水声通信系统中的信道编码技术研究 信道编码定理为人们探索信道的最佳编码方案提供了理论依据，但并没有指明如何获得好码。目前，出现了多种信道编码方案，如RS 码、卷积码、级联码等。本文简要介绍了RS 码和卷积码的基本原理，并进行了相应的计算机仿真，并给出了加入了RS 码和卷积码水声通信系统的水池实验数据，结果表明利用信道编码技术能够提高水声通信系统的误码性能。 （一）Reed －Solomon 码 1960 年I.S Reed 和G .Solomond 提出RS 码,又称Reed －Solomon 码，RS 码是一类纠错能力很强的多进制BCH 码。 RS 码是在GF(q)上长度为N=q-1的本原BCH 码。冗余根据可纠正错误确定，通常等于2t 个字符。这样，编码具有k=q-2t-1个信息字符。这种码具有N 个信息字符，可纠正t 个错误。长度为N ，设计距离为=q-k δ的RS 码的生成多项式为： )())()(()(1321-----=δααααx x x x x g (1) 本论文系统中实现的编码器按图1工作。开始编码前，向A0~A13或A0~A11单元写入信息字符（分别对应1个或2个可纠错码）。P0~P15单元记载类构造器算出的校验多项式的系数值。然后校验多项式系数和信息字相乘并相加，如图所示。运算的结果得出校验字符，存入A0（此时，信息字符向左移位）。生成过程继续，直到A15出现信息字高位元素。这样，在编码中，为纠正1个错误，必须进行2次迭代；为纠正2个错误，必须进行4次。 ∑ 图1 RS 码编码器的结构 纠错码的译码问题，一直是编码理论中最感兴趣的课题之一。RS 在短和中的码长下，具有很好的纠错性能，构造容易，故得到广泛应用。 RS 的译码基本上分为3步：第一步是由接收到的R(x)计算出伴随式；第2步由伴随式找出错误图样E(x)；第3步由R(x)- E(x)得到可能发送的码字C(x)。 记q(x)为信息多项式，则发送码字C(x)＝q(x)g(x)，接收到的码字:
一种水声信道仿真设计方法 【摘要】本文提出了一种通过改变脉冲响应估算时间从而进行水声信道仿真（EUAC）的方法，该方法不需要海上试验就能对任一特定信号的通信方案进行信道输出估计，因此节省了时间和资源。这种方法首先需要进行一组海上试验。在每一次试验中，发送特定的窄带自相关信号，然后记录它们的响应，这样可以得到真实信道的冲激响应、多普勒漂移和相移的估计。应用这组海试结果建立一个EUAC数据库，该数据库将有助于在不经过海上试验的条件下对各种通信方法的性能进行评估。 【关键词】水声信道;数学模型;仿真 1.引言 本文描述了一种测量和仿真水声信道的方法，该方法能够用来建立一个仿真信道数据库。研究发现，特定信号的仿真信道响应（ECR）与真实信道响应具有典型的高相关性（大于80%）。适合测量信道冲激响应的波形，其自相关函数几乎接近一个脉冲。这意味着所使用的测试信号应具有尽可能宽的带宽。为了增加测试信号波形的功率，并使其超过极短单脉冲功率，需要用到一个带有高时间带宽积的信号波形。 对于特定信号的水声信道仿真（EUAC），我们假定信道是线性时不变（LTI）系统，因此，在信道冲激响应评估前，应对所有信道的非线性和时变特征进行单独评估和修正。随后，这些特征将被加入到仿真信号。 本论文提出的信道仿真方法包括两个阶段：（1）冲激响应和信道特征评估，仿真处理和数据库建立。（2）挑选及核查被仿真信道，在精选的仿真信道和在任何想要的信噪比的噪声条件下发射一个特定信号。 2.水声信道的特征 水下声信道是具有时变、频率选择性、空间不相关特征的加性有色高斯噪声信道，对特定频率和距离的声波具有较强的吸收，加之多途现象，从而导致信号衰减。水声信道的特征在以下分节中进行描述。 2.1 多普勒频移 接收机与发射机的相对运动或者介质运动（在不可忽略的流动条件下）可以改变声波通过信道的频率。这种在载波信号中频域和时域的明显改变就叫做多普勒频移。 假设声源和观察者的相对速度（v）远小于声速（c），则被观测的声波频率[1]由下式表示：
浅海水声信道模型 对浅海水声信道建模，一方面可以大致估计水声通信设备在不同水声信道下的性能；另一方面，可以很方便地控制各种不同的输入参数，以便模拟不同的实际环境，大大节省出海实验的费用和时间。 但是，要想获得完全符合实际应用环境的水下通信信道的解析模型在目前是不可能的，我们只能在假设一些理想条件的前提下，针对浅海信道影响信号传输和接收的主要干扰因素加以考虑，建一个半经验的模型。 水声信道尤其是浅海水声信道是典型的变参信道，其特性随时间和空间不断地变化，称为时变多径衰落信道。在水声数字通信系统的研究中，常用图3-3的模型表示： 图3-3 浅海水声信道模型 图中，()i s t 为发射信号，(;)h t τ为水声信道单位冲激响应，()n t 为信道噪声，()r s t 为经过信道后的信号，()r t 为接收信号，其中t 为时间变量，τ为时间延迟。则接收信号可表示为： ()()()(;)()()r i r t s t n t h t s t d n t τττ=+= -+? （3-13） 根据浅海水声信道的特点，浅海水声信道可以建立两类模型[5,27,28]：一是建立一个N 径非时变的确定性模型。二是建立一个随机统计模型，对于近距离的浅海水声信道可以建立莱斯衰落和加性高斯白噪声信道模型；对于中、远距离的浅海水声信道可以建立瑞利衰落和加性高斯白噪声信道模型。 3.2.1 N 径确定性模型 针对浅海水声信道，在建立浅海水声信道N 径确定性传播模型之前，
先假设几个理想条件： 1) 水深为常数； 2) 当声线掠射角小于5°、载波频率小于50KHz 和海底介质的密度大于 3 1.4 /g c m （例如 沙，淤泥，粘土等介质） 时，海底的反射系数b r 近似为1， 同时相位偏移为180°,考虑到浅海海底介质一般由细沙和淤泥构成，同时掠射角总是大于0°，无论怎样，声波由海底反射时，声能总是有所损失的，而且随着掠射角的增大而增加，在这里假设海底的反射系数等于0.9； 3) 海面的粗糙程度可以用瑞利参数R 来描述： ) sin(2?σπc f R = （3-14） 其中，f 为工作频率，c 为声速，σ为海面波浪高度（波峰到波谷）的均方根值，?为声线掠射角。经验数据表明，当瑞利参数1<
３５ 基于FBMP 算法的水声信道估计 龙旭光 （中国海洋大学信息科学与工程学院，山东青岛266100） 摘要：设计了一种基于贝叶斯压缩感知（bayesian compressing sensing,BCS ）的水声信道（underwater acoustic channel ， UWAC ）估计方法，并具体采用快速贝叶斯匹配追踪算法（fast bayesian matching pursuit ，FBMP ）对水声正交频分复用(OFDM )通信系统下的信道脉冲响应进行估计。在水声信道中，信道的抽头的位置及系数通常分别服从伯努利和复高斯分布，利用这一先验知识，首先对抽头的位置进行检测，然后通过最小均方误差准则得到准确的信道估计。仿真分析了导频数量、信噪比对FBMP 、正交匹配追踪（orthogonal matching pursuit ，OMP ）、变换域（discrete fourier transform,DFT ）、最小二乘法（least square,LS ）信道估计算法的性能的影响，仿真结果表明，在稀疏信道下，基于FBMP 的信道估计方法明显优于OMP 、DFT 、LS 信道估计方法。关键词：水声信道；贝叶斯压缩感知；稀疏多径；正交频分复用中图分类号：TN919.3文献标识码：A 文章编号：1673-1131（2019）02-0035-02 0引言 水下通信系统的性能主要受水声信道的制约，而水声信道具有快速时变以及丰富的多径传播特点。因此，为了获取可靠的水声信道状态信息（CSI ），设计能够准确有效获取信道状态的信道估计方法十分重要。水声正交频分复用（OFDM ）技术作为一种多载波调制技术，因其具有高传输速率和高带宽效率的特点，并且能有效对抗多径衰落和时延[1]，在水声通信中已得到广泛应用。大量的研究及实验结果表明：水声信道在时域上往往呈现稀疏性，即信道脉冲响应的大部分能量只集中在少数几个多径分量上[2]。传统的l 2范数信道估计方法并没有充分利用信道的稀疏性这一先验知识，因此导致了对频谱资源的过度占用。 压缩感知（CS ）理论是信号处理、统计、无线通信领域的一项新兴技术。利用信号的稀疏性和可压缩性，CS 可以从少量的随机映射的观测值中获取并重构原始信号[3]。文献[4]将OFDM 信道估计表达为CS 问题，即通过发射幅度相同，相位随机的导频信号并将信道脉冲响应中的稀疏多径扩展到接收端的观测数据中，因此可以通过稀疏优化可靠地恢复信道脉冲响应。稀疏信道估计另一种方法就是利用贝叶斯方法，作为一种特殊形式的CS 算法，相比于已有的匹配追踪及一系列改进的算法拥有更高的估计精度，又比基于最小范数（MP ，OMP 等）的算法具有更高的效率。所以，本文研究了基于FBMP 算法在水声信道估计的性能，并与LS 、DFT 及OMP 算法进行对比。仿真比较了它们之间的性能差别。 1系统模型 水声信道通常是频率选择性衰落信道，假设水声信道相 干时间足够长，以OFDM 系统的采样周期对信道脉冲响应进行采样， 得到离散信道模： （1） 式中，L 为信道长度。水声信道存在着稀疏结构，假设信道由K 条路径组成，则该信道可称为K 稀疏信道。假定OFDM 采用N 点DFT ，为避免码间串扰和载波间干扰，加入长度为N g 的循环前缀（N g >L ）。设N p 为导频数量，表示在发送端导频位置处的频域调制信号，假定没有干扰，接收端接收到的是发射 端的频域调制信号与信道频域响应的乘积再加上噪声： （2） 其中， 为N p ×N p 的对角 阵，发v 为N p ×1的复加性高斯白噪声向量，即 。 为N p ×L 傅利叶变换矩阵。令 A=X ·F Np×L ，若矩阵A 满足RIP 准则，考虑到h 的稀疏性，那 么多径稀疏信道估计问题就可以转化为稀疏信号重构问题。本文将介绍一种利用稀疏向量的分布作为先验知识的贝叶斯稀疏重建方法，该方法先根据最大后验准则对稀疏模型进行选择，再根据最小均方误差准则完成稀疏量的估计，最终得到正确的稀疏恢复结果。 2快速匹配追踪算法的信道估计 文献[5]指出，水声信道的脉冲响应服从伯努力-高斯分布。设向量h 系数来自高斯混合模型： s 中元素不为零 的数量，由于E {K }=N ·P ，可知向量h 的稀疏程度与p 密切相关，若向量满足稀疏特性， 则有 为依赖矩阵A 的协方差矩 阵。接下来进行模型选择，即在给出接收信号的情况下选择模型向量s 。根据贝叶斯原理， 模型向量选择的后验概率为： （5） 其中，S={0，1}N 为向量s 所有可能的集合 的 估计。由于h 的维度非常大，使得对后验概率和期望计算变得 极其复杂，为降低贝叶斯估计的复杂性，有必要限制可能的集合S 的数量，因此定义S *为个p （s|Y ）的最大值所组成的集合用来近似S 。将上式的分子作为模型选择量并求对数，得到： 2019 （Sum.No 194） 信息通信 INFORMATION &COMMUNICATIONS 2019年第2期（总第194期）
0 引言 通信技术的发展主要集中在空间通信上。近年来，由于军事和海洋开发的要求，人们开始越来越重视水下通信系统的研究与开发。由于电磁波在水中传播时衰减严重，而声波是人类迄今为止已知的唯一能在水中远距离传播的能量形式，所以海洋中检测、通信、定位和导航主要利用声波。声波是目前水中信息传输的主要载体。因此，人们对水下通信的研究主要集中在对水声通信的研究之上。 水声通信是当前唯一可在水下进行远程信息传输的通信形式,由于其在民用和军事上都有重大意义,水声通信一直被人们所重视。文章介绍了水声通信的特点、系统组成、发展历史和国内外的发展现状。 1 水声通信的历史 水声通信的历史可以追溯到1914 年，在这一年水声电报系统研制成功可以看作是水下无线通信的雏形。世界上第一个具有实际意义的水声通信系统是美国海军水声实验室于1945 年研制的水下电话，该系统使用单边带调制技术，载波频率8.33 kHz，主要用于潜艇之间的通信。早期的水声通信多使用模拟频率调制技术。如在50 年代末研制的调频水声通信系统，使用20kHz 的载波和500Hz 的带宽，实现了水底到水面船只的通信。模拟调制系统不能减轻由于水声信道的衰落所引起的畸变，限制了系统性能的提高。 70 年代以来随着电子技术和信息科学突飞猛进的发展，水声通信技术也因此得到了迅速的发展，新一代的水声通信系统也开始采用数字调制技术。采用数字技术的重要性在于，首先，它可以利用纠错编码技术来提高数据传输的可靠性;其次，它能够对在时域(多途)和频域(多普勒扩展)上的信道畸变进行各种补偿。随着处理器技术的提高，各种采用快速解调的算法也随之发展起来。数字调制技术的主流为幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控调制(PSK)。 随着用于空间无线电衰落信道技术的发展，水声通信的下一代系统对数字编码的数据采用了频移键控(FSK)调制方式。作为一种能量检测(非相干)而不是相位检测(相干)算法，FSK 系统被认为对于信道的时间和频率扩展具有固有的稳健特性。采用数字技术有两个方面的好处:首先，它允许采用纠错编码技术来提高传输的可靠性；第二，它允许对信道混响做一定的补偿，包括时间和频率上的补
水声通信 水声通信是一项在水下收发信息的技术。它的工作原理是首先将文字、语音、图像等信息经过编码、调制处理后，由功率放大器推动声学换能器将电信号转换为声信号。声信号通过水这一介质，将信息传递到远方的接收换能器，这时声信号又转换为电信号，经过放大、滤波和数字化后，数字信号处理器对信号进行自适应均衡、纠错等处理，还原成声音、文字及图片。 特点： 声波通信是水下远程无线信息传输的唯一有效和成熟的手段。声波是水中信息的主要载体，广泛应用于水下通信、传感、探测、导航、定位等领域。声波属于机械波（纵波），在水下传输的信号衰减小（其衰减率为电磁波的千分之一），传输距离远，使用范围可从几百米延伸至几十公里，适用于温度稳定的深水通信。 水介质与空气介质的特性不同，水声信道与空气中的无线电信道具有许多明显的差异。水下声信道是时间散布快速衰落信道，具有多普勒不稳定性。水声通信的衰耗因素较多，特别是在海水中传播，声传播损失不仅与频率有关，而且还受海水的盐度、温度、密度、深度以及传播距离等因素的影响，造成中远程水声信道带宽极其有限。水中的声速计算公式可见下式： c=1449.2+4.6T-0.055T2+(1.34-0.010T)(S-35)+0.016D 其中：r是海水温度，s是盐度，D是深度。海水中不均匀分布的声速剖面造成声线的弯曲，而声波的界面反射和随机散射又引起声波接收信号的多途效应。在实现高速通信时，有限的信道带宽和信号的多途传输会引起严重的码间干扰，造成接收数据的严重误码。同一声源发出的声波，在不同的海区或不同的季节，传播情况可能都不同。从信道中的各种限制因素到时变、空变性，水声信道都远比无线电信道复杂。 举例： （一）我国厦门大学以许克平教授为首的这个课题组出色地完成了国家交给他们的863项目，已经成功解决了在10公里之内水下信号相互清晰的传递，他们这个系统已达到实用要求。他们认真分析了世界上抗多途干扰的几种方法，最后课题组一致认为还是采用电磁波抗干扰的手段——跳频通信，它既能抗多途径干扰又能保证信息安全。 如果电磁波的跳频技术用在海中，频率资源充足的情况下传输一组信号，频率相差大时，电路内部做处理的时候，就用两个不同频率表示1和0，相当于颜色相差大，如：赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫这一组信号代表一个文字，碰到干扰后虽然到达的时间不一致，但由于颜色区别大也就是频率相差大接收方就容易辨认了，这样就解决了信号干扰问题。经过攻关他们研制出一个全新的跳频技术，终于成功解决了多途径干扰问题。因为语音传输是水声通信最难攻克的瓶颈问题，要求精确度极高，难度也最大，语音传输成功的实现，使这个项目完全成功了，他们做到了。 （二）水声通信是当前海洋军事中最重要和关键的技术，该研究方向发挥厦门大学电子与海洋等相关学科专业的优势和特色，课题组完成了“水下图像水声传输实用样机研制”、“视频图像水下传输试验研究”等国家“863”相关课题项目, “水下图像传输系统”项目通过国家“863”专家组验收。该系统能在浅海域实现全方向无缆图象信息传输，每8秒传送一帧（160*100象素，十六级灰度），距离10公里。99年中国国际高新技术成果交易会
水声通信网络浅析 摘要：随着现代信息技术的飞速发展，覆盖了地面、空中、太空、水面的立体信息网已经形成并为各国的通讯、交通、资源调查、国防等各项业务服务。近年来，随着世界各国海洋开发步伐的加快，发达国家开始对水下声通信网进行研究。水声通信网络（UWN）承担着探测、数据通信的重要使命。它通常由海底传感器、自主式水下运载器（AUV）和水面站组成，水面站可进一步与Internet等主干网连接，在这种环境中人们可以从多个水下远程设备提取实时数据，并把控制信息传递给各个设备。本文将介绍水声通信网络的发展现状、关键技术、具体应用及发展前景。 关键词：水声通信网络发展现状 AUV 1.发展现状 目前陆上与空中的有线及无线通信已经很成熟，但是水下无线通信仍处于研究与试用阶段。随着人类对海洋探索、开发的不断深入，无论是军用领域还是民用领域，都对水下通信有着极大的需求。 尽管在水下可以使用电缆、光缆等有线方式进行通信，但是这些方式中节点无法移动，适用对象极其有限。电磁波在水下的衰减很大，要想在水中传播很远的距离就必须采用很低的频率，这就要求很高的传输能量和很长的天线，通常是难以实现的。目前水下通信方式主要有长波通信、水下激光通信、中微子通信、水声通信等。长波通信所需设备体积庞大，价格昂贵，通信效率低，目前主要用于基地与潜艇之间的远程通信；水下激光通信目前主要研究蓝绿激光水下通信系统，其穿透海水能力强，可实现基地与下潜400米以上的潜艇的通信，通信频带宽，数据传输能力强，但是灵活性不够；中微子通信是近年来新兴的技术，比较复杂，目前还仅仅停留在实验室阶段[2]。声波是惟一一种能在水介质中进行长距离传输的能量形式。水声通信是目前水下最合适的通信方式，得到了各发达国家研究机构和军方的高度重视。最早的水声通信可以追溯到20世纪50年代针对模拟数据的幅度调制（AM）和单边带（SSB）水下电话。随着VLSI（very large scale intergration，超大规模集成电路）技术的发展，在80年代早期水下数字频移键控（FSK）技术得到应用，它对信道的时间、频率扩散有一定的鲁棒性。80年代后期出现了水声相干通信，与非相干通信相比，水声相干通信技术可以提高有限带宽水声信道的带宽效率，但是由于水声信道的传播特性恶劣，水声相干通信刚开始并不被接受。90年代DSP（digital signal processing，数字信号处理）芯片技术和数字通信理论的发展使许多复杂信道均衡技术均可以实现，带动了水声相干通信技术的发展，并促使其开始转向对水平信道通信的研究。水下通信发展的一个里程碑式的关键环节是水下声学调制解调器的出现。最早的水下声学网络应用概念是1993年美国提出的自主海洋采样网（AOSN）。美国自1998 年起开始了称为“海网（SeaWeb）”的年度实验，意在验证水下声学网络的概念与实际使用效果。 2. 水声通信网络的特点与拓扑 水声通信网络的节点有以下几个特点：第一，移动性，因此必须是能够自组织的自主网络，遵循一定的网络路由方式；第二，由于采用水下无线通信方式，因此必须能够自适应海洋环境特性，能够解决物理层的技术挑战；第三，由于采用电池供电，所以能量受到限制；第四，具有数据传播功能，可把监测数据传达到岸上。 参照陆上无线传感器网络，水声通信网络的拓扑可分为两大类: 中心化的网络（centralized network）和分布式的对等网络（distributed peer-to-peer network）。 在中心化网络中，节点之间的通信是经过中心节点实现的，并且网络通过这个中心节点接入骨干网。这种配置的主要缺点就是存在单一故障点，即这个节点的失效将导致整个网络的失效。同时由于单个调制解调器的作用距离有限，整个网络的覆盖范围也就有限。
水声通信技术 水声通信是海洋中无线信息传输的主要技术手段。水声通信技术在海洋环境监测、水下航行器/载人潜水器作业等方面有着广泛应用。水声通信及网络可灵活地用于不同的速率载荷、覆盖距离、水体深度、网络结构的情景，可广泛地应用于海洋环境观测，实现水下不同空间位置多个观测设备之间的信息交互。同时，水声信道传输状态多变、海洋作业环境恶劣，对通信算法和设备可靠性有较高要求，水声通信及组网成为目前的研究热点。水声通信网络在国外已有20a发展历史，开展较早且具有代表性的是美国的Seaweb网络。美国的Seaweb网络经过多年的试验，实现了多固定节点的组网、自适应节点路由初始化、潜艇和AUV的数据接入、利用固定节点对AUV定位、分簇网络等多种功能，在基于卫星浮标的远海观测网、港口近岸的水下侦查网络及军用水下航行器指令传输及定位等应用中展示了很好的应用效果和技术先进性。欧洲也开展了试验研究。 近年来，在国家“863”计划、军方、国家自然科学基金等支持下，我国水声通信领域在通信算法、通信机研制、网络协议仿真、组网应用试验、协议规范制定等方面取得长足进步。本文主要介绍面向海洋环境监测的水声通信网技术，并对未来的技术趋势进行展望。
水声通信信道是复杂的信道，信道带宽窄、传播速度慢、时变性强、频率选择性衰落、噪声严重等不利因素在水声通信信道中都很明显。如何针对水声信道特点，采取高性能、可实现的通信算法，是水声通信领域的关键问题。物理层主要解决利用信道进行点对点的可靠通信的问题，物理层技术方案主要包括调制解调和纠错码两部分内容。对于水声通信中的调制解调技术，一般根据接收端是否恢复原始载波相位可划分为相干通信和非相干通信。
武汉理工大学 班级：___电子与通信工程153班_____ 姓名：_________XXX _____________ 学号：________1049731503239_______ 教师：________ XX ______________
基于水声信道传送信息保密技术设计方案 摘要 水声通信技术是当前研究的热点领域，其传输媒介——水声信道是复杂的时变和空变的信道，它的多径效应、声传播损失等传输性质严重影响了水声通信的性能。另外，载波频率低、传输宽带十分有限以及数据速率低等也制约着水声通信技术发展的因素。空时编码技术是近年来发展快速的信道编码技术，它能够与调制技术想结合，提高频率利用率，同时获得分集增益和编码增益，并可以高速地传输数据。在此基础上引入混沌算法来对信源数据进行加密，来提高数据传输的安全性和保密性。 关键词：水声通道；分集；空时编码；混沌算法 ABSTRACT Underwater acoustic communication technology is a research hotspot. Underwater acoustic channel as transmission medium is a complex time-varying and space –varying channel, and the transmission characteristics such as the multi-path effect, sound transmission loss and the Doppler Effect, etc. seriously influence to the performance of the underwater acoustic communication. In addition, the lower carrier frequency, limited transmission bandwidth and lower data transfer rate have become constraining factors in the development of underwater acoustic communication. Therefore, reliable high-speed transmission technology is the research focus on the field of underwater acoustic. Recently, Space-time coding techniques have been developed rapidly. It can be conbined with the module technique so that it can improve the speed of the transmission of the data and use ratio of the low frequence. On this base, We put up the chaos encryption and algorithm improvement, they can be use for improving the safety of the data. Keywords: Underwater acoustic communication,diversity, Space time Coding, chaos encryption algorithm