现代水声通信第二讲.ppt

第二章 水声信道特性,信息载体-声波; 多径传播-复杂; 系统带宽-有限; 环境噪声-很高; 传输衰减-很大;,n=0：适用管道中的声传播，平面波传播，TL=0； n=1：适用表面声道和深海声道，柱面波传播，TL=10logr，相当于全反射海底和全反射海面组成的理想波导中的传播条件； n=1.5：适用计及海底声吸收时的浅海声传播 ，TL=15logr，相当于计入界面声吸收所引起的对柱面波的传播损失的修正； n=2：适用于开阔水域（自由场），球面波传播，TL=20logr；,2.1 距离、带宽和信噪比,Thorp给出的简单而有效的吸收系数与频率之间的经验公式为,2.1.1 传播损失,声波在声场中的平均传播损失可表示为,2.1 距离、带宽和信噪比,2.1.1 传播损失,吸收系数与频率的关系,2.1 距离、带宽和信噪比,2.1.2 海洋环境噪声,海洋环境噪声文兹谱级图,2.1 距离、带宽和信噪比,2.1.2 海洋环境噪声,文献表明：在1 kHz 到10 kHz 频率范围内浅海的环境噪声谱级基本上在40 dB 到70 dB(参考声压级为1 Pa Hz )之间，3级海况时深海的环境噪声谱级在50 dB 到70 dB之间，并且随着频率的降低环境噪声随之增大，1 kHz 以下的环境噪声谱级均在70 dB以上，因此传输信号使用的载波频率的下限取1 kHz 。无论是深海还是浅海，海洋环境噪声的功率谱密度均被认为是以频率20 dB/decade 在下降。,2.1 距离、带宽和信噪比,2.1.2 海洋环境噪声,海洋中的噪声为高斯分布的连续谱，其声压的瞬时值的概率密度为,2002年4月，在海南三亚南海海域进行的海洋环境噪声试验，其10秒钟采样率为12KHz的噪声数据，分析结果如右图所示，横轴是电压，纵轴是在相应电压上噪声出现的次数。分析结果表明，海洋环境噪声服从正态(高斯)分布。,2.1 距离、带宽和信噪比,2.1.3 水声信道的通信距离和带宽,扩展损失只与距离有关，而吸收损失不但与距离有关而且还与频率有关，因此可用带宽有限。由传播损失和频率的关系、噪声和频率的关系可得3级海况下，发射声源级190dB，频率为110kHz，距离为10100km时，接收端传播距离、带宽信噪比的关系如下图,2.1 距离、带宽和信噪比,2.1.3 水声信道的通信距离和带宽,接收端传播距离、带宽信噪比的关系图,2.1 距离、带宽和信噪比,2.1.3 水声信道的通信距离和带宽,很明显一定传播距离时，这种关系影响了水声通信系统距离与载波频率及带宽的选择。 通信距离在10100km的为远程水声通信，带宽只有几kHz（1000km距离的水声通信，通信带宽只有1Hz）； 通信距离为110km的为中距离的水声通，带宽在10kHz数量级； 通信距离在1km以内的为短距离水声通信，其带宽超过10kHz，若通信距离在100m以内时，通信的带宽可在100kHz以上。,2.2 多径传播及空变特性,水声通信中多径信号产生示意图,2.2.1 多径传播,2.2 多径传播及空变特性,2002年4月，在海南三亚南海海域进行的海洋环境多径试验，多径检测信号为6s的线性调频（LFM）信号。将接收到的信号做拷贝相关，80km的多径检测结果如图所示。从图中可看出80km的多径信息主要集中于40ms以内，而300400ms仍有多径信号但其能量均较弱可忽略。,海洋环境多径时延,2.2.1 多径传播,2.2 多径传播及空变特性,实际上海洋中多径更多地来自大幅度起伏不平的海底山峦，由于它不受距离的限制，因此多径效应引起信号的时间扩展，在浅海中距离信道，多径扩展一般为10ms，有时可达几百毫秒，而在深海信道的多途扩展为几十微秒到几秒量级，且距离越远，多径扩展时间越长,2.2.1 多径传播,2.2 多径传播及空变特性,实际海洋温度一般是水平分层（三层）均匀的分布形式，由于折射和界面反射，海洋声信道大都呈现波导效应。海洋深度、发射接收端的深度，都对多径时延的长短有影响，因此其多径特性随发射、接收点空间位置的不同而变化，即水声信道是空变的。,深海典型声速抛面图,2.2.1 空变特性,2.2 多径传播及空变特性,在深海1000m，信号频率1.7kHz，距离100km，发射深度104m，接收深度305m时，各条传播路径的传播损失及传播时间如表21所示。表中所取的声线为主要本征声线，即其传播损失与最小传播损失相比，不大于30dB的声线。从表中可以看到，声线中最长的传播时间为68.25s，最短的传播时间为67.38s，相差0.87s。,表21 深海条件下发射深度104m接收深度为305m时的传播路径,2.2 多径传播及空变特性,保持其它条件不变，将接收深度改为120m时，各传播路径的传播损失及传播时间如表22所示。对比表21、表22说明接收深度及海洋环境对多径特性的影响很大。 表22 深海条件下发射深度104m接收深度120m时的传播路径,2.3 多普勒效应及时变特性,若发射机与接收机之间的径向运动速度为vr，在t=0时刻，收发之间的距离为L如图(a)所示，信号前沿到达接收端的时间为t1，则在t1时间内接收端向发射端靠近了vrt1 ,当信号的后沿到达接收端时，接收端又向发射端靠近了,，,2.3 多普勒效应及时变特性,若发射信号的持续时间为T，则接收信号的持续时间为,当有传播延迟时 ，接收信号可表示为,2.3.1 多普勒效应,若发射信号可表示为,2.3 多普勒效应及时变特性,不考虑传播延迟时，接收信号可表示为,其中多普勒因子,2.3.1 多普勒效应,2.3 多普勒效应及时变特性,满足 或,多普勒效应可视为简单的载波偏移,多普勒频移,2.3.1 多普勒效应,2.3 多普勒效应及时变特性,水声信道的时变特性包括两个方面：一个是水声信道本身固有的特性；另一个是收发间的相对运动引起。,水声信道本身固有的时变特性由两个方面引起： 一种是水流引起声速梯度的变化，使得声传播的方向发生变化； 另一种是海面的波动，使得声波发生色散；,2.3.2 时变特性,2.3 多普勒效应及时变特性,海洋表面波浪引起反射点的移动，从而造成声波的多普勒扩展。反射波为零均值高斯分布的随机过程，功率谱与风速有关。当载波频率为f，入射角为，风速为w时，一次海面反射引起的多普勒扩展为,当通信距离远远大于深度时， ，不同风速，不同载波频率条件下的多普勒扩展如图所示,2.3.2 时变特性,2.3 多普勒效应及时变特性,时不同风速、不同载波频率条件下的多普勒扩展,2.3.2 时变特性,2.3 多普勒效应及时变特性,2005年1月30日在云南抚仙湖进行的水声时变特性试验，估计风速3m/s，实验区域水深40100m，不存在明显的温跃层，声速呈现微弱负梯度，发射换能器布放深度为6m，接收换能器布放深度为22m，收发端距离25km，接收船抛锚，发射船停机，收发之间有轻微的移动。发射持续时间为4s，频率分别8kHz、5kHz、2kHz、1.8kHz的单频信号，取频率精度为0.25Hz进行分析，结果如图28所示，其频率扩展分别为1.25Hz、0.75Hz、0.5Hz、0.25Hz，与理论分析结果一致。,2.3.2 时变特性,2.3 多普勒效应及时变特性,a 8000Hz的频率偏移约为1.25Hz b 5000Hz的频率偏移约为0.75Hz,2.3.2 时变特性,2.3 多普勒效应及时变特性,水声信道脉冲响应时变图,2.3.2 时变特性,2.3 多普勒效应及时变特性,2.3.2 时变特性,2.3 多普勒效应及时变特性,2.3.2 时变特性,2.3 多普勒效应及时变特性,2.3.2 时变特性,若发射信号为,无运动时接收信号,有运动时接收信号,2.3 多普勒效应及时变特性,2.3.2 时变特性,2.3 多普勒效应及时变特性,2.3.2 时变特性,2.4 水声信道的模型 2.4.1 水声信道的统计特性,水声信道为时变、空变、扩展衰落的信道，且这种时变空变特性对于用户来说是无法预知的，是一个二维的随机过程，应当用二维概率密度函数表征其统计特性,若发送信号为,接收信号为,表示时变时延扩展信道t时刻的冲激响应,2.4.1 水声信道的统计特性 信道的时间（多径）扩展及相干带宽,假设,是广义平稳的（WSS），则,的自相关函数为,在海洋传输介质中，同路径延时,相关联的信道衰减和相移与路径时延,相关联的信道衰减和相移是不相关的，这叫做非相关散射（US）,水声信道是广义平稳非相关散射（WSSUS）,令,称为多径强度分布。,不为零的,Tm的理论值很难得到，通常使用实测值。,信道的时间扩展Tm：,值范围就是信道的时间扩展Tm,2.4.1 水声信道的统计特性 信道的时间（多径）扩展及相干带宽,信道的时间扩展与相干带宽的关系：,相干带宽 ： 基本不为零的宽度被称为信道的相干带宽。,以两经传输的例子来分析海洋多径信道中的时间扩展与相干带宽的关系。假设到达接收点的两路信号具有相同的幅度和一个相对的时延差T。频率特性将依赖于,2.4.1 水声信道的统计特性 信道的频率（多普勒）扩展和相干时间,其自相关函数为,令f0，得到信道的多普勒功率谱,信道的多普勒扩展Bd：,不为零的,范围称作信道的多普勒扩展,信道的相干时间 ：,为信道冲击响应维持不变的时间间隔的统计平均值 ，一般都要求符号周期,2.4.1 水声信道的统计特性 信道的衰落特性,信号经历了慢衰落，否则为快衰落,信号经历了频率选择性衰落，否则为非频率选择性衰落,a 时域：信号的符号周期 b 频域：信号的基带带宽 图2-9 信号经历的衰落类型和信道参数之间的关系,2.4.1 水声信道的统计特性 最佳符号周期 T的选择,一方面要求符号周期 ，以克服时间选择性衰落对信号的影响，即要求信号经历慢衰落，另一方面又要求 ，以克服频率选择性衰落的影响和减少码元间的相互干扰，因此需要综合考虑这两种要求。,理论上可以证明，最佳的符号周期 ：,2.4.2 水声信道模型,2005年在云南抚仙湖进行试验中，频率分别8kHz、5kHz、2kHz、1.8kHz的单频信号，其频率扩展Bd分别为1.25Hz、0.75Hz、0.5Hz、0.25Hz，相应的相干时间分别为0.8s、1.33s、2s、4s。也就是说，选择符号周期T0.8s即为慢衰落信道。,2.4.2 水声信道模型 频率非选择性慢衰落信道,接收信号可表示为,其中频率非选择信道的转移函数为,2.4.