《衰落信道中的水声通信技术》系统而深入地阐述抗衰落水声通信技术的基本概念和工作原理，并结合实例介绍抗衰落通信技术的研究方法和分析步骤。与此同时，《衰落信道中的水声通信技术》力求充分反映当前国内外水声通信技术的*新发展成果与趋势。《衰落信道中的水声通信技术》共6章，内容包括绪论、衰落水声信道的分析与仿真、衰落水声信道中的分集技术、水声通信中的自适应均衡技术、水声通信中的MIMO通信技术和水声通信中的信道编码。《衰落信道中的水声通信技术》内容丰富，概念清晰，理论分析严谨，注重理论联系实际。各章还准备了一定数量的例题，便于读者深入学习和研究。

目录
丛书序
自序
第1章 绪论 1
1.1 水声通信概述 2
1.1.1 水声通信系统的基本组成 2
1.1.2 水声通信系统的主要性能指标 11
1.1.3 水声通信的特点 13
1.2 水声通信中抗衰落技术的研究与发展 15
1.2.1 信道衰落的基本概念 15
1.2.2 抗衰落通信技术 16
1.2.3 水声通信系统中的抗衰落技术 22
参考文献 28
第2章 衰落水声信道的分析与仿真 31
2.1 水声信道的传播特性 31
2.1.1 时变、空变的声速 31
2.1.2 声能量的传播损失 33
2.1.3 声传播的多径效应 35
2.1.4 声传播的起伏效应 36
2.1.5 多普勒频移与扩展 38
2.1.6 水声信道的衰落 39
2.2 衰落水声信道的时变模型 40
2.2.1 时变多径水声信道的表示 40
2.2.2 水声信道冲激响应的时变模型 42
2.2.3 信道的扩展与相关性 46
2.2.4 时变多径信道的信号传输与衰落 48
2.3 时变多径水声信道的模型与仿真 55
2.3.1 射线模型 56
2.3.2 抽头延时线模型 57
2.3.3 时变多径水声信道的仿真 59
2.4 水声信道容量的分析 65
2.4.1 信道容量的概念 65
2.4.2 水声信道容量及其分析 67
参考文献 71
第3章 衰落水声信道中的分集技术 72
3.1 分集技术的概述 72
3.1.1 分集的基本概念 72
3.1.2 合并的基本概念 74
3.1.3 衰落信道中分集的误码率性能 77
3.2 应用于水声通信中的分集技术 82
3.2.1 频率分集 82
3.2.2 空间分集 83
3.2.3 时间分集 84
3.3 多径分离与Rake接收技术 84
3.3.1 多径分离技术 84
3.3.2 Rake接收机 85
3.3.3 多径分离与Rake接收的仿真分析 88
3.4 水声信道中的扩频技术 90
3.4.1 扩频通信的系统模型 90
3.4.2 DSSS 92
3.4.3 FHSS 95
3.5 DSSS-FSK扩频技术 97
3.5.1 DSSS-FSK系统的模型 97
3.5.2 DSSS-FSK系统的性能分析 99
参考文献 102
第4章 水声通信中的自适应均衡技术 103
4.1 高速率的水声通信与均衡技术 103
4.2 有码间干扰信道的等效离散时间模型 105
4.3 自适应时域均衡 107
4.3.1 线性均衡器 109
4.3.2 *小均方误差准则 110
4.3.3 DFE 111
4.3.4 自适应均衡算法 113
4.4 联合同步与自适应均衡 122
4.4.1 水声信道的传播特性对自适应均衡的影响 122
4.4.2 联合同步/均衡接收机结构 123
4.4.3 降低复杂度的自适应均衡 125
4.5 单载波频域均衡 127
4.5.1 单载波频域均衡的基本概念 128
4.5.2 频域均衡中的信道估计 133
4.6 水声通信中的单载波频域均衡 135
4.6.1 水声信道的频域响应估计与去噪处理 136
4.6.2 联合信道时频域估计与噪声估计方法 137
4.6.3 单载波频域均衡的性能分析 147
参考文献 152
第5章 水声通信中的MIMO通信技术 154
5.1 MIMO通信概述 154
5.1.1 MIMO通信系统的一般结构 154
5.1.2 MIMO信道容量 156
5.1.3 水声MIMO信道容量的仿真分析与测量 162
5.2 空时编码概述 167
5.2.1 平坦衰落信道上空时编码的性能与设计准则 167
5.2.2 空时编码在频率选择性衰落信道上的性能 169
5.2.3 空时分组编码 171
5.2.4 分层空时码 174
5.3 多径衰落水声信道中的空时编码 179
5.3.1 多径衰落信道中的空时编码 179
5.3.2 空时分组扩频编码 180
5.3.3 基于频谱扩展分层空时编码方案 187
5.4 采用自适应均衡的MIMO通信 195
5.4.1 MIMO时域自适应均衡器 195
5.4.2 基于信道时延排序的OSIC算法与MIMO频域均衡 200
参考文献 211
第6章 水声通信中的信道编码 214
6.1 信道编码概述 214
6.1.1 差错控制的基本方式 214
6.1.2 信道编码的基本概念 216
6.2 编码信道的差错统计特性 218
6.2.1 编码信道 218
6.2.2 差错统计特性 219
6.2.3 编码信道模型的分类 220
6.3 水声信道的GBSC模型 220
6.3.1 GBSC模型 221
6.3.2 基于GBSC模型的水声信道分析 223
6.4 水声信道的简单F模型 226
6.4.1 弗里奇曼模型 226
6.4.2 无误间隔分布 228
6.4.3 简单F模型 229
6.4.4 差错概率计算 231
6.4.5 简单F模型的计算程序流程图 232
6.4.6 基于简单F模型的水声信道分析 233
6.5 信道编码的性能估计 235
6.6 LDPC编译码算法 239
6.6.1 LDPC的基本理论 239
6.6.2 LDPC的编码方法 240
6.6.3 LDPC码的译码算法 2

第1章 绪论
　　21世纪是人类全面认识、开发、利用和保护海洋的世纪。海洋将成为人类生存与发展的新空间，是沿海各国经济和社会可持续发展的重要保障，是影响国家战略安全的重要因素。
　　当前，我国的海洋经济、资源开发和国防建设正面临从“浅近海”向“深远海”的转变。通过海洋科技创新，实现海洋认知能力的提升，是实现这一转变的关键。以信息化、数字化为基础，以建设“数字海洋”“透明海洋”“智慧海洋”为目标，整合深海探测、传感、水下通信技术，是实现这一转变的技术基础。
　　水下信息传输技术在深海勘探、海洋实时立体探测，以及信息化、网络化、无人化海战中起着至关重要的作用。目前，可用于水下信息传输的技术包括水下光通信、水声通信、水下电磁波通信、水下量子通信等。其中，水声通信由于信号衰减小，传输距离远，已成为中远距离水下通信的主要方式，广泛地应用于水下通信、探测、导航、定位和传感等领域。
　　水声通信以声波为信息的载体，利用水声信道进行信息的传输，是目前发展*为成熟、应用*广的水下通信技术。在数十年间，水声通信受到水声物理学和无线通信领域研究人员的广泛重视，吸引大量研究，取得了长足进步，已经从点对点通信发展到水下组网通信，成为水下网络通信的关键技术之一。
　　但水声通信的性能极易受水声信道传播特性的影响。水声信道是由海洋及其上下边界构成的介质空间，其复杂的内部结构和*特的上下边界会对声波的传播产生许多不同的影响。水声信道中的传播损失、多径效应、随机起伏和多普勒扩展等使得水声信道呈现时间、频率和空间选择性衰落，引起信号的幅度衰减、频率偏移、相位抖动，甚至出现码间干扰（inter-symbol interference，ISI）；造成通信信号的线性和非线性失真，导致水声通信的数据率受限，可靠性严重下降，并严重影响通信性能的稳健性。因此，数十年来，各种先进的时、频、空域分集和信号处理技术，如自适应时频域均衡技术、多载波调制、多输入多输出和空时编码（space-time coding，STC）、扩频（spread spectrum，SS）技术与Rake接收等，被广泛地应用于水声通信系统中，用来抵消信道衰落，补偿信号失真，以实现高速、高可靠的水声通信。
　　随着水下通信、控制、供能等关键技术的解决，具有持续感知、高速传输、有效控制能力的水下综合信息系统将成为可能。其中，进行中远距离传输的水声通信将起到不可替代的作用。而要在各种应用环境中都实现高效、高可靠的水声通信，则需要采用有效抗衰落的通信与信号处理技术，来抵消时变衰落的水声信道对通信信号的影响。
　　本书将着重讨论应用于衰落信道的水声通信技术，介绍抗衰落水声通信技术的概念、组成和实现等。
　　本章从水声通信概述入手，简要介绍水声通信系统的组成和特点，并概述信道衰落的概念及抗衰落通信技术等。
　　1.1 水声通信概述
　　1.1.1 水声通信系统的基本组成
　　水声通信是借助水声信道进行信息传送的特殊的无线通信，在系统组成、性能指标上与无线电通信有许多相似之处。目前，水声通信系统大多为数字通信系统，其主要组成部分包括发射换能器、接收换能器、编码器、译码器、调制器、解调器，以及水声信道等，如图1-1所示。
　　图1-1 水声通信系统的基本组成
　　若要发送的信息是声音、图像等模拟信息，*先经信源编码，将模拟信息转换为数字信息。数字信息经载波调制后，变换成易于在水声信道传输的调制信号。调制信号再经放大后送入发射换能器中，将电信号转换为声信号，进入水声信道进行传输。在接收端，经由信道传输的声信号*先由接收换能器转换成电信号，经放大、滤波等预处理后，进入解调器进行解调，得到数字信息，再经译码后恢复成原声音或图像信息。
　　下面简要介绍水声通信系统中各部分的主要功能、作用与影响。
　　1.水声信道
　　信道是指以传输介质为基础的信号通道，是由有形或无形的线路为信号传输提供的一条通道。水声信道是指以声波为信息的载体，借助于海水介质的无线传输通道，包括海面、海水和海底。一般说来，海面是一个随机起伏的软表面。海水介质中有分散或密集的非均匀散射体，如层流、湍流等。海水和海底沉积层有粗糙的分界面，而一般海底具有分层结构和水平变化。因此，水声信道中存在许多对声传播具有重要影响的物理效应。
　　从水声通信的角度看，水声信道主要的物理效应包括时变、空变的声波传播速度（简称声速），声能量的传播损失，声传播的多径效应，声传播的多普勒效应，以及声信号的起伏效应等。其中，声速随深度的变化使得声波的传播路径（声线）弯*，造成声波传播呈现波导效应。
　　声信号从声源向接收点的传播过程中，信号能量会逐渐减弱。在水声学中，常采用传播损失来概括海洋中各种信号能量损耗的效应。水声信道中的传播损失随距离和频率的增加而显著增加，使得高频信号在