高速数字水声通信系统的研究_应海龙.pdf

2023年第47卷第4期147Communication ElectroacousticS通 信 电 声通 信 电 声文献引用格式：应海龙，蔡烁.高速数字水声通信系统的研究 J.电声技术，2023，47（4）：147-149，153.YING H L，CAI S.Research on high speed digital underwater acoustic communication systemJ.Audio Engineering，2023，47（4）：147-149，153.中图分类号：TN92 文献标识码：A DOI：10.16311/j.audioe.2023.04.041高速数字水声通信系统的研究应海龙，蔡 烁（中国船舶集团有限公司第七一五研究所，浙江 杭州 310000）摘要：介绍了高速数字水声通信系统的基本原理、应用领域以及发展趋势，比较了常用的调制系统。讨论了信号解调基本原理、时钟恢复和同步系统、误码率性能分析以及高速数据解调算法优化，介绍了高速传输信号的功率和频谱分析、信道均衡和自适应技术、多用户干扰和多址系统以及信道编码和纠错系统。通过对高速数字水声通信系统的研究，能够进一步提高通信信号的传输效率和可靠度，减少噪声和误码等干扰因素的影响，满足实际应用需求。关键词：高速数字水声通信；调制技术；解调技术；信道编码Research on High Speed Digital Underwater Acoustic Communication SystemYINGHailong,CAIShuo(CSSC715thResearchInstitute,Hangzhou310000,China)Abstract:Thispaperintroducesthebasicprinciple,applicationfieldanddevelopmenttrendofhighspeeddigitalunderwateracousticcommunicationsystem,andcomparesthecommonlyusedmodulationsystems.Thispaperdiscussesthebasicprincipleofsignaldemodulation,clockrecoveryandsynchronizationsystem,errorrateperformanceanalysisandhighspeeddatademodulationalgorithmoptimization,andintroducesthepowerandspectrumanalysisofhighspeedtransmissionsignal,channelequalizationandadaptivetechnology,multiuserinterferenceandmultipleaccesssystem,andchannelcodinganderrorcorrectionsystem.Throughtheresearchofhighspeeddigitalunderwateracousticcommunicationsystem,thetransmissionefficiencyandreliabilityofcommunicationsignalscanbefurtherimproved,andtheinfluenceofinterferencefactorssuchasnoiseanderrorcodecanbereducedtomeetthepracticalapplicationrequirements.Keywords:high-speeddigitalunderwateracousticcommunication;modulationtechnology;demodulationtechnology;channelcoding0 引 言随着科技的快速发展，高速数字水声通信系统逐渐成为水下通信领域的研究热点。该技术在海洋资源勘探、海洋监测以及海洋科学研究等领域有着广泛的应用，可以提高数据传输速率，扩展通信范围，保证传输可靠性。然而，高速数字水声通信系统在实际应用中面临许多挑战和困难，水声信道的复杂性、多径传播效应、背景噪声干扰以及海洋环境的不确定性等因素限制了系统的传输性能。为了克服这些问题，研究人员正在努力探索各种有效的调制技术、解调技术以及系统优化方法。通过不断优化和改进，高速数字水声通信系统能够在实际应用中发挥更大的作用，为水下通信技术的发展做出贡献。1 数字水声通信系统概述1.1 基本原理数字水声通信系统是一种利用声波在水中传播信息的通信系统，它能够将数字信号转换为声波信号，通过水介质传输，然后在接收端将声波信号转换为数字信号来实现通信。为了在水下环境中传输数字信息，需要将其转换为适合水声传输的数字信号，常见的方法有相位偏移键控（Phase Shift Keying，PSK）、频移键控（Frequency 作者简介：应海龙（1990），男，本科，工程师，研究方向为自动控制、水声系统、机械与电子维修。2023年第47卷第4期148通 信 电 声通 信 电 声ommunication ElectroacousticsCShift Keying，FSK）和正交频分多路复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）等。调制方法通常使用频率调制或振幅调制技术，将数字信号转换为相应的声波信号1，调制后的声波信号通过水介质传输。水中的声波传播受到多种因素的影响，包括水的传播特性、水声信道的衰减以及多径效应等。接收端使用水声接收器来接收传输的声波信号，将声波转换为数字信号后进行处理。解调方法与调制方法相对应，用于恢复原始的数字信号。数字水声通信系统通常会受到水声信道中噪声和干扰的影响，因此需要采用误码控制和纠错技术来提高通信的可靠性和鲁棒性。1.2 应用领域数字水声通信系统在海洋科学研究领域的应用非常广泛，包括海洋环境监测、海洋生物学研究以及海洋地质勘探等。通过在水下传输数据信息，技术人员可以获取海洋中的各种信息。数字水声通信系统还可用于水下声呐通信，实现水下导航、水下目标探测与跟踪、构建水下通信网络等。水声信号在水中传播的损耗较小，适合在水下进行远距离通信和探测。水下无人潜水器、水下机器人等需要与地面或其他设备进行通信和控制，利用数字水声通信系统可以提供可靠的通信链路，实现对水下无人系统的远程操作和信息交互。数字水声通信系统还可用于海洋资源的勘探和开发，如海底油气勘探、海底矿产资源勘探等。1.3 发展趋势为了满足对大容量数据传输的需求，研究人员致力于提高数字水声通信系统的传输速率。采用新的调制技术、多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技术以及优化信道编码和解码算法，可以实现更高的数据传输速率。数字水声通信系统通常用于水下环境，能源供应有限2。因此，研究人员致力于开发低功耗的水声通信设备，以延长系统的工作时间，提升续航能力。水声通信在水下环境中容易受到多种干扰的影响，如噪声、多径效应等。研究人员将继续改进抗干扰技术，通过信号处理算法和自适应调整方法来提高系统的抗干扰能力。将数字水声通信系统与其他通信技术结合，实现多模式通信，如水声通信与无线电通信的融合，可以提供更灵活、可靠的通信方式，以适应不同的水下通信需求。随着人工智能和自主系统的发展，数字水声通信系统将更加智能化和自主化。2 高速数字水声调制系统2.1 常用调制系统的比较与选择PSK 调制系统利用相位差来表示数字信息，常见的方式有二进制相移键控（Binary Phase Shift Keying，BPSK）和 四 进 制 相 移 键 控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）等。PSK 调 制 系 统 具有简单、抗噪声性能好等优点，适用于高速水声通信。FSK 调制系统通过改变载波频率来表示数字信息，常用的有二进制频移键控（Binary Frequency Shift Keying，BFSK）和多进制频移键控（Multiple Frequency Shift Keying，MFSK）。FSK 调制系统具有简单、抗多径效应能力较强的优点，适用于复杂的水声信道。正交幅度调制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）系统在正交载波的基础上，通过调整载波的幅度和相位来表示数字信息，常见的有 16QAM、64QAM 等。QAM 调制系统能够在有限带宽内传输更多的数据，适用于高速水声通信。2.2 PSK 调制系统PSK 调制系统是一种常用的数字水声调制系统，用于将数字信息转换为适合水声传输的信号。BPSK 和 QPSK 是常见的 PSK 调制系统。BPSK 调制系统使用两个相位状态 0和180来表示数字 0 和 1，优点是简单且抗噪声性能较好，适用于较差的水声信道条件。但是，BPSK调制系统的数据传输速率较低。QPSK 调制系统将每个相位状态分成 4 个等间隔的相位，即 0、90、180以及 270。相较于 BPSK，QPSK 可以在相同的信道带宽和时间内传输较多的数据，适用于需要提高数据传输速率的场合。2.3 FSK 调制系统FSK 调制系统是另一种常用的数字水声调制系统，它通过改变载波的频率来表示数字信息。常见的 FSK 调制系统包括 BFSK 和 MFSK。BFSK 调制系统使用 2 个不同频率的载波来表示数字 0 和 1。当数字为 0 时，使用低频率载波；当数字为 1 时，使用高频率载波。BFSK 调制系统简单易实现，对多径效应具有较强的抗干扰能力，适用于复杂的水声信道。MFSK 调制系统使用多个不同频率的载波来表示多进制数字，每个数字对应一个特定的载波频率。2023年第47卷第4期149Communication ElectroacousticS通 信 电 声通 信 电 声MFSK 调制系统在较宽的频带内可以传输更多的数据，但相应地会增加频谱资源的使用，适用于高速水声通信和频谱资源较丰富的场景。2.4 QAM 系统QAM 系统是一种数字水声调制系统，可以同时调制幅度和相位，通过改变载波的幅度和相位来表达数字信息。QAM 调制系统可以在有限的频谱资源内传输更多的数据。常见的 QAM 调制系统包括 16QAM、64QAM 等，其中 16 QAM 调制系统将载波分为 16 个不同的幅度和相位组合。QAM 调制系统适用于需要提高传输速率的场景，但对于水声信道中的多径效应和干扰较为敏感。3 高速数字水声调制解调系统3.1 信号解调基本原理接收到的水声信号通过采样器进行采样，将连续的模拟信号转换为离散的数字信号。利用时钟恢复和同步系统，将接收到的离散信号与发送端的时钟保持同步，以确保正确的信号解调。使用锁相环（Phase Locked Loop，PLL）或其他恢复算法，从接收信号中提取出发送端使用的载波频率和相位信息。应用逆操作，将调制信号转换回原始的数字信息3。具体的解调方法取决于所使用的调制系统，如 PSK、FSK、QAM 等。高速水声通信接收机原理如图 1 所示。3.2 时钟恢复与同步系统时钟恢复与同步系统在高速数字水声通信中起着重要作用。信号传输过程中会受到传输延迟、时钟偏移和抖动等因素的影响，因此接收端需要对接收到的信号进行时钟恢复和同步，以确保信号正确解调。通过提取接收信号的相位信息，利用 PLL或相关算法恢复发送端的时钟。相干解调适用于相位连续的调制系统，如 PSK 和 QAM。在缺乏精确时钟信息的情况下，通过对接收信号进行非相干解调，利用统计和同步算法来估计时钟信息。非相干解调适用于FSK等调制系统。基于接收信号的码元边界，利用时钟同步算法估计和恢复发送端的时钟。3.3 误码率性能分析与改进误码率是高速数字水声通信性能的重要指标。为了降低误码率，采用前向纠错编码、优化解调算法，利用多个接收通道和自适应均衡技术等手段。在发送端引入前向纠错编码增加冗余信息，提升信号的纠错能力。在接收端采用相应的解码算法进行纠错恢复，利用多通道合并处理数据，借助自适应均衡技术抑制失真和干扰，提高信号质量和抗干扰能力，从而降低误码率。3.4 高速数据解调算法优化利用并行处理技术和硬件现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）等来提高解调算法的计算速度和效率，以实现高速数据的实时解调。优化解调算法，降低算法的计算复杂度和系统的功耗，实现实时解调。针对不同的水声信道条件和信号特性，通过自适应参数调整算法（如自适应阈值、自适应滤波器参数等）来优化解调算法的性能和适应性4-5。利用机器学习和人工智能技术，通过训练模型和优化算法，实现自动调整和优化解调算法的性能。4 高速数字水声通信系统的性能分析与优化4.1 信噪比和误码率分析在水声通信中，信号往往受到水体传播介质的影响，由此产生的噪声使得信噪比下降，进而影响系统的误码率。因此，进行信噪比和误码率分析是评估系统性能的重要方法，可以采用实验测试或者理论分析的方法进行分析。4.2 调制方式和调制参数的选择在数字水声通信系统中，选择合适的调制方式和调制参数对系统性能至关重要。选择合适的调制方式可以提高系统的抗噪声性能和传输效率，选粗测多普勒频移解时分复用输入输出延时复用Doppler补偿判断 反馈 均衡器并/串变换判决判决I 路Q 路cos(n)sin(n)LPF图 1 高速水声通信接收机原理（下转第 153 页）2023年第47卷第4期153Standards TestinG标 准 与 检 测标 准 与 检 测据产生、测试频率可选、测试模式多变以及幅度可编程等实际难题，同时借助 FPGA 内部的时钟管理和 PLL 模块，有效提高了 I2S 信号稳定度和模拟参数的测量精度。使用 LabWindows 软件配合PCIE-6251 采集卡和外围电路，完成了 IDDQ 电流、THD+N 参数的测试，同时在测试过程中显示测量值和保存测试数据。实际使用中，本测试方法的误差在可接受范围内，能够替代昂贵的数模混合 ATE测试仪，极大降低了音频 DAC 电路的测试成本，具有很大的工程使用价值，已经用于多个型号的音频DAC 量产测试。参考文献：1张仁民，钱莹晶，李健.基于 DDFS 的程控音频仪器测试信号源设计 J.电子设计工程，2013，21（7）：55-58.2AMEURNB，MASMOUDIN，LOULOUM.DesignandFPGA-basedmulti-channel，lowphase-jitterADPLLforaudiodataconverterC/2013IEEE11thInternationalNewCircuitsandSystemsConference，2013.3黄美莲.芯片音频参数智能测试方案设计与实现 J.数字通信世界，2020（10）：86-87.4王凯敏.音频失真度测量的研究 J.科技创新导报，2015，12（27）：63-64.5钱坤，杨秀芝，郑明魁，等.基于 FPGA 的 I2S 转 AES/EBU 音频转换系统的设计 J.电子器件，2019，42（4）：984-989.6董殿国，侯文.基于 FPGA 的 DDS 信号发生器设计 J.电子制作，2023，31（1）：16-18.7武媛媛，徐克欣，陈丹，等.一种 ADC 前端无源差分抗混叠滤波器设计 J.电子与封装，2023，23（4）：42-46.8陆明.高速数模转换芯片动态特性高精度量产测试技术研究 J.机电信息，2020（12）：82-85.9付江铎，伍民顺，班诚，等.应用于高精度 ADC 频谱测试的改进加窗技术 J.电子测量与仪器学报，2020，34（5）：9-15.编辑：郭芳园择合适的调制参数可以优化系统的误码率和信号带宽。因此，对于调制方式和调制参数的选择需要进行充分的分析和比较。4.3 带宽和传输速率匹配数字水声通信系统的带宽和传输速率之间存在一定的匹配关系。如果传输速率过高，就需要相应地增加带宽，以支持高速传输。带宽的增加可能会导致信噪比下降，缩短传输距离，因此在设计数字水声通信系统时需要对带宽和传输速率进行匹配，并实现充分的优化。4.4 接收机的设计和优化数字水声通信系统的接收机设计对系统性能的影响非常关键。优秀的接收机设计可以提高系统的抗干扰性能，延长传输距离，并减小系统的误码率。因此，在数字水声通信系统的设计和实现过程中，需要对接收机进行充分的优化和测试。5 结 语综合分析高速数字水声通信系统的研究内容，包括数字水声通信技术、高速数字水声调制技术、高速数字水声调制解调技术以及系统的性能分析与优化。根据数字水声通信系统的基本原理、应用领域以及发展趋势，在具体应用中采用不同的调制方式和解调方式，实现时钟恢复与同步，降低系统误码率，为高速数字水声通信领域的发展奠定坚实的基础。参考文献：1张玉良，高路，贺志强，等.高速数字水声通信系统的研究 J.声学与电子工程，2002（4）：6-12.2吴志强，李斌.基于电流场的水下高速数字通信方法及实现 J.传感技术学报，2010，23（11）：1590-1593.3党华，仲顺安，陈越洋.高速自适应水声语音系统的设计与实现 J.北京理工大学学报，2009，29（4）：356-359.4周锋，陆洪武，姜俊奇.OFDM 水声通信信道估计技术研究 J.电子技术应用，2009，35（7）：101-104.5王小阳，章宇栋，童峰.采用多通道信道均衡的调频水声语音通信 J.兵器装备工程学报，2019，40（1）：168-172.编辑：郭芳园（上接第 149 页）