劉 寧，梁奇兵，高曉蘭

(昆明五威科工貿(mào)有限公司，云南 昆明 650106)

0 引 言

隨著國家建設(shè)海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的深入推進(jìn)和海洋資源的不斷開發(fā)，現(xiàn)代化海洋裝備迎來了空前的發(fā)展。為蛙人[1-2]水下作業(yè)和作戰(zhàn)提供主要信息保障，諸如水下通信、引導(dǎo)定位、導(dǎo)航和探測(cè)服務(wù)的蛙人水下信息系統(tǒng)在現(xiàn)今的軍事建設(shè)、海上資源勘探、近海打撈等方面發(fā)揮著不可替代的重要作用[3]。其中，蛙人水下語音通信系統(tǒng)因其具有良好的應(yīng)變能力，成為水下蛙人單兵作戰(zhàn)和蛙人群水下作業(yè)的重要裝備，蛙人水下語音通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水下蛙人與蛙人之間、蛙人與船體或岸基之間必要的信息交互[4]，通信方式示意圖如圖1所示。

圖1 蛙人水下語音通信機(jī)通信方式示意圖Fig.1 The communication mode of frogman underwater voice communicator

1 國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀

國外對(duì)水下語音通信研究起步較早，主要以O(shè)TS公司的系列產(chǎn)品為代表[5]，OTS公司的系列水聲語音通信機(jī)采用模擬單邊帶調(diào)制方式(Signal Side Band，SSB)進(jìn)行水聲通信，受水文環(huán)境影響較大，為此該通信機(jī)設(shè)置有遠(yuǎn)程模式(不帶門限)和近程模式(帶門限)兩種通信模式。其中較早的軍用版70 W水下語音通信機(jī)Magnacom SW-1000-SC2-CH，具有兩個(gè)信道，信道A(28.500 kHz，下邊帶(Lower Side Band,LSB))在平靜海面通信距離達(dá)到6 000 m，6級(jí)海況下為1 000 m，信道B(32.768 kHz，上邊帶(Upper Side Band,USB))在平靜海面通信距離達(dá)到1 000 m，6級(jí)海況下為100 m。該型水聲語音通信系統(tǒng)得到了美國軍方的認(rèn)可[6]。在諸如美國海軍海豹突擊隊(duì)等部隊(duì)，以及潛艇、水面艦艇和岸站等都安裝了該系統(tǒng)。民用版10 W水下語音通信機(jī) Aquacom SSB-1001B8-CH支持1～8個(gè)通信信道，通信距離為200～3000 m[3]。圖2所示的OTS Aquacom SSB-2010為新一代商業(yè)化應(yīng)用較廣泛的水下語音通信機(jī)[7]，傳輸頻帶為31～33 kHz，4個(gè)信道，通信距離為200～1 000 m。圖3所示的是Subsea Import Corporation公司的Diver Unit 1080VOX水下語音通信機(jī)[8]，采用上邊帶調(diào)制方式，可實(shí)現(xiàn)長達(dá)3 000 m的遠(yuǎn)距離通信，配備鍵控(Push To Talk,PTT)和聲控(Voice Operated Exchange,VOX)兩種可選語音發(fā)送開關(guān)。圖4所示的是Diverlink Underwater Communications公司的水下語音通信機(jī)Model COM-UC-8-10/20-SE-VOX[9]，8個(gè)信道，10 W通信距離為3 000 m，20 W通信距離為5 000 m。

圖2 OTS Aquacom SSB-2010型水下語音通信機(jī)[7]Fig.2 Model OTS Aquacom SSB-2010 frogman underwater voice communicator[7]

圖3 Diver Unit 1080VOX型水下語音通信機(jī)[8]Fig.3 Model Diver Unit 1080VOX frogman underwater voice communicator[8]

圖4 Model COM-UC-8-10/20-SE-VOX型水下語音通信機(jī)[9]Fig.4 Model COM-UC-8-10/20-SE-VOX frogman underwater voice communicator[9]

另外，國外相關(guān)單位對(duì)數(shù)字水下語音通信系統(tǒng)也進(jìn)行了深入的研究探索，早在1997年，國外學(xué)者就將數(shù)字技術(shù)引入到水聲語音通信系統(tǒng)中[10]，提出采用數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processing,DSP)來實(shí)現(xiàn)數(shù)字水下語音信號(hào)處理和傳輸?shù)姆椒ǎ⒊晒Φ販y(cè)試了通信系統(tǒng)。SARI H等[11]提出了一種新的數(shù)字水聲語音通信技術(shù)，利用線性預(yù)測(cè)編碼對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行壓縮，并通過數(shù)字脈沖位置調(diào)制，實(shí)現(xiàn)合適的語音參數(shù)的傳輸。?KTEM等[12]提出了一種采用正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)[13-14]作為擴(kuò)頻技術(shù)的水下語音通信系統(tǒng)，主要研究了應(yīng)用層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，分析可實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)速率和性能。該系統(tǒng)采用的自適應(yīng)通信參數(shù)將提供最多16個(gè)用戶間的語音在同一時(shí)間使用整個(gè)頻段的通信。REN H P等[15]提出了一種新的低信噪比混沌擴(kuò)頻蛙人用水聲語音通信方法。由混合動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)生的混沌信號(hào)被用作發(fā)射機(jī)端的擴(kuò)頻序列，在接收端，采用相應(yīng)的混沌匹配濾波器來抵消多徑傳播和噪聲的影響。該方法不需要常規(guī)水聲通信所需的復(fù)雜均衡和調(diào)制解調(diào)技術(shù)。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)方法相比，該方法具有良好的抗干擾能力和較低的誤碼率。

近年來，國外對(duì)蛙人水下語音通信機(jī)結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，IMRAN M[16]提出了一種新的蛙人用水下語音通信的系統(tǒng)、裝置和方法。該系統(tǒng)具有包括用于檢測(cè)并發(fā)送蛙人語音的麥克風(fēng)送話器和便于潛水員能夠聽到聲音的、通過蛙人的牙齒和頭骨傳導(dǎo)到耳蝸的聲音傳導(dǎo)器。麥克風(fēng)送話器和聲音傳導(dǎo)器易于附著在水肺或其他水下呼吸器上。文獻(xiàn)[17-18]在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上同樣有創(chuàng)新性探索。

國內(nèi)對(duì)水聲語音通信的研究起步較晚，從事水聲語音通信研究的高校和科研單位主要有中國科學(xué)院聲學(xué)研究所、廈門大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)、華南理工大學(xué)、昆明五威科工貿(mào)有限公司、中國船舶重工集團(tuán)第709研究所和蘇州桑泰科技有限公司等，并取得了豐碩的科研成果。其中中國科學(xué)院聲學(xué)研究所率先采用單邊帶調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了水聲通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括了4種通信體制(包括文字、圖像、語音和視頻)以適應(yīng)載人潛水器在海上航行以及深海探索的需要，該水聲通信系統(tǒng)成功裝備到了我國自主研發(fā)的深海載人潛水器蛟龍?zhí)柹蟍19]，在世界上首次實(shí)現(xiàn)了深度潛水器與母船之間多種通信體制的水聲通信傳輸[20]。哈爾濱工程大學(xué)針對(duì)水聲語音通信中的數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)，提出了時(shí)延差編碼通信體制[21]，研究了正交頻分復(fù)用OFDM[22-23]、正交相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keyin,QPSK)[24]、多進(jìn)制數(shù)字頻率調(diào)制(Multiple Frequency Shift Keying,MFSK)[25]、自適應(yīng)均衡[26]等技術(shù)，還進(jìn)行了矢量信號(hào)處理、矢量通信技術(shù)和信道仿真技術(shù)等研究，研制了基于以上這些數(shù)字調(diào)制方式的實(shí)時(shí)高質(zhì)量數(shù)字化水聲語音通信的試驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行了多次湖上和海洋長距離水聲數(shù)字語音通信，誤碼率低，所需帶寬小，語音通話質(zhì)量令人滿意[27-29]。西北工業(yè)大學(xué)王艷等[30]主要針對(duì)數(shù)字語音編碼技術(shù)進(jìn)行了深入研究，提出了一種基于快速自適應(yīng)碼書搜索方法的編解碼算法，理論和試驗(yàn)結(jié)果都表明該算法在抗噪和抗誤碼方面具有良好的性能，可有效克服淺海水聲信道復(fù)雜、通信頻帶窄的水文環(huán)境問題；在誤碼率低于2.5%時(shí)，均可實(shí)現(xiàn)清晰的語音通信。廈門大學(xué)水聲實(shí)驗(yàn)室提出了基于調(diào)頻制式[31]、語音識(shí)別與合成、數(shù)字檢測(cè)音節(jié)壓擴(kuò)綜合自適應(yīng)增量調(diào)制技術(shù)[32]，基于以上技術(shù)先后研制了第1代和第2代水聲語音通信樣機(jī)，其中第1代水下語音通信樣機(jī)進(jìn)行了多次海上測(cè)試實(shí)驗(yàn)，可達(dá)到7 500 m左右的穩(wěn)定通信距離；第2代水下語音通信樣機(jī)對(duì)第1代做了優(yōu)化改進(jìn)，加入了信道糾錯(cuò)編碼技術(shù)，在容錯(cuò)能力、系統(tǒng)的魯棒性等方面都有明顯增強(qiáng)，多次海上測(cè)試都達(dá)到了10 000 m左右的穩(wěn)定通信距離[20]。昆明五威科工貿(mào)有限公司采用文獻(xiàn)[33]中的數(shù)字單邊帶調(diào)制技術(shù)，研制了WRZ2水下語音通信機(jī)[34](如圖5所示)，已成功裝備某水下航行器，采用半雙工通信方式，最大通信距離約1 000 m，最大工作深度為30 m，待機(jī)時(shí)間達(dá)10 h。蘇州桑泰海洋儀器研發(fā)有限責(zé)任公司開發(fā)的水下語音通信機(jī)[35](如圖6所示)，采用PPT(鍵控)或VOX(聲控)兩種發(fā)射控制方式，2個(gè)信道，傳輸距離達(dá)1 500 m，最大工作深度為60 m。

圖5 WRZ2型水下語音通信機(jī)[34]Fig.5 Model WRZ2 frogman underwater[34]

圖6 蘇州桑泰型水下語音通信機(jī)[35]Fig.6 Model Suzhou Santai frogman underwater voice communicator[35]

2 關(guān)鍵問題

實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量水聲語音通信的關(guān)鍵是如何克服淺海復(fù)雜水文環(huán)境對(duì)語音信號(hào)的干擾。淺海水域一般是指海深在200 m以內(nèi)的大陸架海區(qū)，淺海水聲信道極其復(fù)雜，其主要特征表現(xiàn)為有限的通信帶寬、復(fù)雜的海洋環(huán)境噪聲以及由于時(shí)空變化引起的多途效應(yīng)[36]。多途效應(yīng)是影響水聲語音通信質(zhì)量的關(guān)鍵因素，這是由于水聲信號(hào)在淺海中傳輸受到海面、海底或障礙物以及溫躍層的反射、折射導(dǎo)致聲波傳輸路徑千差萬別，從而使接收機(jī)接收到的聲信號(hào)幅度衰弱、或產(chǎn)生碼間干擾和頻譜展寬，改變了發(fā)送碼元的波形，降低了通信的可靠性，限制了通信速率。針對(duì)以上多途效應(yīng)對(duì)水聲語音信號(hào)的影響，可考慮通過數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)增加碼元間的保護(hù)間隔，采用適當(dāng)?shù)姆旨夹g(shù)和自適應(yīng)技術(shù)來有效克服干擾。另外，可根據(jù)作用距離選擇合理的工作頻段以及改進(jìn)水聲換能器的結(jié)構(gòu)和指向性設(shè)計(jì)[37-38]，同時(shí)，蛙人在使用水下語音通信機(jī)的過程中要避開遮擋物等，這些方法都能有效改善多途效應(yīng)的干擾。水聲信道帶寬受限的主要原因是海洋對(duì)信號(hào)的吸收損失以及水聲換能器帶寬的限制。由于聲波在水中傳播過程中會(huì)受到介質(zhì)的反射、折射和熱吸收等，使得聲波能量會(huì)隨之衰減，衰減系數(shù)會(huì)隨著信號(hào)工作頻率的增加而上升，因此，要根據(jù)通信距離來選擇合適的水聲工作頻率[39]。由于海洋環(huán)境噪聲源較復(fù)雜，主要包括潮汐、洋流、海面波浪、風(fēng)成噪聲、生物噪聲、工業(yè)噪聲等，并且淺海環(huán)境噪聲頻譜級(jí)變化范圍較大，隨著頻率的降低，環(huán)境噪聲增大，因而水聲工作頻率不能選得太低。要克服淺海復(fù)雜水文環(huán)境噪聲對(duì)聲傳輸信道的干擾，必須根據(jù)作用距離選擇合適的工作頻帶和采用高質(zhì)量的水聲語音信號(hào)調(diào)制解調(diào)技術(shù)。

另外，在水下語音通信機(jī)配合水肺呼吸器使用過程中發(fā)現(xiàn)，蛙人在水下說話時(shí)，語音信號(hào)是在高壓空氣環(huán)境中產(chǎn)生的，呼吸閥向外部水中排除氣泡的過程伴隨著大量的噪聲，氣泡和呼吸噪聲直接影響發(fā)送和接收語音的清晰度。針對(duì)呼吸和氣泡噪聲的干擾，可考慮采用有效的濾波算法對(duì)發(fā)送的語音信號(hào)進(jìn)行處理，也可考慮改進(jìn)水肺呼吸器的結(jié)構(gòu)，在呼吸閥出口處增加更細(xì)的篩網(wǎng)使排出的氣泡盡量小而緩慢；采用骨傳導(dǎo)耳蝸聲音接收器來接收對(duì)方的聲音信號(hào)也是一種選擇。

3 發(fā)展趨勢(shì)

通過以上分析可知，對(duì)淺海聲信道傳輸?shù)恼Z音信號(hào)進(jìn)行高質(zhì)量的調(diào)制解調(diào)成為克服水下語音通信受有限的帶寬、復(fù)雜的海洋環(huán)境噪聲和多途效應(yīng)等影響的關(guān)鍵[40]。基于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的調(diào)制解調(diào)技術(shù)已取代模擬技術(shù)，成為蛙人水下語音通信領(lǐng)域發(fā)展的共識(shí)與趨勢(shì)[41-42]，越來越多的諸如擴(kuò)頻技術(shù)、信號(hào)編解碼技術(shù)、分集技術(shù)和自適應(yīng)技術(shù)等，被運(yùn)用到蛙人用水下語音通信系統(tǒng)中來改善聲能量的傳播損失、多途效應(yīng)和聲信號(hào)的衰落對(duì)水下語音信號(hào)傳輸?shù)挠绊?。水下語音通信中數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)被廣泛地運(yùn)用和研究，主要基于以下幾方面的原因：一是數(shù)字調(diào)制技術(shù)的糾錯(cuò)編碼技術(shù)以及加密技術(shù)可以增加傳輸?shù)目煽啃?，可有效地提高水聲語音通信系統(tǒng)的抗噪和抗誤碼等抗干擾能力；二是采用數(shù)字處理技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)水聲信號(hào)傳輸?shù)牟铄e(cuò)可控，可對(duì)時(shí)域和頻域范圍內(nèi)畸變的信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，抵消由于信道多途和頻率擴(kuò)展對(duì)水聲信號(hào)產(chǎn)生的影響；三是越來越強(qiáng)大的數(shù)字微處理器信號(hào)處理能力，使得對(duì)水聲語音信號(hào)能進(jìn)行各種復(fù)雜的快速調(diào)制解調(diào)，并且易與現(xiàn)代數(shù)字交換技術(shù)和數(shù)字存儲(chǔ)技術(shù)進(jìn)行互聯(lián)互通、信號(hào)中繼復(fù)用等[43]。

在水下語音通信機(jī)結(jié)構(gòu)組成方面，也由之前的分體式、大體積向模塊化、小型化、低功耗和一體式發(fā)展，如圖7和圖8所示。其中，圖7為OTS Buddy-Phone-2-on-mask型水下語音通信機(jī)[44]，通信機(jī)和全面罩一體化設(shè)計(jì)，通信機(jī)本體置于全面罩側(cè)面，采用干電池供電。圖8為DIVELINK Model COM-FFS SCUBAPRO型水下語音通信機(jī)[45]，通信機(jī)本體和全面罩合二為一，通信機(jī)本體置于頭盔后部，電池可拆卸充電，通信機(jī)整體結(jié)構(gòu)緊湊，更利于潛水員水下作業(yè)。

圖7 OTS Buddy-Phone-2-on-mask型水下語音通信機(jī)[44]Fig.7 Model OTS Buddy-Phone-2-on-mask frogman underwater voice communicator[44]

圖8 DIVELINK Model COM-FFS SCUBAPRO型水下語音通信機(jī)[45]Fig.8 DIVELINK Model COM-FFS SCUBAPRO frogman underwater voice communicator[45]

水聲語音通信技術(shù)由于其在軍事戰(zhàn)略和民用領(lǐng)域的廣泛需求和重要地位，已經(jīng)進(jìn)入了高速發(fā)展的新時(shí)期。但是水下語音通信機(jī)所面對(duì)的淺海水聲信道由于其諸多的復(fù)雜特性，使得水聲信道也成為了比空天信道更復(fù)雜的通信信道，相較于空天通信技術(shù)的發(fā)展，水聲語音通信技術(shù)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后[35]。隨著人類對(duì)海洋資源的深入探索，水聲語音通信技術(shù)必定會(huì)發(fā)揮越來越重要的作用[46]。因此，水聲語音通信技術(shù)在未來相當(dāng)長的時(shí)間都具有較大的發(fā)展空間和重要的研究?jī)r(jià)值。

4 結(jié) 論

國內(nèi)外對(duì)蛙人水下語音通信機(jī)進(jìn)行了大量探索和研究，并形成了序列化的產(chǎn)品。隨著現(xiàn)代新技術(shù)的發(fā)展，在調(diào)制方式上，數(shù)字調(diào)制技術(shù)逐漸取代模擬調(diào)制技術(shù)成為研究熱點(diǎn)，并且越來越多的基于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的諸如擴(kuò)頻技術(shù)、信號(hào)編解碼技術(shù)、分集技術(shù)和自適應(yīng)技術(shù)等調(diào)制解調(diào)技術(shù)被運(yùn)用到蛙人水下語音通信領(lǐng)域中，已成為克服水下蛙人語音傳輸中多途效應(yīng)和海洋環(huán)境噪聲等干擾因素對(duì)蛙人水下語音通話質(zhì)量影響的有效措施；在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，由之前的分體式、大體積向模塊化、小型化、低功耗和一體式發(fā)展，可更好適應(yīng)水下行動(dòng)和作業(yè)需求?？梢灶A(yù)見，在未來的近淺海作戰(zhàn)或民用領(lǐng)域水下作業(yè)中，蛙人水下語音通信機(jī)將成為一種重要工具，發(fā)揮不可替代的作用。