水中音響通信

FSKは、音響モデムで使用される最も初期の変調方式です。FSKは通常、2つの異なる周波数を使用してデータを変調します。例えば、周波数F1はビット0を、周波数F2はビット1を示します。したがって、バイナリ文字列は、0か1かに応じてこれらの2つの周波数を交互に使用することで送信できます。受信機は、2つの周波数に対応するアナログ整合フィルタと、受信したデータが1か0かを判定するレベル検出器を備えただけのシンプルな構成で済みます。これは比較的容易な変調方式であるため、初期の音響モデムで使用されていました。しかし、現在では、デジタル信号プロセッサ（DSP）を使用したより高度な復調器が使用されています。

UACにおけるFSKの最大の課題は、マルチパス反射です。マルチパス（特にUACの場合）では、受信ハイドロホンで複数の強い反射が発生し、閾値検出器が混乱するため、このタイプのUACの使用は垂直チャネルに大きく制限されます。適応等化手法が試みられてきましたが、成功は限定的です。適応等化は、反射率の高いUACチャネルをモデル化し、受信信号からその影響を差し引こうとします。しかし、状況が急速に変化し、時間的に適応することが難しいため、成功は限定的です。

位相偏移変調（PSK）は、基準信号（搬送波）の位相を変化させる（変調する）ことでデータを伝送するデジタル変調方式です。信号は、正弦波と余弦波の入力値を正確なタイミングで変化させることにより、磁場領域x、yに印加されます。無線LAN、RFID、Bluetooth通信などで広く利用されています。

直交周波数分割多重（OFDM）は、デジタルマルチキャリア変調方式の一つです。OFDMは、間隔の狭い直交サブキャリア信号を組み合わせることで、複数の並列データチャネル上でデータを伝送します。

OFDMは、遅延拡散の大きい周波数選択性チャネルに対する耐性があるため、水中音響通信において好ましい通信方式である。^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}

連続位相変調（CPM）は、連続位相シフトによる変調技術であり、搬送波信号の位相が時間とともに変化し、連続するシンボル間の急激な変化を回避します。この滑らかな位相軌跡により、スペクトルサイドローブが低減されます。^{[ 6 ]}

スペクトルサイドローブを低減すると、CPM のスペクトル効率が向上し、より狭い帯域幅でデータを送信できるようになります。CPM の注目すべきバリアントには、位相シフトを平滑化するためにガウスフィルタを使用する最小シフトキーイング(MSK) とガウス最小シフトキーイング(GMSK)があります。^{[ 7 ] [ 8 ]}

水中環境は散乱が激しいため、マルチパス伝搬や信号劣化を引き起こす可能性があります。CPMの連続位相機能はこれらの影響を軽減し、信号の完全性を維持します。さらに、高いスペクトル効率により、水中での限られた帯域幅を最適に活用できます。^{[ 6 ]}

水中電話は、UQC、AN/WQC-2、またはガートルードとも呼ばれ、1935年にドイツのキールで海上でのさまざまな実装が実証された後、1945年に米国海軍で使用されました^{[ 16 ] 。UQC}とAN/WQC-2という用語は、統合電子機器型式指定システムの命名法に従います^{[ 18 ]}。型式指定「UQC」はGeneral Utility (multi use)、Sonar and Underwater Soundおよびを表しますCommunications (Receiving/Transmitting, two way)。WQCの「W」はを表しますWater Surface and Underwater combined。水中電話は、すべての有人潜水艇と運用中の多くの海軍水上艦艇で使用されています^。UQCを^介して通信される音声またはオーディオトーン（モールス信号）は、水中での音響伝送のために高音にヘテロダインされます^{[ 19 ] 。}

2017年4月、NATOの海洋研究実験センターは、水中でのデジタル情報の伝送に音響を使用する標準化プロトコルであるJANUSの承認を発表しました^{[ 20 ]} 。これは、モデムやファックス機が電話回線で伝送するのと同様です。 ^{[ 21 ]} STANAG 4748に文書化されており、最大28キロメートル（17マイル） の距離で900Hzから60kHzの周波数を使用します。^{[ 22 ] [ 23 ]}軍用および民間用、NATOおよび非NATOのデバイスで使用可能で、門や開口部などのローマ神にちなんで名付けられました。  

JANUS仕様（ANEP-87）は、柔軟なプラグインベースのペイロード方式を提供します。ベースラインのJANUSパケットは64ビットで構成され、さらに任意のデータ（貨物）を追加できます。^{[ 24 ]}これにより、緊急位置、水中AIS（自動識別システム）、チャットなど、さまざまなアプリケーションが可能になります。緊急位置とステータスメッセージの例は、次のJSON表現として記述できます（実際のパケットは効率的なバイナリ形式です）。^{[ 25 ] [ 26 ]}

{ "ClassUserID" : 0 , "ApplicationType" : 3 , "Nationality" : "PT" , "Latitude" : "38.386547" , // 内部的には 90/8388607 度の単位"Longitude" : "-9.055858" , // 同上"Depth" : "16" , // 内部的には整数、メートル"Speed" : "1.4" , // 内部的には 0.1 ノットの単位"Heading" : "0.0" , // 内部的には 0.705 度の単位"O2" : "17.8" , // 内部的には 0.1% (17%-23.3%) の単位"CO2" : "5.0" , // 内部的には 0.1% (0-6.3%) の単位"CO" : "76" , // 内部単位は 1 ppm "H2" : "3.5" 、// 内部単位は 0.1% (0-6.3%) "圧力" : "45.0" 、// 内部単位は 0.1 bar (0.9-103.2 bar) "温度" : "21.0" 、// 内部単位は 1 ℃ (0-63 ℃) "生存者" : "43" 、// 0-255 "モビリティフラグ" : "1" 、// ここから始まる行は、ClassUserID および ApplicationType と同様に「ベースライン メッセージ」の内容です。1 = モバイル"転送機能" : "1" 、// ルーティングに使用"TxRxフラグ" : "0" 、// 0 = 送信のみ、1 = 双方向可能"スケジュールフラグ" : "0" }

この緊急位置および状態メッセージ（クラスID 0 アプリケーション3プラグイン）は、ポルトガルの潜水艦が北緯38.386547度、西経9.055858度、水深16メートルに位置していることを示しています。潜水艦は北へ1.4ノットで航行しており、乗員43名が生存しています。また、周囲の環境状況も示されています。

市販のハードウェア製品は、スキューバダイバー間の双方向水中メッセージングを可能にするように設計されています。^{[ 27 ] [ 28 ]}これらは、音響通信を使用してダイブコンピュータから事前に定義されたメッセージのリストから送信することをサポートしています。

研究では、水中通信のために防水ケースに入れたスマートフォンを使用する方法や、音響モデムハードウェアを電話のアタッチメントとして使用する方法^{[ 29 ]}、および追加のハードウェアなしでソフトウェアアプリを使用する方法も検討されている[30]。ワシントン大学のAndroid^{ソフトウェアアプリAquaApp}は、既存のスマートフォンやスマートウォッチのマイクとスピーカーを使用して水中音響通信を可能にする^{[ 31 ]} 。このアプリは、最大100mの距離にいるダイバー間でスマートフォンを使用してデジタルメッセージを送信するテストが行​​われた^{[ 30 ] 。}