2. 水声信道对FSK/PSK的影响

在水声通信系统设计中，调制方式的选择从来不是孤立的数学问题，而是由信道特性反向约束的工程决策。FSK（频移键控）与PSK（相移键控）之所以在水声领域呈现出截然不同的适用场景，根本原因在于水声信道的四类典型损伤——多径扩展、多普勒频移与扩展、环境噪声、传播衰减——对"频率信息"和"相位信息"的破坏程度并不对等。理解这种不对等，是后续系统设计、参数选取与性能评估的基础。

一、多径：频率选择性衰落与码间干扰

水声信道最显著的特征是强多径。海面反射、海底反射以及声速剖面引起的折射，使同一发射信号沿多条路径到达接收端，路径时延差从浅海的几毫秒到深海的上百毫秒不等。多径在频域上表现为相干带宽的限制：当信号带宽超过信道相干带宽时，不同频率分量经历不同的幅度与相位响应，形成频率选择性衰落。

对FSK而言，多径的主要损伤是码间干扰与频率选择性衰落。FSK依靠不同载频承载不同符号，若相邻频率间隔小于信道相干带宽，两个频率分量会经历相近的衰落，判决仍可维持；但若多径时延扩展超过一个符号周期，前一符号的能量会拖尾进入当前符号的判决区间，造成码间干扰。工程上常通过增大频率间隔、插入保护间隔或采用跳频来缓解，代价是带宽效率下降。

对PSK而言，多径的损伤更为直接。PSK的信息承载在载波相位上，而每条多径分量都带来一个附加相移。当多条路径的相位在接收端叠加时，合成信号的相位可能偏离发射相位任意角度，导致判决错误。更严重的是，多径引起的相位旋转随频率和时间变化，使PSK在没有均衡或分集的情况下几乎无法工作。这正是水声PSK系统普遍需要信道均衡、RAKE接收或单载波频域均衡的原因。

二、多普勒：频移与频扩展的双重作用

水声平台的运动（舰船、潜器、浮标）以及海面波浪的散射，都会引入多普勒效应。多普勒频移量由相对径向速度与声速之比决定，例如声速取1500 m/s、相对速度5 m/s时，频移约为载频的0.33%。在12 kHz载频上，这相当于约40 Hz的偏移；在30 kHz上则接近100 Hz。除平均频移外，波浪散射还会造成多普勒扩展，使接收信号频谱展宽。

对FSK，多普勒频移使整个频率栅格发生平移。若频移量接近或超过相邻频率间隔的一半，接收端滤波器组的中心频率与信号频率错位，能量泄漏到相邻判决支路，误码率上升。多普勒扩展则使每个频率分量展宽，进一步加剧支路间串扰。因此FSK系统通常需要频率同步或自适应频率跟踪，且频率间隔设计要留出多普勒余量。

对PSK，多普勒的影响体现在相位上：频移对应相位随时间的线性累积，一个符号周期内累积的相位误差若接近π/2，QPSK判决就会严重恶化。多普勒扩展则使相位在符号内抖动，破坏相位相干性。这就是水声PSK必须进行载波相位跟踪、且常采用差分编码或插入导频的原因。可以这样理解：FSK怕"频率错位"，PSK怕"相位跑偏"，两者对多普勒的敏感维度不同。

三、噪声与衰减：信噪比预算的两端

水声环境噪声主要包括航运噪声、风浪噪声、生物噪声和热噪声。航运噪声在低频段占主导，风浪噪声与海况相关，热噪声在高频段上升。噪声的脉冲性（如虾群爆裂声）会造成突发错误，对依赖连续相位参考的PSK影响更大，因为一次相位参考的破坏会波及后续多个符号；FSK的非相干检测对短时脉冲相对宽容。

传播衰减由扩展损失和吸收损失构成。球面扩展使声强随距离平方衰减，吸收损失随频率近似指数增长，高频衰减尤为剧烈。这直接限制了可用带宽：频率越高，带宽越宽但作用距离越短。FSK若采用较宽的频率间隔，往往被迫使用较高频段，衰减更快；PSK追求高频谱效率，也需要在带宽与距离之间权衡。工程上常以品质因数、信噪比预算和误码率曲线来量化这一权衡。

四、损伤机制对照与设计启示

把四类损伤放在一起看，可以得到一个清晰的判断：FSK把信息放在频率上，对相位不敏感，因而对多径相位叠加和多普勒相位旋转具有天然免疫力，主要代价是带宽效率；PSK把信息放在相位上，频谱效率高，但对多径相位失真、多普勒相位累积和相位参考的连续性极为敏感，必须配套均衡、同步与分集。实际系统选型时，若信道多径严重、平台机动大、且带宽受限，FSK及其衍生方式更稳妥；若信道相对稳定、可通过均衡与导频获得可靠相位参考，PSK才能发挥其效率优势。