水聲通信原理與技術（簡體書）

隨著科技水平的不斷發展，海洋以其巨大的資源潛力和重要的戰略地位受到人們越來越高的重視。水聲通信技術作為一切獲取水下信息應用的基礎，成為了海洋研究的熱點之一。
水聲通信作為一門綜合性學科，涉及物理、通信原理、信號處理技術、傳感器技術等多門學科。水聲通信技術的目標是實現比特流的可靠無誤的傳輸，構建水聲傳感器網絡、多媒體數據的傳輸等都離不開可靠的水聲通信技術。
水聲無線通信的性能依賴於聲波在水中的傳播特性。相比於陸上電磁波信道，水聲信道中的延遲擴展高出其他信道幾個數量級，導致了更低的數據傳輸速率。另外，水聲信道的多徑擴展從50ms到幾秒的數量級變化。通信距離越長，延時和多徑數目也相應增加，從而導致多徑擴展越高。水聲信道的不同決定了不能將陸上已成熟的通信算法直接應用在水聲通信系統中。同時，水聲通信機以電池供電，內存和能量有限。因此，必須根據水聲信道的特征研究適合水聲信道的低復雜度通信算法。
本書以設計低復雜度、高可靠性的水聲通信系統為目的，針對物理層中的兩個關鍵部分——信道編解碼及均衡，進行了理論研究、性能分析及試驗驗證。具體章節安排如下。
第1章簡要介紹本書的研究背景，對水聲通信的發展軌跡進行了歸納，並總結信道編解碼和均衡技術的研究現狀。
第2章研究水聲信道特性對水聲通信系統的影響。介紹水聲信道中的傳播損失及環境噪聲對信噪比的影響，然後研究水聲信道中的多徑效應和時變特性。具體來說，多徑效應不僅增大了傳播損失，還使得符號間相互疊加，引起碼間串擾的產生，而信道的時變性則導致了信號的擴展或壓縮，給系統設計和信號恢復帶來極大困難。基於以上研究，本章比較了水聲信道與幾種典型的無線電信道，從相幹時間、相幹帶寬等方面反映了水聲信道的復雜性與特殊性。最後將聲吶方程引入到水聲通信系統的設計，通過綜合考慮水聲信道特性對通信的影響，為水聲通信系統設計提供了一個基本依據。
第3章對水聲通信系統關鍵技術進行了概述，包括調制技術、信道編碼技術和均衡技術。重點介紹了以上技術的現狀、基本原理及常用的技術。
第4～5章研究低密度奇偶校驗（Low Density Parity Check，LDPC）碼在水聲通信系統中的應用。其中，第4章針對傳統LDPC 碼存在的校驗矩陣使用不靈活、準循環LDPC（Quasi Cyclic-LDPC， QC-LDPC）碼校驗矩陣不滿秩、編碼復雜度高等問題，研究低復雜度的可逆QC-LDPC 碼。為了提高LDPC 碼的性能，第5章研究導頻輔助的LDPC編解碼，通過插入硬導頻和提取軟導頻輔助解碼的策略，提高解碼過程中變量節點與校驗節點之間消息傳遞的可靠性，阻止錯誤消息的傳播，從而降低數據誤碼率。
第6～8章研究均衡技術在水聲通信系統中的應用。其中，第6章對復雜水聲信道下的均衡技術進行了研究。針對水聲信道的時變性特征，提出了基於加窗誤差自相關估計的聯合RLS-LMS 算法，根據水聲信道的實時狀況自動選擇合適的算法，改善均衡的整體性能。為了提高中短距水聲通信系統的性能，第7章介紹了基於軟硬導頻輔助的線性Turbo均衡（P-TE）算法。P-TE算法加入了二階LMS 算法、自適應步長因子調整算法和來回掃描數據處理方法，顯著提高了均衡性能，降低了需要的迭代次數。針對遠距水下通信系統，第8章研究基於閾值的判決反饋 （TDF） 均衡算法，根據信道的變化增加跟蹤的靈活性，並且盡可能地降低復雜度，解決水聲直接序列擴頻通信系統存在的均衡器不能最優地跟蹤水聲信道的時變性的問題。
第9章針對水聲通信機計算和存儲能力有限的問題，探討了水聲通信系統的實時實現。
第10章總結本書的主要內容，並對水聲通信系統的研究進行展望。
通過研究水聲通信系統的關鍵技術——編解碼技術和均衡技術，可以提高水聲通信系統在長短距離傳輸時的可靠性，為後續節點組網、信息獲取提供不可或缺的數據基礎。
本書適合水聲通信領域的高年級本科生、研究生或專業技術人員學習參考。

第1章 緒論
1．1 水聲通信系統研究背景
1．2 水聲通信的發展
1．2．1 模擬通信體制
1．2．2 非相幹通信體制
1．2．3 相幹通信體制
1．3 水聲通信系統關鍵技術研究現狀
1．3．1 信道編解碼技術
1．3．2 均衡技術
1．4 本章小結

第2章 水聲信道對水聲通信系統的影響
2．1 引言
2．2 傳播損失及環境噪聲
2．3 多徑效應
2．4 水聲通信信道的時變特性
2．5 與陸上無線信道的比較
2．6 通信聲吶方程
2．7 水聲通信信道的信道容量
2．8 本章小結

第3章 水聲通信技術概述
3．1 引言
3．2 調制技術
3．2．1 調制技術概述
3．2．2 調制技術的分類
3．2．3 常用數字調制技術
3．2．4 多輸入多輸出系統
3．3 信道編碼技術
3．3．1 信道編碼技術概述
3．3．2 信道編碼技術的分類
3．3．3 幾種經典的信道編碼算法
3．4 低密度奇偶校驗碼
3．4．1 LDPC碼的矩陣表示與Tanner圖表示
3．4．2 LDPC碼的構造算法
3．4．3 LDPC碼的編碼算法
3．4．4 LDPC碼的解碼算法
3．5 均衡技術
3．5．1 均衡器分類
3．5．2 均衡器系數更新算法
3．6 Turbo均衡
3．7 本章小結

第4章 可逆QC-LDPC碼
4．1 引言
4．2 QC-LDPC碼概述
4．3 可逆QC-LDPC碼校驗矩陣的構造
4．4 基於可逆校驗矩陣的快速編碼算法
4．5 性能分析
4．5．1 復雜度分析
4．5．2 EXIT圖分析
4．5．3 誤碼率性能分析
4．6 本章小結

第5章 基於導頻輔助的LDPC編解碼
5．1 引言
5．2 基於硬導頻的LDPC編碼器
5．3 基於導頻輔助的解碼算法
5．3．1 軟導頻提取的理論依據
5．3．2 軟導頻提取算法
5．3．3 基於導頻輔助的解碼算法
5．4 性能分析
5．5 本章小結

第6章 基於加窗誤差自相關估計的聯合RLS-LMS均衡
6．1 引言
6．2 問題提出
……
第7章 基於軟硬導頻輔助的Turbo均衡
第8章 基於閾值的判決反饋均衡
第9章 實時水聲通信系統實現
第10章 總結與展望
附錄 部分學術用語中英文對照表
參考文獻