0 引言通信技术的发展主要集中在空间通信上。

近年来，由于军事和海洋开发的要求，人们开始越来越重视水下通信系统的研究与开发。

由于电磁波在水中传播时衰减严重，而声波是人类迄今为止已知的唯一能在水中远距离传播的能量形式，所以海洋中检测、通信、定位和导航主要利用声波。

声波是目前水中信息传输的主要载体。

因此，人们对水下通信的研究主要集中在对水声通信的研究之上。

水声通信是当前唯一可在水下进行远程信息传输的通信形式,由于其在民用和军事上都有重大意义,水声通信一直被人们所重视。

文章介绍了水声通信的特点、系统组成、发展历史和国内外的发展现状。

1 水声通信的历史水声通信的历史可以追溯到1914 年，在这一年水声电报系统研制成功可以看作是水下无线通信的雏形。

世界上第一个具有实际意义的水声通信系统是美国海军水声实验室于1945 年研制的水下电话，该系统使用单边带调制技术，载波频率8.33 kHz，主要用于潜艇之间的通信。

早期的水声通信多使用模拟频率调制技术。

如在50 年代末研制的调频水声通信系统，使用20kHz 的载波和500Hz 的带宽，实现了水底到水面船只的通信。

模拟调制系统不能减轻由于水声信道的衰落所引起的畸变，限制了系统性能的提高。

70 年代以来随着电子技术和信息科学突飞猛进的发展，水声通信技术也因此得到了迅速的发展，新一代的水声通信系统也开始采用数字调制技术。

采用数字技术的重要性在于，首先，它可以利用纠错编码技术来提高数据传输的可靠性;其次，它能够对在时域(多途)和频域(多普勒扩展)上的信道畸变进行各种补偿。

随着处理器技术的提高，各种采用快速解调的算法也随之发展起来。

数字调制技术的主流为幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控调制(PSK)。

随着用于空间无线电衰落信道技术的发展，水声通信的下一代系统对数字编码的数据采用了频移键控(FSK)调制方式。

作为一种能量检测(非相干)而不是相位检测(相干)算法，FSK 系统被认为对于信道的时间和频率扩展具有固有的稳健特性。

采用数字技术有两个方面的好处:首先，它允许采用纠错编码技术来提高传输的可靠性；第二，它允许对信道混响做一定的补偿，包括时间和频率上的补偿。

在这之后的一段时间里，这些系统得到了很好的改善。

随着处理器技术的提高，各种FSK 算法被开发出来以提高调制速率。

但是，这些非相干的FSK 调制解调器与那些早期的系统没有根本的区别。

然而，它们使得硬件设计迈出了一个很大的步伐。

宽带系统要求的技术，如信号的产生、调制速度和频率灵敏度等，最初对系统实现设置了很大的障碍，但是现在已被处理器等技术的飞速发展大大地克服了。

而功率有效性问题仍然是远程传输所关心的问题。

尽管FSK 调制有很好的可靠性，但是非相干系统的基本特点使得人们不得不考虑其它的调制方式。

非相干系统频带利用效率不高，加上水声信道的带宽有限，使得它们不适应于高速率应用，如非近距离的图像传输或多用户网络等。

更大的数据速率距离乘积要求采用相干调制。

通信信道可以根据其性能限制特性粗略地分为功率受限和带宽受限两种信道。

由于不同的调制策略适用于不同的信道，这种划分是重要的。

虽然有一些水声通信信道是功率受限的(如远距离低速率SOFAR 信道)，但是大多数水声信道是带宽受限的。

因此，带宽效率高的相干信号在现在的研究中起着中心的作用。

在过去十年中突然出现基于相位相干的系统是相当令人吃惊的，这是因为在20 世纪80 年代早期，人们普遍认为海洋信道的时变和多径特性不允许采用相位相干调制方式。

带宽有效性(数据速率/ 信号带宽)潜在的提高刺激了研究者来挑战这种观点，尤其是随着高速数字信号处理能力的迅速发展。

2 水声通信的现状从上个世纪90 年代至今，水声通信领域的研究重点转向对高速相干通信技术的研究，各种基于PSK 调制的通信系统相继出现，下面是近年来PSK 水声通信系统的一些研究成果。

90 年代早期，出现了大量用于水平海洋信道的相位相干系统的应用报告。

采用正交相移键控(QPSK)调制，在90km的距离上得到了l000bps 的数据传输速率。

这种开创性工作的成功得益于采用了一种强有力的接收机算法，它将一个判决反馈均衡器与一个二阶锁相环结合起来。

研究者正在试图在更具挑战性的信道(如沿海地区和海浪区)中实现通信。

90 年代中后期以来，又展开了对水声通信新技术的研究，主要包括水下多载波调制技术、码分多址(CDMA)扩谱技术、空间分集技术、水下通信网络等，取得了一些令人鼓舞的初步成果。

据报道，相位相干系统可以在没有多径传播或几乎没有多径传播的宽带、短距离环境下提供20kbps 的数据传输率，而在长距离、复杂的环境下提供不到1kbps 的数据传输率。

3 水声通信的发展目前，人们对水声通信的研究仍然集中在相位相干系统的研究之上。

自适应均衡、阵处理、纠错编码等是人们研究的热点。

不过，随着扩频技术在空间通信中的应用越来越广泛，人们已经开始重视其在水声通信中的应用。

水声通信的发展远远滞后，这是由水声信道的特殊性决定的。

迄今为止，声波仍是水下唯一可以进行远程信息传输的媒体。

水介质与空气介质的特性具有明显的不同，水声信道与空气中的无线电信道具有许多明显的差异。

水下声信道是时间散布快速衰落信道，具有多普勒不稳定性。

水声通信的衰耗因素较多，特别是在海水中传播，声传播损失不仅与频率有关，而且还受海水的含盐度、温度、密度、深度、距离等的影响，造成中远程水声信道带宽极其有限。

海水中不均匀分布的声速剖面造成声线的弯曲，而声波的界面反射和随机散射又引起声波接收信号的多途效应。

在实现高速通信时，有限的信道带宽和信号的多途传输会引起非常严重的码间干扰，造成接收数据的严重误码。

同一声源发出的声波，在不同的海区或不同的季节，传播情况可能都不同。

所以从信道中的各种限制因素到时变、空变性，水声信道都远比无线电信道复杂。

从水声通信研究的横向比较来看，世界水声通信的研究主要集中在美、英、日、法等发达国家的大学和科研机构，一些国外公司也开发了许多应用产品，而我国对这方面的研究起步相对较晚。

自上世纪80 年代中期以来，尤其是进入90年代后，国内一些科研单位都对水声通信进行了大量的研究工作，在水下图像传输、语音通信、自适应均衡技术纠错编码、扩频通信、水雷远程遥控、通信网络等许多方面各自取得了一定的成果。

从总体上讲，我国在水声通信领域的研究水平还远落后于国际先进水平。

纵观世界水声通信几十年的发展历程，水声通信的发展总是由无线电通信的发展带动的，困扰水声通信的许多重要难题由于水声信道不同于无线电信道的特殊性复杂性，至今仍然没有很好的解决。

特别是浅海水平信道中高数据率的信息传输，还必须投入更大的努力，寻找新的技术突破点。

4 水声通信的组成水声通信系统和其他数字通信系统一样,如图1所示,由7个部分构成。

图1 水声通信系统信息源编码完成对信息的数字化与编码。

例如水下语音通信系统中,信息源编码可以采用DPCM、子带编码、线性预测编码LPC等其它方式。

信道编码是为了免除信道中存在的噪声和干扰对信号传输正确性的影响。

目前较多使用的是具有长约束长度的卷积码,并采用交织技术。

信道的特性直接影响通信系统的设计。

水声数字通信系统的仿真重点也在于水声信道的仿真。

调制是为了更有效利用传输媒质,利用基带信号对载波某些参量进行控制。

解调是在接收端将已调信号恢复为原始基带信号的过程。

5 水声通信系统的实现水声通信的原理是利用声波或超声波作为信息载体，以水体作为传输媒质来实现信息传输。

5.1水声通信系统模型水声通信系统的模型框图如图2所示:发送音频信号经调制到超声波载波上后进行功放，经过匹配电路送到换能器发出;接收过程则相反，换能器收到超声信号后将其转换成电信号，经匹配、放大、解调，还原成对方所发送的音频信号。

移动收/发信机与移动收/发信机之间，移动收/发信机与宿主收/发信机之间，宿主收/发信机与宿主收/发信机之间均可相互进行通信。

图2 水声通信系统移动收/发信机虽然从框图上看，移动收/发信机与母舰收/发信机相同，但是实际换能器和电路是不同的。

主要区别是:移动收/发信机要求功耗低，重量轻，体积小。

而母舰收/发信机是可以不受功耗、重量和体积的限制。

5.2 水声通信系统工作频率工作频率的确定首先要兼顾以下因素:(1)随声波频率升高，因海水吸收引起的传播衰减增大;(2)在几十kHz的频段上，随声波频率升，海洋环境噪声下降;(3)若使用圆柱形换能器，随声波频率升高，圆柱形换能器的指向性增强。

考虑到各种因素，水声通信的载频一般在20kHz-40kH之间，载频越高、虽然声波的衰减略大一点，但对换能器带宽要求可以降低一些，设计起来更有利。

6 关键技术(1)信号处理及调制解调技术为了有效地减少多径传播及海洋环境噪声带来的影响，必需采用先进的信号处理技术，对电信号进行处理；由于发送换能器发送的超声波的能量、调制方式等都是由加在换能器上的电信号来决定的，由于超声波经过水体传输产生的多径干扰失真及海洋环境噪声，接收换能器在将声能变换成电信号后，要恢复成原始的电信号，要对信号进行相应的处理等，所以如何设计最佳性能的功率放大器、调制器、解调器、滤波器、静噪电路和自动声音增益控制是至关重要的。

(2)换能器设计换能器形状、工作频率、带宽及品质因素等的设计。

(3)水中设备的制造工艺。

水声通信系统移动收/发信机设备工作于较深的水下，应有良好的水密性，保证设备正常工作。

7 水声通信系统应用实例2H offshore是一家专业于结构设计分析的全球性公司，该公司在一款数据记录器—Pulse INTEGRI pod‐A中对水声通信系统进行了很好的应用。

图3即为Pulse INTEGRI pod‐A，总重量只有18kg。

Pulse INTEGRI pod‐A是一种声学链接的数据记录器，它有一个外部连接器，可以与任何传感器连接，以便记录传感器的数据并可将数据长期保存在板载中的内存里。

该系统是半实时数据记录系统，这些数据可以通过声波定期传送到地面上的主机。

通过顶部的声学接收器和数据采集系统的控制，数据记录器可以允许采取方案选择的模式，也可进行系统诊断及数据检索。

数据记录器内部预先设定了3种用户定义的采集模式方案（罕见，经常和紧急），可适应不同的应用。

图4是该水声通信系统的性能指标。

传输类型 70°或全向或其他传输距离（m） 3000数据率（bps） 4800频率（kHz） 12.75-21.25传输功耗（W） 睡眠：0.008 传输：8。