摘 要

随着科学技术的不断发展，人类对未知领域的探索也越来越深入。海洋作为地球上占地面积最大的区域，人类对这个神秘区域的兴趣也变得越来越浓厚。本文就将对现有的水下无线通信方式进行了解，水下无线通信根据传播介质的不同，分为不同种类。有通过光波传播的，有通过电磁波传播的，也有通过声波传播的。本文对其中的通过声波传播的水声通信系统以及相对应的调制解调方式进行研究。本论文对水声通信系统发射与接收整个流程进行了研究，包括功率放大，阻抗匹配网络的研究等。本文还对比了现有调制解调方案，找出一个适合水声通信的调制解调方案。本文就将基于4FSK进行调制，此方案对比其他调制方案而言，抗干扰能力强，受水声信道特点影响很小。而解调部分采用FFT快速傅里叶变化进行解调。在调制部分还着重对DDS技术进行了介绍，并利用DDS技术产生了四种不同频率的正弦波进行调制。

关键词：水声通信；调制；解调

Abstract

With the continuous development of science and technology, the exploration of unknown areas has become more and more in-depth. As the largest area on the earth, the oceans are becoming more and more interesting to this mysterious area. In this paper, the existing underwater wireless communication methods will be understood, underwater wireless communication according to the different media, divided into different types. Some are transmitted by light wave, some by electromagnetic wave, and some by sound wave. In this paper, the underwater acoustic communication system and the corresponding modulation and demodulation methods of underwater acoustic communication are studied. In this paper, the whole process of transmitting and receiving underwater acoustic communication system is studied, including power amplification, impedance matching network and so on. This paper also compares the existing modulation and demodulation schemes, and finds out a suitable modulation and demodulation scheme for underwater acoustic communication. This paper will be based on 4FSK modulation. Compared with other modulation schemes, this scheme has strong anti-jamming ability and little influence by the characteristics of underwater acoustic channel. The demodulation part uses FFT fast Fourier transform to demodulate. In the modulation part, DDS technology is also introduced, and four different frequencies of sinusoidal wave modulation are produced by using DDS technology.

Key Words ：Underwater acoustic communication；Modulation；Demod

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 水声信道的特点 3

1.4 论文结构 4

第2章 水声通信系统的基本结构 5

2.1水声通信系统的基本组成 5

2.2 各个模块介绍 5

2.2.1 编码器与译码器 5

2.2.2 调制器与解调器 5

2.2.3 功率放大模块 6

2.2.4 水声换能器阻抗匹配技术 7

2.2.5 同步 11

第3章 调制解调方式的研究 12

3.1调制解调原理 12

3.2 ASK的调制解调 12

3.2.1 2ASK的调制 13

3.2.2 2ASK解调 13

3.3 FSK调制解调 14

3.3.1 2FSK调制 14

3.3.2 2FSK的解调 15

3.4 PSK调制解调 15

3.4.1 BPSK的调制 15

3.4.2 BPSK的解调 16

3.5 OFDM调制解调 16

3.5.1 OFDM调制 17

3.5.2 OFDM解调 17

3.6 QAM调制解调 17

3.6.1 QAM调制 18

3.6.2 QAM解调 18

3.7调制方案的选择 18

第4章 4FSK调制解调的实现 20

4.1 4FSK水声通信基本结构 20

4.2 DDS技术 20

4.2.1 DDS技术的工作原理 20

4.2.2 DDS的基本结构 20

4.3 4FSK调制 22

4.4 FFT原理 24

4.5 4FSK的解调 24

参考文献 26

致谢 27

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

地球是一个表面大部分被水覆盖的行星，在人类历史发展的长河中，人类一直没有放弃过对水下神秘世界的探索。这个水下的神秘世界现在已经成为研究领域的最前沿，它不但包含巨大的商业潜力，还对养殖业有深远的影响。并且其还包含丰富的气候信息以及大量急需开发的资源。

21世纪是关于海洋的世纪，人类对海洋的认识将会进一步深入。同时人类对海洋的大量资源将进行更全面的开发。海洋资源的合理利用，对于我国的可持续发展的意义越来越重大。水下的通信与陆地通信的特点截然不同，尽管在水下也能够使用电缆等方式进行通信，但是部署和维修费用非常高。而且若使用有线方式，其中的节点也不能够移动。采用有线方式通信的适用对象非常有限，这就促使使用无线数据进行传输。

水下无线通信有通过光波传播的，有借助于声波传播的，也有随着无线电传递的。由于海水的导电性使得适用于陆地的电磁波通信，在水下寸步难行，衰减十分严重。而使用光波，虽然光波通信在数据速率上有很大的优势，但是光通信也存在十分明显的劣势。首先由于水具有吸收作用，光波极易被水吸收。其次在水中存在大量的浮游生物，光照在浮游生物上会被散射。再者环境光的高照度也会对水下光通信造成影响。与另外两种方式相比声波因其在水下环境中具有相对低的吸收损失和较远的传输距离而被作为主要载体来使用。

目前在水下远距离信息传输领域，唯一可以实现的通信形式是水声通信。它是在成本范围内最灵活、最方便的形式。可实现各种信息交换（如定位、导航等）所需的信息传输，是实现水下信息交换最主要的手段之一。水声通信的发展将对许多发展方向产生深远的影响如：水下环境监测与保护、水下数据采集、资源开发等。水声通信无论在商业领域还是在研究领域都有巨大的发展前景。甚至在军事领域水声通信都有较大的应用前景。在商业领域，水声通信在海洋数据采集和环境监控与预警这些与可持续发展的商业战略领域方面扮演者重要的角色。在军事方面，为了确保作战系统之间在水下的信息交流不被窃取，需要保证水下信息交流的高保密性，水下通信方式中最符合保密性要求的就是水声通信。

1.2 国内外研究现状

随着海洋的不断开发与探索，利用声波传递各种信息的需求也在不断的增加。20世纪初，水声通信就在水上平台与水下作业人员通信间进行应用。虽然对水声通信技术已的研

究在很在之前就已经开始，但一直受制于科技水平，直到20世纪末，随着通信计算机技术的急速发展才使得水声通信的研究得到强大的技术支持，有了强劲的技术后援，水声通信技术的研究才由此焕然一新，得到长足的发展。到20世纪90年代水下声波得到首次应用，利用水下声波可以测得船只的离岸距离。

在第一次世界大战期间，水下声学随着潜艇和水雷的应用取得了较大的发展。在一战与二战期间科学家们开始理解了水下声波的一些基本概念，在这个期间：商用回声测距，水下断层扫描和水声渔业开始进行应用研发。在二战期间水下声学的研究主要集中在声呐即声音导航与测距上，在此期间与声呐相关的主题得到了广泛的研究，包括高频声学低频声学等。在二战末期，水声主要应用于导航与敌情的发现上。美国首先研制出世界上首个水下无线电话系统，可实现几公里范围内水下单元间的通信。这是水声用于通信的第一个例子，从此之后水声通信开始在各种水下声学应用中发展。

水声通信的研究主要包括以下几个研究领域：水声信道的各种研究；接收结构的研究，各种处理机及自适应信号处理算法的研究；分集技术的研究；更加先进的编码技术研究；新型调制方式的研究；水下网络系统的研究。

随着科学技术的发展，人们对水声通信技术的研究已经越来越深入。国内外对各团体都研究出不同的水声通信调制技术，其主要方式主要有有：OFDM、FSK、QAM等。与各国技术相比，美国在这个方面处于国际领头羊地位，在产品研发与技术应用方面优势十分突出，国际上的技术创新也多出自于美国。在国内中科院声学所、哈工程、浙江大学等研究机构也对水声通信进行了全面的研究，某些实验结果与国外水平相对。

水声通信未来的研究将会在时变信道的稀疏性、先进的纠错码、自适应迭代信号处理算这些先进领域形成自己的技术领先优势。未来的中国水声通信主要研究方向有：①研究近距离高速度的水声通信技术。为了满足在水下观测大数据的需要提高水下信道的性能。②研究远距离低速度通信技术。提高通信数据传输速率，并能够远距离传播而信号不减弱③水下数据的全方面采集，搜集足够多数据，建立水下数据库，形成自己的数据量优势。当有足够多的原始数据后，再从这些数据中提取出有效的信息④海洋环境监测与预警，随着人们对海洋的进一步探索，很多人们以前无法避免的天灾，现在都能通过各种监测手段得到预警。对海洋环境的监测能有效的避免大型灾难的发生。

1.3水声信道的特点

水声通信区别于利用电缆或者光纤传播的有缆通信，它是借助于水声信道来进行信息传送的通信。与陆地的无线通信一样，水声通信也会受到水声信道的特性的影响。水声通信不同于空中的无线电通信借助于电磁波传播，而是借助于声波进行传播。声波对于水下

无线通信系统而言，目前是海水中最有效的传输介质，相较于其他介质而言具有相对低的吸收损失。水中的声的传播速度与水温、水压等息息相关，水下声的传播速度随着这些变量增长而增加。当水的温度上升时，声波更易在水下传播，此时声速也会变大。水的深度也会对声速造成影响，因为水深增加时，水的压力也会随之增加，水深每增加100米，声速大约增加1.7米每秒。由于水下声媒介的复杂性和声在水中的低速传播，水声信道是公认的最具挑战性的信道之一。

水声信道是带限的，声波在海洋中传播，在传播时有能量损耗，且与频率的平方近似成正比，随着传播距离的增加而显著增加。这就使得信道的可用通信带宽受限。声波在海水中随着传播距离的增加声强逐渐减弱主要有以下几个原因1.海水吸收2.边界损失3.几何扩展4.散射。其中海水吸收是声强减弱的主要原因。

水声信道是多损耗的，声波在水中的传播主要有三种能量损失原因。1.吸收损失，在传播过程中声波能量可以转换为其他形式并被媒介所吸收，吸收能量损失由材料缺陷所控制。对于声波，材料缺陷无伸缩性，它将声波能量转换为热能。2.散射损失，散射是一种一般的物理过程，入射波被不同方向不规则表面所反射。海面，海底，海洋生物对声波信号均具有散射作用，海面海底的散射性质主要由界面的粗糙度决定。界面的粗糙度高带来大的空间能量的色散。3.几何扩展，几何扩展损失是由于能量守恒所引起的本地功率损失。由一个点源产生的表面波几何损失正比于距离的平方，而圆柱波几何扩展所带来的功率损失与距离成正比。

水声信道是时变多径的信道，声波可以通过不同的道路到达某个点。由于海洋介质的不均匀性，声波在不同介质边界会产生折射现象，同时海中生物对声波信号又有反射作用，这些将导致发射机发射的信号会通过不到道路才能到达接收机。接收机接收到的信号这些不同的道路传播过来的信号的叠加，就也就是水声传播多径效应[^[1]]。时间变化是水声信道最具挑战性的特征之一，由于媒介的不稳定性如台风洋流等，均可以作为时变发射体。不同的传播路径可有不同时间变化，不同的时间变化带来不同的多普勒扩展效应或者多普勒频移，但无论多普勒频移速率扩展和时移扩展多大，水声信道的多条路径都是趋于稀疏的，信号的能量也集中于少数路径中，这就是信道路径的稀疏性。

水声信道的这些特性不仅仅对水声通信系统的性能与方案设计造成了影响，同时也使得水声通信信道传播特性的分析成为通信系统研究的热点之一。

1.4 论文结构

本文首先介绍了水声通信的背景及对水声通信研究的意义，然后介绍了国内研究的现状及水声信道的特点。其次对水声通信的总体结构做了简要介绍，还介绍了通信过程中的几个模块。然后对几种基础的调制解调方式进行介绍，最后经过比较选择所用的调制解调方法基于4FSK，最后对基于4FSK的调制解调做了简要介绍。

本文的内容分为四个章节，章节主要内容如下：

第一章：首先介绍了文章的研究背景及意义，接着对国内外研究现状进行了介绍，并介绍了研究前景。然后对被誉为最复杂的信道，水声信道的几大特点做了介绍。最后对本文需要完成的工作做了安排。

第二章：首先介绍了水声通信系统的基本结构，然后重点对其中的功率放大模块、水声换能器阻抗匹配模块、同调制器与解调器做了详细的介绍。

第三章：首先对几种基本的调制解调方式进行了介绍，最后对各种调制解调方式进行比较选择了最适合于水声信道的4FSK调制解调方式。

第四章：首先介绍DDS技术，利用DDS产生四种不同频率正弦波进行4FSK调制的。接着介绍了FFT快速傅里叶技术，并基于此技术进行解调。

第2章 水声通信系统的基本结构

2.1水声通信系统的基本组成

水声通信系统绝大部分都是采用数字形式的数字通信系统。在通信系统中采用数字技术的原因有很多，下面将介绍较为主要的几种。首先是数字通信系统的抗干扰能力较强。在传输过程中，只要噪声没有影响到接收信号，噪声都不会累积。其次信道的纠错编码技术，也使得数字通信的信息传输更加可靠。并且相比模拟形式，数字通信易于进行加密处理，保密性好。水声通信系统的一般性框图如图2.1所示。

图2.1 水声通信系统的组成

2.2 各个模块介绍

2.2.1 编码器与译码器

编码与译码器一般包括信源编码与译码器和信道编码与译码器。信源编码有助于信息传输有效性的提高，而信道编码信息传输变得更加可靠。在通信系统中，信源输出的无论是模拟还是数字信号，均需要首先转换为二进制数字信号才能进行传输。而这一将信源输出转换为二进制数字序列的过程就叫做信源编码其逆过程也就是将二进制数字序列转换为模拟或数字输出的过程叫做信源译码。完成这些过程的器件就是信源编码与译码器。

2.2.2 调制器与解调器

编码器输出的信号是数字的，若将数字基带信号直接送至信道中传输，传输的距离十分有限。故若想进行远距离传输必须要借助于载波。把消息信号装载到载波信号的某个参量（如振幅，频率等）上的过程就称为调制。调制的作用是可以把原始消息信号的低频频谱进行频谱搬移到高频分量上。调制还可以实现信道的多路复用提高信道利用率。解调是上述过程的逆过程，即从已调载波信号中分离出基带信号的过程。水声通信系统除了采用上述这些比较基础的载波调制技术外，还采用其他调制技术，如多载波调制技术等。调制解调不仅是通信系统的核心，也是最关键最基本的技术之一。

2.2.3 功率放大模块

功率放大器是水声通信发射模块必不可少的设备之一，通过功率放大器才能获得足够大的功率使得信号的通信距离达到要求。功率放大器具有大信号工作并提供大功率给负载的特点。在工作时，放大器信号电压和电流的幅值都处于较大状态。按照其工作状态的不同可以分A类、B类、AB类、C类、D类等五种状态。A类又称之为甲类，B类也叫乙类。而俗称的甲乙类就是AB类。C类一般被叫做丙类，D类就是丁类。

图2.2 水声发射机系统框图

甲类放大器在信号通过的整个周期内，三极管始终都属于导通状态，工作在线性区的中间位置。虽然A类放大器信号失真小，但是其效率不高输出功率也很小。因此甲类放大器一般多用于信号放大，很少用于功率放大。乙类放大器工作点选在截止点，在信号周期内导通状态与截止状态各占一半时间。虽然B类效率高输出功率也大，但失真严重。AB类又称甲乙类，其命名与其工作性能介于A类和B类之间相关。它在整个信号输入的周期内，三级管导通大于截止时间。丙类放大器在整个信号周期内导通时间小于截止时间，丙类放大器比乙类放大器效率更高。丁类放大器若不考虑器件的导通电阻和开关状态的过度时间，丁类放大器工作时不存在损耗，较为理想。下面将主要介绍D类功率放大器。

图2.3 D类功率放大原理图

丁类功率放大器的基本原理为：首先将输入信号经PWM信号变换器，PWM信号变换器又根据输入的信号是模拟的还是数字的分为模拟信号PWM变换器和数字信号PWM变换器。经过PWM信号变换器后，变为PWM信号，再进行功率放大。经过放大的大功率PWM信号，最后通过低通滤波器转为大功率的输出信号。丁类功率放大器如图2.3所示。

自然采样和瞬时采样变换器以及三角波调制器这三种都属于模拟信号PWM变换器。自然采样变换器的PWM信号变化过程为，在信号基础上直接叠加锯齿波。叠加后再经过比较器，进行比较就可以生成PWM信号。瞬时采样PWM变换器首先将模拟信号进行采样变为平顶信号后，再与锯齿波叠加后进行比较形成PWM信号。而三角波调制法按照采样频率生成三角波，直接与原始模拟信号比较，生成PWM的信号，这种方法最为简单[^[2]]。

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