【水声通信】单载波水下声学通信技术研究Matlab实现

原创于 2025-11-02 12:05:16 发布 · 557 阅读

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摘要：水下无线通信因其在海洋科研、国防、救援及资源开发等方面的关键作用而备受关注。声波作为水中信息传输的有效载体，推动了水声通信技术的发展，其中单载波调制技术由于其高频谱利用率、结构简洁以及便于实现自适应性等特点，在水声通信系统中得到广泛应用。水声通信技术历经模拟调制、数字调制直至高级调制阶段，发展出了包括AM、FM、PSK、QAM等多种调制方式，每种方式都有其优缺点和适用场景。针对水声信道复杂、时变性强、多径效应显著等问题，信道均衡技术被引入以改善通信质量。尤其是频域均衡技术，因其计算复杂度较低、抗多径干扰能力强、能够实现联合均衡译码而在单载波水声通信中占据重要地位。单载波水声通信研究自20世纪70年代起逐步深入，从非相干调制到相干调制，再到基于判决反馈均衡和数字锁相环等技术的接收机结构改进，不断优化信道估计和信号恢复过程。当前研究热点包括分频带传输、时间反转处理和联合均衡译码等先进方案，旨在提高通信速率、增强抗干扰能力和扩大覆盖范围。单载波水声通信技术在窄带信道中具有实现简易、成本较低的优势，但同时也面临抗干扰能力弱、频带利用率低、通信速率受限等挑战。此外，报告着重讨论了多径效应、码间干扰对水声通信性能的影响，并介绍了时域均衡与频域均衡这两种信道均衡技术的基本原理及其不同方法，强调了均衡技术对于减少信号失真、提高通信可靠性和降低误码率的重要性。

1.绪论

1.1 研究背景和意义

水下无线通信是指在水中实现信息的收发和传输的技术，它对于海洋开发、海洋科学研究、海洋防御、海洋救援等领域具有重要的作用和价值。由于水中电磁波的衰减非常大，声波成为水下无线通信的主要信息载体，因此水声通信是水下无线通信的主流技术。

水声通信的发展经历了从模拟调制到数字调制，从非相干调制到相干调制，从单载波调制到多载波调制的过程。其中，单载波调制是一种将信息调制到一个载波上的技术，它具有频谱利用率高、结构简单、易于实现自适应等优点，因此在水声通信中得到了广泛的应用。

然而，水声信道的复杂性、时变性、多径效应、码间干扰、噪声干扰等，这些因素会导致水声信号的失真和衰减，降低水声通信的性能和可靠性。为了解决这些问题，信道均衡技术被引入到水声通信中，它是一种利用信道估计和信号处理的方法，来抵消信道对信号的不利影响，恢复原始信号的技术。信道均衡技术可以分为时域均衡和频域均衡两种，其中，频域均衡是一种将信号转换到频域进行均衡处理的技术，它具有计算复杂度低、抗多径干扰能力强、易于实现联合均衡译码等优点，因此在单载波水声通信中得到了广泛的关注和研究。

水声通信技术的发展可以分为三个阶段：模拟调制阶段、数字调制阶段和高级调制阶段。

模拟调制阶段是从20世纪初到20世纪中期，这一阶段主要使用的是振幅调制（AM）和频率调制（FM）等模拟调制技术，它们的优点是实现简单、成本低、适用于语音通信，但是缺点是抗干扰能力弱、频带利用率低、通信速率低，不能满足数据通信的需求。数字调制阶段是从20世纪中期到20世纪末，这一阶段主要使用的是非相干调制和相干调制等数字调制技术，它们的优点是抗干扰能力强、频带利用率高、通信速率高，可以实现数据通信和多址通信，但是缺点是实现复杂、成本高、对同步要求高，需要配合信道编码、均衡、检测等技术。高级调制阶段是从21世纪初至今，这一阶段主要使用的是以应用需求为导向的新型调制技术，如正交频分复用（OFDM）、多输入多输出（MIMO）、空时编码（STC）等，它们的优点是可以进一步提高频带利用率、通信速率、抗干扰能力、覆盖范围等，但是缺点是实现更加复杂、成本更高、对信道状态信息要求更高，需要配合信道估计、信号处理、网络协议等技术。

单载波水声通信技术是一种具有重要理论和实际价值的技术，它对于提高水下无线通信的速率和可靠性，满足水下通信的多样化需求，具有重要的意义。

1.2 国内外研究现状

单载波水声通信技术的研究始于上世纪70年代，当时主要采用非相干调制方式，如频移键控（Frequency-Shift Keying，FSK）等。80年代后，随着数字信号处理技术的发展，相干调制方式开始被引入到单载波水声通信中，如相移键控（Phase-Shift Keying，PSK）和正交幅度调制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）等。相干调制方式可以提高水声通信的频谱效率和抗噪声能力，但也需要更复杂的信道估计和均衡技术。90年代，Stojanovic等人提出了一种基于判决反馈均衡（Decision Feedback Equalization，DFE）和数字锁相环（Digital Phase Lock Loop，DPLL）的相干水声通信接收机结构，较好地解决了时变水声信道匹配和码间干扰问题，这是单载波水声通信技术的一个里程碑。进入21世纪以来，随着水声通信对高速率和高可靠性的需求不断增加，频域均衡技术开始被广泛应用于单载波水声通信中，它可以有效地抑制多径干扰和噪声干扰，提高水声通信的性能。

频域均衡技术的研究主要包括两个方面：信道估计和信号恢复。信道估计是指利用接收到的信号或者已知的训练序列，来估计水声信道的特征参数，如信道冲激响应、信道频率响应、信道时延等。信道估计的方法有很多，如最小二乘法（Least Squares，LS）、最小均方误差法（Minimum Mean Square Error，MMSE）、基于导频的信道估计、基于盲信道估计等。信道估计的准确性直接影响到信号恢复的性能，因此信道估计是频域均衡技术的一个重要环节。信号恢复是指利用信道估计的结果，来对接收到的信号进行均衡处理，消除信道对信号的失真，恢复原始信号。信号恢复的方法也有很多，如零迫降低（Zero-Forcing，ZF）、最小均方误差（MMSE）、最大似然（Maximum Likelihood，ML）、Turbo均衡等。信号恢复的效果取决于信道估计的准确性和均衡算法的复杂度，因此信号恢复是频域均衡技术的另一个重要环节。

目前，国内外对单载波水声通信技术的研究已经取得了一些成果，如：基于分频带传输的单载波水声通信技术，该技术将相对较宽的通信频带划分为若干子带，在每个子带间插入保护频带，以消除载波间干扰。基于时间反转的单载波水声通信技术，该技术利用时间反转处理将多通道信号融合为单通道信号，并且其等效信道冲激响应具有稳定的主峰，避免了噪声放大。基于联合均衡译码的单载波水声通信技术，该技术将信道均衡器和信道译码器看作级联结构，在两者之间进行信息交换，以提高信号恢复的性能。

从以上国内外对单载波水声通信技术的一些研究现状中可以看出，单载波水声通信技术在水下无线通信领域具有重要的理论和实际价值，但也存在着一些问题和不足，如信道估计的准确性、信号恢复的效果、频域均衡的算法等，这些问题需要进一步的研究和探索，以期为水声通信技术的发展和应用提供更好的支持和保障。

1.3 单载波水声通信技术的原理和特点
1.3.1 单载波水声通信技术

单载波水声通信技术是指在一个载波上进行调制，如FSK、PSK、QPSK、QAM等，它的优势是实现简单、成本低、适用于窄带信道，但是挑战是抗干扰能力弱、频带利用率低、通信速率低，需要配合信道编码、均衡、检测等技术。

单载波水声通信技术的原理是利用声波在水下传播的特性，将信息信号调制到一个载波上，然后通过水声信道发送到接收端，接收端对接收信号进行解调，还原出信息信号。单载波水声通信技术的特点如下

l适用于窄带信道：由于水声信道的带宽受到海水吸收、换能器带宽等因素的限制，通常只有几十到几百赫兹，因此单载波水声通信技术可以在这样的窄带信道上进行有效的信息传输，而不需要复杂的频谱分配和管理。

l实现简单、成本低：由于单载波水声通信技术只需要一个载波，因此在发射端和接收端的硬件实现上比较简单，不需要多个振荡器、滤波器、放大器等，因此可以降低系统的复杂度和成本。

l抗干扰能力弱、频带利用率低、通信速率低：由于单载波水声通信技术只使用一个载波，因此在水声信道中容易受到噪声、多径、多普勒等因素的影响，导致信号的失真和干扰，降低信号的质量和可靠性。同时，由于单载波水声通信技术只能传输有限的比特信息，因此在单位频带上的信息传输率较低，不能满足高速数据通信的需求。