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水下通讯的秘密：如何用声波传递讯息？
水下通讯是一种在水中传送和接收讯息的技术。这项技术的发展在过去几十年中进步迅速，但其本质的挑战依然存在。传统的水下通讯方式主要利用水声波进行讯息传递，例如水下话筒（hydrophones）。然而，水下环境的特性，例如多路传播、通道的时间变化以及强信号衰减，使得水下通讯运行起来相对困难。
与地面通讯相比，水下通讯的数据传输速率相对较低，因为它使用声波而非电磁波。
19世纪初，一些舰艇曾利用水下钟来进行通讯，随后的Fessenden振荡器技术也让潜艇之间的通讯取得进展。当前，水下通讯技术涵盖了许多不同的调制类型，以下将深入探讨这些调制方式及其在水下声学通讯中的应用。
水下声学通讯调制类型
频率偏移键控 (FSK)
频率偏移键控是最早用于水下调制的方式之一。该技术通常使用两个明确的频率来传递数据，并透过频率的切换来表达二进制值。尽管FSK的调制电路可以非常简单，但在多路径反射的情况下却面临不小挑战。
相位偏移键控 (PSK)
相位偏移键控是一种透过改变载波信号相位来传递数据的数字调制技术。此技术在无线局域网、RFID和蓝牙通讯中被广泛用于其效率和稳定性。
正交频分多工 (OFDM)
OFDM是一种数字多载波调制方案，能在水下声学通讯中特别有效，因其对频率选择性通道的抵抗力强，适合长延迟的环境。
连续相位调制 (CPM)
连续相位调制技术具有较高的频谱效率，通过平滑的相位变化来降低频谱侧叶，这对于水下信号的完整性至关重要，能有效减少多路径和信号衰减的影响。
向量传感器的使用
相较于传统的标量压力传感器，向量传感器能够测量声学粒子速度等向量场组件。这种技术在探测和声纳中得到了广泛应用，并被提出用于水下多通道通讯接收器和均衡器。
应用实例
水下电话
水下电话从1945年起便被美国海军使用，特别是在潜艇和舰艇中。它可以通过声学信号进行双向通讯，是一项重要的操作设备。
JANUS
2017年4月，北约海洋研究与实验中心宣布了JANUS标准化协议，该协议能在水下使用声学信号传输数位资讯。 JANUS的设计使得它能够在军事和民事设备中广泛应用。
水下消息传递
市场上也出现了专为潜水者设计的水下双向消息传递硬体，这些设备能够使用声波实现通讯。此外，研究人员也探索了使用防水手机进行水下通讯的可能性，这一创新展示了水下声学通讯的未来潜力。
随着科技进步，水下声学通讯的应用范围将可能扩展至更多领域，这些技术如何在未来可能会改变水下探索和通讯的方式呢？
