學號：22021110314? ?姓名：李詩瑤

【嵌牛導讀】：二十一世紀是信息化時代匆浙，各種新的通信方法和技術日新月異，通信系統(tǒng)的應用涵蓋了人類生活的方方面面弄慰。海洋是人類生存發(fā)展的重要基礎第美，水聲通信技術在海洋資源開發(fā)利用的過程中發(fā)揮著重要作用。近些年來陆爽，水下通信技術成為了海洋科技中的研究熱點之一什往。

【嵌牛鼻子】：通信方法 擴頻 水聲通信

【嵌牛提問】：什么是水下通信技術？海洋水下通信的信道復雜在哪里慌闭？

【嵌牛正文】：

?第一章? ? ? ?緒論

二十一世紀是信息化時代别威，各種新的通信方法和技術日新月異，通信系統(tǒng)的應用涵蓋了人類生活的方方面面驴剔。海洋是人類生存發(fā)展的重要基礎省古，水聲通信技術在海洋資源開發(fā)利用的過程中發(fā)揮著重要作用。近些年來仔拟，水下通信技術成為了海洋科技中的研究熱點之一衫樊。

然而進行水聲通信的信道極為復雜飒赃，海水介質對高頻分量衰減嚴重利花，低頻段又存在很大的噪聲干擾科侈，因此水聲通信的帶寬十分有限。此外炒事，水聲信道混響強臀栈、多普勒、多徑效應嚴重挠乳，并具有時變权薯、空變、頻變特性睡扬。因此對于水聲通信的研究將比無線通信困難得多盟蚣。提升水聲擴頻通信技術的抗干擾能力，降低水聲通信誤碼率卖怜，對于海洋資源開發(fā)屎开、海洋災害預測、海洋生態(tài)保護等多個領域有著重要意義马靠。

擴頻通信技術抗干擾能力強奄抽、隱蔽性好，能夠在較低的信噪比下實現信息的可靠傳輸甩鳄，在水聲信道下有著穩(wěn)定而可靠的表現逞度。擴頻技術有效提升了水聲通信系統(tǒng)的抗干擾能力,對于研究水聲通信具有重要的意義。擴頻通信現已廣泛的應用于水聲通信領域妙啃，在水聲通信系統(tǒng)中通常用于傳輸指令档泽、命令等關鍵信息。

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第二章? ? ? ?水聲通信概述

二十一世紀是信息化時代揖赴，各種新的通信方法和技術日新月異茁瘦，通信系統(tǒng)的應用涵蓋了人類生活的方方面面。中共十九大提出“堅持陸海統(tǒng)籌储笑，加快建設海洋強國”的建設目標甜熔，鼓勵廣大學者建設海洋開發(fā)平臺，這一切都離不開水聲通信技術的發(fā)展突倍。

由于水聲信道復雜多變腔稀，誤碼率成為了衡量水聲通信技術的首要指標之一。因為擴頻通信技術具有很強的抗干擾能力羽历，現已廣泛的應用于水聲通信領域焊虏，在水聲通信系統(tǒng)中通常用于傳輸指令、命令等關鍵信息秕磷，但由于水聲信道可用頻帶窄诵闭，擴頻通信技術在水聲通信中的的抗干擾能力相當有限[1-2]。

提到早期的水聲通信技術，就不得不提到“Gertrude”疏尿，這是一種由美國海軍開發(fā)的水下電話系紺[3]∥林ィ現如今依然能在很多的水聲通信應用中見到“Gertrude”的身影，例如著名的美國深潛器“阿爾文號”[4]褥琐。水聲通信技術最初采用的是模擬通信锌俱，并逐步發(fā)展到如今的數字通信[5]。20世紀80年代敌呈，水聲通信開始采用頻移鍵控(FSK)調制技術贸宏，并在深海垂直通信中采用相干通信[6]。美國Datasonic公司生產的ATM850是第一代水聲調制解調器(Modem)磕洪，ATM850采用了非相干通信并與跳頻技術相結合[7]吭练。到了20世紀90年代，科研人員開始采用自適應均衡器來克服多途信道的影響析显。20世紀90年代后期线脚，高性能的非相干水聲通信設備出現，例如美國Benthos公司開發(fā)的遙控聲吶系統(tǒng)[8]叫榕。

水聲信道相較于無線通信信道具有很明顯的特殊性浑侥，水聲信道是一個噪聲嚴重、帶寬窄晰绎、多途效應嚴重的信道寓落，同時又是一個時變、空變荞下、頻變的信道伶选。水聲通信技術的進步和對水聲信道的研究是分不開的。

伍茲霍爾海洋研究所(WHOI)的科研人員對水聲信道的衰落模型和統(tǒng)計特性進行了分析[9]尖昏。研究認為背景噪聲雖然常被表征為高斯噪聲仰税，但實際上噪聲不是白噪聲，而是具有衰減的功率譜密度抽诉。研究表明水聲通信的帶寬與通信距離有關陨簇，并且盡管總的可用帶寬很低，但是在相對于中心頻率的意義上迹淌，聲通信系統(tǒng)本質上是寬帶的河绽，帶寬也是和中心頻率有關的函數。

TC Yang教授的團隊對淺海信道特性進行了研究唉窃，分析了在各種條件下采集的淺海數據以說明海洋環(huán)境耙饰，如海面波和隨機海洋介質對信號特性的影響。所研究的信道特性包括幅度和相位的變化纹份、各個路徑的時間相干性以及不同時間尺度下多路徑的時問和空間相干性[10]苟跪。

水聲信道研究不斷深入：從深水信道到淺水信道廷痘，從冷水信道到溫水信道。文獻[11]研究了一種更具挑戰(zhàn)性的信道件已，沿海地區(qū)的聲信道笋额。海浪帶中的淺灘表面重力波導致了以強烈、快速波動為特征的時變信道沖激響應拨齐。同時該區(qū)域的水聲信道易出現聚焦和焦散現象，這種現象對相位相干水聲通信系統(tǒng)的可靠性提出了挑戰(zhàn)昨寞。實驗人員利用實驗數據和采集數據過程中測量的表面波剖面?zhèn)鞑ツＰ脱芯苛藢е戮劢沟脑碚巴铮⒆C明了聚焦現象和高強度快速波動脈沖對算法估計精度的影響。

以上對于水聲信道的研究對于未來水聲通信的深入發(fā)展都有著重要的意義援岩。近些年來國內相關科研機構院所也展開了對水聲通信技術的研究并取得了一定的成果歼狼。中科院聲學所設計并實現了一個水下實時數字語音通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠實現6km和11km上的高質量通信享怀。西北工業(yè)大學進行了OFDM水聲通信湖試實驗羽峰，在5km水平距離上的傳輸速率為9kbps。廈門大學的水聲通信系統(tǒng)在通信距離10km內能夠可靠接收數字圖像[12-13]添瓷。2016年5月24日梅屉，哈爾濱工程大學水聲學院喬鋼教授所在的507團隊發(fā)明了水下多用戶、全雙工水聲通信方法鳞贷，設計了具有全雙工通信能力的水聲通信機坯汤。該通信機屬國際首創(chuàng)，同時攻克了過去水聲通信中一直存在的收發(fā)無法同時工作這一難題搀愧，并實現了5km上的雙向同步數據傳輸惰聂。

第三章? ? ? ?擴頻技術優(yōu)勢

擴頻通信技術是由海蒂·拉瑪(Hedy Lamarr)提出的一項信息通信技術，最初主要應用于軍用通信咱筛，相比于傳統(tǒng)的水聲通信方式搓幌，擴頻通信具有很多無可比擬的優(yōu)點，這使得擴頻技術在軍用和民用領域都有廣泛的應用空間迅箩。

首先溉愁，擴頻通信系統(tǒng)具有很強的抗干擾能力，有用信號的功率會被分散到很寬的頻帶內饲趋，甚至在干擾信號的功率比有用信號的功率還要高時叉钥，擴頻信號仍能不受干擾的進行傳輸。

其次篙贸，擴頻通信具有高隱蔽性投队、低截獲概率，擴頻信號很容易淹沒在噪聲中并難以被發(fā)現爵川，也不易被敵方截獲敷鸦，軍事應用潛力巨大。

最后，擴頻通信易于實現碼分多址扒披，通過分配給不同用戶不同的偽隨機序列值依，眾多用戶就可以使用同一頻率通信且互不干擾。

1950年前后碟案，擴頻技術開始發(fā)展愿险，然而直到九十年代，國外才有了將擴頻技術應用在水聲通信中的研究報告价说。1994年加拿大的 T. C. Austin 基于擴頻通信技術開發(fā)了一種超短基線水下聲學跟蹤系統(tǒng)辆亏，該系統(tǒng)具有良好的抗干擾性和更高的分辨率，顯著提升了水下跟蹤系統(tǒng)的性能[14]鳖目。

1997年法國的G.Loubet和V. Capellano在地中海相距20Km扮叨、信噪比為-14dB的水聲信道中進行了水聲擴頻通信實驗，結果完成了通信速率為7bit/s领迈，誤碼率為0.2%的水聲通信試驗彻磁。該實驗驗證了水聲擴頻通信優(yōu)良的抗噪聲性能[15]。

2001 年中國科學院聲學研究所的陳巖狸捅、張建蘭等人在密云水庫相距6Km衷蜓、信噪比低于0dB的水聲信道中完成了誤碼率為10-3的水聲擴頻實驗。實驗使用分集技術在發(fā)送數據前尘喝，由發(fā)送端發(fā)送同步信號供接收端求得信道響應函數恍箭，并在發(fā)送過程中對響應函數進行修正，結果對多徑效應完成了多徑合并瞧省，降低了通信誤碼率[16]扯夭。

2007 年哈爾濱工程大學的王蕾提出了M元分組擴頻水聲通信，該方法將與發(fā)送數據對應的擴頻碼疊加后并行傳輸鞍匾，在接收端對接收信號進行相關解擴交洗，通過仿真驗證表明該方法成倍的提高了通信速率[17]。

由以上實驗確實可以看出橡淑，擴頻技術大大提升了水聲通信技術的抗干擾能力构拳，降低水聲通信誤碼率，對于海洋資源開發(fā)梁棠、海洋災害預測置森、海洋生態(tài)保護等多個領域有著重要意義。但是相比于無線擴頻通信的不斷發(fā)展符糊，水聲擴頻通信技術的發(fā)展是遠遠落后的凫海。

第四章? ? ? 擴頻技術應用于水聲通信

4.1擴頻技術介紹

4.1.1傳統(tǒng)直接序列擴頻研究現狀

直接序列擴頻可以簡稱為直擴，直擴技術已經在軍用通信中應用了半個多世紀男娄，主要是用于對抗外來強干擾和信息保密行贪。在商用領域漾稀，基于擴頻理論的CDMA移動通信已經成為各種移動通信體制的主流。直擴技術不僅是在通信中有著廣闊的應用空間建瘫，在雷達崭捍、導航、遙控啰脚、測量等領域都可以采用直接序列擴頻方式殷蛇。美國的全球定位系統(tǒng)(GPS)采用了擴頻體制進行導航授時，定位精度較高[18]橄浓。

在20世紀70年代初粒梦，我國正式開始將擴頻技術作為一類重點項目進行研究，我國的軍用擴頻測控網采用了直接序列擴頻技術贮配，該測控網服務于具有特殊保護要求的軍用航天器谍倦，負責軍用航天器狀態(tài)監(jiān)測塞赂、測量和控制管理任務泪勒，以保障軍用航天器的正常運行。

針對直擴信號的研究主要集中在兩個方面：信號的檢測和參數的估計宴猾。近些年來對于這兩方面的研究都取得了一定的進展圆存，具體來說：直擴信號的檢測方法主要有：

1．能量檢測法，這種方法最早由H．urkowitz在20世紀60年代提出仇哆，利用的是信號加噪聲的能量大于噪聲能量的理論以及通信信號能夠長時間偵聽接收的特點沦辙；

2．載波檢測法，目前常用的有平方倍頻法讹剔、循環(huán)譜檢測法和高階譜法油讯；

3．率線檢測法。

至于在直擴信 號參數估計方面延欠，現有的偽噪聲碼速率估計方法有：冪律包絡檢測陌兑、預濾波延遲相乘(PFDM)法、周期譜估計法等由捎。

偽噪聲碼周期是直擴信號的另一個重要參數兔综，常用估計方法為：倒譜法、二次功率譜法狞玛、參數隱周期特征分析法(PHcFA)软驰、基于四階累計量2-D切片方法和小波分析法等。

4.1.2 多載波擴頻研究現狀

多載波系統(tǒng)通過串并變換(S/P)把數據流分解成若干低速信息比特流心肪，再用形成的低速數據去調制各自相應的子載波锭亏，從而形成多個并行發(fā)送的低速率符號。此時的數據傳輸速率較低硬鞍，碼元周期加長贰镣，相對于碼元周期來說呜象，時延擴展較小，從而能較容易的避免符號間串擾和多徑干擾碑隆。同時CDMA技術已經成為第三代移動通信的主流技術恭陡，CDMA技術具有無可爭辯的競爭力。但是CDMA的容量受到多址干擾和頻率選擇性衰落引入的干擾的限制上煤。因此自然考慮將上述兩種技術結合以兼具二者優(yōu)點休玩，自1993年開始，陸續(xù)出現了結合多載波和CDMA方法的討論劫狠，多載波擴頻通信技術逐步得到發(fā)展拴疤。多載波擴頻通信既能抵抗多徑效應引起的符號間干擾，又繼承了CDMA用戶容量高的優(yōu)點独泞。

實驗人員在挪威奧斯陸峽灣附近水域進行了水下通信實驗呐矾，比較了直接序列擴頻水聲通信系統(tǒng)和多載波擴頻水聲通信系統(tǒng)的性能。信道為時變水聲衰落信道懦砂，實驗采用的中心頻率為14kHz蜒犯，帶寬7kHz。第一種方案是直接序列擴頻荞膘，擴頻碼片長度為7罚随，能夠在單個載波上實現1000bps的數據速率。第二種方案是多載波擴頻羽资，子帶個數為7淘菩。直擴接收機在符號解擴前在碼片上進行均衡，而多載波擴頻則具有聯(lián)合多頻帶均衡和解擴的特征屠升。直擴系統(tǒng)對于快速變化的信道具有最佳的跟蹤潛力潮改，而多載波擴頻則在緩慢變化的信道中具備最佳性能[19]。

4.1.3 偽隨機序列研究現狀

對偽隨機序列理論與應用的研究可分為三個階段：(1)1948年以前的純數學理論研究階段腹暖；(2)1948．1969年的線性序列研究階段汇在；(3)1969年至今的非線性生成器研究階段。

最典型的線性二進制序列就是m序列微服，m序列也是目前序列研究中理論最完備趾疚、應用最廣泛的一種偽隨機序列。m序列具有理想的自相關性以蕴，經m序列擴頻的信號可以在接收端通過相關器解調出來糙麦。1967年，美國學者Gold R基于m序列提出了另一種常用線性序列丛肮，即Gold序列赡磅。Gold序列具有理想的三值互相關特性且數量遠超m序列。1969年宝与，學者Massey發(fā)表文章“移位寄存器綜合與BCH譯碼”焚廊，偽隨機序列的究開始轉變?yōu)闃嬙旆蔷€性序列生成器[20]冶匹。非線性序列的代表是Bent序列，它由美國學者Olsen J D咆瘟、Scholtz R A和Welch L R最早提出嚼隘，并由No J s等人推廣到一般情形[21]。Bent序列這一非線性序列具有平衡性好袒餐、復雜度高等優(yōu)點飞蛹。此外GMW序列和NO序列也都是具有良好實用價值的非線性序列。

混沌序列擁有著良好的保密性和序列長度選擇的任意性灸眼，因此混沌序列可以應用在對保密性要求較高的水聲通信中卧檐。文獻[22]研究了混沌序列水聲擴頻通信系統(tǒng)，并設計了一種基于雙狀態(tài)空間自適應濾波方案以便同時估計接收到的混沌信號和相關符號狀態(tài)焰宣。

4.2擴頻技術在水聲通信中的發(fā)展

因為水聲通信速率低霉囚，導致擴頻技術在水聲通信中發(fā)展受限。在此背景下匕积，眾多學者對直接擴頻技術提出改進顯著的提升了水聲擴頻通信的通信速率盈罐。2006年西北工業(yè)大學的韓晶，黃建國等提出了一種正交M-ary/DS擴頻技術闸天，該技術結合并行M-ary擴頻和正交直接擴頻技術(Direct Sequence Spread Spectrum暖呕，DS)斜做，在距離25Km信噪比0dB時苞氮，采用長度為127的Gold序列對480個符號進行傳輸實驗，通信速率為220.5bit/s瓤逼。該方法與使用相同擴頻碼的直接擴頻相比笼吟，帶寬利用率與通信速率得到顯著提升[23]。

2008年西北工業(yè)大學的何成兵霸旗、黃建國等提出循環(huán)移位擴頻水聲通信技術贷帮，該方法在發(fā)射端根據待發(fā)送信息對擴頻碼進行循環(huán)移位編碼。實驗在距離15Km通信帶寬為2KHz時诱告，通信速率達到438bit/s撵枢，誤碼率為10-2。實驗結果表明該方法具有復雜度低精居、帶寬利用率高锄禽、適合多用戶通信等優(yōu)點[24]。

2012年哈爾濱工程大學的殷敬偉靴姿、張曉等提出了差分相干解調法的DS/BDPSK水聲通信技術沃但。該方法先對待發(fā)送信息進行擴頻，然后對擴頻后的序列進行差分編碼佛吓，最后對其進行載波調制宵晚，通過實驗結果表明垂攘，該方法與 BPSK 調制法相比，DS/BDPSK調制法有更強的抗多普勒性能淤刃，且該方法在抗多徑晒他、抗干擾方面有很好的表現[25]。

2012年哈爾濱工程大學的于洋逸贾、周鋒等提出了正交雙通道碼元移位鍵控擴頻水聲通信技術仪芒，該方法利用正交碼元構建多通道，且利用碼元相位傳輸信息耕陷。實現了在104bit數據量掂名，4KHz帶寬條件下，通信速率為580.6bps誤碼率為10-4量級的有效通信[26]哟沫。

2017 年哈爾濱工程大學的何秀梅提出MIMO擴頻水聲通信技術饺蔑，該方法結合MIMO技術有效提高了傳統(tǒng)擴頻通信技術的頻帶利用率。通過水池實驗驗證嗜诀，在頻帶 為 10KHz-14KHz猾警，載波頻率為12KHz，擴頻碼選用長度為128的正交組合序列時隆敢，通信速率為531.25bps[27]发皿。

2017 年許昌學院的于洋、張柯等提出M元CDMA水聲擴頻通信技術拂蝎，該方法通過M元多通道技術提高了傳統(tǒng)擴頻通信技術的通信速率穴墅，通過仿真表明該方法與傳統(tǒng)CDMA通信技術相比，在通信速率和抗干擾方面有很大提升温自，對水聲組網有很大的參考價值[28]玄货。

2018年廈門理工學院的伊錦旺提出Chip-BOK(binary orthogonal keying)擴頻水聲通信技術，該方法利用線性調頻(chip)信號良好的抗干擾性能和抗多徑特性悼泌，使用二進 制正交鍵控對其進行調制松捉。通過仿真表明該方法在多徑信道中有著良好的表現[29]。

2018 年哈爾濱工程大學的呂曜輝提出基于混沌正交組合序列的 M 元碼分多址水聲通信技術馆里，該方法采用了3584 條正交混沌序列隘世，完成了7個水下節(jié)點的組網通信，每個用戶間的傳輸速率為70bit/s[30]鸠踪。

綜上所述丙者，水聲擴頻通信主要用于實現穩(wěn)健的水下通信。

第五章? ? ? 總結

總的來說慢哈，水聲擴頻通信具有以下優(yōu)點：

1蔓钟、抗干擾能力強。水聲擴頻通信系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力卵贱，在信號信噪比很低時滥沫，擴頻信號仍能不受干擾的進行傳輸侣集。即便采用同類型的信號進行干擾，因為不能準確得到偽隨機序列的碼型兰绣，干擾也很難起到太大的作用世分。

2、保密性好缀辩。由于不同路信號或不同用戶的信號采用不同的偽隨機序列擴展頻譜臭埋，接收方只有知道擴頻序列的正確形式才能恢復出原始信息數據。因此擴頻通信技術可靠性高臀玄，保密性好瓢阴。

4、抗多徑干擾性能好健无。水聲擴頻通信系統(tǒng)中包含擴頻調制和解擴的過程荣恐，這將有效地從多徑信號中分離出最強的有用信號，或將多徑信號中碼序列相同的信號疊加累贤，這樣能夠有效消除無線通信中由于多徑干擾造成的信號衰落叠穆。

5、易于實現碼分多址臼膏。利用不同偽隨機序列之間的自相關和互相關特性硼被，分配給不同用戶不同的偽隨機序列，就可以區(qū)分開不同用戶的信號渗磅，就可以實現碼分多址通信嚷硫。

同時水聲擴頻系統(tǒng)也存在一定的缺點：

1、系統(tǒng)占用帶寬較寬夺溢。

2论巍、采用擴頻技術的CDMA多址方式在通信系統(tǒng)實現上較為復雜烛谊。

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