前言

随着科技水平的不断发展，海洋以其巨大的资源潜力和重要的战略地位受到人们越来越高的重视。水声通信技术作为一切获取水下信息应用的基础，成为了海洋研究的热点之一。

水声通信作为一门综合性学科，涉及物理、通信原理、信号处理技术、传感器技术等多门学科。水声通信技术的目标是实现比特流的可靠无误的传输，构建水声传感器网络、多媒体数据的传输等都离不开可靠的水声通信技术。

水声无线通信的性能依赖于声波在水中的传播特性。相比于陆上电磁波信道，水声信道中的延迟扩展高出其他信道几个数量级，导致了更低的数据传输速率。另外，水声信道的多径扩展从50ms到几秒的数量级变化。通信距离越长，延时和多径数目也相应增加，从而导致多径扩展越高。水声信道的不同决定了不能将陆上已成熟的通信算法直接应用在水声通信系统中。同时，水声通信机以电池供电，内存和能量有限。因此，必须根据水声信道的特征研究适合水声信道的低复杂度通信算法。

本书以设计低复杂度、高可靠性的水声通信系统为目的，针对物理层中的两个关键部分——信道编解码及均衡，进行了理论研究、性能分析及试验验证。具体章节安排如下。

第1章简要介绍本书的研究背景，对水声通信的发展轨迹进行了归纳，并总结信道编解码和均衡技术的研究现状。

第2章研究水声信道特性对水声通信系统的影响。介绍水声信道中的传播损失及环境噪声对信噪比的影响，然后研究水声信道中的多径效应和时变特性。具体来说，多径效应不仅增大了传播损失，还使得符号间相互叠加，引起码间串扰的产生，而信道的时变性则导致了信号的扩展或压缩，给系统设计和信号恢复带来极大困难。基于以上研究，本章比较了水声信道与几种典型的无线电信道，从相干时间、相干带宽等方面反映了水声信道的复杂性与特殊性。最后将声呐方程引入到水声通信系统的设计，通过综合考虑水声信道特性对通信的影响，为水声通信系统设计提供了一个基本依据。

第3章对水声通信系统关键技术进行了概述，包括调制技术、信道编码技术和均衡技术。重点介绍了以上技术的现状、基本原理及常用的技术。

第4～5章研究低密度奇偶校验(Low Density Parity Check，LDPC)码在水声通信系统中的应用。其中，第4章针对传统LDPC 码存在的校验矩阵使用不灵活、准循环LDPC(Quasi CyclicLDPC, QCLDPC)码校验矩阵不满秩、编码复杂度高等问题，研究低复杂度的可逆QCLDPC 码。为了提高LDPC 码的性能，第5章研究导频辅助的LDPC编解码，通过插入硬导频和提取软导频辅助解码的策略，提高解码过程中变量节点与校验节点之间消息传递的可靠性，阻止错误消息的传播，从而降低数据误码率。

第6～8章研究均衡技术在水声通信系统中的应用。其中，第6章对复杂水声信道下的均衡技术进行了研究。针对水声信道的时变性特征，提出了基于加窗误差自相关估计的联合RLSLMS 算法，根据水声信道的实时状况自动选择合适的算法，改善均衡的整体性能。为了提高中短距水声通信系统的性能，第7章介绍了基于软硬导频辅助的线性Turbo均衡(PTE)算法。PTE算法加入了二阶LMS 算法、自适应步长因子调整算法和来回扫描数据处理方法，显著提高了均衡性能，降低了需要的迭代次数。针对远距水下通信系统，第8章研究基于阈值的判决反馈 (TDF) 均衡算法，根据信道的变化增加跟踪的灵活性，并且尽可能地降低复杂度，解决水声直接序列扩频通信系统存在的均衡器不能最优地跟踪水声信道的时变性的问题。

第9章针对水声通信机计算和存储能力有限的问题，探讨了水声通信系统的实时实现。

第10章总结本书的主要内容，并对水声通信系统的研究进行展望。

通过研究水声通信系统的关键技术——编解码技术和均衡技术，可以提高水声通信系统在长短距离传输时的可靠性，为后续节点组网、信息获取提供不可或缺的数据基础。

本书适合水声通信领域的高年级本科生、研究生或专业技术人员学习参考。

作者2020年8月