【水下声学通信】跳频通信结合QPSK调制水声通信Matlab实现

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🔥 内容介绍

在海洋资源开发、水下军事活动以及海洋科学研究等领域，水下声学通信作为关键技术，承担着信息传输的重任 。然而，复杂的水下环境致使信号传输面临诸多难题，如信号严重衰减、多径传播引发的干扰以及时变特性影响通信稳定性等。为有效提升水下声学通信的可靠性与效率，将跳频通信技术与 QPSK 调制方式相结合，为解决这些问题提供了极具潜力的方案。

一、水下声学通信概述

水下声学通信旨在通过声波在水下实现信息的传输与交互 。与陆地通信依靠电磁波不同，由于海水对电磁波存在强吸收作用，致使其在水下传播距离极为有限，而声波在水中能够实现较远距离传播，成为水下通信的首选方式。但水下信道特性极为复杂，声波在传播过程中，随着频率升高，衰减愈发严重，可用频带相对较窄 。同时，多径效应使得信号经过不同路径到达接收端，产生时延扩展，导致码间干扰；水下环境的时变特性，如水流、温度变化等，也会对信号传输产生影响，这些因素极大地增加了水下声学通信的难度。

二、跳频通信技术原理

（一）工作机制

跳频通信，即跳频扩频技术（Frequency - Hopping Spread Spectrum，FHSS），是一种通过特定规律改变载波频率来传输信号的通信方式 。在跳频通信系统中，发送端与接收端依据预先约定的伪随机码序列，同步地对载波频率进行跳变 。具体而言，跳频控制器依照伪随机码生成跳频图案，控制频率合成器在不同时刻输出不同频率的载波，携带信息的信号则调制在这些跳变的载波上进行传输 。例如，在某一时刻，信号调制在频率

f1

的载波上，下一时刻则调制在频率

f2

的载波上，载波频率的跳变序列由伪随机码决定 。从时域角度看，跳频信号呈现为多频率的频移键控信号；从频域角度，其频谱是在较宽频带上以不等间隔随机跳变的 。

（二）优势分析

跳频通信具备诸多优势 。一方面，其具有良好的抗干扰能力 。当部分频点遭受干扰时，通信可自动切换至未被干扰的频点继续进行，确保通信的连续性 。例如在复杂的水下电磁环境中，若某几个频点受到强电磁干扰，跳频通信能够迅速避开这些干扰频点，维持信号传输 。另一方面，跳频通信具有较高的保密性 。由于载波频率的跳变规律由伪随机码控制，且伪随机码具有长周期、良好的随机性等特性，外界难以破解跳频图案，从而有效防止通信内容被截获 。此外，跳频通信作为瞬时窄带系统，易于与其他窄带通信系统兼容，方便设备的更新与升级 。

三、QPSK 调制技术原理

（一）调制方式

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