摘要：

水声通信是水声工程的重要研究方向之一,在海洋开发和军事方面扮演了重要的角色,长期受到国内外研究学者的关注,是一个快速发展的科研领域[3-4]。在水声通信系统中，信息信号通常是数字基带信号，数字基带信号不能直接在这种带通传输特性的信道中传输，需要通过调制技术，将基带信号频谱搬移到合适的频段上才能有效地传输。本文主要对水声通信中FSK、PSK、DPSK三种调制技术进行研究和分析，并进行比较，另外简单介绍了索引调制在水声通信中的应用。

1 引言

在水声通信系统中，信息信号通常是数字基带信号，这些信号往往包含丰富的低频分量，甚至直流分量。而水声信道是带宽受限的信道，高频段由于传播损失的影响对信号衰减很大，低频段则受环境噪声和发射换能器的影响。数字基带信号不能直接在这种带通传输特性的信道中传输，需要通过调制技术，将基带信号频谱搬移到合适的频段上才能有效地传输。目前，在水声通信系统中通常采用数字调制技术，即用载波的某些离散状态来表示数字基带信号。
调制是使载波信号的某些参量随基带信号的改变而改变，实质就是频谱搬移，其作用为：
（1）将调制信号转换成适合信道传输的已调信号；
（2）实现信道的多路复用，提高信道的利用率；
（3）减小干扰，提高系统的抗干扰能力；
（4）实现传输带宽与信噪比之间的互换。
（5）增强水声通信系统的有效性和可靠性。
在通信系统中，有三种基本的数字调制方式：振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK/DPSK）。由于ASK的信息比特通过幅度来传递，容易受到信道起伏特性的影响，因此水声通信系统中常用的调制方式是FSK调制和PSK/DPSK调制。

2 频移键控调制FSK

在数字调制中，若正弦载波的频率随基带信号在M个频率点间变化，则产生M进制的FSK信号。M进制的FSK信号每符号携带比特的信息，即k比特的信息映射为个可能的频率。以2FSK信号为例展开研究。

2.1 频移键控（2FSK）信号的产生

2FSK信号可以看成是两个不同载波的2ASK信号的叠加。若二进制基带信号的1符号对应于载波频率f1，0符号对应于载波频率f2，BFSK信号可以看成是f1和f2两个2FSK频谱的组合。则2FSK信号的时域表达式为:

2FSK信号可以采用模拟调频电路和数字键控两种方法来产生。

2.1.1模拟调频电路方法产生相位连续的2FSK信号

通过基带信号控制振荡器中的某一元件数值(如电容量)得到不同频率的信号，它产生的两个频率f1和f2在转换时刻的相位是连续的，故称为相位连续的2FSK信号。在理想情况下，振荡器产生的频率随基带信号线性变化，此时2FSK信号为：

2.1.2数字键控的方法产生相位不连续的2FSK信号

两个振荡器的输出载波受输入的二进制基带信号控制，在一个符号Ts期间输出f1或f2两个载波之一。由于两个频率来自两个振荡源，所以在f1与f2之间的转换瞬间相位不连续。故称为相位不连续的2FSK信号。

2.2 频移键控（2FSK）解调

2.2.1非相干解调：

非相干解调不需要提取载波，可对随机起始相位的信号进行解调，比较方便。解调器采用两个带通滤波器分别滤出中心频率为f1和f2的信号频率成分，输出信号经包络检波器检波，抽样判决器对上下两路包络输出的抽样值进行比较，最终判决出输出信号。

非相干没有利用信号的相位信息，在同样误码率的条件下与相干解调相比，所需的信噪比略高一些。

2.2.2相干解调

非相干解调不需要提取载波，利用信号的相位信息，所需的信噪比略低一些。
解调器采用两个带通滤波器分别滤出中心频率为f1和f2的信号频率成分，

3 相移键控调制PSK

在数字调制中，若正弦载波的频率随基带信号在M个相位点间变化，则产生M进制的PSK信号。 k个信息比特映射为个可能的相位，每个相位携带信息。相移键控调制信号的时域表达式为：

3.1 相移键控（2PSK）信号的产生

正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化，则产生二进制移相键控信号。通常用已调信号载波的0°和180°分别表示1和0。

2PSK信号可以采用相乘法和相位选择法两种方法来产生。

3.1.1相乘法

二进制基带信号经过电平转换变为双极信号，双极信号与载波发生器产生的余弦信号相乘得到2PSK信号。

3.1.2相位选择法

二进制基带信号经过选项开关得到2PSK信号，其中，选项开关受载波发生器产生信号的相位是0还是π控制。

3.2 相移键控（2PSK）解调：相干解调

将2PSK信号输入带通滤波器，然后与本地载波相乘后经低通滤波器、抽样判决器得到解调信号。

但是，2PSK相干解调存在“倒π”现象。在对2PSK信号进行解调时，需要解调器对载波相位进行精确的估计。由于信道的影响和估计过程中的非线性运算，在2PSK信号相干解调过程中会产生180°相位模糊，使得解调出的数字基带信号将与发送的数字基带信号正好是相反，解调器输出数字基带信号全部出错。而且这种错误不易被发现。因此2PSK方式在实际中很少采用。
为解决PSK在解调时的相位模糊问题，提出了差分相移键控（DPSK）调制。

4 差分相移键控调制DPSK

在PSK信号中，信号相位的变化是以未调正弦载波的相位作为参考，用载波相位的绝对数值表示数字信息，是绝对移相。而在DPSK方式中，用前后相邻码元的载波相对相位变化来表示数字信息，是相对移相。例如：前后相邻码元的

同样的，我们以2DPSK为例进行研究。

4.1 二进制差分相移键控（2DPSK）信号的实现方法

首先对二进制数字基带信号进行差分编码，将用绝对码表示二进制信息变换为用相对码表示二进制信息，然后再进行绝对调相，从而产生2DPSK信号。

2DPSK信号有两种调制方法：相乘法和数字键控法

4.1.1相乘法

基带信号进行码型变换后与余弦信号相乘得到2DPSK信号。

4.1.2数字键控法

基带信号进行码型变换后与余弦信号（相位为0）或移项180°后的余弦信号（相位为π）相乘，得到2DPSK信号。

4.2 二进制差分相移键控（2DPSK）解调

4.2.1 相干解调法

相干解调法也称极性比较法，是指对2DPSK信号进行相干解调，恢复出相对码，再通过码反变换器变换为绝对码，从而恢复出发送的二进制数字信息。

和2PSK类似，在解调过程中，也可能出现相干载波产生相位模糊的问题，从而使得解调出的相对码产生倒置现象。但是经过码反变换器后，输出的绝对码不会发生任何倒置现象，从而解决子载波相位模糊度的问题。

4.2.2差分相干解调方式

差分相干解调方式也称相位比较法，是指直接比较前后码元的相位差，从而恢复发送的二进制数字信息。差分相干解调方式在解调的同时即可完成码反变换，故解调器中不需要码反变换器，但是需要一精确延迟电路。差分相干解调方式也不需要相干载波，因此，差分相干解调方式实际上是一种非相干解调方法。

5 FSK、PSK、DPSK的综合比较

5.1 频谱

5.1.1 2FSK传输所需的带宽

大多数数字通信系统中，系统的可用带宽有限，选择调制技术时，必须要考虑由系统带宽限制造成的约束。由于信息序列是随机的，数字调制信号是一个随机过程，可以通过随机信号的功率谱密度来确定调制信号所需的系统带宽。采用等概率发送、相位不连续二进制频移键控（2FSK）调制信号的功率谱为：

5.1.2 2PSK信号与2DPSK信号的频谱

2PSK信号与2DPSK信号的频谱完全相同，均由连续谱和离散谱构成，当双极性信号等概率出现时，将不存在离散谱部分。2PSK信号与2DPSK信号连续谱结构与ASK信号连续谱结构基本相同，仅相差一个常数因子。其带宽是基

5.2 差错性能

5.2.1 2FSK的误码率

（1）加性高斯白噪声信道
对于时不变信道，采用非相干检测的2FSK系统的误码率为：

即加性高斯白噪声无衰落信道中，2FSK系统的误码率随信噪比指数下降。
（2）瑞利衰落信道

即瑞利衰落信道中的2FSK系统的误码率随信噪比呈反比下降。

5.2.2 2PSK的误码率

5.2.3 2DPSK的误码率

5.2.4 FSK信号误码率与PSK信号误码率的比较

在加性高斯白噪声信道和瑞利衰落信道中，同样的信噪比条件下FSK信号的误码率要大于PSK信号的误码率，即要达到同样的误码率，FSK信号需要更高的信噪比。也就是说，FSK系统需要更大的发射信号功率或者通过分集等技术措施获得冗余来改善系统性能。
除了单纯的信噪比的比较外，还可以在某个固定的传输率R或带宽条件下对差错率进行比较。
（1）FSK信号

（1）PSK信号

增加M可以得到较高的带宽效率，但达到较高数据率需要增加比特信噪比。因此，PSK信号适合于带宽受限的通信信道，这时我们希望R/B>1，且要求有足够的信噪比支持M的增加。
综上所述，PSK信号无论在差错性能还是在带宽利用率方面都优于FSK信号。因此，在带宽受限的水声信道，需要高速传输的水声通信系统应该采用PSK调制，但当水声信道时变、多径的传输特性对PSK信号的可靠接收造成严重影响时，多径传播、海面反射与折射、相对运动等多种因素都会造成接收信号的相位畸变，此时就需要复杂的信号处理算法来跟踪信号相位，进行相干检测。而DPSK信号与PSK信号相比，DPSK信号同一相位并不对应相同的数字信号，前而是后码元相位差决定数字信息符号；相对移相信号可以看作是把绝对码变换成相对码，然后再根据相对码进行绝对移相而形成。FSK信号虽然带宽利用率低，但其非相干检测方法使其在频率选择性衰落特性的水声信道中具有更好的稳健性。故FSK信号在对数据率要求不高的水声通信系统中得到了广泛的应用。

6 索引调制

针对传统多载波调制系统在水声通信中无法获得更优的频谱效率和误码率性能的问题,将索引调制引入到传统多载波FBMC系统中,提出了一种基于索引调制的多载波水声抗干扰通信方法。该技术利用子载波索引来控制载波的激活,可灵活的调整静默子载波数和激活子载波数使系统具有更优的频谱效率和误码率性能。解决了传统多载波调制系统在水声通信中性能较差的问题[3-5]。具体步骤如下：
步骤1：对传统水声FBMC通信系统加入一维索引信息得到基于索引调制的FBMC水声通信系统；
步骤2：对不同激活子载波数的情况下索引调制的水声FBMC通信系统误码率计算并仿真，确定合适的激活子载波数作为无干扰的水声FBMC-IM通信系统；
步骤3：考虑水声通信环境中存在非连续频带干扰，在所述步骤2的无干扰的水声系统通信环境中加入非连续频带干扰；
步骤4：根据水声通信环境中非连续干扰频率范围，对无干扰的FBMC-IM系统的通信频带进行划分，使得与非连续频带干扰信号混叠部分的子载波静默，未受干扰的子载波保持活跃状态并承载通信信号，实现不连续的通信频带划分，得到水声FBMC-IM抗干扰通信系统，以实现多载波水声的抗干扰通信。

7 心得体会及创新想法

在本次水声通信课程研究过程中，认真研读了《现代通信原理与技术》教材调制部分的内容，并归纳总结、对不同种调制方法进行举例和比较。同时还阅读《基于索引调制的FBMC水声通信技术研究》、《松花江冰下声学实验技术研究》等文献，了解了现实水声通信中，在调制方面为了获得更优的频谱效率和误码率性能科研人员所做的研究。

参考文献：

1.Proakis JG著，张力军等译. 数字通信（第四版）. 北京：电子工业出版社，2003
2.张辉，曹丽娜. 现代通信原理与技术. 西安：西安电子科技大学出版社，2005
3.潘殷敬伟，杜鹏宇，朱广鹏，等.松花江冰下声学实验技术研究[J].应用声学，2006,35(1):58-68
4.程恩，袁飞，苏为。水声通信技术研究进展[J].厦门大学学报（自然科学版），2011,50(2):271-275
5.王武,王彪,高世杰.基于索引调制的FBMC水声通信技术研究[J].电子测量技术,2020,43(14):1-4.

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