众所周知，海洋占地球总面积的三分之一以上，海上通信、水下通信一直都备受人们的重视，呈现出从原始的烽火、塔台、信号弹、旗语到如今的电子化通信手段的发展趋势。目前的海上通信技术主要可以分为水上通信和水下通信两种，但是由于海上行驶的船只、潜艇、军舰等都是可移动的物体，在通信领域无法采用有线通信技术，因此在海洋通信技术研究中主要以无线通信技术为主。但是海洋通信与陆地通信相比特殊性较为强烈，电磁波在水中容易出现信号衰落的现象，导致无线通信技术在水下无法发挥正常作用，水声通信技术在此背景下应用而生，其信号可在水中长距离传输，达到预计目标。
一、水声通信技术概述
通信技术主要指的是以空间通信通道为基础进行信号传输的信息技术。近年来伴随人们军事和海洋开发力度的加大，水下通信技术越来越被人们重视。但是传统的无线通信技术在应用中由于电磁波在水中传输的时候发生信号严重衰弱的现象，进而影响信号传输质量和效率，造成通信异常问题的发生。而声波作为人类迄今为止所熟知的水下长距离信号传输方式，因此在当今海洋通信、检测以及定位中都广泛的利用声波技术，这也是我们常说的水声通信技术。
1、水声通信技术原理
水声通信技术是通信系统中的重要组成部分，其具备无线通信技术的一般结构，唯一的特殊性就是通信使用信号的种类不同。通常情况下，无线通信技术主要是以电磁波为信号传输媒介的，而水声通信技术则是以声波作为通信媒介。就水声通信技术的原理而言，具体如图1所示。
图1 水声通信系统原理示意图
2、水声通信技术的发展
水声通信技术最早出现于上个世纪初期，当时英国海军将研制成功的水声电报安装在巡洋舰中，由此展开了水下通信技术的研发。在1945年美国海军水声实验室将水下电话安装在潜艇上，用于信号传输，党史主要是以载波频率为8.33KHz的模拟频率调制技术为主。在上个世纪七八十年代以来，随着美苏军备竞赛的不断激烈，其海军机械设备研发中对水声通信技术的要求越来越高，且当时民用领域要求也随之提升，在此背景下电子信息技术为基础形成了新的水声通信技术，美国首先将数字调制技术应用在水声通信领域，大大提高了水声通信系统的传输效率和可靠性。
在上个世纪末，空间无线电衰落信道技术的发展与成熟，水声通信系统研发中逐渐采用了频移键控调制技术，其作为一种能量检测技术成为信道时间、频率拓展的基础，其应用能够允许纠错编码技术的应用，对系统中存在的问题进行纠正，同时允许信道混响补偿的存在。进入新世纪以来，随着科学技术的腾飞，水声通信技术也得到了前所未有的发展，以高速数字信号处理技术为主的信息技术应用为其进一步发展奠定了基础。
二、水声通信技术的应用特点
目前人们对水声通信技术的研究主要集中在相位相干系统研究之上，但自适应均衡、纠错编码的研究也逐渐被人们重视。目前水声通信技术信号传播载体主要包含了水体、海底，而信号在传输中不同介质引起的传输效率和质量也不尽相同，而水声通信技术在应用中根据水声信号通道的特性决定传输模式。水声信道是随参信道，其特性参数随着空、时、频的变化而随机变化，水声信道模型如图2所示。
图2水声信道模型
就水声信道的特性主要包括以下几点。
1、起伏效应
由于海面的随机运动、海底的随机不平整、水体的非均匀性，因此信道不仅在空间上分布不均匀，而且是随机时变的，水声信号在这样的信道中传播也是随机起伏的。
2、时变效应
由于海水中内波、水团、湍流以及通信目标相对位置的改变等的影响，水声信道表现出时变性。并且由于水声信号的传播速度低、通信码元的周期较长，使得信道的时变性对通信的影响更为明显。
3、多普勒效应
由于接受端与发射端的相对运动，使得接受信号的频率发生变化。除了通信设备的相对运动外，起伏的海面、不平整的海底对水声信号的反射，水中湍流对水声信号的折射等也会引入多普勒频移，使得接收端的多普勒频移不是单一的，而造成多普勒频移扩散。由于水声信号的传播速度低，使得同样运动速度时水声通信中多普勒效应比无线电通信中严重十万倍。
三、水声通信技术的研究进展
1 非相干水声通信技术
20世纪70年代后，数字调制逐渐取代模拟调制，成为水声通信技术主要的调制方式。非相干通信技术主要是利用键控的方式进行调制，由于频移键控（FSK）调制技术的通信数据可靠性较高，因此最为常用。1981年美国麻省理工大学和伍兹霍尔海洋研究联合开发的水声通信系统利用多进制频移键控（MFSK）进行调制，在200m左右的距离上实现了1.2kbps的水声通信速率。
2、相干水声通信技术
相干通信技术主要包括相移键控（PSK）、差分相移键控（DPSK），其带宽利用率比非相干通信技术提高了一个数量级。20世纪90年代美国Scripps海洋研究所发展出了单载波相干通信技术，采用多相移键控（MPSK）信号，空间分集、自适应均衡器、纠错编码和多普勒补偿等技术。
3、多载波水声通信技术
以正交频分复用（OFDM）为代表的多载波水声通信技术将高速串行信号转化为低速并行信号，增加了码元持续时间，降低了带宽，有利于在多径信道中传输。2005年美国康涅狄格大学的Shengli Zhou等人提出了补零OFDM水声通信方案，实现了2.5km距离22.7kbps的水声通信速率，且误码率低于。
4、其他技术
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，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，应用在水声通信系统中可以明显提高通信质量。
四、结束语
总之，至今水声通信技术的相关理论已经较为成熟，且被广泛的应用，但是其中仍然存在一定的问题，需要在今后的工作中不断的研究和探索，实现速度更快、质量更好、效果更佳的通信网络，在工作中投入更多的努力，寻找出新的技术突破点，为军队与海洋事业的发展添砖加瓦。
参考文献
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