register synthesis and BCH decoding[J]．1EEE Transactions on Information Theory,1969，15(1)：122—127．

[23]韩晶,黄建国,张群飞,申晓红,何成兵.正交 M-ary/DS 扩频及其在水声远程通信 中的应用[J].西北工业大学学报,2006(04):463-467.

[24]何 成 兵 , 黄 建 国 , 韩 晶 , 张 群 飞. 循 环 移 位 扩 频 水 声 通 信[J]. 物 理 学 报,2009,58(12):8379-8385.

[25]殷敬伟,张晓,孙立强,梅继丹.差分扩频技术在移动水声通信中的应用[J].中国科 学:信息科学,2012,42(04):436-445.

[26]于 洋 , 周 锋 , 乔 钢 . 正 交 码 元 移 位 键 控 扩 频 水 声 通 信 [J]. 物 理 学 报,2013,62(06):297-304.[21]

[27]何秀梅.MIMO 扩频水声通信[D].哈尔滨工程大学,2017. [22]

[28]于洋,张柯,杨枝茂,孙宗鑫,干书伟.M 元 CDMA 水声通信[J].物联网技 术,2017,7(02):42-45+47. 

[29]伊锦旺,朱逸,王贤凌,陈祥捷,张佳敏.基于 Chirp-BOK 扩频的水声通信系统[J]. 厦门理工学院学报,2018,26(01):70-75.

[30]吕曜辉,杜鹏宇,张宏滔,朱小辉.基于混沌正交组合序列的M元码分多址水声通 信[J].声学技术,2018,37(01):32-37.

水声通信系统课程总结 第2篇

海洋面积占据着地球总面积的，因此如何在海上通信是人们很自然就会提出的问题。原始的海上通信方式包括烽火、信号弹、旗语等，到了电气信息时代，产生了现代化的通信手段。现在的海上通信包括水上通信和水下通信两种形式。由于海上通信主要是船舰、潜艇等移动物体之间的通信，因此主要是无线通信，不考虑有线通信。而水上无线通信环境完全相似与陆地的无线通信环境，因此完全可以使用无线电通信系统。但水下无线通信却不能再使用无线电通信系统，这是因为电磁波在水这种介质中衰落特别严重，导致无线电通信系统根本无法在水下应用。后来人们发现声波这种信号在水中的传播距离可以达到通信的要求，因此就催生出了水下声波通信技术。

作为一个通信系统，水下声波通信技术具有通信系统的一般结构，因此跟无线电通信系统相比，它们的唯一区别就是通信所使用的波的种类不同，无线电通信系统使用电磁波实现通信，而水声通信系统使用声波实现通信。无线电通信系统使用天线发送和接收电磁波，水声通信系统使用换能器在发送端将电信号转换成声波信号，在接收端将声波信号转换成电信号。水声通信系统如图1所示。

图1 水声通信系统

水声通信系统课程总结 第3篇

多输入多输出技术（MIMO）利用信号在信道中多径传播的特性来实现高速、可靠、多端通信。由于其具有提高信道容量、抗衰落、降低误码率等特点[5]，因此这也是当前高速率水声通信技术的发展趋势之一。

编码技术可以提高通信系统的纠错性能，降低通信系统的误码率。编码方式包括RS码、卷积码、Turbo码、低密度奇偶校验（LDPC）码[6],应用在水声通信系统中可以明显提高通信质量。

扩频技术信号所占用的带宽远大于原始信号带宽，但其具有抗多径和抗干扰能力，并且可以在低信噪比的条件下保证通信质量，因此也是水声通信技术的重要发展方向。

水声通信系统课程总结 第4篇

1914年英国海军部队将研制成功的水声电报系统安装在巡洋舰上，这可以看做是水声通信技术的开端。第二次世界大战后的1945年，美国海军将研制的水下电话应用在潜艇之间的通信上[1]。到了20世纪70年代，随着军事和民用对水声通信技术需求的提高，并且电子信息技术也迅速发展，数字调制技术开始应用在水声通信系统中，而在此之前水声通信系统主要使用模拟调制技术。数字通信技术的优点提高了水声通信系统的传输速率和可靠性。

20世纪90年代至今，数字信号处理技术不断发展，一些新技术也应用在水声通信系统中，包括空间分集、码分多址、扩频技术、水下多载波调制技术、多输入多输出技术、水下通信网络技术等。因此水下通信技术已经开始从点对点的物理层通信，往多个节点之间数据交换的网络通信方向发展。

水声通信技术从最初应用于军事领域，提供水下目标的探测、定位和识别等服务，发展到提供通信、导航等服务阶段。随着人类海洋活动的增加和对海洋资源利用程度的提高，水声通信技术开始应用于民用领域，为海上科学考察、水下资源探测等人类活动提供服务。也正是这些军事和民用需求推动了水下通信技术的发展，让水下通信技术朝着更完善、更全面的立体和智能方向发展。